gps軟件接收機(jī)中載波跟蹤方法的研究綜述【文獻(xiàn)綜述】

1、<p><b>　　畢業(yè)論文文獻(xiàn)綜述</b></p><p><b>　　電子信息工程</b></p><p>　　GPS軟件接收機(jī)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(jī)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

2、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(jìn)行了展望。</p><p>　　關(guān)鍵詞：GPS軟件接收機(jī)；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(jìn)步，GPS漸漸被我們熟悉，最常見的是GPS車載導(dǎo)航儀。我們知道，GPS由空間部分，地面控制系統(tǒng)以及用戶設(shè)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(jī)碼和導(dǎo)航電文三部分[3]。若要得到導(dǎo)航電文，需要將GPS 衛(wèi)星信號中的載波分量和偽隨機(jī)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(jī)碼，再與 GPS 信號進(jìn)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(diào)出特定衛(wèi)星的導(dǎo)航數(shù)據(jù)。</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(jìn)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(jī)進(jìn)行高精度測速[4]。</p><p>　　對低動態(tài)或靜態(tài)

5、 GPS 接收機(jī)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(dāng)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(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(dāng)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(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(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(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。而 Costas 環(huán)對信號的數(shù)據(jù)調(diào)制 180 度相

8、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(jī)載波跟蹤環(huán)最希望的穩(wěn)態(tài)跟蹤模式[8]。科斯塔斯環(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(xiàn)高精度測速和導(dǎo)航數(shù)據(jù)的正確解調(diào)。用 Costas 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度的相位多值問題，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。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(jié)了幾種 GPS 接收機(jī) 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(fù)現(xiàn)近似頻率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[11]。FLL 通過鑒別器測

10、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，在信號初始捕獲完成后實現(xiàn)頻率鎖定，這比實現(xiàn)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(jié)了幾種GPS接收機(jī)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(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(qiáng)，隨著帶寬的增加而增強(qiáng)；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

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(dāng)載波相位差縮小到 PLL 鎖定范圍時，接收機(jī)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

13、感，在相同的動態(tài)條件下，F(xiàn)LL 可以大大擴(kuò)展跟蹤門限，因此 FLL 更適用于載波跟蹤，F(xiàn)LL 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(jié)論</b></p><p>　　衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用產(chǎn)業(yè)在國民經(jīng)濟(jì)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

14、筑、電信和電力等方面的應(yīng)用都會有很大的發(fā)展空間：</p><p>　　利用GPS技術(shù)可確定土壤取樣的準(zhǔn)確位置，使實驗室的分析結(jié)果體現(xiàn)在土壤狀態(tài)分布圖中，依土壤特性如質(zhì)地、養(yǎng)分、有機(jī)質(zhì)含量和地貌條件計劃所需投入量。當(dāng)遇到田間條件有差異時，可進(jìn)行實時作業(yè)調(diào)整，對農(nóng)田進(jìn)行產(chǎn)量監(jiān)測和記錄[13]。</p><p>　　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(yùn)營網(wǎng)

15、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(yùn)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)度指揮等功能[14]。</p><p>　　衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展趨勢主要表現(xiàn)在三方面：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GPS與移動通信基站定位、陀螺、航位推算技術(shù)

16、等的組合應(yīng)用；三是衛(wèi)星導(dǎo)航與無線通信等其它高技術(shù)相結(jié)合，如GPS接收機(jī)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(jìn)了IT技術(shù)的整體發(fā)展。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)：</b></p><p>　　[1] 方群，袁建平，鄭謬．衛(wèi)星定位導(dǎo)航基礎(chǔ)[M]．西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2003，2．</p><

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