gps軟件接收機中載波跟蹤方法的研究綜述【文獻綜述】

1、<p><b>　　畢業(yè)論文文獻綜述</b></p><p><b>　　電子信息工程</b></p><p>　　GPS軟件接收機中載波跟蹤方法的研究綜述</p><p>　　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

2、鎖頻環(huán)載波跟蹤環(huán)路的性能。最后對GPS現代應用及未來的發(fā)展趨勢進行了展望。</p><p>　　關鍵詞：GPS軟件接收機；載波跟蹤；鎖相環(huán)；科斯塔斯環(huán)</p><p><b>　　1、引言 </b></p><p>　　隨著科技的發(fā)展進步，GPS漸漸被我們熟悉，最常見的是GPS車載導航儀。我們知道，GPS由空間部分，地面控制系統(tǒng)以及用戶設備三部

3、分組成[1-2]，貫穿這三部分的就是傳輸中的信號。GPS信號包括了載波，偽隨機碼和導航電文三部分[3]。若要得到導航電文，需要將GPS 衛(wèi)星信號中的載波分量和偽隨機碼剝離，而剝離的過程即為本地接收端產生與 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)星導航電文的過程。同步的過程包括信號捕獲和信號跟蹤。GPS的信號跟蹤環(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

4、持對信號的跟蹤和解調出特定衛(wèi)星的導航數據。</p><p><b>　　2、載波跟蹤方法</b></p><p>　　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。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，得到導航電文數據，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[4]。</p><p>　　對低動態(tài)或靜態(tài)

5、 GPS 接收機采用載波相位跟蹤(即鎖相環(huán))，鎖相環(huán)跟蹤的是載波相位，通過載波鑒相器提取并輸出相位估計誤差來控制壓控振蕩器，當環(huán)路閉環(huán)穩(wěn)定時，鎖相環(huán)比鎖頻環(huán)有更高的跟蹤精度。</p><p>　　在高動態(tài)環(huán)境下，由于存在較大的多普勒頻移，使用鎖相環(huán)直接捕獲載波相位非常困難，必須采用鎖頻環(huán)[5]。</p><p>　　2.1 鎖相環(huán)(PLL)原理</p><p>　　

6、鎖相技術是一種同步跟蹤技術，最初是為了解決同步檢波的問題而提出的，它是提取信號相位信息的有效工具[6]。鎖相環(huán)是一個非線性自動控制系統(tǒng)，當相位誤差較小時，環(huán)路可以等效為相位的線性濾波器。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生頻率偏移，從而使得輸出相位能夠跟蹤輸入相位的變化[7]。由此可知，鎖相環(huán)實際上是通過

7、頻率的調整來達到相位跟蹤的目的。當環(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定的穩(wěn)態(tài)誤差，通過鎖相環(huán)可以得到十分精確的頻率控制。</p><p>　　2.2 科斯塔斯環(huán)(Costas)</p><p>　　因為對衛(wèi)星信號做載頻和碼剝離之后，50Hz 的導航電文數據調制信號還保留著，所以不適宜用純 PLL 跟蹤。而 Costas 環(huán)對信號的數據調制 180 度相

8、位翻轉不敏感，并且測量精度高，可以提供差錯最少的數據解調，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[8]?？扑顾弓h(huán)又稱同相、正交環(huán)，其作用是為了跟蹤輸入信號的載波，以實現高精度測速和導航數據的正確解調。用 Costas 環(huán)檢測衛(wèi)星數據電文串直截了當。但用 Costas 環(huán)時存在 180度的相位多值問題，所檢測出的數據位串有可能是正確的，也有可能是相反的。這種多值性可以在幀同步過程中解決。</p><p&

9、gt;　　表 2-1 小結了幾種 GPS 接收機 Costas 鎖相環(huán)鑒別器的輸出相位誤差和特性[9-10]。</p><p>　　表2-1常用Costas環(huán)鑒別器</p><p>　　2.3 鎖頻環(huán)(FLL)</p><p>　　鎖頻環(huán)也稱自動頻率控制環(huán)(AFC)，通過復現近似頻率以完成載波剝離過程。頻率跟蹤實質上是載波相位的差分跟蹤[11]。FLL 通過鑒別器測

10、量載波相位在固定時間間隔內的變化量，通過環(huán)路濾波器后再控制數控振蕩器(NCO)產生適當的本地載波以解調信號，在信號初始捕獲完成后實現頻率鎖定，這比實現相位鎖定容易。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。一般鎖頻環(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。</p><p>　　表2-2小結了幾種GPS接收機鎖頻環(huán)的鑒別器，以及它們的輸出頻率和特性[9-10]。</p

11、><p>　　表2-2 常用鎖頻環(huán)鑒別器</p><p>　　3、載波跟蹤方法比較</p><p>　　FLL 和 PLL 的動態(tài)特性與環(huán)路帶寬和環(huán)路階數有關，FLL 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 的要好一個數量級，采用 FLL 和 PLL 結合的方法可以獲得

12、較好的綜合性能[11]。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，而當載波相位差縮小到 PLL 鎖定范圍時，接收機便從 FLL 狀態(tài)轉換到 PLL 狀態(tài)，所以，先用FLL 工作，直到完成高精度的相位跟蹤和實現碼同步之后，再使用 PLL 接替載波跟蹤的任務，以提供精確的載波相位和多普勒頻率測量。FLL 同 PLL 相比，FLL 對數據碼轉換的敏感度比 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

13、感，在相同的動態(tài)條件下，FLL 可以大大擴展跟蹤門限，因此 FLL 更適用于載波跟蹤，FLL 通常用于高動態(tài)的情況下或用于從信號捕獲到相位跟蹤的過渡階段。</p><p><b>　　4、結論</b></p><p>　　衛(wèi)星導航應用產業(yè)在國民經濟中發(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)星導航在現代農業(yè)、智能交通、航空、海路、鐵路、建

14、筑、電信和電力等方面的應用都會有很大的發(fā)展空間：</p><p>　　利用GPS技術可確定土壤取樣的準確位置，使實驗室的分析結果體現在土壤狀態(tài)分布圖中，依土壤特性如質地、養(yǎng)分、有機質含量和地貌條件計劃所需投入量。當遇到田間條件有差異時，可進行實時作業(yè)調整，對農田進行產量監(jiān)測和記錄[13]。</p><p>　　智能公交系統(tǒng)集成GPS定位技術、GIS地理信息技術、GPRS無線網絡技術、運營網

15、絡優(yōu)化技術、數據庫技術和車載電子技術等多種科技手段，自動生成、采集、傳輸、存儲、分析和統(tǒng)計公交運營數據，實現對公交車輛的實時跟蹤和定位、公交車與調度室的雙向通訊和調度人員的即時調度指揮等功能[14]。</p><p>　　衛(wèi)星導航技術的發(fā)展趨勢主要表現在三方面：一是衛(wèi)星導航的多系統(tǒng)并存，使系統(tǒng)可用性得以提高，應用領域將更廣闊；二是多元組合導航技術正在得到推廣應用，主要有GPS與移動通信基站定位、陀螺、航位推算技術

16、等的組合應用；三是衛(wèi)星導航與無線通信等其它高技術相結合，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品中，從根本上促進了IT技術的整體發(fā)展。</p><p><b>　　參考文獻：</b></p><p>　　[1] 方群，袁建平，鄭謬．衛(wèi)星定位導航基礎[M]．西安：西北工業(yè)大學出版社，2003，2．</p><

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