衛星導航信號跟蹤環路的分析

劉智超 崔 星

（陜西凌云科技有限責任公司 陜西西安 710119）

衛星導航信號跟蹤環路的分析

劉智超 崔 星

（陜西凌云科技有限責任公司 陜西西安 710119）

本文介紹了載波跟蹤環路和碼跟蹤環路的工作方式，通過對鎖頻環和鎖相環相結合的載波跟蹤方法的分析和設計，使環路在高動態的環境下能夠穩定跟蹤衛星信號。

衛星信號；載波跟蹤；碼跟蹤；環路；鎖頻環；鎖相環

1 引言

衛星信號經過了射頻前端處理后，變成模擬的中頻信號，模擬中頻信號經A/D采樣后變成數字中頻信號送入基帶信號處理模塊中。基帶信號處理模塊完成信號的捕獲、跟蹤、位同步、幀同步功能，將解擴、解調、解碼后的衛星電文送至后續的信息處理模塊中，完成定位解算。為了保證接收機穩定的輸出定位結果且保證定位的精度，除了要完成對信號的捕獲，還需要高性能的跟蹤環路來保證對信號穩定的跟蹤。衛星信號捕獲成功后，將獲得信號的多普勒頻率及碼相位的粗略值，然后進入跟蹤階段。跟蹤環路使本地所復制出的載波和碼與衛星信號中載波和碼相位保持精確同步，完成載波跟蹤和碼跟蹤。由于衛星與載體的相對運動會產生多普勒頻移。同時衛星時鐘和接收機的晶振也會存在頻漂，這就會導致接收衛星信號的載波頻率和碼相位是不斷變化的，所以跟蹤環路是以閉環的形式周期地、持續地運行。只有這樣才能對衛星信號持續鎖定，保證觀測量和電文的輸出。跟蹤環路包括載波跟蹤環和碼跟蹤環兩部分，分別用來跟蹤載波和偽碼。

2 載波跟蹤環路分析

載波跟蹤環路是指連續地調整本地載波的頻率和相位，使其與衛星信號上載波的頻率和相位保持同步，然后通過混頻的方式將載波從衛星信號中剝離出。只有徹底去掉載波頻率，才能將信號真正地變頻成基帶信號。如果本地載波與接收信號的載波不一致，將會削弱碼相關的幅值，導致電文不能被正確的解調。如圖1所示，給出了載波跟蹤環路的結構框圖，數字中頻信號經過下變頻處理后變成I、Q兩路基帶信號，分別與本地碼發生器生成的即時路碼P進行積分累加，將累加的結果Ip、Qp分別送入鑒頻器和鑒相器中，并計算出頻率和相位的誤差，將此誤差經環路濾波器返回給本地載波NCO。通過調整本地的載波頻率和載波相位，使其與接收到的衛星信號保持一致。其中，使頻率保持一致的環路叫做鎖頻環，使相位保持一致的環路叫做鎖相環。

鎖相環是為了鎖定接收衛星信號的上載波的相位，它也被稱為一種接收機的技術，它可以在一個系統中調制出穩定的頻率。鎖相環通過不斷調整本地載波的相位，使接收信號的載波與本地載波的相位始終保持一致。當接收信號與本地載波的相位趨于一致但未達到一致時，鎖相環處于遷入狀態，此時的鎖相環表現為暫態特性；當接收信號與本地載波的相位達到一致時，鎖相環此時處于鎖定狀態，此時的鎖相環表現為穩態特性。如果暫態過程長時間不能穩定下來而未能進入鎖定狀態，鎖相環將會失鎖而導致丟失信號。

圖1 載波跟蹤環路框圖

鎖頻環是為了鎖定接收衛星信號的上載波的多普勒頻率，它復制一個包含多普勒頻率的本地載波，通過不斷調整本地載波的頻率，使接收信號的載波與本地載波的頻率始終保持一致。衛星信號上的載波多普勒頻率是不可預測的，鎖頻環需要鑒別出接收信號和本地載波的頻率差異，然后調節本地載波NCO使兩者的頻率達到動態一致。鎖頻環和鎖相環的結構基本相同，主要是鑒別器的算法不同。

基帶信號處理中的鎖頻環和鎖相環技術均可被采用且能夠獨立運行，但是選擇哪一種環路以及環路中的積分時間、環路噪聲帶寬等參數的設置，還要根據具體的應用環境。噪聲性能和動態性能是我們在設計跟蹤環路時主要考慮的兩個方面。

鎖相環在有較窄的噪聲帶寬時，可以很好的跟蹤信號，能夠精確的測量載波相位，但是動態性能差，當載體高動態運動時會產生載波頻率的變化，使環路帶寬增大，導致鎖相環不能鎖定。鎖頻環在有較寬的噪聲帶寬時，動態性能好，但是環路噪聲高，輸出的載波測量值欠精確。

根據鎖頻環和鎖相環的特點，可以將鎖頻環和鎖相環組合在一起使用，既能夠保證動態性能，又能保證跟蹤精度。圖2給出二階鎖頻環輔助三階鎖相環的結構圖，此環路可以穩定跟蹤頻率的加速度及加加速度變化。

鎖頻環跟蹤載波頻率，通過鑒頻器獲得載波頻率誤差，可以很快的將頻差縮小，具有較好的動態性能，但跟蹤精度卻比鎖相環低。鎖相環跟蹤載波相位，通過鑒相器獲得載波相位誤差，當環路閉合穩定時有較高的跟蹤精度。因此，鎖頻環輔助鎖相環混合跟蹤可以在提高動態跟蹤能力的同時，保證跟蹤的精度。載波跟蹤的工作模式是先啟動鎖頻環，當頻差減小到鎖相環的調整范圍時，轉入鎖相環跟蹤。根據動態的變化情況，環路自動實現鎖相環和鎖頻環跟蹤方式的切換。

圖2 鎖頻環輔助鎖相環結構圖

3 碼跟蹤環路分析

捕獲成功后，本地碼與接收信號的偽碼完成粗對齊，誤差在1/2碼片之內，隨后轉入碼跟蹤過程，進而達到碼相位精確對齊的目的。選用了非相干延遲鎖定環（DLL）完成對碼的跟蹤，環路結構如圖3所示，DLL環路由積分清除器、碼鑒相器、環路濾波器組成。

圖3 碼跟蹤環路結構圖

碼鑒相器提取本地碼與接收信號碼的相位誤差，經過環路濾波，與載波多普勒輔助信息和碼NCO控制字一起傳入碼NCO。在碼NCO的時鐘驅動下，碼生成器就可以產生與衛星信號精確同步的本地碼。

載體的高動態運動產生載波多普勒頻移，同時也會對碼產生影響，產生碼多普勒，采用載波環輔助的方法能夠較小多普勒的影響。設載波多普勒頻率為f0，碼多普勒頻率為fcd，載波頻率為fL，碼速率為Rc，得到：

在捕獲成功后，獲得載波多普勒頻率f0，此時殘留的載波多普勒已經在±625Hz以內。按照上式進行載波輔助，以BDS B3頻點的C/A碼為例：

4 載波跟蹤環路仿真

對所設計的環路進行仿真，來驗證此環路的性能，將二階鎖頻環的環路帶寬Bn設為20Hz，三階鎖相環的環路帶寬Bn設為15Hz，只考慮熱噪聲誤差。

4.1 定頻跟蹤

設定輸入信號的載噪比為41dB，載波多普勒頻率為1kHz，且不隨時間變化，預積分時間Tcoh為0.5ms，初始頻差1kHz，不考慮數據位對環路的影響，由圖4可知，該環路可對定頻頻率穩定跟蹤。

圖4 環路對定頻跟蹤結果圖

4.2 頻率斜升跟蹤

設輸入信號載噪比為41dB，多普勒頻率隨時間做斜升變化，fd=k·t，k表示頻率斜升的斜率，預積分時間Tcoh為0.5ms，初始頻差為1kHz，由圖5可知，該環路可對頻率斜升穩定跟蹤。

4.3 加加速度的應力

圖5 環路對頻率斜升跟蹤結果圖

設輸入信號載噪比為41dB，多普勒頻率隨時間加加速度變化，fd=aa· 0.5t2，aa表示多普勒頻率加加速度（aa=10g），預積分時間Tcoh為0.5ms，初始頻差為1kHz，由圖6可知，該環路可對頻率加加速度進行穩定跟蹤。

圖6 環路對頻率加加速度跟蹤結果圖

5 結束語

通過對鎖頻環和鎖相環相結合的載波跟蹤環路分析與仿真可知，鎖頻環能夠迅速鎖定頻率并轉換到鎖相環上，可以分別在定頻、頻率斜升和頻率加加速度變化的情況下穩定跟蹤。

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TN96.1

A

1004-7344（2016）20-0257-02

2016-7-4

劉智超（1983-），男，設計師，主要從事無線電導航、衛星導航與通信等開發工作。

崔星（1986-），男，設計師，主要從事無線電導航、衛星導航與微波等開發工作。