GPS软件接收机跟踪环路设计
GPS软件接收机载波跟踪环的设计实现
3 GPS载波跟踪环路的参数选取
为了实现 环路的 稳定 工作, 必须 对影响 跟踪 环路 性能 的滤波器带宽及环路 频率的更新时间进行分析, 根据 GPS 软 件接收机工作的动态 环境选择最佳的参数值。 3. 1 载波跟踪环路带宽
1 引言
GPS信号跟踪技术是软件接收机的关键 技术之一, 实现 G PS信号跟踪需要载 波跟踪环和码跟踪 环两个环路 [1] [ 2] , 其 中载波跟踪环路是 GPS 信号跟 踪研究 的主要 内容。传 统的 载波跟踪环路一 般都是 采用 经典锁 相环 路, 其结构 简单, 较 易实现, 但只能无误差地跟踪接收机与 卫星相对速 度引起的 多普勒频移, 而对于加速度和加加速度 引起的多普 勒一次变 化和二次变化将会产 生较 大的 误差 [ 1] [8] 。为 了适 用高 动态 应用领域, 本文采用锁 相环 ( PLL )和 锁频环 ( FLL ) 相互 辅助 的跟踪环路, 通过选择合适的载波跟踪 环带宽和环 路频率更 新时间, 可得到稳定的载波跟踪环路。
第 28卷 第 1期 文章编号: 1006 - 9348( 2011) 01 - 0348- 04
计算机仿真
2011年 1月
GPS软件接收机载波跟踪环的设计实现
刘高辉, 曹家昆
(西安理工大学电子工程系, 陕西 西安 710048)
摘要: 在接收机的信号优化问题的研究中, 多普勒频移的跟踪是 G PS 信号解扩的 关键技术之一。针 对传统载波跟 踪环路中 由接收机加速度和加加速度引起的多普勒频移跟踪误差大的缺点, 根据科斯塔斯 ( C ostas)环实现载波跟踪的基本原理, 为了 减少信号误差, 提出了接收机载波跟踪环路中鉴别器、滤波器和载波 N CO 的一种软件 实现方法, 推 导出在不 同动态环 境下 载波跟踪环路带宽和环路频率更新时间的理 论值范围, 最后对不 同动态软 件接收机 接收的信 号进行了 跟踪仿真。结 果表 明: 设计的载波跟踪环路功能正常, 性能稳定, 可快速精确地完成 G PS 信号的载波跟踪。 关键词: 导航软件接收机; 载波跟踪; 动态 中图分类号: TP391 文献标识码: B
GPS软件接收机载波跟踪环的设计实现
ｂ ｔ ｌｏ ｔ ｅ ｔｅ ｒ ｔ ａ ａ ｇ ｆｃ ｒｉｒｔａ ｋ ｎ ｏ ｐ ｂ ｎ ｗ ｄ ｈ ａ ｄ ｔ ｅ ｌｏ ｕ ｓ ｈ ｏ ｅｉ ｌｒｎ ｅｏ ａｒｅ ｒ ｃ ｉ ｇ ｌｏ ａ ｄ ｉ ｔ ｎ ｈ ｐ￣ｅ ｕ ｎ ｙ ｕ ｄ ｔ ｇ ｔ ｉ ｅ ｅ ｔ ｙ ａ ｈ ｃ ｏ ｑ ｅ ｃ ｐ ａ ｉ ｍｅ ｉ ｄｆ ｒ ｎ －’ ｎ ｉ ｎ ｄ
由接收机加速度 和加加速度引起 的多普勒频移跟踪误差大的缺点 ， 根据科斯塔斯 （ ｏｔ ） Ｃ ｓ ｓ 环实现载波跟踪 的基本原理 ， 了 ａ 为 减少信号误差 ， 提出了接收机载波跟踪环路 中鉴别器 、 滤波器和载波 Ｎ Ｏ的一软件 实现方法 ， Ｃ 推导 出在不同动态环境下 载波跟踪环路带宽和环路频率更新 时间的理论值 范围 ， 最后对不 同动态软件接 收机 接收的信号进 行了跟踪仿真 。结果表 明： 设计的载波跟踪环路功能正常， 性能稳定 ， 可快速精确地完成 Ｇ Ｓ信号 的载波跟踪。 Ｐ
ｏ ｒｃｉ ｒ ｎ ｅ ｅｋｏ ｅｔ ｄｔｎｌ ａｒ ｒ ｔ ｃｉｇ ｏｐｃｎｃｕｅｌ ｇ ｏｐｅ ｅｕｎｙｓｉ ａｋ ｇｏ ＇－ ｆｅｅ ｅ ａｄｔ ｒ ｆｈ ａｉｏ ａ ｃｒｅ—ｒ ｋ ｏ ａ ａ ｓ ｒｅｄｐｌｒ ｑｅｃ ｆｔ ｃｉ ｎ ｒ ｖ ｈｊ ｔ ｒ ｉ ｉ ａ ｎｌ ａ ｒ ｆ ｈ ｔｒ ｎ ｏ
关键 词 ： 航 软件 接 收 机 ； 波跟 踪 ； 态 导 载 动
中 图分 类 号 ：Ｐ９ Ｔ ３１ 文献 标 识 码 ： Ｂ
Ｄｅ ｉ ｎ ｏ ｒ ｉｒ Ｔｒ ｃ ｎｇ Ｌｏ ｐ ｉ ｓｇ ｆＣａ ｒｅ ａ ｋｉ ｏ ｎ ＧＰＳ Ｓ ｆｗａ ｅ Ｒｅ ｅｖ ｒ ｏ ｔ ｒ ｃ ｉｅ
ｓ ｏ ｄ ｔ ａ ｅ ｆ ｎ ｔ ｎ ｏ ｅ ｃ ｒｉｒｔ ｃ ｉ ｇｌ ｏ ｒ ｓｐ ｏ ｅ ｌ ｎ ｅｆ ｒ ｎ ｅ ｔｂ ｙ ｔ ａ ａ ｋ ｔ ｅＧＰ ｉ－ ｈ ｗｅ ｔ ｃｉ ｆ ｈ ａｒｅ ａ ｋ ｎ ｏ ｐ ｗｏ ｋ ｒ ｐ ｒ ａ ｄ ｐ ｒｏｍａ ｃ ｓｓａ ｌ ．Ｉ ｃ ｎ ｔ ｃ Ｓ ｓ ｈ ｔ ｕ ｈ ｏ ｔ ｒ ｙ ｒ ｈ ｇ
全球导航定位系统接收机的跟踪环路带宽设计
信号 的 实时处理 等 ．
本文 介绍 了 ＧＰ Ｓ软 件 接 收 机 的基 本 结构 ， 捕
图 １ Ｇ Ｐ Ｓ软 件 接 收 机 结构 图
Ｆｉ ｇ ．１ Ｓｔ ｒ ｕ ｃ ｔ ｕｒ ｅ ｏ ｆ Ｇ ＰＳ ｓ ｏｆ ｔ ｗａ ｒ ｅ ｒ ｅ ｃ ｅ ｉ ｖｅ ｒ
获及 跟 踪的 基本 原 理及 思路 ， 采 用 了并 行 码 相 位 搜 索算 法 ， 实 现 了对 ＧＰ Ｓ信 号 的 捕 获 ， 并 且 利 用 最 优化 的设 计 理 念 ， 设 计 了接 收 机 的最 优 环 路 带 宽， 最后 做 出 了相 应 的仿 真 和验证 ．
同 步 信 号 块 调 整Ｉ １ ］（ Ｂ ｌ ｏ ｃ ｋ Ａｄ ｊ ｕ ｓ ｔ ｍｅ ｎ ｔ ｏ ｆ
Ｓ ｙ ｎ ｃ ｈ ｏ ｎ ｉ ｚ ｉ ｎ ｇ Ｓ ｉ ｇ ｎ ａ ｌ ， 以下 简 称 ： Ｂ ＡＳ Ｓ ） ． 随后 ， 美
中频信号 传 人 通 道作 预 处 理 ， 以实 现 最 终 的 定 位
收机 ； 意 大利 的都灵理 工 大学 的 Ｆ ａ ｂ ｉ ｏ Ｄ ｏ ｖ ｉ ｓ 等人
在 以现场 可编 程 门 阵列 （ Ｆ Ｐ ＧＡ） 及 数 字 信 号处 理 （ Ｄ Ｓ Ｐ ） 为 主要 运算 器件 的平 台上实 现 了 ＧＰ Ｓ基 带
数 字 接 收通 道 Ｎ 捕获、 跟踪、 获取数据信号
想被 提 了出来． 而软件 接 收机 则 以它 的灵 活性 、 可
１ ＧＰ Ｓ软 件 接 收 机 的 结 构
ＧＰ Ｓ接收 机主要 包括 了五 个部 分 ： 天线 、 射 频 前 端模 块 、 模 数转 换模 块 、 信 号通 道 处理 模 块 和定 位解算 模块 ． 对 于天 线 接 收 到 的所 有 卫 星射 频 信 号， 其 中当然也混 杂有 一 些干 扰 信 号 ， 首 先 要 经过
GPS接收机跟踪算法的设计与仿真
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韩美林等：GPS 接收机跟踪算法的设计与仿真
总第 291 期
Costas 环结构如图 1 所示。
图 1 Costas 环基本原理图
3 码跟踪环
码相位捕获的目的是通过调整本地码相位使 输入信号的码相位和本地码相位相差在一个码片 范围之内［8］。捕获后的本地码的频率和相位与输 入信号中的码相位和频率有较大的误差，此时必须 使用码跟踪环来对其误差进行改进，码相位跟踪是 通过对输入码相位变化的精确跟踪，最终使其码相 位误差缩小到系统所允许的范围之内，其输出是对 GPS 信号中的码的精确复制［9］。
Key Words GPS receiver，tracking algorithm，carrier tracking loop，code tracking loop Class Number P228.4
1 引言
GPS 作为投入使用最早和当前成熟性最好的 卫星导航定位系统，已经被应用在众多领域当中。 其中基带信号处理部分即包括捕获和跟踪模块一 直是研究的重点。在跟踪模块中，鉴相器的设计和 环路参数的设置都是研究的重点，它们决定着接收 机定位的精度和速度［4］。捕获和跟踪两者之间是 共同作用来实现定位的，然而由于跟踪过程是对捕 获结果的精细化，跟踪算法的精度影响着整个系统 的精度，算法的好坏直接决定着接收机的性能，所
Abstract This paper mainly designs the loop structure of the carrier tracking loop and code tracking loop in the GPS receiver tracking module. First，the implementation of the tracking module adopts a structure in which the code loop and the carrier loop are coupled to each other，which can effectively reduce the complexity of the loop，non-coherent delay locked loops and phase skips are used in the code loop and the carrier loop，respectively. Sensitive Costas loop，the discriminator is a normalization of the dot product algorithm，because the normalized discriminator will not be affected by the signal amplitude，and the calculation of the algo⁃ rithm is less. Finally，the Matlab platform is used to model and simulate the designed receiver，the simulation results are analyzed to verify the correctness of the tracking loop design.
智能GPS软件接收机载波跟踪环路设计
Pk ö æC ÷ DFD =a t a n 2ç = èDPk ø θ k T) k T -T) -θ +e e( e( ω, k
) ; ) ; 叉积 PC 1 I k-1 QP( k) I k) QP( k-1) k= P( P( e DFD 的 取 值 范 围 为 ω, k 为输 入 噪 声 产 生 的 误 差 . ( ) -π, π .
Байду номын сангаас
的多普勒频移和 频 移 变 化 率 , 主要表现在载波跟 踪环路上 . 为使接收机在动态环境下 , 有较高的鲁 棒性 , 最有效的方 法 是 增 加 环 路 带 宽 和 减 少 预 积 分时间 . 然而为减 小 热 噪 声 的 影 响 和 提 高 跟 踪 精 度, 则需要减小跟踪带宽和延长预积分时间 . 目前 通过设定一个经验门限使得环路在 P L L 跟踪 , [] 和 此方法主要存在2个问 F L L P L L中切换 1 . 题: 需经常 ① 门 限 不 易 确 定; ② 若 动 态 变 化 不 定, 执行 F 跟 踪 误 差 较 大. 另 外, 文献[ 将鉴相 L L, 2]
收稿日期 : 2 0 0 6 0 3 3 0 作者简介 :唐
) 的结果直接相加进行环路 u e n c i s c r i m i n a t o r q yD 滤波 . 这一方法存在的缺陷是 , 需要较长的锁定时 ) 间, 易产生周跳 ( c c l es l i s . y p
) 器P 和鉴频器 F D( P h a s eD i s c r i m i n a t o r D( F r e -
, 斌( 男, 江苏大丰人 , 博士生 , 1 9 7 8- ) t a n b i n f r i e n d @y a h o o . c o m. c n . g
一种改进的数字GPS接收机基带环路设计
一
种 改 进 的数 字 ＧＰ Ｓ接 收 机 基 带 环 路 设 计
胡 锐 薛 晓 中 ， 瑞 胜 段 笑 菊。 ， 孙 ，
２ ０ ９ ，．南 京 理 工 大 学 瞬态 物 理 国家 重 点 实 验 室 ， １０ ４ ２ 南京 ２０９） １ ０４
（ ． 京 理工 大 学动 力 工 程 学 院 ， １南 南京
Ａｂ ｔ ａ ｔ Ｔｈ ｅ ｉ ｎ ｏ ｓ ｂａ ｄ ｓｇ ｌｐ ｏｃ ｓ ｉ ｇ ｉ ｈ ｅ ｏ ｓｒ ｃ ： ｅ ｄ ｓｇ ｆｂａ ｅ ｎ ｉ ｎａ ｒ ｅ ｓｎ ｓ ｔ ｅ ｋ ｙ ｆ ｒ ＧＰＳ ｒ ｃ ｉ ｅ ． ｎ ｏｒ ｅ ｏ ａ ｓ ｒ ｈ ｅ ｅ ｖ ｒ Ｉ ｄ ｒｔ ｓ ｕ ｅ ｔ ｅ
快 速 、 精 度捕 获 、 踪 方 法 。利 用 信 号 粗 捕后 先 进 行 精 捕 ， 提 高 了信 号 的 捕 获 精 度 后 再 结 合 二 阶 锁 频 环 路 辅 助 ， 终 利 用 高 跟 在 最
三 阶 载 波 科 斯塔 斯 锁相 环 完 成 Ｇ Ｓ载 波 信 号 的 高精 度稳 定 闭 环 跟 踪 ， 时 使 用 载 波 来 实 时 的辅 助码 环 跟 踪 ， 而 完 成整 个 Ｐ 同 从
Ｓ ３ ｄ ｃ ｓａ — ＬＬ ａ ｈ ｔ ｒ ｆｔａ ｋｎ ． ｔｒｓｅ ｄｌ ｒ ｃ ｉ ｇ ｈ ｒ ｌ ｂ ｎ — ｏ ｔ ｓＰ ｒ ｉｇ ｎ —ｏ ｔｓＰ ｔｔｅ ｓａ ｔｏ ｒｃ ｉｇ Ａｆｅ ｔａ ｉ ｔａ ｋｎ ，ｔ ｅ ｅｗｉ ｅ ３ ｄ ｃ ｓａ — ＬＬ ｗｏ ｋｎ ｙ ｌ ｓ ｌｌ ｏ ｉｈ ｒｐ ｅ ｉｅ ￣ｅ ｕ ｎ ｙ Ａｔ ｔ ｅ ｓ ｍｅ ｔ ｈ ａｒｅ ｏ ｐ ｅ ｒ ｑ ｅ ｃ ｓ ｕ ｅ ｏ ｈ ｌ ｏ ｅ ｏｅｙ ｆ ｒｈｇ ｅ ｒ ｃｓ ｒｑ ｅ ｃ ． ｈ ａ ｉ ｍｅ ｔ ｅ ｃ ｒ ｉｒｄ ｐ ｌｒ ｆｅ ｕ ｎ ｙ ｉ ｓ ｄ ｔ ｅｐ ｃ ｄ
GPS接收机载波跟踪环路解决方案
图1 GPS 接收机载波跟踪环方框图
2 频率鉴别器
FLL 通过复现卫星近似的频率来完成载波剥离过程，信号I 和Q 的采样时间不应跨越数据比特的跳变,在初始信号捕获期间，接收机并不知道数据跳变的边界在哪里。在完成比特同步的同时，与相位锁定相比,一般说来更易与卫星信号保持频率锁定。常用的频率鉴别器为四象限反正切鉴别器，其表达式为：
载波预检测积分时间、载波环鉴别器和载波环滤波器决定了载波跟踪环的特性。为了容忍动态应力，预检测积分时间应当短，鉴别器应为一个FLL，载波环滤波器的带宽应当宽，但是为了使载波测量精确，预检测积分时间应当长，鉴别器应为一个PLL，且载波环滤波器带宽应当窄。为了解决这个矛盾，本文采用了一种二阶FLL 辅助三阶锁相PLL 的方法，使环路从FLL有效过渡到PLL，既保证了接收机的动态性能，又提高了载波测量的精度。
根据接收机的使用环境，确定环路滤波器的噪声带宽 Bnf 和B np ，就可以由表2 确定滤波器系数。注意,FLL 向滤波器的系数插入点与PLL 相比要提前一个积分器，这是因为FLL 误差的单位是Hz，而PLL 误差的单位是相单位。
图2 二阶FLL 辅助三阶PLL 滤波器
5 仿真结果及分析
图5 跟踪到的频率变化曲线
6 结 语
采用了二阶锁频环辅助三阶锁相环的载波跟踪环路。通过仿真可以看出，选用的鉴别器鉴别范围大，精度高，且对数据跳变不敏感。由鉴别器、环路滤波器和数控振荡器形成闭环回路，在高动态环境下，环路锁定时间短，载波测量精度高，具有一定的实用价值。
图4 PLL 鉴相特性
5. 3 载波跟踪环仿真及分析
根据5. 1 和5. 2 节的仿真结果，FLL 选择二象限反正切鉴别器，PLL 也选择二象限反正切鉴别器。将鉴别器结果送入图2 所示的环路滤波器，滤波结果送给数控振荡器，形成图1 所示的闭环模式。接收机捕获时采用时域和频域二维搜索算法，根据FLL 鉴别器的频率鉴别范围，设定频率搜索步长为500 Hz。接收机速度为500 m/ s，加速度为10g 时的仿真结果。由图5 可以看出，载波跟踪环路可以快速、准确地跟踪频率的变化，在3~ 4 s 即可达到锁定状态。
GPS接收机载波跟踪环设计与分析
载波跟踪 环的主要误差 源包括 热噪声 、 振相 位噪声 、 晶
电 离 层 闪 烁 引 起 的相 位 噪 声 和 动 态 应 力 误 差 ［ ４ １ 。载 波 锁 相 环 的 跟 踪 门 限 的 经 验 取 值 为 测 量 误 差 均 方 根 的 ３＂ 不 超 ｏ值
过 ４ 。 ５：
Ｆ ｇ Ｆｏ ｃ ｒ ｏ ｉ ．１ ｌｗ ｈａｔ ｆｐｈ ｓ ｏ ｋ ｌｏ ａ ｅｌ ｃ ｏ ｐ
作者简介 ： 柴俊 栓 （ ９ １ ） 男 ， 南浚 县 人 ， 士 ， １ ８一 ， 河 硕 工程 师 。研 究方 向 ： 星 定 位接 收机 技 术 。 卫 １１ ８—
一
柴俊 栓 。等
ａｓ ｔ － ｄｒｒｑ ｅｃ ｃ ｏ ａｄ ｉｔ ０Ｈｚ ｔｅＧ Ｓｒｃｉ ｒ ａ ａｋｄ ｎｍ ｃ ｉｎｌ ｎ ｅ ０ ｎ ０ ｓ ｓｉｅ ３ｏ ｅ ｅｕｎ ｙ ｏｋ ｏｐ ｎ ｗｄ ｔ １ ，ｈ Ｐ ｅ ｅ ｎｔ ｃ ｙａ ｉ ｓ ａ ｕ ｄｒ ａｄ１０ｇ ． ｓｄ － ｒ ｆ ｌ ｌ ｂ ｈｏ ｅ ｖ ｃ ｒ ｇ １ｇ ，
Ｄｅｉ ｎ ａ ｄ ａ ａ ｙ ｉ ｇｏ ａ ｒｅ ｒ ｃ ｉ ｇｌ ｏ ｏ ｓｇ ｎ ｎ ｌ ｚｎ ｆｃ ｒ ｉｒｔａ ｋ ｎ ｏ ｐ ｆ ｒＧＰＳ ｒ ｃ ｉｅ ｅ ｅｖ ｒ
ＣＨＡＩＪ ｎｓ ｕ ｎ，Ｚ ｕ －ｈ ａ ＨＡＮＧ Ｘｉｏｈ ｉ ａ ｕ
（ ｈｎ ｒｏｎ ｓｉ ｃｄ ｍ ， ｕｙｎ ７ ０ ９ Ｃ ｉ ） Ｃ ｉａ ｂｒｅＭｉ ｌ Ａ ａｅ ｙ Ｌ ｏａ ｇ４ １０ ， ｈｎ Ａｉ ｓｅ ａ
设 Ｋ＝ 。 锁 相 环 的传 递 函 数 Ｈ（） 义 为 ： ｋ ｋ， ｓ定
＝ ＫＦ（） 丽 ｓ Ｏ（ 、 ｓ （ ） ｓ） 义 为 ： ｅｓ定
GPS接收机跟踪环路的改进设计及FPGA实现的开题报告
GPS接收机跟踪环路的改进设计及FPGA实现的开题报告一、选题背景随着卫星导航技术在各个领域的应用扩大，GPS（全球定位系统）已成为最广泛使用的卫星导航系统。
现在，GPS用于飞行器、军事、车辆控制、导航和许多其他应用。
GPS发送的信号可以被地面接收器接收，并且可以计算一个指向天空的指针，在该指针与GPS卫星的位置相交时确定系统的位置。
但是，接收机可能会因信号中的多种噪声和干扰而导致错误。
GPS接收机跟踪环路是接收机的一个重要组成部分，负责确保接收机能够正确处理GPS信号以确定其位置。
由于跟踪环路工作在高速上，需要高性能的数字信号处理器，因此跟踪环路的设计具有挑战性。
因此，本课题旨在设计和实现一种改进的GPS接收机跟踪环路，提高跟踪性能和稳定性。
二、研究目的本课题旨在研究和改进GPS接收机跟踪环路的性能，开发出一种更加稳定和精确定位的跟踪环路设计。
具体目的如下：1.分析GPS接收机跟踪环路的工作原理，了解其性能缺陷和优化方向。
2.提出一种改进的GPS接收机跟踪环路设计，旨在提高其跟踪性能和稳定性。
3.采用FPGA实现跟踪环路设计，并对其性能进行测试和分析。
三、研究内容本课题研究内容主要包括以下方面：1.分析GPS接收机跟踪环路的工作原理，探讨其性能缺陷和优化方向。
2.提出一种改进的GPS接收机跟踪环路设计，通过改进思路、模型和算法进行优化。
3.采用FPGA实现跟踪环路设计，并采取仿真和实验的方式测试其性能。
4.对跟踪环路的实现结果进行分析和反思，提出进一步完善和优化的方案。
四、研究方法本课题的研究方法包括以下方面：1.文献调研与分析。
对GPS接收机跟踪环路的现有设计和发展方向进行调查和分析。
2.改进GPS跟踪环路的设计。
针对现有GPS跟踪环路设计的缺陷和优化方向，提出一种改进设计方案。
3.使用Verilog HDL或VHDL语言基于FPGA平台实现改进跟踪环路，并采用仿真和实验的方式测试其性能。
4.对跟踪环路的实现结果进行分析和反思，提出进一步完善和优化的方案。
应用PID思想的高动态GPS载波跟踪环路设计
（8）
忽略 C/A 码的影响，单颗卫星 t 时刻输入的中频 信号 r(t) 可表示(2π( fIF + fd )t + ϕ)
（1）
其中， ϕo 和 ϕi 分别代表输入和输出， Kd 为鉴相器的 增益， F(s) 和 N (s) 分别为模拟环路滤波器和振荡器 的传递函数， F(z) 和 N (z) 分别为数字环路滤波器和 振荡器的传递函数。
KP
将 IP 和 QP 两路信号送入鉴相器，获得输入信号 中的载波和本地载波在一个积分周期内的平均相位误 差 δϕ ，且 δϕ = π∆f T + ∆ϕ ，滤波后调整本地载波振 荡器调整本地载波的频率和相位，当本地载波振荡器 经过一段时间的调整使得鉴相器输出的平均误差接近 于零时，
sin(π∆fT ) ≈ 1
高动态环境下工作的 GPS 接收机，会产生较大的 多普勒频移和频移变化率，主要表现在载波跟踪环路
性能提高的同时，跟踪精度也受到了影响。文献[4][5] 在环路鉴相器和滤波器之间加入卡尔曼滤波估计模
上，因此适应动态环境的载波跟踪环路设计是实现高 块，虽然效果显著，但其仅适用于数据后处理，算法
性能卫星导航定位的关键技术之一[1－2]。动态载波环 难 以 在 硬 件 平 台 实 现 。 基 于 捷 联 惯 性 导 航 系 统
QP 积分清零(I&D)
H (s) = ϕo (s) = Kd F(s)N(s) ϕi (s) 1+ Kd F (s)N (s)
（7）
图 1 载波跟踪环路 PLL 结构 Fig.1 The structure of carrier tracking PLL
H (z) = ϕo (z) = Kd F(z)N (z) ϕi (z) 1+ Kd F (z)N (z)
GPS接收机载波跟踪环路设计
GPS接收机载波跟踪环路设计作者：李津,张捷,刘亮来源：《现代电子技术》2011年第01期摘要：载波跟踪环路设计是GPS接收机中的关键技术，载波环鉴别器的类型确定了跟踪环的类型，为了有效地防止因为数据跳变引起的鉴别误差，并且使其频率鉴别范围大，精度高，采用一种二阶锁频环(FLL)辅助三阶锁相环(PLL)的方法。
通过Matlab仿真载波环路比较了两种鉴频和鉴相算法的性能。
结果表明，该方法鉴别范围大，精度高，切实可行。
关键词：全球定位系统；载波跟踪；锁相环；锁频环中图分类号：TN927-34文献标识码：A文章编号：1004-373X(2011)01-0029-03Design on Carrier Tracking Loop of GPS ReceiverLI Jin, ZHANG Jie, LIU Liang(College of Electronic Information, Northwestern Polytechnical University, X i’an 710072，China)Abstract： The design of carrier tracking loop is the key technology in GPS receiver, the types of carrier loop discriminators determine the types of tracking loop. In order to prevent the discrimination error caused by data transition, enlarge the frequency discrimination range, and improve the precision, a method of combining second order frequency locked loop (FLL) with three order phase locked loop (PLL) is introduced. The performance of the two kinds of frequency discrimination and phase discrimination algorithms are compared through the simulation of Matlab carrier loop, and the results show that the method has large discrimination range and high precision.Keywords： GPS; carrier tracking;phase locked loop; frequency locked loop0 引言随着GPS卫星应用产业化进程的逐步发展，对导航接收机关键技术的攻关必将缩短卫星导航终端产品的研发周期，推进卫星导航应用产业化的进程。
MIMU辅助旋转弹丸GPS接收机跟踪环路设计
2010年第31卷第2期中北大学学报(自然科学版)V o l.31 N o.2 2010 (总第130期)JOURNAL OF NORTH UN IVERSIT Y OF CH INA(NATURAL SC IENCE ED ITI ON)(Sum N o.130)文章编号:167323193(2010)022*******M I M U辅助旋转弹丸GPS接收机跟踪环路设计Ξ陈跃鹏1,李东光1,杨士义2(1.北京理工大学机电工程与控制国家级重点实验室,北京100081;2.驻中国空空导弹研究院军代表室,河南洛阳471009)摘 要: 在GPS导航定位系统中,多普勒频移直接影响接收机的跟踪性能.为了克服多普勒频移的影响,对高速旋转的弹载单天线GPS接收机跟踪环路进行了研究.分析了弹丸旋转产生的复杂多普勒频移的影响因素,给出了多普勒频移的数学模型,提出采用M I M U估计多普勒频移的方法设计二阶载波跟踪环路,建立了环路的模型,并对环路的跟踪性能进行了M A TLAB仿真.结果表明:M I M U辅助的跟踪环路与无辅助的跟踪环路比较,带宽窄,能有效地抑制噪声干扰,较好地实现了对旋转信号的跟踪.关键词: GPS;M I M U;多普勒频移;跟踪环路;旋转中图分类号: TN967.7 文献标识码:A do i:10.3969 j.issn.167323193.2010.02.017D esign of Rotary Projectile GPSRece iver’s Track i ng L oop A ided by M I M UCH EN Yue2p eng1,L I Dong2guang1,YAN G Sh i2yi2(1.N ati onal Key L abo rato ry of M echatronic Engineering and Contro l,Beijing Institute of T echno logy,Beijing100081,Ch ina;2.M ilitary R ep resentatives O ffice of A irbo rne M issile A cadem y,L uoyang471009,Ch ina)Abstract:In GPS navigati on and po siti on ing system s,Dopp ler frequency sh ift is the key p rob lem s that degrade the track ing perfo r m ance of the receiver.To overcom e the influence of Dopp ler sh ift,the track2 ing loop of a single an tenna GPS receiver m oun ted on h igh sp eed ro tating m issiles w as studied.T he fac2 to rs of com p lex Dopp ler frequency sh ift p roduced by ro tati on w ere analyzed and the m athem atical m odel of Dopp ler sh ift w as estab lished.A m ethod that design ing second o rder carrier track ing loop by M I M U assisted Dopp ler frequency esti m ati on w as p ropo sed,the m odel of track ing loop w as estab lished,and the track ing p erfo r m ance of loop w as si m u lated in M A TLAB environm en t.Si m u lati on resu lts show that, com p arison to non2aided track ing loop,the M I M U2aided track ing loop can effectively restrain no ise and realize the ro tati on signal track ing w ith narrow bandw idth.Key words:GPS;M I M U;dopp ler sh ift;track ing loop;ro tati on0 引 言为了提高旋转弹的精确打击能力,必须准确测量弹体三轴姿态信息.在一种单天线GPS接收机和Ξ收稿日期:2008212210 作者简介:陈跃鹏(19752),男,讲师,博士.主要从事机电工程研究 通信作者:李东光(19652),男,教授,主要从事探测与控制研究.I N S 紧组合测量系统中,姿态信息可以从GPS 接收机和I N S 获取.在此系统中,如果GPS 天线安装在旋转轴上,则接收机载波跟踪环路能够保持锁定,但不能获取与姿态有关的信息;因而,把GPS 天线相位中心偏离旋转轴,天线接收的信号包含滚转角以及角速率等姿态信息,通过解调周期性载波相位可获取姿态信息;但是,旋转稳定弹丸与GPS 卫星之间的高速运动以及弹丸本身高速旋转引起的虚假调制效应,使接收信号产生了很大的多普勒频移和频率变化率,若用一般的载波锁相环,则载波多普勒频移会超过锁相环的捕获带,不能保证对载波的可靠捕获和跟踪.为了保证对载波的可靠捕获和跟踪,必须增加环路的带宽,这样就使得宽带噪声窜入,当噪声超过环路工作门限时,使载波跟踪环失锁.因此,在分析弹丸旋转对GPS 信号的影响基础上,改进接收机的结构,设计M I M U 辅助的载波跟踪环路,利用M I M U 提供的多普勒频移估计,实现跟踪环路的可靠跟踪.1 弹丸旋转对GPS 信号的影响[1]本文用转台模拟弹丸旋转对GPS 信号的虚假调制系统,图1为系统几何模型.转台安装在弹丸上,图1 系统几何模型F ig .1 Geom etric model of the system 弹丸姿态随着转台的转动缓慢变化.系统的几何学及动力学特征:xy z 坐标系固定在弹丸体上,不随转台转动,z 轴与转台转动轴成重合,天线的相位中心在xy 平面上随转台转动.天线在xy z 坐标系中的位置由旋转角Ωa 和半径r a 确定.转台以恒定速度Ξa 转动,所以方位角Ωs =Ξa +Ωa 0;xy z坐标系中GPS 的位置由方位角Ωa ,俯仰角Ηs 以及到原点的距离Θs 确定.r a 一般为0.25m ,Θs 一般是26×106m ,因此r a Θs <<1.根据几何学,天线相位中心到GPS 的距离是Θas =Θ2s +r 2a -2Θs r co s Ηs co s (Ξa t +Ωa 0-Ωs )Θs -r a co s Ηs co s (Ξa t +Ωa 0-Ωs ),(1)由Θs 可推导出接收到的载波相位表达式.如Ξc 是信号的角速度,则Υc (t )=Ξc t -Θas (t )(Ξc c )+con st +Ξa t =Ξc t +ΥDopp (t )+Ξa t ,(2)式中:Υc (t )是接收到的载波相位;c 是光速;Ξa t 项是由信号的偏振以及天线相位中心围绕视域中心线旋转综合产生的载波相位;ΥDopp (t )是载波相位的多普勒频移的综合影响.将方程(1)的第二个等式带入方程(2),可得出载波相位的替代表达式Υc (t )=Ξc t +ΥDnr (t )+Ξa t +r a Ξc c co s Ηs co s (Ξa t +Ωa 0-Ωs ),(3)式中:ΥDnr (t )是转台静止时的多普勒频移,这个值通常称为整周多普勒频移或累计∃距离.式(3)右边等式的后两项是转台旋转对载波相位的影响.2 M I M U 辅助弹载GPS 接收机跟踪回路设计M I M U 辅助弹载GPS 接收机卫星信号捕获与跟踪,是利用M I M U 测量的实时位置、速度,滚转速率信息,实时估算出综合多普勒频移,从而辅助载波跟踪环实现信号的捕获和跟踪.本文在在传统的环路结构上实现惯性辅助接收机跟踪环路[2].2.1 M I M U 估计多普勒频移从式(3)可知,弹丸高速旋转产生的多普勒频移与滚转角速率、俯仰角速率、天线与GPS 卫星的相对运动速率有关.用M I M U 测量这些参数,进而估计多普勒频移,估计精度依赖于所使用的惯性传感器的品质.M I M U 估计的旋转引起的天线到卫星的距离偏差为∃L =r co s Ηs [co s (Ξ(1+Ε)t +Υ)-co s (Ξt +Υ)]≈r ΞΕco s Ηs sin (Ξ(1+Ε2)t +Υ),(4)式中:r 为天线相位旋转半径;Ε为陀螺刻度误差;Ξ为滚转速率;Υ为初始滚转角误差.471中北大学学报(自然科学版)2010年第2期多普勒频移分量偏差为∆f Dopp =5(∃L )5t Κ,(5)式中:Κ为波长.用∆f Dopp 与∆f D nr 辅助锁相环,可以使PLL 能够准确锁定载波信号.2.2 M I M U 辅助的锁相环PLL (Phase L ock L oop )模型普通接收机PLL 常用Co stas 环实现,PLL 跟踪相位的变化,精确地锁定载波相位,环路滤波器的带宽应窄.锁相环频率的组成包括接收机和卫星的相对运动以及弹丸旋转造成的综合多普勒频率.如果综合多普勒频率太宽,需要改变环路的增益(噪声等效带宽)来保持锁定,这时噪声误差比较大,因为参考相位和相位噪声通过同样的传递函数,严重时影响相位的跟踪[324].M I M U 辅助锁相环设计利用外部的多普勒频移估计,它是与参考载波相位的变化率有关的量.图2所示为M I M U 辅助的锁相环模型[5].锁相环的传递函数为Υλ(s )=H 3(s )(Υre (s )+H 2(s )w (s )),(6)其中:H 3(s )=(as +a +K 2(Σ2s +1)s 2) (1+K 2(Σ2s +1)s 2),(7)H 2(s )=K 2(Σ2s +1)s 2+K 2(Σ2s +1).(8) 前向支路包括一个单极点低通滤波器和一个误差量,低通滤波器用来限定惯性传感器的带宽,以及在外部频率估计中的误差.比如传感器的刻度,平台姿态测量中的误差以及时钟误差.配置如图2所示的锁相环在噪声的抑制和跟踪带宽上有优势.这是因为用M I M U 估计的多普勒频移带宽(即前向支路带宽)插入回路闭合环路,引导频率到PLL 可以处理的范围,转入二阶Co stas 环进行精确的载波跟踪;从传递函数也可以分析,式(7)说明了随着惯性导航系统的带宽趋于∞(Α→∞),H 3(s )趋于1.这个结果表明,因用户的位置变化引起的相位动力学特性的变化可以通过惯性传感器提供的带宽来跟踪.滤波回路的设计就不再需要考虑高带宽的用户动力学特性,但是必须能够跟踪外部频率估计e (s )中的任何误差.图2中的∃f PLL 代表了跟踪e (s )的信号,∃f PLL (s )=-H 2(s )e (s ).因此,仍然存在跟踪带宽和噪声抑制的问题,但是有很大不同的是所需的跟踪带宽较低,因此噪声抑制特性得到了提高.滤波回路带宽的低限可通过必须要跟踪的量e (s )来确定.571(总第130期)M I M U 辅助旋转弹丸GPS 接收机跟踪环路设计(陈跃鹏等)2.3 M I M U 辅助的锁相环实现设计的M I M U 辅助的锁相环实现框图如图3所示.系统包括两个分支:一个为传统的滤波回路,一个为有M I M U 辅助的分支.在能用M I M U 估计多普勒频移的情况下,使用低成本的惯性传感器,姿态和速度可以用M I M U 组合中的带宽来测量,用M I M U 估计的多普勒频移来校正锁相环偏差,然后调整载波N CO 以完成载波跟踪[627].3 仿真结果及分析根据第2节分析,弹丸旋转产生的多普勒频移包含一个正弦分量.因而,仿真射频输入包含一个频率为2H z 振幅为25c m 的正弦波.系统假定旋转体惯性固定,即不摆动或进动,天线各向增益相同,没有来至地平面、多路径信号的干扰,M I M U 辅助数据没有时间延迟.M I M U 辅助信号完全描述了陀螺刻度的误差因素,初始滚转角误差和力臂误差.一颗卫星被模拟位置固定,系统仅有一个6自由度运动的物体模型以2H z 的频率旋转,因此相比于高速旋转,其他动态性能对载波相位跟踪误差的影响是微不足道的.仿真时一些参数设置为:1)R F 射频参数.热噪声强度3.9730×10-21W H z ,L 1信号强度1.0×10-15W ,天线相位误差0.2)GPS 载波环路参数.环路类型:科斯塔环;载波跟踪环频率50H z ,跟踪环阶数2,相关时间20m s .失锁条件:环路误差>Π 4(2.36c m ).3)动态模型参数.天线相位旋转半径25c m ,陀螺刻度因子Ε=1.0×10-4,滚转频率Ξ≈2H z ,初始I N S 滚转误差Υ=0.3.1 无辅助时仿真结果PLL 无M I M U 辅助时,当噪声等效带宽(系统带宽)为5.83H z ,采样频率为50H z (1.57H z 增益衰减3dB )时,环路中2H z 信号视为噪声,L 1载波相位输入信号在2H z 时峰值为±8.25rad ,信号的大部分被载波跟踪环路所抑制,载波环失锁.信号跟踪效果如图4所示.图4 无辅助跟踪结果F ig .4 R esults of non 2aided tracking 图5 M I M U 辅助跟踪结果F ig .5 R esults of M I M U 2aided track ing系统带宽为10H z 和20H z (3dB 点分别为2.69H z 和5.39H z )时,环路跟踪3～4s 便失锁;带宽为40H z (3dB 点为10.77H z )时,环路立即失锁,其主要原因是环路非线性以及50H z 采样造成的噪声频率混叠,而不是信号带宽的变化.使用100H z 采样时,环路保持锁定且不会产生噪声频率混叠,一般将采样频率限制在50H z 以内.3.2 M I M U 辅助时仿真结果PLL 在有M I M U 辅助时,多普勒频移从M I M U 测得的旋转、倾斜和偏航角信息中估算出来,多普勒频移偏差由陀螺刻度的因子、初始滚转角误差和力臂误差得出.对5.83H z ,10H z ,20H z 三种环路671中北大学学报(自然科学版)2010年第2期带宽进行30s 的仿真试验,跟踪效果如图5和表1所示[8]. 由表1可以看出,有M I M U 辅助时,带宽越宽,环路跟踪效果越好;20H z 环路带宽跟踪效果既没有明显的增益衰减也没有相位漂移;5.83H z 环路带宽跟踪效果误差较大,以如此带宽跟踪2H z 信号,并且保持较长时间锁定,测量中存在较大噪声,这使系统的抗干扰能力下降.3.3 仿真结果分析表1 环路仿真结果Tab .1 L oop si m ulati on results 仿真参数环路带宽 H z 5.831020噪声等效带宽 H z 5.8310.020.0-3dB 增益带宽 H z 1.572.695.39失锁时刻 s 56.0665.0352.0失锁时I N S 滚转角误差 (°)4.034.6825.3失锁时伪距误差 c m 1.762.0411.06最大误差(t ≤30s ) rad 0.260.130.10最大误差(t ≤30s ) c m0.790.380.301)没有M I M U 辅助时,载波跟踪环立即失锁;有M I M U 辅助时,载波跟踪环最终失锁,锁定时间与环路增益有关.2)窄带跟踪环路即使有M I M U 辅助,也很难跟踪较高频信号,如仿真中5.83H z 跟踪2H z 信号.3)环路带宽的扩宽受R F 噪声、天线相位误差、环路非线性以及采样频率限制.在一些合理的假设下,当噪声等效带宽被设置为10H z 和20H z 时(3dB 点分别为2.69H z 和5.39H z ),能够满足环路带宽与噪声抑制的需求,载波相位环较好地实现了对旋转信号的跟踪.4 结 论本文设计的M I UM 辅助GPS 接收机跟踪环路,在没有GPS 补偿惯性陀螺因时间而积累的误差的情况下,能够对模拟的旋转信号跟踪较长时间.测试表明:在此设计基础上,对惯性陀螺误差进行补偿,能够对旋转信号提供码和载波长期准确跟踪,从而实现数据解调,为进一步的工程实践奠定基础.参考文献:[1] P siak iM L .A ttitude sensing using a global 2po siti on 2system antenna on a turntable [J ].Journal of Guidance ,Con 2tro l ,and D ynam ics ,2001,24(3):1213.[2] Cox D B .Integrati on of GPS w ith inertial navigati on system s [C ].Institute of N avigati on .Published in N avigati on ,1980,1:1442153.[3] 程乃平,任宇飞,吕金飞.高动态宽频信号的载波跟踪技术研究[J ].电子学报,2003,31(12):214722150.Cheng N ai p ing ,R en Yufei ,L u J infei.Study of carrier track ing fo r h igh 2dynam ic sp read spectrum signals [J ].A cta E lectronica Sinica ,2003,31(12):214722150.(in Ch inese )[4] 唐康华,吴美平,胡小平.M E M S I M U 辅助的高性能GPS 接收机设计[J ].测绘学报,2008(1):1282134.T ang Kanghua ,W u M ei p ing ,H u X iaop ing .D esign of M E M S I M U aided h igh 2perfo r m ance GPS receiver [J ].A cta Geodaetica E t Cartograph ica Sinica ,2008(1):1282134.(in Ch inese )[5] T etesky A K ,M ullen F E .Effects of p latfo r m ro tati on on GPS w 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GPS载波跟踪环设计
ＧＰ Ｓ载 波跟踪 一 般 可 以分 为 相 位 跟 踪 ， 率 跟 踪 和 频 科斯 塔 （ ｏｔ） Ｃ ｓ 回路 跟踪 ３ ａ 种 。科 斯塔 回路 是 一类 对 数 据 调制 的不 敏 感 的载 波 跟 踪 环 ， 样 可 以 消 除 导航 电 文 这
ｓ ｕａｉｎ Ｔｈ ｅｕｔ ｆｓｍｕａｉｎ ｉｄｃｔ ｈ ｔｔ ｉ ｄ ｓｇ ａ ｄ ａ ｔｇ ｓｏ ｅｌｔ ｅｆｒ ｎ ｅａ ｄｐ ｅ ｉｉｎ ｉ ｌｔ ． ｍ ｏ ｅｒｓ ｌ ｏ ｉ ｌｔ ｉａｅｔ ａ ｈｓ ｅｉｎ ｈ ｓａ ｖ ｎ ａ ｅ ｆｒ ａ—ｉ ｐ ｒｏｍａ ｃ ｎ ｒｃｓｏ ． ｓ ｏ ｎ ｍｅ
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Ｙａ ｎ Ｘｉ ｉｇ Ｍ ａ ｈｇ ｎ ｎＦｅ ｇ ｅＪｎ ｏ Ｚ ｉａ ｇ
GPS软件接收机跟踪环路设计
GPS软件接收机跟踪环路设计
李豹;曹可劲;马建国
【期刊名称】《电子设计工程》
【年(卷),期】2010(018)002
【摘要】GPS软件接收机跟踪环路的设计在环路参数与鉴相器选择上有很大空间.在分析GPS跟踪原理的基础上,对比码环与载波环不同鉴相器的性能,然后在不同环路参数下对跟踪效果进行了仿真比较,最后选择一组鉴相器并设计合适的环路参数,对实际采集的GPS中频信号进行跟踪,跟踪结果验证了设计环路的有效性.
【总页数】3页(P4-6)
【作者】李豹;曹可劲;马建国
【作者单位】海军工程大学导航工程系,湖北,武汉,430033;海军工程大学导航工程系,湖北,武汉,430033;海军工程大学导航工程系,湖北,武汉,430033
【正文语种】中文
【中图分类】TN966.4
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算 法 在环 路 鉴 相器 以及 环 路参 数 的选 择 上却 很 灵 活 。目前 国 内 Ｇ Ｓ软 件 接 收 机 跟 踪 环 路 参 数 设 计 多 根 据 已 有 经 验 值 日 Ｐ ．
５ ｎ 中频信 号与 由本 地载 波环 数控 振 荡器 Ｎ Ｏ（ｕ ｅｉ ） （ Ｃ ｎｍｒ ａ ｅ ｌ ｃｎｒ ｌ ｓｉａｏ） ｏｔ ｌ ｄｏｃ ｌ ｒ产生 的载 波 复 本 ｅｓｗ ） 乘 ， 经 低 通 ｏｅ ｌｔ ｏ（ ￣ 相 并
关键 词 ： Ｓ：软件 接 收 机 ；跟 踪 ；二 阶 锁相 环 ＧＰ 中 图分 类 号：Ｔ ９ ６４ Ｎ ６ ． 文 献 标识 码 ： Ａ 文 章 编 号：６ ４ ６ ３ ２ ０ ０ 一 Ｏ ４ ０ １ ７ — ２ ６（０１ ） ２ Ｏ Ｏ — ３
Ｄｅ ｉ ｎ ｏ ｒ ｃ ｉ ｇ ｌ ｏ ｆＧＰＳ ｓ ｆｗａ ｅ ｒ ｃ ｉ ｅ ｓｇ ｆｔ ａ ｋ ｎ ｏ ｐ ｏ ｏｔ ｒ ｅ ｅｖ ｒ
第 ｌ 卷 第 ２期 ８
Ｖ０ ．８ Ｉ１
Ｎｏ２ ．
电子设计 工程
Ｅｌｃｒ ｎ ｃＤｅ ｉｎ Ｅｎ ｉ ｅ ｒｎ ｅ ｔｏ ｉ ｓｇ ｇｎ ｅ ｉｇ
２１ ０ ０年 ２ 月
Ｆｅ ． ０１ ｂ２ ０
ＧＰ 软件接收机 跟踪环路设计 Ｓ
李 豹 ，曹可 劲 ， 建 国 马
（ 海军 工 程 大 学 导航 工程 系 ， 湖北 武 汉 ４ ０ ３ ３ ｏ ３）
接收机是全球导航定位 系统（ Ｐ ） 户端的主要设备 ， Ｇ Ｓ用
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摘 要 ：Ｐ 软 件 接 收 机 跟 踪环 路 的 设 计在 环 路 参 数 与鉴 相 器选择 上 有 很 大 空 间 。在 分环 不 同鉴 相 器 的性 能 ， 然后 在 不 同环路 参 数 下 对跟 踪 效 果 进 行 了仿 真 比较 ， 最后 选择 一 组 鉴 相 器 并设 计 合适 的环路 参数 ， 实 际采 集 的 Ｇ Ｓ 中频信 号 进 行跟 踪 ， 对 Ｐ 跟踪 结果 验 证 了设 计 环 路 的 有 效性 。
为 中频 信 号 角频 率 ， （ ） ｅ ｎ 为噪 声 信 号 ， ｋ为某 颗 卫 星编 号 。
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