GPS接收機(jī)的跟蹤環(huán)路設(shè)計(jì)

前言

在之前的捕獲階段能獲得對(duì)衛(wèi)星信號(hào)載波和偽碼相位的一個(gè)粗略的估計(jì)，在跟蹤階段則是逐步精細(xì)對(duì)這兩個(gè)信號(hào)參量的估計(jì)，也就是說(shuō)，接收機(jī)對(duì)信號(hào)的跟蹤是一個(gè)與該信號(hào)同步的二維信號(hào)的復(fù)制過(guò)程。

跟蹤環(huán)路概述

載波環(huán)的目的是盡力使其所復(fù)制的載波信號(hào)與接收到的衛(wèi)星信號(hào)相一致，從而通過(guò)混頻機(jī)制徹底的剝離衛(wèi)星信號(hào)中的載波，從中獲得對(duì)接收載波信號(hào)的相位或者頻率測(cè)量值。若復(fù)制的載波與衛(wèi)星載波不一致，則接收的信號(hào)就不能被徹底的剝離，也就是說(shuō)接收信號(hào)不能被下變頻到真正的基帶，從而也會(huì)影響到偽碼的自相關(guān)幅值。

碼環(huán)的主要功能是保持本地復(fù)現(xiàn)的偽碼與接收偽碼之間的相位一致，然后讓兩者做相關(guān)運(yùn)算，從而剝離接收信號(hào)中的偽碼，最終得到對(duì)接收信號(hào)的碼相位及其偽距測(cè)量值。基于導(dǎo)航信號(hào)的偽碼都具有良好的自相關(guān)特性，碼環(huán)可以通過(guò)相關(guān)檢測(cè)其復(fù)現(xiàn)的偽碼與接收偽碼的一致性程度，從而調(diào)整復(fù)現(xiàn)碼的相位，從而達(dá)到相位一致的目的，同時(shí)，其接近正交的互相關(guān)特性，可以將不同的衛(wèi)星信號(hào)有效的區(qū)別開(kāi)來(lái)。

碼環(huán)通常采用延遲鎖定環(huán)DLL，使得本地復(fù)制的碼與接收到的碼相位幾乎完全一致，其偏差程度影響偽距，從而影響定位精度。

載波環(huán)通常使用頻率鎖定環(huán)FLL+相位鎖定環(huán)PLL的方式，最終目的是本地載波與接收到的載波相位完全一致

同時(shí)由于基帶信號(hào)中存在數(shù)據(jù)調(diào)制，PLL通常采用對(duì)數(shù)據(jù)跳變不敏感的科斯塔斯（Costas）環(huán)的形式。

跟蹤環(huán)路設(shè)計(jì)

PL端相關(guān)器設(shè)計(jì)

經(jīng)過(guò)捕獲模塊可以知道當(dāng)前接收機(jī)能檢索到的衛(wèi)星的編號(hào)、信號(hào)的多普勒頻移和信號(hào)的碼相位，接著需要進(jìn)入跟蹤環(huán)路對(duì)信號(hào)進(jìn)行跟蹤。跟蹤的大體流程可簡(jiǎn)單地描述如下：作為輸入的數(shù)字中頻信號(hào)首先與載波環(huán)所復(fù)制的載波混頻相乘，其中在I支路上與正弦復(fù)制載波相乘，在Q支路上與余弦復(fù)制載波相乘；然后，在I支路和Q支路上的混頻結(jié)果信號(hào)i和q又分別與碼環(huán)所復(fù)制的超前、即時(shí)、滯后三份C/A碼做相關(guān)運(yùn)算；接著，相關(guān)結(jié)果iE、iP、iL、qE、qP和qL經(jīng)積分-清除器后分別輸出相干積分值IE、IP、IL、QE、QP和QL給軟件進(jìn)行載波鑒別和碼環(huán)鑒別，對(duì)鑒別的結(jié)果進(jìn)行濾波，最后將濾波后的結(jié)果再反饋回來(lái)調(diào)節(jié)各自的載波數(shù)控振蕩器和C/A碼數(shù)控振蕩器的輸出相位和頻率等狀態(tài)，使接收機(jī)所復(fù)制的載波和碼環(huán)與接收載波和碼環(huán)保持一致。

由PL端負(fù)責(zé)的功能實(shí)現(xiàn)框圖如下圖

PL與PS的數(shù)據(jù)交換主要是通過(guò)對(duì)寄存器的讀寫(xiě)實(shí)現(xiàn)的，處理器通過(guò)對(duì)對(duì)應(yīng)的寄存器配置為相應(yīng)的值，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)PL工作模式的控制。PL將結(jié)果也是存放到相應(yīng)的寄存器中，處理器通過(guò)讀取對(duì)應(yīng)寄存器就可以知道PL的處理結(jié)果和工作狀態(tài)。

跟蹤模塊的積分器有三個(gè)，也就是分別對(duì)超前、即時(shí)和滯后三個(gè)半碼相位的信號(hào)進(jìn)行積分。

PS端碼環(huán)和載波環(huán)設(shè)計(jì)

環(huán)路濾波器的選擇要考慮兩種因素：濾波器階數(shù)和噪聲帶寬
這里碼環(huán)，鎖頻環(huán)和鎖相環(huán)都是采用的二階環(huán)路，對(duì)于一般場(chǎng)景足矣。

1、鎖頻環(huán)FLL

帶寬：100Hz

鑒頻器：歸一化二象限反正切型

環(huán)路階數(shù)：二階環(huán)

2、鎖相環(huán)PLL

帶寬：20Hz

鑒頻器：二象限反正切型

環(huán)路階數(shù)：二階環(huán)

在流程上跟蹤初期先運(yùn)行鎖頻環(huán)，使得頻率盡量收斂，之后停掉鎖頻環(huán)運(yùn)行鎖相環(huán)，最終使得相位收斂（相位收斂的同時(shí)頻率自然也是收斂的）

3、碼環(huán)DLL

帶寬：2Hz

鑒頻器：歸一化的超前減滯后包絡(luò)型

環(huán)路階數(shù)：二階環(huán)

4、其他重要參數(shù)

相干時(shí)間：運(yùn)行初期為1ms，待位同步后進(jìn)行20ms相干累加

后記

碼環(huán)和載波環(huán)既相互依賴，同時(shí)在短時(shí)間內(nèi)又是相互獨(dú)立的。理解這點(diǎn)對(duì)于調(diào)試來(lái)說(shuō)是非常重要的。下一篇我們將對(duì)跟蹤環(huán)路進(jìn)行調(diào)試，看看能不能順利調(diào)通