GPS软件接收机中载波跟踪方法的研究综述.doc

毕业论文文献综述电子信息工程GPS软件接收机中载波跟踪方法的研究综述摘要：文章对GPS软件接收机中载波跟踪方法做了深入研究，详细阐述了锁相环、科斯塔斯环和锁 频环三种载波跟踪环路的工作原理，并比较了锁相环和锁频环载波跟踪环路的性能最后对GPS现 代应用及未来的发展趋势进行了展望关键词：GPS软件接收机；载波跟踪；锁相环；科斯塔斯环1、 引言随着科技的发展进步，GPS渐渐被我们熟悉，最常见的是GPS车载导航仪我们知道，GPS由 空间部分，地面控制系统以及用户设备三部分组成*】，贯穿这三部分的就是传输中的信号GPS信 号包括了载波，伪随机码和导航电文三部分田若要得到导航电文，需要将GPS卫星信号中的载波 分量和伪随机码剥离，而剥离的过程即为本地接收端产生与GPS信号同步的载波和伪随机码，再 与GPS信号进行混频，输入GPS卫星导航电文的过程同步的过程包括信号捕获和信号跟踪 GPS的信号跟踪环节主要包括载波跟踪和码相位跟踪跟踪部分的主要目的就是得到更精确的载波 频率和码相位，保持对信号的跟踪和解调出特定卫星的导航数据2、 载波跟踪方法GPS载波跟踪方法通常有两种，载波相位跟踪和载波频率跟踪载波跟踪环的作用是对码跟踪 环的输出信号进行解调，得到导航电文数据，同时得到载波多普勒频移的观测量，用于对接收机进 行高精度测速囹。

对低动态或静态GPS接收机采用载波相位跟踪(即锁相环)，锁相环跟踪的是载波相位，通过载 波鉴相器提取并输出相位估计误差来控制压控振荡器，当环路闭环稳定时，锁相环比锁频环有更高 的跟踪精度在高动态环境下，由于存在较大的多普勒频移，使用锁相环直接捕获载波相位非常困难，必须 采用锁频环⑸2.1锁相环(PLL)原理锁相技术是一种同步跟踪技术，最初是为了解决同步检波的问题而提出的，它是提取信号相位 信息的有效工具向锁相环是一个非线性自动控制系统，当相位误差较小时，环路可以等效为相位 的线性滤波器锁相环的工作过程E以描述为：通过鉴相器比较输入相位和输出相位，得到误差信 号，该误差信号一般混和了高频分量和宽带噪声，经环路滤波之后得到控制信号，并加到压控振荡器上使之产生频率偏移，从而使得输出相位能够跟踪输入相位的变化⑺由此可知，锁相环实际上 是通过频率的调整来达到相位跟踪的目的当环路锁定之后，输出频率和输入频率相同，而输出相 位和输入相位之间可以维持一定的稳态误差，通过锁相环可以得到十分精确的频率控制2.2科斯塔斯环(Costas)因为对卫星信号做载频和码剥离之后，50Hz的导航电文数据调制信号还保留着，所以不适宜用 纯PLL跟踪。

而Costas环对信号的数据调制180度相位翻转不敏感，并且测量精度高，可以提 供差错最少的数据解调，因此是GPS接收机载波跟踪环最希望的稳态跟踪模式冏科斯塔斯环又称 同相、正交环，其作用是为了跟踪输入信号的载波，以实现高精度测速和导航数据的正确解调用 Costas环检测卫星数据电文串直截了当但用Costas环时存在180度的相位多值问题，所检测出 的数据位串有可能是正确的，也有可能是相反的这种多值性可以在帧同步过程中解决表2-1小结了儿种GPS接收机Costas锁相环鉴别器的输出相位误差和特性阳叫表2.1常用Costas环鉴别器鉴别器算法输出特性踮x荡在低信噪比时接近最佳，运算量适中Qg X在高信噪比时接近最佳，运算量要求低Qps/hs为最佳，在高低信噪比时良好，运算量要求高二象限反正切，在高低信噪比时最佳，斜率和信号幅度无关，运算量要求最高2.3锁频环(FLL)锁频环也称日动频率控制环(AFC),通过复现近似频率以完成载波剥离过程频率跟踪实质上是 载波相位的差分跟踪廿叫FLL通过鉴别器测量载波相位在固定时间间隔内的变化量，通过环路滤波 器后再控制数控振荡器(NCO)产生适当的木地载波以解调信号，在信号初始捕获完成后实现频率锁 定，这比实现相位锁定容易。

锁频环(FLL)用频率误差去跟踪载波，而锁相环却是用相位误差一般 锁频环噪声带宽比较大可以跟踪更高动态的信号，但是跟踪的精度不是太高表2-2小结了几种GPS接收机锁频环的鉴别器，以及它们的输出频率和特性阡也表2-2常用锁频环鉴别器鉴别器算法输出特性8诫（代一妇】在低信噪比时接近最佳，运算量适中4一4xa x眼削）在高信噪比时接近最佳，运算量要求低弓一上% fg 程阪乳点甄）二象限反正切，在高低信噪比时最佳，斜率和信号上一上如一上幅度无关，运算量要求最高3、 载波跟踪方法比较FLL和PLL的动态特性与环路带宽和环路阶数有关，FLL和PLL的动态性能随输入信噪比 的提高而增强，随着带宽的增加而增强；在相同的环路带宽和信噪比条件下，二阶FLL的动态性 能比三阶PLL的要好一个数量级，采用FLL和PLL结合的方法可以获得较好的综合性能在 载波跟踪中，PLL用相位跟踪来代替频率跟踪会比FLL更精确，而当载波相位差缩小到PLL锁 定范围时,接收机便从FLL状态转换到PLL状态，所以，先用FLL工作,直到完成高精度的相 位跟踪和实现码同步之后，再使用PLL接替载波跟踪的任务，以提供精确的载波相位和多普勒频 率测量。

FLL同PLL相比，FLL对数据码转换的敏感度比PLL低，具有更好的动态跟踪性能和 抗干扰性能，对动态压力更敏感，在相同的动态条件下，FLL可以大大扩展跟踪门限，因此FLL更 适用于载波跟踪，FLL通常用于高动态的情况下或用于从信号捕获到相位跟踪的过渡阶段4、 结论卫星导航应用产业在国民经济中发挥着越来越重要的作用，将成为“十一五”发展的亮点在 “十一五”期间，卫星导航在现代农业、智能交通、航空、海路、铁路、建筑、电信和电力等方面 的应用都会有很大的发展空间：利用GPS技术可确定土壤取样的准确位置，使实验室的分析结果体现在土壤状态分布图中，依 土壤特性如质地、养分、有机质含量和地貌条件计划所需投入量当遇到田间条件有差异时，可进 行实时作业调整，对农田进行产晕监测和记录〔⑶智能公交系统集成GPS定位技术、GIS地理信息技术、GPRS无线网络技术、运营网络优化技 术、数据库技术和车载电了技术等多种科技手段，自动生成、采集、传输、存储、分析和统计公交 运营数据，实现对公交车辆的实时跟踪和定位、公交车与调度室的双1何通讯和调度人员的即时调度 指挥等功能"句卫星导航技术的发展趋势主要表现在三方面：一是卫星导航的多系统并存，使系统可用性得以 提高，应用领域将更广阔；二是多元组合导航技术正在得到推广应用，主要有GPS与移动通信基站 定位、陀螺、航位推算技术等的组合应用；三是卫星导航与无线通信等其它高技术相结合，如GPS 接收机嵌入到蜂窝、便携式PC、PDA和手表等通信、安全和消费类电子产品中，从根木上促 进了 IT技术的整体发展。

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