GPS接收机载波跟踪环路设计

摘要：载波跟踪环路设计是GPS接收机中的关键技术，载波环鉴别器的类型确定了跟踪环的类型，为了有效地防止因为数据跳变引起的鉴别误差，并且使其频率鉴别范围大，精度高，采用一种二阶锁频环(FLL)辅助三阶锁相环(PLL)的方法。通过Matlab仿真载波环路比较了两种鉴频和鉴相算法的性能。结果表明，该方法鉴别范围大，精度高，切实可行。
关键词：全球定位系统；载波跟踪；锁相环；锁频环

0 引言
随着GPS卫星应用产业化进程的逐步发展，对导航接收机关键技术的攻关必将缩短卫星导航终端产品的研发周期，推进卫星导航应用产业化的进程。在GPS接收机中利用何种技术来快速跟踪卫星多普勒频偏的变化是面临的主要挑战。载波跟踪环路设计是GPS接收机中非常重要的环节，其性能的好坏直接影响到接收机的灵敏度。
本文通过GPS接收机中载波跟踪环路的设计与研究，讨论载波跟踪环路的实现方法和需要注意的细节，最后经过Matlab仿真比较了几种鉴频和鉴相算法的性能，证明本文采用的算法正确合理，且适应高动态环境下对GPS信号的跟踪。

1 载波跟踪环路基本模型
GPS接收机完成对信号的捕获、码跟踪后进入载波跟踪环路，图1给出了载波跟踪环路的基本模型。载波预检测积分时间、载波环鉴别器和载波环滤波器决定了载波跟踪环的特性。为了容忍动态应力，预检测积分时间应当短，鉴别器应为一个FLL，载波环滤波器的带宽应当宽，但是为了使载波测量精确，预检测积分时间应当长，鉴别器应为一个PLL，且载波环滤波器带宽应当窄。为了解决这个矛盾，本文采用了一种二阶FLL辅助三阶锁相PLL的方法，使环路从FLL有效过渡到PLL，既保证了接收机的动态性能，又提高了载波测量的精度。

2 频率鉴别器
FLL通过复现卫星近似的频率来完成载波剥离过程，信号I和Q的采样时间不应跨越数据比特的跳变，在初始信号捕获期间，接收机并不知道数据跳变的边界在哪里。在完成比特同步的同时，与相位锁定相比，一般说来更易与卫星信号保持频率锁定。常用的频率鉴别器为四象限反正切鉴别器，其表达式为：

式中：cross=Ips1×Qps2-Ips2×Qps1；dot=Ips1×Ips2+Qps1×Qps2；Ips1和Qps1是在时刻t1下的相关值；Ips2和Qps2是在时刻t2下的相关值；t2-t1为预检测积分时间。
采用这种鉴别器，t1和t2时刻的相关值采样应该在同一数据比特时间区间内，但是初始捕获阶段接收机不知道数据跳变的边界，所以本文采用二象限反正切鉴别器，有效防止了因数据跳变引起的频率鉴别误差，其表达式为：

3 相位鉴别器
PLL通过复现卫星的准确相位和频率(已变换到中频)来完成载波剥离功能。因为Costas锁相环对数据调制不敏感，所以本文采用Costas锁相环，常用的鉴别器如表1所示。

因为二象限反正切鉴别器的输入误差范围在±90°区间上保持线性，所以本文采用二象限反正切鉴别器。