GPS软件接收机中载波跟踪方法的研究综述【文献综述】.doc

1、 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 ，

2、 伪随机码和导航电文 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

3、波多普勒频移的观测量，用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。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为：通过

4、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2 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 180 度相位翻转不敏感，并且

5、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 2.3 锁频环 (FLL) 锁频环也称自动频率控制环 (AFC)，通过

6、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。 鉴别器算法 输出

7、 特性 在低信噪比时接近最佳，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。 3 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，采用 FLL 和 PLL 结合

8、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，而当载波相位差缩小到 PLL 锁定范围时，接收机便从 FLL 状态转换到 PLL 状态，所以，先用 FLL 工作，直到完成高精度的相位跟踪和实现码同步之后，再使用 PLL 接替载波跟踪的任务，以提供精确的载波相位和多普勒频率测量。 FLL 同 PLL 相比， FLL 对数据码转换的敏感度比 PLL 低，具有更好的动态跟踪性能和抗干扰性能， 对动态压力更敏感，在相同的动态条件下， FLL 可以大大扩展跟踪门限，因此 FLL 更适用于载波跟踪， FLL 通常用于高动态的情况下或用于从信号捕获到

9、相位跟踪的过渡阶段。 4、 结论 卫星导航应用产业在国民经济中发挥着越来越重要的作用，将成为 “ 十一五 ” 发展的亮点。在“ 十一五 ” 期间，卫星导航在 现代农业、智能交通、 航空、海路、铁路、建筑、电信 和 电力等方面的应用都会有很大的发展空间 ： 利用 GPS 技术可确定土壤取样的准确位置，使实验室的分析结果体现在土壤状态分布图中，依土壤特性如质地、养分、有机质含量和地貌条件计划所需 投入量。当遇到田间条件有差异时，可进行实时作业调整，对农田进行产量监测和记录 13。 智能公交系统集成 GPS 定位技术、 GIS 地理信息技术、 GPRS 无线网络技术、运营网络优化技术、数据库技术和车

10、载电子技术等多种科技手段，自动生成、采集、传输、存储、分析和统计公交运营数据，实现对公交车辆的实时跟踪和定位、公交车与调度室的双向通讯和调度人员的即时调度指挥等功能 14。 卫星导航技术的发展趋势主要表现在三方面：一是卫星导航的多系统并存，使系统可用性得以提高，应用领域将更广阔；二是多元 组合导航 技术正在得到推广应用，主要有 GPS 与移动通信基站定位、陀螺、航位推算技术等的组合应用；三是卫星导航与无线通信等其它高技术相结合，如 GPS接收机嵌入到蜂窝电话、便携式 PC、 PDA 和手表等通信、安全和消费类电子产品中，从根本上促进了 IT 技术的整体发展。 4 参考文献： 1 方群 ， 袁建

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12、GPS 信号接收及其算法研究 J电光与控制， 2006，8， 13（ 4）： 24 27 7 董渊文，官洪运，胡辉 GPS 接收机伪码跟踪技术研究及仿真 J系统仿真学报， 2006， 11，18（ 11）： 3209 3211 8 杨俊，武奇生 GPS 基本原理及其 Matlab 仿真 M 西安：西安电子科学大学出版社， 2006，2 9 Kaplan E D Understanding GPS Principles and ApplicationsM Massachusetts： Artech House，1996， 8 10 ALAQEELI A Global Position Syste

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