高動態(tài)軟件接收機信號的跟蹤

1、高動態(tài)軟件接收機信號的跟蹤1 軟件接收機接收機是全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)(GPS)用戶端的主要設(shè)備；軍事和民間GPS設(shè)備由于與新的GPS不兼容，必須改變原來的硬件結(jié)構(gòu)才能適應(yīng)；將軟件無線電技術(shù)應(yīng)用于GPS，只需通過改動GPS接收機的軟件和固件，即可增加GPS新的頻段功能，滿足GPS軟件接收機的升級要求；隨著軟件無線電技術(shù)的發(fā)展，軟件接收機由于其靈活、可擴展、經(jīng)濟等優(yōu)點成為當(dāng)前的研究熱點。GPS軟件接收機對射頻信號下變頻后得到的中頻信號進行的捕獲、跟蹤和導(dǎo)航解算處理都是通過軟件實現(xiàn)。相比傳統(tǒng)的硬件接收機，軟件接收機可以只通過改變程序來開發(fā)和驗證新的捕獲、跟蹤和定位算法；可以隨意改變碼和載波跟蹤環(huán)路帶寬使

2、其性能達到最佳。隨著處理器性能的不斷提高，軟件接收機會得到越來越廣泛的應(yīng)用。跟蹤環(huán)路技術(shù)是設(shè)計GPS接收機的關(guān)鍵，目前國外的一些文獻資料都對跟蹤環(huán)路設(shè)計進行了簡單的介紹，也給出了簡單的設(shè)計方法，但由于這類技術(shù)比較敏感，尤其是高動態(tài)跟蹤環(huán)路設(shè)計方法，其內(nèi)部的細節(jié)參數(shù)都是不公開的。GPS接收機的實時動態(tài)性能、定位精度以及功能的豐富性與其所選用的CPU性能有很大關(guān)系。具有較大動態(tài)范圍的接收機的實時運算量大、刷新速度高，對微處理器提出了更高的要求，即接收機應(yīng)具有較高的數(shù)字信號處理能力。DSP芯片具有適合于數(shù)字信號處理的軟件和硬件資源，它運算速度快、接口方便、編程方便、穩(wěn)定性好、精度高、集成方便、可用于

3、復(fù)雜的數(shù)字信號處理算法。利用接收機原始的偽距和偽距變化率進行GPS/INS組合算法和抗多徑算法及設(shè)計新的載波跟蹤環(huán)路等，提高接收機的抗干擾和動態(tài)性能及定位精度。高動態(tài)GPS接收機關(guān)鍵在于信號處理模塊具有快速捕獲功能和較大的捕獲、跟蹤帶寬。動態(tài)GPS接收機關(guān)鍵技術(shù)研究4：a實時有效的GPS星的歷書的推算；b時鐘特性對高動態(tài)接收機的動態(tài)性能影響的研究：時鐘特性(頻率飄移和老化率)對高動態(tài)接收機的動態(tài)性能有較大的影響，在高動態(tài)接收機中必須予以考慮并盡量消除之，其中，頻率飄移的消除大約可以使冷啟動時間縮短60s。c高加速度下的載波跟蹤環(huán)路的研究：為檢測高動態(tài)GPS信號，需要設(shè)計碼環(huán)及載波環(huán)的捕獲與跟蹤

4、數(shù)字系統(tǒng)。在高動態(tài)下，在GPS信號的碼跟蹤和載波捕獲與跟蹤問題中解決在高加速度下的載波跟蹤問題具有十分重要的意義，需設(shè)計出具有較大動態(tài)范圍的載波跟蹤相關(guān)算法。d輔助跟蹤環(huán)路的設(shè)計：信號一旦非正常失鎖如何快速重新捕獲，還必須結(jié)合GPS星歷進行輔助跟蹤環(huán)路的設(shè)計。e冷啟動算法的設(shè)計。2 GPS信號跟蹤GPS信號的捕獲與跟蹤是軟件接收機的核心部分；捕獲算法中，并行碼頻域搜索算法由于其無可比擬的速度優(yōu)勢已成為經(jīng)典算法；跟蹤算法在環(huán)路鑒相器以及環(huán)路參數(shù)的選擇上卻很靈活，參數(shù)的設(shè)計準(zhǔn)則；環(huán)路參數(shù)的對比研究1，比較碼環(huán)與載波環(huán)不同鑒相器的性能，然后對二階鎖相環(huán)中不同環(huán)路參數(shù)設(shè)置下的跟蹤效果進行仿真分析，最后

5、設(shè)計了合適的碼環(huán)與載波環(huán)路，并用實際采集的GPS數(shù)據(jù)論證了所設(shè)計環(huán)路的有效性，為GPS軟件接收機跟蹤環(huán)路的設(shè)計提供了參考。2.1 GPS跟蹤基本原理2.1.1 數(shù)學(xué)原理GPS信號跟蹤是利用捕獲到的粗略碼相位和載波多普勒頻移實現(xiàn)本地信號與輸入信號的準(zhǔn)確同步，從而提取出導(dǎo)航電文。2.1.2 跟蹤環(huán)路A 碼跟蹤環(huán)路碼跟蹤環(huán)路用于保證精確對準(zhǔn)輸入信號C/A碼的位置。通常使用一種延遲鎖相環(huán)DLL（delay locked loop），也稱碼超前-滯后跟蹤環(huán)路。在該環(huán)路中，偽碼發(fā)生器產(chǎn)生超前（E）、即時（P）和滯后（L）3路信號，它們各相差0.5個C/A碼元，分別與去載波后的輸入信號進行相關(guān)，通過觀測這3

6、路相關(guān)值來判斷本地C/A碼的前后移動。為了降低跟蹤環(huán)路對本地載波相位對準(zhǔn)程度的要求，碼環(huán)通常設(shè)計成I、Q兩路正交形式。DLL環(huán)路需要鑒相器產(chǎn)生反饋來判斷本地碼發(fā)生器是否需要調(diào)整，常用的碼環(huán)鑒相器及其性能如下：1）相干鑒相器(IE-IL)是最簡單的碼鑒相器，無需Q支路，但對載波環(huán)路要求很高。2）非相干鑒相器超前減去滯后能量，中等計算量，在±(1/2)個碼元內(nèi)與相干鑒相器性能相同；超前減去滯后能量的歸一化，計算量大，當(dāng)碼片誤差超過1/2個碼元時性能良好，可用于DLL對含較大噪聲信號的跟蹤；IP(IE-IL)+QP(QEQL)：點積，計算量小，用了所有支路。B 載波跟蹤環(huán)路載波環(huán)使用一種對

7、180°相位跳變不敏感的Costas環(huán)來保證對輸入信號載波相位的精確跟蹤。2.1.3 二階鎖相環(huán)DLL環(huán)和Costas環(huán)都可以用一個線性的相位鎖定環(huán)路模型來分析其性能。該模型即二階鎖相環(huán)。由上述分析可知：設(shè)定環(huán)路的BL、和增益k0kd這3個參數(shù)即可得到環(huán)路的傳遞函數(shù)，進而得到整個環(huán)路信息。2.2 GPS跟蹤基本算法2.2.1 環(huán)路參數(shù)對跟蹤效果的影響為分析環(huán)路參數(shù)對跟蹤效果的影響，必須用特定的GPS信號跟蹤仿真。為簡化程序，在Matlab環(huán)境下對單顆GPS衛(wèi)星中頻信號進行仿真。設(shè)置中頻信號頻率f=4.309MHz，采樣率fs=12MHz，仿真信號的C/A碼相位、載波多普勒偏移、信噪比

8、都為可設(shè)參數(shù)。由于環(huán)路增益k0kd對跟蹤效果的影響并不復(fù)雜，這里只討論阻尼因子和噪聲帶寬BL對跟蹤效果的影響。A 阻尼因子對跟蹤效果影響阻尼因子決定鎖相環(huán)到達最終穩(wěn)態(tài)值的速度，值越小，鎖相環(huán)到達穩(wěn)態(tài)值的速度越快，但同時鎖定過程中的超調(diào)量也越大。設(shè)定初始輸入相位誤差為60°，在不同的值下，仿真二階鎖相環(huán)鑒相器輸出。由仿真結(jié)果可知，值取0.7時，環(huán)路很快到達穩(wěn)態(tài)值時間，同時超調(diào)量又不大，為環(huán)路設(shè)計的合適值。B 環(huán)路噪聲帶寬BL對跟蹤效果影響噪聲帶寬BL決定鎖相環(huán)內(nèi)所能容納的噪聲量，同時也能影響環(huán)路的動態(tài)性能。載波環(huán)開始工作時，初始頻率為捕獲階段給出的頻率值，這與實際信號的頻率有一定的偏差

9、，鎖相環(huán)會逐漸地鎖定真實頻率。設(shè)定GPS仿真信號的頻率為4312272Hz,捕獲到的頻率為4312300Hz,存在-28Hz的偏差，在不同的BL下進行仿真。由仿真結(jié)果可知，當(dāng)BL值較小為10Hz時，鎖相環(huán)經(jīng)多次抖動才鎖定頻率值；當(dāng)為20Hz時，鎖相環(huán)較快鎖定頻率，鎖定值的噪聲也較??；當(dāng)為30Hz時，鎖相環(huán)很快鎖定頻率，但噪聲值較大。所以合理選擇噪聲帶寬值對跟蹤效果影響很大。2.2.2 實際信號的跟蹤由上述分析可知，鎖相環(huán)的阻尼因子和環(huán)路噪聲帶寬對跟蹤都有影響。在對實際GPS信號進行跟蹤的過程中需要不斷調(diào)節(jié)碼環(huán)與載波環(huán)的參數(shù)值，以確定合適的環(huán)路參數(shù)。這里設(shè)計合適的載波環(huán)與碼環(huán)，用實際采集的GPS

10、信號對所設(shè)計的環(huán)路跟蹤效果進行驗證。跟蹤后I、Q兩路在某段時間輸出。環(huán)路設(shè)計中，DLL和Costas環(huán)鑒相器分別選擇非相關(guān)歸一化和反正切形式。文獻1首先比較載波環(huán)與碼環(huán)不同鑒相器的計算量以及性能，然后在不同的阻尼因子和噪聲帶寬BL參數(shù)值下對鎖相環(huán)的跟蹤效果進行仿真比較，最后選擇了一組鑒相器并設(shè)計合適的環(huán)路參數(shù)對實際的GPS信號進行跟蹤，跟蹤結(jié)果驗證了所設(shè)計環(huán)路的有效性。文獻6為了解決高動態(tài)環(huán)境下GPS 信號跟蹤問題, 討論了跟蹤環(huán)路類型和參數(shù)的選擇策略, 給出了一組適合高動態(tài)應(yīng)用的環(huán)路參數(shù), 分析了基于開環(huán)頻率估計和2 階FLL ( Frequency Lock Loop) 輔助3 階PLL

11、( Phase Lock Loop)的高動態(tài)環(huán)境下快速的捕獲轉(zhuǎn)跟蹤方法, 給出了在由FPGA 和DSP 組成的硬件平臺上的具體實現(xiàn), 利用GPS 信號模擬器對所設(shè)計的跟蹤環(huán)路的動態(tài)性能進行了驗證。測試結(jié)果表明所設(shè)計的高動態(tài)跟蹤環(huán)路能夠承受60g 視距動態(tài)應(yīng)力。文獻5為了解決加速度大于等于45g、加加速度大于等于10 g / s 的高動態(tài)環(huán)境下GPS信號的載波跟蹤、碼跟蹤及其精度問題，提出了一種綜合考慮動態(tài)和精度性能的載波環(huán)和碼環(huán)優(yōu)化設(shè)計方案，探討了高動態(tài)情況下載波環(huán)和碼環(huán)的結(jié)構(gòu)設(shè)計及捕獲轉(zhuǎn)跟蹤技術(shù), 分析了FLL/ PLL/DLL環(huán)路的動態(tài)應(yīng)力、暫態(tài)響應(yīng)和鑒別器特性, 總結(jié)了實用的控制策略和環(huán)

12、路帶寬。2.3 GPS跟蹤存在問題高動態(tài)條件下接收機所接收衛(wèi)星信號的載波多普勒頻移及其變化率較大；載波環(huán)采用PLL，環(huán)路帶寬必須足夠大，這意味著載波跟蹤精度的降低，而且在高動態(tài)下輸入信號與本地信號的頻差有可能超出PLL同步帶，造成環(huán)路失鎖(無法跟蹤，環(huán)路不能收斂)；載波環(huán)采用FLL直接跟蹤載波頻率，則其捕捉帶和同步帶更寬，對于動態(tài)具有更好的適應(yīng)性，但跟蹤精度卻不如PLL。2.4解決方法如圖提高GPS載波跟蹤環(huán)的性能主要有兩種途徑：一種是設(shè)計性能優(yōu)良的環(huán)路鑒別算法和環(huán)路濾波器，提高載波跟蹤環(huán)本身的性能；另一種途徑是采用外部輔助7。載波跟蹤環(huán)路結(jié)構(gòu)圖提高載波跟蹤環(huán)本身的性能(1) 硬件：使用DSP

13、、FPGA等高速的MCU芯片；GPS 射頻信號經(jīng)過射頻前端轉(zhuǎn)換為46.42MHz模擬中頻信號；ADC將模擬中頻信號轉(zhuǎn)化為2bit數(shù)字中頻信號送入FPGA進行相關(guān)運算；DSP進行后續(xù)的信號處理和信息處理；觀測數(shù)據(jù)和定位解算結(jié)果通過串口發(fā)送給上位機軟件進行分析評估。(2) 軟件：跟蹤環(huán)路設(shè)計是高動態(tài)接收機設(shè)計的核心環(huán)節(jié)，關(guān)系到接收機的動態(tài)性能。利用載波跟蹤環(huán)路的輔助可以消除大部分碼跟蹤環(huán)路的動態(tài)應(yīng)力誤差，因此對于高動態(tài)信號跟蹤算法的研究主要集中于載波跟蹤環(huán)4。高速的捕獲跟蹤算法研究。如捕獲轉(zhuǎn)跟蹤技術(shù)：在捕獲與跟蹤之間采用捕獲轉(zhuǎn)跟蹤技術(shù)，在從捕獲狀態(tài)結(jié)束到跟蹤狀態(tài)開始時間內(nèi)求鑒頻器的平均頻差并進行開環(huán)控制即可進行頻率精捕。提高載波跟蹤環(huán)本身的性能文獻7使用高動態(tài)環(huán)境INS輔助GPS載波跟蹤算法，在保證GPS載波跟蹤環(huán)路濾波器帶寬足夠窄的情況下，可以有效地增加環(huán)路帶寬，從而加大了環(huán)路捕獲帶寬，提高了環(huán)路的捕獲性能。參考文獻1 胡小平，于海亮，唐康華.基于軟件GPS接收機