GPS軟件接收機中載波跟蹤方法的研究綜述文獻綜述

1、文獻綜述電子信息工程GPS軟件接收機中載波跟蹤方法的研究綜述摘要：文章對GPS軟件接收機中載波跟蹤方法做了深入研究，詳細(xì)闡述了鎖相環(huán)、科斯塔斯環(huán)和鎖頻環(huán)三種載波跟蹤環(huán)路的工作原理，并比較了鎖相環(huán)和鎖頻環(huán)載波跟蹤環(huán)路的性能。最后對GPS現(xiàn)代應(yīng)用及未來的發(fā)展趨勢進行了展望。關(guān)鍵詞：GPS軟件接收機；載波跟蹤：鎖相環(huán)：科斯塔斯環(huán)引言隨著科技的發(fā)展進步，GPS漸漸被我們熟悉，最常見的是GPS車載導(dǎo)航儀。我們知逍，GPS由空間部分，地而控制系統(tǒng)以及用戶設(shè)備三部分組成®現(xiàn)貫穿這三部分的就是傳輸中的信號.GPS信號包括了載波，偽隨機碼和導(dǎo)航電文三部分。若要得到導(dǎo)航電文，需要將GPS衛(wèi)星信號中的載波

2、分量和偽隨機碼剝離，而剝離的過程即為本地接收端產(chǎn)生與GPS信號同步的載波和偽隨機碼，再與GPS信號進行混頻，輸入GPS衛(wèi)星導(dǎo)航電文的過程。同步的過程包括信號捕獲和信號跟蹤。GPS的涪號跟蹤環(huán)節(jié)主要包括載波跟蹤和碼相位跟蹤。跟蹤部分的主要目的就是得到更精確的載波頻率和碼相位，保持對信號的跟蹤和解調(diào)出特;衛(wèi)星的導(dǎo)航數(shù)據(jù)。2裁波跟蹤方法GPS載波跟蹤方法通常有兩種，載波相位跟蹤和載波頻率跟蹤0載波跟蹤環(huán)的作用是對碼跟蹤環(huán)的輸出信號進行解調(diào)，得到導(dǎo)航電文數(shù)據(jù)，同時得到載波多普勒頻移的觀測量，用于對接收機進行高精度測速。對低動態(tài)或靜態(tài)GPS接收機采用載波相位跟蹤(即鎖相環(huán))，鎖柑環(huán)跟蹤的是載波相位通過載

3、波鑒相器提取并輸出相位估計誤差來控制壓控振蕩器，當(dāng)環(huán)路閉環(huán)穩(wěn)宦時，鎖相環(huán)比鎖頻環(huán)有更高的跟蹤精度。在高動態(tài)環(huán)境下，由于存在較大的多普勒頻移，使用鎖柑環(huán)直接捕獲載波相位非常困難，必須采用鎖頻環(huán)02.1鎖相環(huán)(PLL)原理鎖柑技術(shù)是一種同步跟蹤技術(shù)，最初是為了解決同步檢波的問題而提出的，它是提取信號相位借息的有效工具。鎖相環(huán)是一個非線性自動控制系統(tǒng)當(dāng)相位誤差較小時，環(huán)路可以等效為柑位的線性濾波器。鎖相環(huán)的工作過程可以描述為：通過鑒相器比較輸入相位和輸出相位，得到誤差信號，該誤差信號一般混和了高頻分量和寬帶噪聲，經(jīng)環(huán)路濾波之后得到控制信號，并加到壓控振蕩器上使之產(chǎn)生頻率偏移，從而使得輸出柑位能夠跟蹤

4、輸入相位的變化。由此可知，鎖相環(huán)實際上是通過頻率的調(diào)整來達(dá)到相位跟蹤的目的。當(dāng)環(huán)路鎖定之后，輸出頻率和輸入頻率相同，而輸出相位和輸入相位之間可以維持一;i的穩(wěn)態(tài)誤差，通過鎖相環(huán)可以得到十分精確的頻率控制。2.2科斯塔斯環(huán)(Costas)因為對衛(wèi)星信號做載頻和碼剝離之后，50Hz的導(dǎo)航電文數(shù)據(jù)調(diào)制信號還保留著，所以不適宜用純PLL跟蹤0而Costas環(huán)對信號的數(shù)據(jù)調(diào)制180度相位翻轉(zhuǎn)不敏感.并且測量精度高，可以提供差錯最少的數(shù)據(jù)解調(diào)，因此是GPS接收機載波跟蹤環(huán)最希望的穩(wěn)態(tài)跟蹤模式I叭科斯塔斯環(huán)又稱同相、正交環(huán)，K作用是為了跟蹤輸入信號的載波，以實現(xiàn)高精度測速和導(dǎo)航數(shù)據(jù)的正確解調(diào)。用Costas

5、環(huán)檢測衛(wèi)星數(shù)據(jù)電文串直截了當(dāng)。但用Costas環(huán)時存在180度的柑位多值問題，所檢測出的數(shù)據(jù)位串有可能是正確的，也有可能是相反的0這種多值性可以在幀同步過程中解決。表2-1小結(jié)了幾種GPS接收機Costas鎖相環(huán)鑒別器的輸出柑位誤差和特性如叭表21常用Costas環(huán)鑒別器鑒別器算法輸出特性Qpy Xsin(2ip)在低信噪比時接近最佳，運算量適中。X HpnQpJ在高信噪比時接近最佳，運算量要求低。tan)為最佳，在高低信噪比時良好，運算量要求高。tp二象限反正切，在高低信噪比時最佳，斜率和信號幅度無關(guān)，運算量要求最高。2-3鎖頻環(huán)(FLL)鎖頻環(huán)也稱自動頻率控制環(huán)(AFC),通過復(fù)現(xiàn)近似頻率

6、以完成載波剝離過程。頻率跟蹤實質(zhì)上是載波相位的差分跟蹤I川。FLL通過鑒別器測量載波相位在固定時間間隔內(nèi)的變化量，通過環(huán)路濾波器后再控制數(shù)控振蕩器(NCO)產(chǎn)生適當(dāng)?shù)谋镜剌d波以解調(diào)信號，在倍號初始捕獲完成后實現(xiàn)頻率鎖泄，這比實現(xiàn)相位鎖定容易0鎖頻環(huán)(FLL)用頻率誤差去跟蹤載波.而鎖相環(huán)卻是用相位誤差0 般鎖頻環(huán)噪聲帶寬比較大可以跟蹤更高動態(tài)的信號.但是跟蹤的精度不是太高。表2-2小結(jié)了幾種GPS接收機鎖頻環(huán)的鑒別器，以及它們的輸出頻率和特性(9叭表2-2常用鎖頻環(huán)鑒別器鑒別器算法輸出特性叉積J 一 Gsm2 - ©JI占2 -血在低信噪比時接近最佳，運算量適中。叉積X符號（點積）在

7、高信噪比時接近最佳，運算量要求低。tj-Ci0201S一 0二象限反正切，在高低信噪比時最佳，斜率和信號幅度無關(guān)，運算量要求最高。3、載波跟蹤方法比較FLL和PLL的動態(tài)特性與環(huán)路帶寬和環(huán)路階數(shù)有關(guān)，F(xiàn)LL和PLL的動態(tài)性能隨輸入信噪比的提高而增強，隨著帶寬的增加而增強：在相同的環(huán)路帶寬和信噪比條件下，二階FLL的動態(tài)性 能比三階PLL的要好一個數(shù)量級，采用FLL和PLL結(jié)合的方法可以獲得較好的綜合性能I川。在 載波跟蹤中，PLL用相位跟蹤來代替頻率跟蹤會比FLL更精確，而當(dāng)載波柑位差縮小到PLL鎖 定范帀時，接收機便從FLL狀態(tài)轉(zhuǎn)換到PLL狀態(tài)，所以，先用FLL工作，直到完成高精度的相 位跟

8、蹤和實現(xiàn)碼同步之后，再使用PLL接替載波跟蹤的任務(wù)，以提供精確的載波相位和多普勒頻 率測量。FLL同PLL相比，F(xiàn)LL對數(shù)據(jù)碼轉(zhuǎn)換的敏感度比PLL低，具有更好的動態(tài)跟蹤性能和 抗干擾性能，對動態(tài)壓力更敏感，在相同的動態(tài)條件卜，F(xiàn)LL可以大大擴展跟蹤門限，因此FLL更 適用于載波跟蹤，F(xiàn)LL通常用于髙動態(tài)的情況下或用于從倍號捕獲到相位跟蹤的過渡階段。4結(jié)論衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用產(chǎn)業(yè)在國民經(jīng)濟中發(fā)揮著越來越重要的作用，將成為“十一五"發(fā)展的亮點。在“十一五”期間，衛(wèi)星導(dǎo)航在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)、智能交通、航空、海路、鐵路、建筑、電信和電力等方而 的應(yīng)用都會有很大的發(fā)展空間:利用GPS技術(shù)可確定土壤取樣的準(zhǔn)確位

9、置，使實驗室的分析結(jié)果體現(xiàn)在上壤狀態(tài)分布圖中，依 上壊特性如質(zhì)地、養(yǎng)分、有機質(zhì)含量和地貌條件il劃所需投入量。當(dāng)遇到W間條件有差異時，可進 行實時作業(yè)調(diào)整，對農(nóng)W進行產(chǎn)量監(jiān)測和記錄（。智能公交系統(tǒng)集成GPS定位技術(shù).GIS地理信息技術(shù)、GPRS無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、運營網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化技 術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)和車載電子技術(shù)等多種科技手段，自動生成、采集、傳輸、存儲、分析和統(tǒng)計公交 運營數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對公交車輛的實時跟蹤和定位、公交車與調(diào)度室的雙向通訊和調(diào)度人員的即時調(diào)度衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展趨勢主要表現(xiàn)在三方而：一是衛(wèi)星導(dǎo)航的多系統(tǒng)并存，使系統(tǒng)可用性得以 提高，應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒏鼜V闊：二是多元組合導(dǎo)航技術(shù)正在得到推廣應(yīng)用，主要有

10、GPS與移動通信基站 定位、陀螺、航位推算技術(shù)等的組合應(yīng)用：三是衛(wèi)星導(dǎo)航與無線通信等英它高技術(shù)相結(jié)合，如GPS 接收機嵌入到蜂窩電話、便攜式PC、PDA和手表等通信、安全和消費類電子產(chǎn)品中，從根本上促 進了 IT技術(shù)的整體發(fā)展。6參考文獻:(1方群，袁建平，鄭謬.衛(wèi)星泄位導(dǎo)航基礎(chǔ)M西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2003, 2(2劉大杰，施一民，過靜等.全球定位系統(tǒng)(GPS)的原理與數(shù)據(jù)處理M上海：同濟大學(xué)出版社,1996, 10.KAPLAN E D.著-寇艷紅譯-GPS原理與應(yīng)用:M).第二版.北京：電子工業(yè)出版社,2007r 6-4膺峻.GPS衛(wèi)星數(shù)字中頻借號的捕獲跟蹤研究與仿XED.北京：北

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