卫星导航系统-第8讲 GPS接收机技术-3

卫星导航系统-第8讲 GPS接收机技术-3

基带信号处理

作用：

搜索、捕获并跟踪卫星信号；

对电文数据实行解扩、解调；

进行伪距测量、载波相位测量及多普勒频率等数据测量。

处理顺序：

数字中频信号->捕获（捕捉到可见性的卫星信号，伪码实现初同步，载波频率实现初同步）->跟踪（伪码和载波相位的精同步）->位同步->帧同步->GPS测量值导航电文

信号跟踪（精同步）

GPS卫星信号的动态变化包含两个含义：一是由于多普勒效应会引起载波频率发生动态偏移；二是C/A码的相位会随着卫星与接收机间距离的变换而改变。

手段

跟踪GPS信号需要两个类环路：

一类用来跟踪载波，叫做载波跟踪环；

另一类用来跟踪C/A码，称为伪码跟踪环。

载波相位跟踪环（PLL）

载波相位跟踪环是用来实现本地复现载波与中频载波同相。

常用于抑制载波BPSK扩频信号载波跟踪有Costas环和平方环，而在低信噪比条件下两个环路具有相似的环路信噪比，工作性能相似；在高信噪比时，Costas环的环路信噪比有根号2倍的增益改善，GPS载波相位跟踪采用Costas环。

首先与本地PRN码相乘进行解扩，与NCO产生的两路I和Q相乘进行载波的剥离，然后进行积分清洗，一个是完成积分的功能，另一个是控制环路的更新速率，它的作用相当于是一个滤波器，之后进行载波环路的鉴别，这个鉴别器的目的是得到输入信号与本地信号的一个载波相位差，进而通过环路滤波器来控制本地的载波发生器。然后产生本地的信号来跟踪输入的信号，使本地的载波与输入的载波达到同相的目的。

载波相位鉴别器

载波相位鉴别器特性曲线

载波相位图

载波相位跟踪误差

载波频率跟踪环（FLL）

载波频率跟踪的种类较多，主要区别在于所用的鉴频器不同，大致包括：近似最大似然估计器（AMLE），扩展卡尔曼滤波估计器，交叉积鉴频器和DFT鉴频器等。相比之下，交叉积频率鉴频器具有运算量小，跟踪性能优越，易于数字化实现的特点。

交叉积频率跟踪环

交叉积频率跟踪环

交叉积频率跟踪环跟踪误差

FLL与PLL的对比

锁相环采用较窄的噪声带宽，能比较紧密地跟踪信号，输出的载波相位测量值相当精确，并且解调出的数据比特错误率也较低，然而它对动态应力的容忍性较差。当噪声较强或所需环路带宽较宽时，锁相环就有可能对信号锁定发生困难。    锁频环采用较宽的噪声带宽，动态性能较好，能更鲁棒地容忍用户的高动态应力以及射频、多路径和电离层风暴等干扰，能够跟踪信噪比更低的信号，并且对数据比特跳变不敏感；但它对信号的跟踪略欠紧密,环路噪声较高,输出的载波相位测量值欠精确，并且数据解调过程中所发生的比特错误率也较高。

二阶FLL与三阶PLL的频率响应是一样的，所以用他们来对比的原因。

FLL/PLL相结合的载波跟踪方式

动态环境给信号接收机跟踪环路的设计带来了困难，动态性使得载波信号产生较大的多普勒频移，为了保证动态性能，跟踪环路必须具有相对宽的带宽，而带宽的增加会导致跟踪精度的降低。   频率跟踪环的动态性能优于PLL,但在相同的载噪比条件下，FLL的测量误差要大于PLL。如何兼顾动态跟踪性能和测量精度，是动态性信号接收机设计中的难点。

码跟踪环

码跟踪环目的：进一步精确估计由捕获得到的接收码相位。码跟踪环通常使用的是延迟锁定环（DLL）。

接收机同时生成三个本地码，分别为早码、即时码、延迟码，三者之间分别相差1/2d、-1/2d码相位。

本地码与接收信号相乘累加。根据相关值计算本地即时码与接收码的码相位差，从而调整本地码。

本地产生的三个码分别与接收到的伪码进行相关，然后得到下面的归一化相关输出，可以看出在晚码处得到最大值。

当对齐的时候，本地的即时码与接收到的伪码相关值最大。它的目的都是为了使即时码与接收到的伪码相关性最大。

码跟踪原理图

接收信号进来与载波发生器进行相乘解扩，得到I和Q，在本别与本地的早码，即时码，晚码相乘，再进行积分清洗，与码环路鉴别器，再通过码环路滤波器反馈来调节PRN码发生器。

码环路鉴别器

码环路鉴别曲线

码环路相关间隔的影响

跟踪状态下各通道能量的输出

跟踪环路模型

压控振荡器NCO

环路滤波器

信号跟踪环路本质上是一个反馈控制系统。环路滤波器是一个低通滤波器，用于滤除带外噪声，滤波器不同的阶数的参数配置将最终影响环路的跟踪性能，是跟踪环路中关键器件。

伪码跟踪与载波跟踪的融合

环路闭合条件

DLL: 输入信号的C/A码相位与接收机产生的C/A码相位误差在半个码元以内。

FLL: 输入信号的载波频率与接收机产生的载波的频率误差在一定的范围内。

PLL: 输入信号的载波相位与接收机产生的载波的相位误差在一定的范围内。

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