高动态下GPS信号的捕获和跟踪技术研究

!"#$%&’$： /E =SHI:;= CK= +,- B:@;HN :; K:@K GJ;HI:F B:CDHC:E;， :C :B ;=F=BBHLJ CE G=B:@; FEG= F:LFDB H;G FHLL:=L F:LFDB# +,- B:@;HNTB ?HBC HFUD:B:C:E; H;G CLHFV:;@ ML=F:B=NJ :B CK= V=J MLEWN=I# A; CK:B G:BB=LCHC:E;， ?EL CK= UD=BC:E; E? +,- B:@;HNB HFUD:B:C:E; H;G CLHFV:;@ D;G=L K:@K GJX ;HI:F F:LFDIBCH;F=， BEI= MLEWN=IB =S:BC=G :; L=F=:Q:;@ +,- B:@;HNB HL= H;HNJB=G， YK:FK :B WLED@KC WJ K:@K GJ;HI:F F:LFDIBCH;F=# 9HB=G E; CK= H;HNJB:B， ../ FEG= ?HBC HFUD:B:C:E; HN@EL:CKI， :;C=@LHC=G MKHB= NEFV:;@ H;G ?L=UD=;FJ NEFV=G CLHFV:;@ BCLHC=@J HL= ML=B=;C=G# Z=B:@;:;@ I=CKX EGB E? FEG= F:LFDB， FHLL:=L F:LFDB BCLDFCDL= H;G MHLHI=C=L HL= =SMNH:;=G# /K= B:IDNHC:E; L=BDNCB H;G H;HNJB:B BKEY CKHC CK= G=B:@;:;@ L=HN:R= CK= B:@;HNTB ?HBC HFUD:B:C:E; D;G=L K:@K GJ;HI:F F:LFDIBCH;F= H;G V==M GJ;HI:FB M=L?ELIH;F= H;G CLHFV:;@ ML=F:B:E; HC CK= BHI= C:I=# ()*+,%-#： +,-； K:@K GJ;HI:F； ../ FEG= ?HBC HFUD:B:C:E;； FHLL:=L CLHFV:;@ C=FK;:UD=
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+ + 为了跟踪频率斜升的信号， 2 ( 必须足够大以使频率变
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其中 （ <EH） 5 是环路信噪比 "# IJ 。 载体的加速度 ! , "# 6 ， 伪随机码多普勒频率的变化 率为： 23 " ! # 2 7 / 8 / K+ + + + + + + + + " "# # LC 3 # "C #$% # "# ! / % # "# 3 " #C %%( 89 . B 求得 # + 应不小于 #C L33 M5I . B， 因此 1 , #C ’$( 89。 考虑到设计余量， 设定码环的二阶 N5OOP 波器 1 5% , " 89。 HPKQ6RA 滤
［（ + /）% （ - / 0 ,） ］ (
相关函数值， 由于实际的采样点数为每个码片上 4 个点时， 所
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军事通信
陈斌杰等： 高动态下 T@< 信号的捕获和跟踪技术研究
$# DB， 可以粗略认为， 码捕获时间就是 #C %’ （ B #C ##% % + "## 2 #C #$ , #C %’ B） 。 0 , #C %’ +%$ , ""C $ B 初始捕获时间：
)* !+ 频率判决
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"通信与信息技术#
+ + 考虑到设计余量， 设定 &’’ 的二阶 8599: 波器 ( +, E ) #$。
;:2<401 滤
（ "） （ $ "） ， (’’ 三 科斯塔斯环的鉴相器输出为 * " & % 阶 8599: ;:2<401 滤波器的性能方程为 $ 0, & !6 - ( +, ， 加加 速度为 !" @ A /- ， 则带宽为 )6 "" #$， 考虑到设计余量， 设定 ( +, E )6 , #$。
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:; 高动态环境对卫星信号的影响
在高动态环境下， 载体和 +,- 卫星之间的高速相对 运动将使接收信号产生很大的多普勒频移。当多普勒频 移达到 [ "’ V6R 时， 就对信号捕获时频域的搜索带宽提 出了较高的要求， 同时由于频域带宽的增加， 使频域搜索 点的个数增加， 数据处理量增大， 这就给码的快速捕获带 来了困难， 使得传统的码捕获方法很难实现信号的快捕。 载体的高加速度和高加加速度会产生接收信号载波 的多普勒频移的变化率的改变， 设载体的相对加速度为 ! \ !%@， 伪随机码多普勒频率的变化率为： "# $ ! % " & ’ ( ’ ) $ !% % ]1 & % !1 %") % !% 4 ’ ) % !% & $ %1 ))( 6R ^ B 接收信号载频的最大多普勒频率的变化率为： "# $ ’!’ 6R ^ B。 当加速度变化率为 !# $ !%@ ^ B， 所以 "* \ ’!’ 6R ^ B 。 这就要求在捕获时观察时间短， 数据更新率高， 频率 搜索单元的间隔大， 从而避免在高动态下搜索不到信号； 在跟踪时锁相环采用三阶， 以保证能跟踪上一阶相位斜 升， 从而避免在高动态下信号失锁。另外， 我们可以发现
$: $+ 环路滤波器设计
需乘 法 运 算 的 次 数 为：! " ! # " #$% # ! # " #$% " %& !&’ #(( 次， 所需加法运算的次数为： $ " %& !&’ #((。 计算量 太大， 微处理器难以实时完成。 因此， 我们采用适合大计算量 用 % 表示傅里叶逆变换， ’ （ (）表示 ’ （ (） 运算的 ))* 运算。 的复共轭， 相关函数在频域可由式 （$）算得：
收稿日期： "%%’ %& )%
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载体的高动态对伪随机码的影响还是比较小的， 只要数据 更新率合适， 则这种影响都可以在捕获和跟踪的过程中忽
［!］ 略不计 。
<; 码捕获和跟踪
传统的码捕获方法由于巨大的数据处理量， 捕获时间变 得很长， 无法适应高动态环境下的码捕获。为了实现码的快 速捕获， 本文采用 ../ 算法进行码捕获， 原理如图 ! 所示。
图 !$ ../ 快速捕获结构框图
接收信号序列｛ （ + ,） ｝和本地信号序列｛ （ - ,） ｝的相关函 数在时域的计算表达式为：
. / $! （!） . $ ! %") ， $ $ $ $ % ’ , 1 ! %") $ $ 相关间隔设定为 ! 个码片， 如果在时域直接计算! %") 个
（ ,） $ ! +-
［$， %］ 实现动态变 化时 )SS 和 @SS 跟 踪方式 的切换 。图 (
ห้องสมุดไป่ตู้
为 )SS 和 @SS 混合载波跟踪的原理框图。
图 %+ . / ! 码相位图 $: "+ 捕获时间
拟采用 *; 公司的 *4<%$#=>%% 芯片。该 ?<@ 芯片的 浮点数字信号处理器的指令周期为 "% AB， 每秒钟可以运 行 &C ’ - "# & 条指令， 完成 3! ((( 次乘法和 "!# !"# 次加法 需要 %C % DB。 定义步进频率为 ’## 89 调整本地载波 E>F， 为完成 ))* 解 算， 必 须 存 储 一 段 数 据， 定为一个数据位时间
+
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码跟踪环路采用超前 . 滞后锁相环， 超前 . 滞后支路之 间的间隔为 #C ’ 个码片。 为了尽可能削弱噪声对环路跟踪精度的影响， 环路等 效噪声带宽应尽可能小， 当 " 取值为 #C ’ G "C # 之间时为 欠阻尼状态， 一般取 #C &#& 时能够较好地抑制噪声， 增强 信噪比， 此时： 1 " #C ’% # ( 化率满足： 23 4 #( &" / $ ［ " &（ <EH） ］ 5 $
!" 载波跟踪
由于载体在绝大部分时间内工作于中低态环境下， 在 少数时间处于高动态环境下， 因此较理想的载波跟踪环是 以 )SS 跟踪及短的积分时间与较大的带宽滤波器闭合跟
图 $+ 码捕获相关峰图
踪环路， 然后转入科斯塔斯环跟踪， 在容许预期动态影响 的前提之下， 尽量采用长的预检积分时间和窄的滤波器噪 声带宽以维持环路的跟踪状态， 当动态增强时， 环路自动
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" % ［（ (）# ’ （ (） ］ ， + # ’ ( ’ " #$% （$） + + 在频域计算 " #$% 个相关函数值所需 ))* 的次数为： . , % 次， 采用 ))* 计算时， 所需乘法运算的次数为： ! ,% （ ! - " #$% ） . $ - /01（ 2 ! - " #$% $ ! - " #$% ） , 3! ((( 所需加法运算的次数为： $ ,% （ ! - " #$% ）- /01（ , "!# !"# $ ! - " #$% ） 与传统的捕获方法相比较， ))* 算法显然大大减少了 运算次数。 用 456/57 软件进行仿真， 用 ))* 算法可以得到各个 相位上的相关峰峰值。如图 $ 所示， 横坐标表示的是码相 位， 纵坐标表示不同码相位差所对应的相关峰峰值。仿真 结果显示， 在多普勒频移估计误差小于 ’## 89 的条件下， 可以在很短时间内， 估计出本地伪随机码和接收伪随机码 的相位差， 实现伪随机码的快速捕获。
《 现代电子技术》 "%%4 年第 ) 期总第 "!& 期
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"通信与信息技术#
高动态下 !"# 信号的捕获和跟踪技术研究
陈斌杰! ， 陈敏锋"
（ !# 中国航天二院遥感设备研究所$ 北京$ !%%&’( ； "# 浙江大学 信息与电子工程学院$ 浙江 杭州$ )!%%"* ） 摘$ 要： 为检测高动态 +,- 信号， 需要设计码环及载波环的捕获和跟踪数字系统。如何快速捕获信号， 并进行精确跟 踪， 是问题的关键。针对高动态环境下 +,- 信号的捕获和跟踪问题， 分析了高动态环境对 +,- 信号的影响， 提出了 ../ 码 快速捕获算法， 以及二阶 .00 与三阶 ,00 混合载波跟踪方案， 并对码环和载波环的结构和参数的设计方法进行了说明。仿 真结果和分析表明该方案能在高动态环境下实现信号的快速捕获， 且能较好地满足接收机动态性能和跟踪精度的要求。 关键词： +,-； 高动态； ../ 快速捕获； 载波跟踪技术 中图分类号： ,""&1 ($ $ $ $ $ 文献标识码： 2$ $ $ $ $ 文章编号： !%%( )*)3 （ "%%4 ） %) %!) %)
图 (+ )SS 和 @SS 混合载波跟踪环原理图
二阶 )SS 和三阶 @SS 混合载波跟踪的实现基于相关 器输出的同相， 正交信号 9 : ， ;: 。 在不同的动态环境下， 通 过频率判决和相位判决来决定采用哪种跟踪模式。 首先用
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《 现代电子技术》 -"". 年第 ) 期总第 -!= 期
四相鉴频器将载波频率变化 !! 降到 !" #$ 以下， 然后跟据 若 " " # !"% ， 整个载波跟踪过程中 载波相位 " " 进行判决， % " 首先进入频率判决器 包括两次判决： 同相， 正交信号 $ " ， 进行第一次判决， 如果频率误差太大， 那么需要先用四相 如果频率误差已经进入 鉴频器将频率牵引到 !" #$ 以下； 叉积鉴频器的线性工作范围， 再用相位判决器进行第二次 判决， 载体相位误差的大小来决定转入叉积频率环 （ &’’ 环） 还是科斯塔斯环 （ (’’ 环） 。