GPS接收机环路鉴别方法研究与性能分析

于雪晖，李集林，殷 杰

（北京卫星信息工程研究所 北京 100086）

GPS接收机环路鉴别方法研究与性能分析

于雪晖，李集林，殷 杰

（北京卫星信息工程研究所 北京 100086）

跟踪环路设计是GPS接收机中的关键技术。码环和载波环鉴别器的类型确定了跟踪环的类型，不同的环路鉴别器具有不同的鉴别特性，应用范围自然不同。研究分析了码环与载波环路鉴相、鉴频原理，并对环路鉴别器进行了仿真分析，给出其特性曲线及其适用范围。通过实际算例及仿真分析，验证了环路鉴别器的有效性。

GPS接收机；码环路；载波环路；环路鉴别

GPS全球导航定位系统目前被广泛应用于测量行业。随着软件无线电思想的出现，软件接收机技术不断成熟。软件接收机核心部分由载波跟踪环（简称载波环）和码跟踪环（简称码环）组成，分别用来跟踪接收信号中的载波和伪码，分别采用锁频环（FLL，Frequency Lock Loop）、 锁相环 （PLL，Phase Lock Loop）和延迟锁定环（DLL，Delay Locked Loop）3种机制来实现[1-3]。通过GPS接收机中载波与码跟踪环路的设计与研究，讨论跟踪环路的实现方法和需要注意的设计细节，经过仿真分析比较了几种载波鉴频、鉴相及码鉴相方法的性能。最后以实际算例成功实现了软件接收机对GPS信号的捕获与跟踪。

1 环路基本模型

基带信号处理作为导航接收机的核心重要组成部分，主要功能是捕获信号与跟踪信号。信号捕获决定了该信号是否可用，但跟踪部分性能直接影响到信号的持续可用性。信号跟踪分为码环路跟踪与载波环路跟踪，码环主要是跟踪码相位，载波环主要是跟踪载波频率与相位的变化。GPS接收机完成对信号的捕获、码跟踪后进入载波跟踪环路，如图1所示给出了码环与载波跟踪环路的基本模型。

码跟踪环通常采用延时锁定环（DLL）。利用延时锁定环对码片进行跟踪是一个环路控制的过程：不同的DLL鉴别器，决定了码环路的性能。鉴别器特性的线性与否，决定了其牵引范围的大小，对信号幅度的敏感与否，及其计算量的大小[4-7]。

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。为解决这个矛盾，通常采用锁频环辅助锁相环的方法，使环路从FLL有效过渡到PLL，既保证动态性能，又提高载波测量精度。

图1 码环与载波跟踪环路的基本模型

2 码环鉴相器

在获得了超前、即时和滞后支路所输出的相干积分结果后，码环鉴别器通常先对它们进行非相干几份，然后利用所得的C/A码自相关函数幅值上的非相干积分值E、P和L这3个样点估算出码相位差异[8]，通常码环鉴相参数设置如表1所示。

表1 码环鉴相器参数设置

其中，A（·）表示幅值，R（·）表示自相关函数，Δ表示超前-滞后（E-L）相关器间隔，单位是chips。以方法1为例仿真曲线如图2所示：

通过比较可知，方法1和2所需运算量较大，自相关幅值需要经过开根号运算才能求得，而方法3和4则不需要进行此运算，运算量小[9]。在这4种算法中，第3和4种算法是相干类型的，1和2两种是非相干类型。

图2 码环鉴相曲线

3 载波鉴频器

频率锁定环路（FLL）用来鉴别输入载波与复制载波之间的频率差异。锁频环追求的是两载波间的频率一致，不要求相位保持一致。载波鉴频参数通常设置如表2所示。

假设相邻相关周期内，信息比特位存在随机跳变。将即时支路的相关器输出建模[10]如下：

表2 载波环鉴频器参数设置

图3 鉴频曲线

以方法4为例进行仿真可得其鉴相曲线如图3所示。分析可知，锁频环鉴相算法1和2的输出值（检测频差）=真实频差 ×信号幅度2。而鉴相算法3、4和5的输出值（检测频差）对信号幅度不敏感。鉴相算法3的频率牵引范围为±1/2TP；而鉴相算法4和5的频率牵引范围为±1/4TP。

4 载波鉴相器

在历元n时，鉴相器利用相干积分结果来估算当前的相位差异[11]。载波鉴相参数设置如表3所示。

表3 载波环鉴相器参数设置

在分析载波相位鉴别器时，不妨假设载波频率估计误差为0 Hz。假设相邻相关周期内，信息比特位存在随机跳变。将即时支路的相关器输出建模如下：

图4 鉴相曲线

以方法6为例得其载波鉴相曲线如图4所示。该图表明：当输入到鉴相器的相位差异为0°或者180°时，这些间想起的输出均为0，这说明他们对数据比特跳变所致的180°载波相位变化不敏感。当实际相位差异输入大于90°时，所有鉴相器均输出一个小于0°的鉴相结果，即可能导致环路对信号失锁[12-14]。

5 仿真场景与结果

为验证上述环路跟踪鉴相鉴频器有效性，设置仿真场景，进行验证。仿真场景设置[15]如下：

1）设置信道参数：接收信号传播延时=5.25 chips；接收载波多普勒=30 kHz；加速度=0

2）设置关键环境参数：载噪比=39 dB-Hz；预检测积分时间=1 ms；数据比特为随机产生；

3）设置捕获电路参数：初始载波搜索频率=29.8kHz；载波频率搜索步长=666 Hz；初始伪码搜索相位=0 chips；伪码相位搜索步长=0.5 chips；捕获门限的标度因子=1.889 9；门限值A=15，初始值B=7

5）设置仿真结束时间=3.5 s

图5 伪码相位同步误差与DLL鉴相器输出

图6 载波跟踪性能曲线

图7 即时支路（同相、正交）相关器输出及载噪比估计器输出

如图5所示，DLL环路稳定收敛，且伪码相位同步误差的标准差与理论分析值基本吻合。如图6所示，由图（a）可知，FLL环路稳定收敛，但是载波频率同步误差的标准差与理论分析值有些差距。由图（b）可知，PLL环路稳定收敛，且载波相位同步误差的标准差与理论分析值基本吻合。如图7所示，数据位估计准确，且载噪比估计器估计值与真实值完全吻合。

6 结 论

文中分析比对了码环与载波环路鉴相鉴频器原理与特性，利用matlab给出了其特性曲线，为后续鉴别器的选择与应用提供了理论依据。在实际算例的基础上通过恰当选择鉴别器，成功实现了信号的捕获与跟踪，验证了理论分析的正确性。

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Research and performance analysis on GPS receiver loop discrimination method

YU Xue-hui，LI Ji-lin，YIN Jie
（Beijing Institute of Satellite Information Engineering，Beijing 100086，China）

The design of tracking loop is the key technology in GPS receiver，the types of code and carrier loop discriminators determine the types of tracking loop.Different loop discriminators have different characteristics and apply to different range.By analyzing the phase and frequency detector principles of code and carrier loop，makes simulations of loop discriminators and their characteristic curves.By real example and simulation，prove the loop discriminators'effectiveness.

GPS receiver；code loop；carrier loop；loop discriminator

TN925

：A

：1674－6236（2017）06-0118-05

2016-03-25稿件编号：201603342

于雪晖（1988—），男，黑龙江哈尔滨人，博士研究生。研究方向：航天器通信。