GPS软件接收机中载波跟踪方法的研究综述【文献综述】

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1、毕业论文文献综述电子信息工程GPS软件接收机中载波跟踪方法的研究综述摘要：文章对GPS软件接收机中载波跟踪方法做了深入研究，详细阐述了锁相环、科斯塔斯环和锁频环三种载波跟踪环路的工作原理，并比较了锁相环和锁频环载波跟踪环路的性能。最后对GPS现代应用及未来的发展趋势进行了展望。关键词：GPS软件接收机；载波跟踪；锁相环；科斯塔斯环1、引言随着科技的发展进步，GPS渐渐被我们熟悉，最常见的是GPS车载导航仪。我们知道，GPS由空间部分，地面控制系统以及用户设备三部分组成[1-2]，贯穿这三部分的就是传输中的信号。GPS信号包括了载波，伪随机码和导航电

2、文三部分[3]。若要得到导航电文，需要将GPS卫星信号中的载波分量和伪随机码剥离，而剥离的过程即为本地接收端产生与GPS信号同步的载波和伪随机码，再与GPS信号进行混频，输入GPS卫星导航电文的过程。同步的过程包括信号捕获和信号跟踪。GPS的信号跟踪环节主要包括载波跟踪和码相位跟踪。跟踪部分的主要目的就是得到更精确的载波频率和码相位，保持对信号的跟踪和解调出特定卫星的导航数据。2、载波跟踪方法GPS载波跟踪方法通常有两种，载波相位跟踪和载波频率跟踪。载波跟踪环的作用是对码跟踪环的输出信号进行解调，得到导航电文数据，同时得到载波多普勒频移的观测量，用

3、于对接收机进行高精度测速[4]。对低动态或静态GPS接收机采用载波相位跟踪(即锁相环)，锁相环跟踪的是载波相位，通过载波鉴相器提取并输出相位估计误差来控制压控振荡器，当环路闭环稳定时，锁相环比锁频环有更高的跟踪精度。在高动态环境下，由于存在较大的多普勒频移，使用锁相环直接捕获载波相位非常困难，必须采用锁频环[5]。2.1锁相环(PLL)原理锁相技术是一种同步跟踪技术，最初是为了解决同步检波的问题而提出的，它是提取信号相位信息的有效工具[6]4。锁相环是一个非线性自动控制系统，当相位误差较小时，环路可以等效为相位的线性滤波器。锁相环的工作过程可以描述

4、为：通过鉴相器比较输入相位和输出相位，得到误差信号，该误差信号一般混和了高频分量和宽带噪声，经环路滤波之后得到控制信号，并加到压控振荡器上使之产生频率偏移，从而使得输出相位能够跟踪输入相位的变化[7]。由此可知，锁相环实际上是通过频率的调整来达到相位跟踪的目的。当环路锁定之后，输出频率和输入频率相同，而输出相位和输入相位之间可以维持一定的稳态误差，通过锁相环可以得到十分精确的频率控制。2.2科斯塔斯环(Costas)因为对卫星信号做载频和码剥离之后，50Hz的导航电文数据调制信号还保留着，所以不适宜用纯PLL跟踪。而Costas环对信号的数据调制1

5、80度相位翻转不敏感，并且测量精度高，可以提供差错最少的数据解调，因此是GPS接收机载波跟踪环最希望的稳态跟踪模式[8]。科斯塔斯环又称同相、正交环，其作用是为了跟踪输入信号的载波，以实现高精度测速和导航数据的正确解调。用Costas环检测卫星数据电文串直截了当。但用Costas环时存在180度的相位多值问题，所检测出的数据位串有可能是正确的，也有可能是相反的。这种多值性可以在帧同步过程中解决。表2-1小结了几种GPS接收机Costas锁相环鉴别器的输出相位误差和特性[9-10]。表2-1常用Costas环鉴别器鉴别器算法输出特性在低信噪比时接近最

6、佳，运算量适中。在高信噪比时接近最佳，运算量要求低。为最佳，在高低信噪比时良好，运算量要求高。二象限反正切，在高低信噪比时最佳，斜率和信号幅度无关，运算量要求最高。2.3锁频环(FLL)锁频环也称自动频率控制环(AFC)，通过复现近似频率以完成载波剥离过程。频率跟踪实质上是载波相位的差分跟踪[11]。FLL通过鉴别器测量载波相位在固定时间间隔内的变化量，通过环路滤波器后再控制数控振荡器(NCO)产生适当的本地载波以解调信号，在信号初始捕获完成后实现频率锁定，这比实现相位锁定容易。锁频环(FLL)用频率误差去跟踪载波，而锁相环却是用相位误差。一般锁频

7、环噪声带宽比较大可以跟踪更高动态的信号，但是跟踪的精度不是太高。表2-2小结了几种GPS接收机锁频环的鉴别器，以及它们的输出频率和特性[9-10]。表2-2常用锁频环鉴别器鉴别器算法输出特性在低信噪比时接近最佳，运算量适中。4在高信噪比时接近最佳，运算量要求低。二象限反正切，在高低信噪比时最佳，斜率和信号幅度无关，运算量要求最高。3、载波跟踪方法比较FLL和PLL的动态特性与环路带宽和环路阶数有关，FLL和PLL的动态性能随输入信噪比的提高而增强，随着带宽的增加而增强；在相同的环路带宽和信噪比条件下，二阶FLL的动态性能比三阶PLL的要好一个数量级

8、，采用FLL和PLL结合的方法可以获得较好的综合性能[11]。在载波跟踪中，PLL用相位跟踪来代替频率跟踪会比FLL更精确