GPS軟件接收機(jī)中載波跟蹤方法的研究綜述【文獻(xiàn)綜述】

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1、畢業(yè)論文文獻(xiàn)綜述電子信息工程GPS軟件接收機(jī)中載波跟蹤方法的研究綜述摘要：文章對(duì)GPS軟件接收機(jī)中載波跟蹤方法做了深入研究，詳細(xì)闡述了鎖相環(huán)、科斯塔斯環(huán)和鎖頻環(huán)三種載波跟蹤環(huán)路的工作原理，并比較了鎖相環(huán)和鎖頻環(huán)載波跟蹤環(huán)路的性能。最后對(duì)GPS現(xiàn)代應(yīng)用及未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。關(guān)鍵詞：GPS軟件接收機(jī)；載波跟蹤；鎖相環(huán)；科斯塔斯環(huán)1、引言隨著科技的發(fā)展進(jìn)步，GPS漸漸被我們熟悉，最常見(jiàn)的是GPS車載導(dǎo)航儀。我們知道，GPS由空間部分，地面控制系統(tǒng)以及用戶設(shè)備三部分組成[1-2]，貫穿這三部分的就是傳輸中的信號(hào)。GPS信號(hào)包括了載波，偽隨機(jī)碼和導(dǎo)航電

2、文三部分[3]。若要得到導(dǎo)航電文，需要將GPS衛(wèi)星信號(hào)中的載波分量和偽隨機(jī)碼剝離，而剝離的過(guò)程即為本地接收端產(chǎn)生與GPS信號(hào)同步的載波和偽隨機(jī)碼，再與GPS信號(hào)進(jìn)行混頻，輸入GPS衛(wèi)星導(dǎo)航電文的過(guò)程。同步的過(guò)程包括信號(hào)捕獲和信號(hào)跟蹤。GPS的信號(hào)跟蹤環(huán)節(jié)主要包括載波跟蹤和碼相位跟蹤。跟蹤部分的主要目的就是得到更精確的載波頻率和碼相位，保持對(duì)信號(hào)的跟蹤和解調(diào)出特定衛(wèi)星的導(dǎo)航數(shù)據(jù)。2、載波跟蹤方法GPS載波跟蹤方法通常有兩種，載波相位跟蹤和載波頻率跟蹤。載波跟蹤環(huán)的作用是對(duì)碼跟蹤環(huán)的輸出信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，得到導(dǎo)航電文數(shù)據(jù)，同時(shí)得到載波多普勒頻移的觀測(cè)量，用

3、于對(duì)接收機(jī)進(jìn)行高精度測(cè)速[4]。對(duì)低動(dòng)態(tài)或靜態(tài)GPS接收機(jī)采用載波相位跟蹤(即鎖相環(huán))，鎖相環(huán)跟蹤的是載波相位，通過(guò)載波鑒相器提取并輸出相位估計(jì)誤差來(lái)控制壓控振蕩器，當(dāng)環(huán)路閉環(huán)穩(wěn)定時(shí)，鎖相環(huán)比鎖頻環(huán)有更高的跟蹤精度。在高動(dòng)態(tài)環(huán)境下，由于存在較大的多普勒頻移，使用鎖相環(huán)直接捕獲載波相位非常困難，必須采用鎖頻環(huán)[5]。2.1鎖相環(huán)(PLL)原理鎖相技術(shù)是一種同步跟蹤技術(shù)，最初是為了解決同步檢波的問(wèn)題而提出的，它是提取信號(hào)相位信息的有效工具[6]4。鎖相環(huán)是一個(gè)非線性自動(dòng)控制系統(tǒng)，當(dāng)相位誤差較小時(shí)，環(huán)路可以等效為相位的線性濾波器。鎖相環(huán)的工作過(guò)程可以描述

4、為：通過(guò)鑒相器比較輸入相位和輸出相位，得到誤差信號(hào)，該誤差信號(hào)一般混和了高頻分量和寬帶噪聲，經(jīng)環(huán)路濾波之后得到控制信號(hào)，并加到壓控振蕩器上使之產(chǎn)生頻率偏移，從而使得輸出相位能夠跟蹤輸入相位的變化[7]。由此可知，鎖相環(huán)實(shí)際上是通過(guò)頻率的調(diào)整來(lái)達(dá)到相位跟蹤的目的。當(dāng)環(huán)路鎖定之后，輸出頻率和輸入頻率相同，而輸出相位和輸入相位之間可以維持一定的穩(wěn)態(tài)誤差，通過(guò)鎖相環(huán)可以得到十分精確的頻率控制。2.2科斯塔斯環(huán)(Costas)因?yàn)閷?duì)衛(wèi)星信號(hào)做載頻和碼剝離之后，50Hz的導(dǎo)航電文數(shù)據(jù)調(diào)制信號(hào)還保留著，所以不適宜用純PLL跟蹤。而Costas環(huán)對(duì)信號(hào)的數(shù)據(jù)調(diào)制1

5、80度相位翻轉(zhuǎn)不敏感，并且測(cè)量精度高，可以提供差錯(cuò)最少的數(shù)據(jù)解調(diào)，因此是GPS接收機(jī)載波跟蹤環(huán)最希望的穩(wěn)態(tài)跟蹤模式[8]。科斯塔斯環(huán)又稱同相、正交環(huán)，其作用是為了跟蹤輸入信號(hào)的載波，以實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)速和導(dǎo)航數(shù)據(jù)的正確解調(diào)。用Costas環(huán)檢測(cè)衛(wèi)星數(shù)據(jù)電文串直截了當(dāng)。但用Costas環(huán)時(shí)存在180度的相位多值問(wèn)題，所檢測(cè)出的數(shù)據(jù)位串有可能是正確的，也有可能是相反的。這種多值性可以在幀同步過(guò)程中解決。表2-1小結(jié)了幾種GPS接收機(jī)Costas鎖相環(huán)鑒別器的輸出相位誤差和特性[9-10]。表2-1常用Costas環(huán)鑒別器鑒別器算法輸出特性在低信噪比時(shí)接近最

6、佳，運(yùn)算量適中。在高信噪比時(shí)接近最佳，運(yùn)算量要求低。為最佳，在高低信噪比時(shí)良好，運(yùn)算量要求高。二象限反正切，在高低信噪比時(shí)最佳，斜率和信號(hào)幅度無(wú)關(guān)，運(yùn)算量要求最高。2.3鎖頻環(huán)(FLL)鎖頻環(huán)也稱自動(dòng)頻率控制環(huán)(AFC)，通過(guò)復(fù)現(xiàn)近似頻率以完成載波剝離過(guò)程。頻率跟蹤實(shí)質(zhì)上是載波相位的差分跟蹤[11]。FLL通過(guò)鑒別器測(cè)量載波相位在固定時(shí)間間隔內(nèi)的變化量，通過(guò)環(huán)路濾波器后再控制數(shù)控振蕩器(NCO)產(chǎn)生適當(dāng)?shù)谋镜剌d波以解調(diào)信號(hào)，在信號(hào)初始捕獲完成后實(shí)現(xiàn)頻率鎖定，這比實(shí)現(xiàn)相位鎖定容易。鎖頻環(huán)(FLL)用頻率誤差去跟蹤載波，而鎖相環(huán)卻是用相位誤差。一般鎖頻

7、環(huán)噪聲帶寬比較大可以跟蹤更高動(dòng)態(tài)的信號(hào)，但是跟蹤的精度不是太高。表2-2小結(jié)了幾種GPS接收機(jī)鎖頻環(huán)的鑒別器，以及它們的輸出頻率和特性[9-10]。表2-2常用鎖頻環(huán)鑒別器鑒別器算法輸出特性在低信噪比時(shí)接近最佳，運(yùn)算量適中。4在高信噪比時(shí)接近最佳，運(yùn)算量要求低。二象限反正切，在高低信噪比時(shí)最佳，斜率和信號(hào)幅度無(wú)關(guān)，運(yùn)算量要求最高。3、載波跟蹤方法比較FLL和PLL的動(dòng)態(tài)特性與環(huán)路帶寬和環(huán)路階數(shù)有關(guān)，F(xiàn)LL和PLL的動(dòng)態(tài)性能隨輸入信噪比的提高而增強(qiáng)，隨著帶寬的增加而增強(qiáng)；在相同的環(huán)路帶寬和信噪比條件下，二階FLL的動(dòng)態(tài)性能比三階PLL的要好一個(gè)數(shù)量級(jí)

8、，采用FLL和PLL結(jié)合的方法可以獲得較好的綜合性能[11]。在載波跟蹤中，PLL用相位跟蹤來(lái)代替頻率跟蹤會(huì)比FLL更精確