衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)跟蹤環(huán)路的分析

劉智超 崔 星

（陜西凌云科技有限責(zé)任公司 陜西西安 710119）

衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)跟蹤環(huán)路的分析

劉智超 崔 星

（陜西凌云科技有限責(zé)任公司 陜西西安 710119）

本文介紹了載波跟蹤環(huán)路和碼跟蹤環(huán)路的工作方式，通過對(duì)鎖頻環(huán)和鎖相環(huán)相結(jié)合的載波跟蹤方法的分析和設(shè)計(jì)，使環(huán)路在高動(dòng)態(tài)的環(huán)境下能夠穩(wěn)定跟蹤衛(wèi)星信號(hào)。

衛(wèi)星信號(hào)；載波跟蹤；碼跟蹤；環(huán)路；鎖頻環(huán)；鎖相環(huán)

1 引言

衛(wèi)星信號(hào)經(jīng)過了射頻前端處理后，變成模擬的中頻信號(hào)，模擬中頻信號(hào)經(jīng)A/D采樣后變成數(shù)字中頻信號(hào)送入基帶信號(hào)處理模塊中?；鶐盘?hào)處理模塊完成信號(hào)的捕獲、跟蹤、位同步、幀同步功能，將解擴(kuò)、解調(diào)、解碼后的衛(wèi)星電文送至后續(xù)的信息處理模塊中，完成定位解算。為了保證接收機(jī)穩(wěn)定的輸出定位結(jié)果且保證定位的精度，除了要完成對(duì)信號(hào)的捕獲，還需要高性能的跟蹤環(huán)路來保證對(duì)信號(hào)穩(wěn)定的跟蹤。衛(wèi)星信號(hào)捕獲成功后，將獲得信號(hào)的多普勒頻率及碼相位的粗略值，然后進(jìn)入跟蹤階段。跟蹤環(huán)路使本地所復(fù)制出的載波和碼與衛(wèi)星信號(hào)中載波和碼相位保持精確同步，完成載波跟蹤和碼跟蹤。由于衛(wèi)星與載體的相對(duì)運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生多普勒頻移。同時(shí)衛(wèi)星時(shí)鐘和接收機(jī)的晶振也會(huì)存在頻漂，這就會(huì)導(dǎo)致接收衛(wèi)星信號(hào)的載波頻率和碼相位是不斷變化的，所以跟蹤環(huán)路是以閉環(huán)的形式周期地、持續(xù)地運(yùn)行。只有這樣才能對(duì)衛(wèi)星信號(hào)持續(xù)鎖定，保證觀測(cè)量和電文的輸出。跟蹤環(huán)路包括載波跟蹤環(huán)和碼跟蹤環(huán)兩部分，分別用來跟蹤載波和偽碼。

2 載波跟蹤環(huán)路分析

載波跟蹤環(huán)路是指連續(xù)地調(diào)整本地載波的頻率和相位，使其與衛(wèi)星信號(hào)上載波的頻率和相位保持同步，然后通過混頻的方式將載波從衛(wèi)星信號(hào)中剝離出。只有徹底去掉載波頻率，才能將信號(hào)真正地變頻成基帶信號(hào)。如果本地載波與接收信號(hào)的載波不一致，將會(huì)削弱碼相關(guān)的幅值，導(dǎo)致電文不能被正確的解調(diào)。如圖1所示，給出了載波跟蹤環(huán)路的結(jié)構(gòu)框圖，數(shù)字中頻信號(hào)經(jīng)過下變頻處理后變成I、Q兩路基帶信號(hào)，分別與本地碼發(fā)生器生成的即時(shí)路碼P進(jìn)行積分累加，將累加的結(jié)果Ip、Qp分別送入鑒頻器和鑒相器中，并計(jì)算出頻率和相位的誤差，將此誤差經(jīng)環(huán)路濾波器返回給本地載波NCO。通過調(diào)整本地的載波頻率和載波相位，使其與接收到的衛(wèi)星信號(hào)保持一致。其中，使頻率保持一致的環(huán)路叫做鎖頻環(huán)，使相位保持一致的環(huán)路叫做鎖相環(huán)。

鎖相環(huán)是為了鎖定接收衛(wèi)星信號(hào)的上載波的相位，它也被稱為一種接收機(jī)的技術(shù)，它可以在一個(gè)系統(tǒng)中調(diào)制出穩(wěn)定的頻率。鎖相環(huán)通過不斷調(diào)整本地載波的相位，使接收信號(hào)的載波與本地載波的相位始終保持一致。當(dāng)接收信號(hào)與本地載波的相位趨于一致但未達(dá)到一致時(shí)，鎖相環(huán)處于遷入狀態(tài)，此時(shí)的鎖相環(huán)表現(xiàn)為暫態(tài)特性；當(dāng)接收信號(hào)與本地載波的相位達(dá)到一致時(shí)，鎖相環(huán)此時(shí)處于鎖定狀態(tài)，此時(shí)的鎖相環(huán)表現(xiàn)為穩(wěn)態(tài)特性。如果暫態(tài)過程長時(shí)間不能穩(wěn)定下來而未能進(jìn)入鎖定狀態(tài)，鎖相環(huán)將會(huì)失鎖而導(dǎo)致丟失信號(hào)。

圖1 載波跟蹤環(huán)路框圖

鎖頻環(huán)是為了鎖定接收衛(wèi)星信號(hào)的上載波的多普勒頻率，它復(fù)制一個(gè)包含多普勒頻率的本地載波，通過不斷調(diào)整本地載波的頻率，使接收信號(hào)的載波與本地載波的頻率始終保持一致。衛(wèi)星信號(hào)上的載波多普勒頻率是不可預(yù)測(cè)的，鎖頻環(huán)需要鑒別出接收信號(hào)和本地載波的頻率差異，然后調(diào)節(jié)本地載波NCO使兩者的頻率達(dá)到動(dòng)態(tài)一致。鎖頻環(huán)和鎖相環(huán)的結(jié)構(gòu)基本相同，主要是鑒別器的算法不同。

基帶信號(hào)處理中的鎖頻環(huán)和鎖相環(huán)技術(shù)均可被采用且能夠獨(dú)立運(yùn)行，但是選擇哪一種環(huán)路以及環(huán)路中的積分時(shí)間、環(huán)路噪聲帶寬等參數(shù)的設(shè)置，還要根據(jù)具體的應(yīng)用環(huán)境。噪聲性能和動(dòng)態(tài)性能是我們?cè)谠O(shè)計(jì)跟蹤環(huán)路時(shí)主要考慮的兩個(gè)方面。

鎖相環(huán)在有較窄的噪聲帶寬時(shí)，可以很好的跟蹤信號(hào)，能夠精確的測(cè)量載波相位，但是動(dòng)態(tài)性能差，當(dāng)載體高動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生載波頻率的變化，使環(huán)路帶寬增大，導(dǎo)致鎖相環(huán)不能鎖定。鎖頻環(huán)在有較寬的噪聲帶寬時(shí)，動(dòng)態(tài)性能好，但是環(huán)路噪聲高，輸出的載波測(cè)量值欠精確。

根據(jù)鎖頻環(huán)和鎖相環(huán)的特點(diǎn)，可以將鎖頻環(huán)和鎖相環(huán)組合在一起使用，既能夠保證動(dòng)態(tài)性能，又能保證跟蹤精度。圖2給出二階鎖頻環(huán)輔助三階鎖相環(huán)的結(jié)構(gòu)圖，此環(huán)路可以穩(wěn)定跟蹤頻率的加速度及加加速度變化。

鎖頻環(huán)跟蹤載波頻率，通過鑒頻器獲得載波頻率誤差，可以很快的將頻差縮小，具有較好的動(dòng)態(tài)性能，但跟蹤精度卻比鎖相環(huán)低。鎖相環(huán)跟蹤載波相位，通過鑒相器獲得載波相位誤差，當(dāng)環(huán)路閉合穩(wěn)定時(shí)有較高的跟蹤精度。因此，鎖頻環(huán)輔助鎖相環(huán)混合跟蹤可以在提高動(dòng)態(tài)跟蹤能力的同時(shí)，保證跟蹤的精度。載波跟蹤的工作模式是先啟動(dòng)鎖頻環(huán)，當(dāng)頻差減小到鎖相環(huán)的調(diào)整范圍時(shí)，轉(zhuǎn)入鎖相環(huán)跟蹤。根據(jù)動(dòng)態(tài)的變化情況，環(huán)路自動(dòng)實(shí)現(xiàn)鎖相環(huán)和鎖頻環(huán)跟蹤方式的切換。

圖2 鎖頻環(huán)輔助鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)圖

3 碼跟蹤環(huán)路分析

捕獲成功后，本地碼與接收信號(hào)的偽碼完成粗對(duì)齊，誤差在1/2碼片之內(nèi)，隨后轉(zhuǎn)入碼跟蹤過程，進(jìn)而達(dá)到碼相位精確對(duì)齊的目的。選用了非相干延遲鎖定環(huán)（DLL）完成對(duì)碼的跟蹤，環(huán)路結(jié)構(gòu)如圖3所示，DLL環(huán)路由積分清除器、碼鑒相器、環(huán)路濾波器組成。

圖3 碼跟蹤環(huán)路結(jié)構(gòu)圖

碼鑒相器提取本地碼與接收信號(hào)碼的相位誤差，經(jīng)過環(huán)路濾波，與載波多普勒輔助信息和碼NCO控制字一起傳入碼NCO。在碼NCO的時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)下，碼生成器就可以產(chǎn)生與衛(wèi)星信號(hào)精確同步的本地碼。

載體的高動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生載波多普勒頻移，同時(shí)也會(huì)對(duì)碼產(chǎn)生影響，產(chǎn)生碼多普勒，采用載波環(huán)輔助的方法能夠較小多普勒的影響。設(shè)載波多普勒頻率為f0，碼多普勒頻率為fcd，載波頻率為fL，碼速率為Rc，得到：

在捕獲成功后，獲得載波多普勒頻率f0，此時(shí)殘留的載波多普勒已經(jīng)在±625Hz以內(nèi)。按照上式進(jìn)行載波輔助，以BDS B3頻點(diǎn)的C/A碼為例：

4 載波跟蹤環(huán)路仿真

對(duì)所設(shè)計(jì)的環(huán)路進(jìn)行仿真，來驗(yàn)證此環(huán)路的性能，將二階鎖頻環(huán)的環(huán)路帶寬Bn設(shè)為20Hz，三階鎖相環(huán)的環(huán)路帶寬Bn設(shè)為15Hz，只考慮熱噪聲誤差。

4.1 定頻跟蹤

設(shè)定輸入信號(hào)的載噪比為41dB，載波多普勒頻率為1kHz，且不隨時(shí)間變化，預(yù)積分時(shí)間Tcoh為0.5ms，初始頻差1kHz，不考慮數(shù)據(jù)位對(duì)環(huán)路的影響，由圖4可知，該環(huán)路可對(duì)定頻頻率穩(wěn)定跟蹤。

圖4 環(huán)路對(duì)定頻跟蹤結(jié)果圖

4.2 頻率斜升跟蹤

設(shè)輸入信號(hào)載噪比為41dB，多普勒頻率隨時(shí)間做斜升變化，fd=k·t，k表示頻率斜升的斜率，預(yù)積分時(shí)間Tcoh為0.5ms，初始頻差為1kHz，由圖5可知，該環(huán)路可對(duì)頻率斜升穩(wěn)定跟蹤。

4.3 加加速度的應(yīng)力

圖5 環(huán)路對(duì)頻率斜升跟蹤結(jié)果圖

設(shè)輸入信號(hào)載噪比為41dB，多普勒頻率隨時(shí)間加加速度變化，fd=aa· 0.5t2，aa表示多普勒頻率加加速度（aa=10g），預(yù)積分時(shí)間Tcoh為0.5ms，初始頻差為1kHz，由圖6可知，該環(huán)路可對(duì)頻率加加速度進(jìn)行穩(wěn)定跟蹤。

圖6 環(huán)路對(duì)頻率加加速度跟蹤結(jié)果圖

5 結(jié)束語

通過對(duì)鎖頻環(huán)和鎖相環(huán)相結(jié)合的載波跟蹤環(huán)路分析與仿真可知，鎖頻環(huán)能夠迅速鎖定頻率并轉(zhuǎn)換到鎖相環(huán)上，可以分別在定頻、頻率斜升和頻率加加速度變化的情況下穩(wěn)定跟蹤。

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TN96.1

A

1004-7344（2016）20-0257-02

2016-7-4

劉智超（1983-），男，設(shè)計(jì)師，主要從事無線電導(dǎo)航、衛(wèi)星導(dǎo)航與通信等開發(fā)工作。

崔星（1986-），男，設(shè)計(jì)師，主要從事無線電導(dǎo)航、衛(wèi)星導(dǎo)航與微波等開發(fā)工作。