GPS接收機載波跟蹤環路設計

摘要：載波跟蹤環路設計是GPS接收機中的關鍵技術，載波環鑒別器的類型確定了跟蹤環的類型，為了有效地防止因為數據跳變引起的鑒別誤差，并且使其頻率鑒別范圍大，精度高，采用一種二階鎖頻環(FLL)輔助三階鎖相環(PLL)的方法。通過Matlab仿真載波環路比較了兩種鑒頻和鑒相算法的性能。結果表明，該方法鑒別范圍大，精度高，切實可行。
關鍵詞：全球定位系統；載波跟蹤；鎖相環；鎖頻環

0 引言
隨著GPS衛星應用產業化進程的逐步發展，對導航接收機關鍵技術的攻關必將縮短衛星導航終端產品的研發周期，推進衛星導航應用產業化的進程。在GPS接收機中利用何種技術來快速跟蹤衛星多普勒頻偏的變化是面臨的主要挑戰。載波跟蹤環路設計是GPS接收機中非常重要的環節，其性能的好壞直接影響到接收機的靈敏度。
本文通過GPS接收機中載波跟蹤環路的設計與研究，討論載波跟蹤環路的實現方法和需要注意的細節，最后經過Matlab仿真比較了幾種鑒頻和鑒相算法的性能，證明本文采用的算法正確合理，且適應高動態環境下對GPS信號的跟蹤。

1 載波跟蹤環路基本模型
GPS接收機完成對信號的捕獲、碼跟蹤后進入載波跟蹤環路，圖1給出了載波跟蹤環路的基本模型。載波預檢測積分時間、載波環鑒別器和載波環濾波器決定了載波跟蹤環的特性。為了容忍動態應力，預檢測積分時間應當短，鑒別器應為一個FLL，載波環濾波器的帶寬應當寬，但是為了使載波測量精確，預檢測積分時間應當長，鑒別器應為一個PLL，且載波環濾波器帶寬應當窄。為了解決這個矛盾，本文采用了一種二階FLL輔助三階鎖相PLL的方法，使環路從FLL有效過渡到PLL，既保證了接收機的動態性能，又提高了載波測量的精度。

2 頻率鑒別器
FLL通過復現衛星近似的頻率來完成載波剝離過程，信號I和Q的采樣時間不應跨越數據比特的跳變，在初始信號捕獲期間，接收機并不知道數據跳變的邊界在哪里。在完成比特同步的同時，與相位鎖定相比，一般說來更易與衛星信號保持頻率鎖定。常用的頻率鑒別器為四象限反正切鑒別器，其表達式為：

式中：cross=Ips1×Qps2-Ips2×Qps1；dot=Ips1×Ips2+Qps1×Qps2；Ips1和Qps1是在時刻t1下的相關值；Ips2和Qps2是在時刻t2下的相關值；t2-t1為預檢測積分時間。
采用這種鑒別器，t1和t2時刻的相關值采樣應該在同一數據比特時間區間內，但是初始捕獲階段接收機不知道數據跳變的邊界，所以本文采用二象限反正切鑒別器，有效防止了因數據跳變引起的頻率鑒別誤差，其表達式為：

3 相位鑒別器
PLL通過復現衛星的準確相位和頻率(已變換到中頻)來完成載波剝離功能。因為Costas鎖相環對數據調制不敏感，所以本文采用Costas鎖相環，常用的鑒別器如表1所示。

因為二象限反正切鑒別器的輸入誤差范圍在±90°區間上保持線性，所以本文采用二象限反正切鑒別器。