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[導(dǎo)讀] 摘 要:載波跟蹤環(huán)路設(shè)計是GPS 接收機中的關(guān)鍵技術(shù),載波環(huán)鑒別器的類型確定了跟蹤環(huán)的類型,為了有效地防止因為數(shù)據(jù)跳變引起的鑒別誤差,并且使其頻率鑒別范圍大,精度高,采用一種二階鎖頻環(huán)( FLL) 輔助三階鎖

   摘  要:載波跟蹤環(huán)路設(shè)計是GPS 接收機中的關(guān)鍵技術(shù),載波環(huán)鑒別器的類型確定了跟蹤環(huán)的類型,為了有效地防止因為數(shù)據(jù)跳變引起的鑒別誤差,并且使其頻率鑒別范圍大,精度高,采用一種二階鎖頻環(huán)( FLL) 輔助三階鎖相環(huán)( PLL) 的方法。

  通過Matlab 仿真載波環(huán)路比較了兩種鑒頻和鑒相算法的性能。結(jié)果表明,該方法鑒別范圍大,精度高,切實可行。

  0   引  言

  隨著GPS 衛(wèi)星應(yīng)用產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程的逐步發(fā)展,對導(dǎo)航接收機關(guān)鍵技術(shù)的攻關(guān)必將縮短衛(wèi)星導(dǎo)航終端產(chǎn)品的研發(fā)周期,推進(jìn)衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用產(chǎn)業(yè)化的進(jìn)程。在GPS 接收機中利用何種技術(shù)來快速跟蹤衛(wèi)星多普勒頻偏的變化是面臨的主要挑戰(zhàn)。載波跟蹤環(huán)路設(shè)計是GPS 接收機中非常重要的環(huán)節(jié),其性能的好壞直接影響到接收機的靈敏度。

  本文通過GPS 接收機中載波跟蹤環(huán)路的設(shè)計與研究,討論載波跟蹤環(huán)路的實現(xiàn)方法和需要注意的細(xì)節(jié),最后經(jīng)過Matlab 仿真比較了幾種鑒頻和鑒相算法的性能,證明本文采用的算法正確合理,且適應(yīng)高動態(tài)環(huán)境下對GPS 信號的跟蹤。

  1   載波跟蹤環(huán)路基本模型

  GPS 接收機完成對信號的捕獲、碼跟蹤后進(jìn)入載波跟蹤環(huán)路,圖1 給出了載波跟蹤環(huán)路的基本模型。

  載波預(yù)檢測積分時間、載波環(huán)鑒別器和載波環(huán)濾波器決定了載波跟蹤環(huán)的特性。為了容忍動態(tài)應(yīng)力,預(yù)檢測積分時間應(yīng)當(dāng)短,鑒別器應(yīng)為一個FLL,載波環(huán)濾波器的帶寬應(yīng)當(dāng)寬,但是為了使載波測量精確,預(yù)檢測積分時間應(yīng)當(dāng)長,鑒別器應(yīng)為一個PLL,且載波環(huán)濾波器帶寬應(yīng)當(dāng)窄。為了解決這個矛盾,本文采用了一種二階FLL 輔助三階鎖相PLL 的方法,使環(huán)路從FLL有效過渡到PLL,既保證了接收機的動態(tài)性能,又提高了載波測量的精度。


圖1  GPS 接收機載波跟蹤環(huán)方框圖

  2   頻率鑒別器

  FLL 通過復(fù)現(xiàn)衛(wèi)星近似的頻率來完成載波剝離過程,信號I 和Q 的采樣時間不應(yīng)跨越數(shù)據(jù)比特的跳變,在初始信號捕獲期間,接收機并不知道數(shù)據(jù)跳變的邊界在哪里。在完成比特同步的同時,與相位鎖定相比,一般說來更易與衛(wèi)星信號保持頻率鎖定。常用的頻率鑒別器為四象限反正切鑒別器,其表達(dá)式為:



  式中: cr ss = I ps1×Qps2 - I ps2 Qps1 ;dot = I ps1×I ps2 + Qps1×Qps2 ;I ps1 和Qps1 是在時刻t 1 下的相關(guān)值;I ps2 和Qps2 是在時刻t2 下的相關(guān)值;t2- t1 為預(yù)檢測積分時間。

  采用這種鑒別器,t1 和t2 時刻的相關(guān)值采樣應(yīng)該在同一數(shù)據(jù)比特時間區(qū)間內(nèi),但是初始捕獲階段接收機不知道數(shù)據(jù)跳變的邊界,所以本文采用二象限反正切鑒別器,有效防止了因數(shù)據(jù)跳變引起的頻率鑒別誤差,其表達(dá)式為:



  3   相位鑒別器

  PLL 通過復(fù)現(xiàn)衛(wèi)星的準(zhǔn)確相位和頻率( 已變換到中頻) 來完成載波剝離功能。因為CoSTas 鎖相環(huán)對數(shù)據(jù)調(diào)制不敏感,所以本文采用Costas 鎖相環(huán),常用的鑒別器如表1 所示。

表1   常用Costas 環(huán)鑒別器


  因為二象限反正切鑒別器的輸入誤差范圍在±90°區(qū)間上保持線性,所以本文采用二象限反正切鑒別器。

  4   載波環(huán)濾波器

  環(huán)路濾波器的作用是降低噪聲,以便對原始信號進(jìn)行精確估計,其階數(shù)和帶寬決定了它對信號的動態(tài)響應(yīng)。為了使接收機適應(yīng)高動態(tài)環(huán)境,本文采用二階FLL 輔助三階PLL 的環(huán)路濾波器,其原理框圖見圖2。

  環(huán)路濾波器的特性見表2。

  接收機完成捕獲、碼跟蹤后進(jìn)入載波跟蹤模塊,由于此時多普勒頻移較大,所以FLL 與PLL 同時工作,給環(huán)路濾波器輸入頻差和相差,當(dāng)頻率誤差減小到PLL 可以容忍的范圍時,將環(huán)路濾波器的輸入頻差設(shè)為零,即環(huán)路轉(zhuǎn)變?yōu)榧働LL 跟蹤模式。

表2   環(huán)路濾波器特性


  由圖2,環(huán)路濾波器的表達(dá)式為:



  根據(jù)接收機的使用環(huán)境,確定環(huán)路濾波器的噪聲帶寬 Bnf 和B np ,就可以由表2 確定濾波器系數(shù)。注意,FLL 向濾波器的系數(shù)插入點與PLL 相比要提前一個積分器,這是因為FLL 誤差的單位是Hz,而PLL 誤差的單位是相位單位。


圖2  二階FLL 輔助三階PLL 濾波器

  5   仿真結(jié)果及分析

  5. 1   FLL 鑒別器特性

  采用預(yù)檢測積分時間T= 1 ms,在有數(shù)據(jù)調(diào)制的情況下( ±1 跳變/ ms) ,輸入頻率誤差范圍為± 400 Hz,對四象限反正切( atan2) 和二象限反正切( atan) 鑒別器進(jìn)行仿真,結(jié)果見圖3。由圖3 可以看出,atan2 鑒別算法已不能鑒別出真正的頻率誤差,而atan 可以鑒別的范圍達(dá)到±250 H z。

  

圖3   有數(shù)據(jù)調(diào)制下的FLL 鑒頻特性

  5. 2   PLL 鑒別器特性

  采用預(yù)檢測積分時間T= 1 ms,輸入相位誤差范圍為±180°,對表1 的三種相位鑒別器進(jìn)行仿真,結(jié)果見圖4。通過圖4 可看出,只有二象限反正切( atan) 鑒別器在±90°的范圍內(nèi)保持線性,且斜率與信號幅度無關(guān)。


圖4  PLL 鑒相特性

  5. 3   載波跟蹤環(huán)仿真及分析

  根據(jù)5. 1 和5. 2 節(jié)的仿真結(jié)果,F(xiàn)LL 選擇二象限反正切鑒別器,PLL 也選擇二象限反正切鑒別器。將鑒別器結(jié)果送入圖2 所示的環(huán)路濾波器,濾波結(jié)果送給數(shù)控振蕩器,形成圖1 所示的閉環(huán)模式。接收機捕獲時采用時域和頻域二維搜索算法,根據(jù)FLL 鑒別器的頻率鑒別范圍,設(shè)定頻率搜索步長為500 Hz。接收機速度為500 m/ s,加速度為10g 時的仿真結(jié)果如圖5 所示。由圖5 可以看出,載波跟蹤環(huán)路可以快速、準(zhǔn)確地跟蹤頻率的變化,在3~ 4 s 即可達(dá)到鎖定狀態(tài)。


圖5  跟蹤到的頻率變化曲線

  6   結(jié)  語

  采用了二階鎖頻環(huán)輔助三階鎖相環(huán)的載波跟蹤環(huán)路。通過仿真可以看出,選用的鑒別器鑒別范圍大,精度高,且對數(shù)據(jù)跳變不敏感。由鑒別器、環(huán)路濾波器和數(shù)控振蕩器形成閉環(huán)回路,在高動態(tài)環(huán)境下,環(huán)路鎖定時間短,載波測量精度高,具有一定的實用價值。


 

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