GNSS接收機自適應帶寬偽碼跟蹤環路設計

劉盟超，趙丙風

(1.衛星導航系統與裝備技術國家重點實驗室，河北 石家莊 050081；2.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

GNSS接收機自適應帶寬偽碼跟蹤環路設計

劉盟超1,2，趙丙風2

(1.衛星導航系統與裝備技術國家重點實驗室，河北 石家莊 050081；2.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

從GNSS接收機對偽碼延遲鎖定環(DLL)快速穩定的需求出發，分析了環路濾波器帶寬對碼環性能的影響，對不同帶寬下環路的穩定時間和跟蹤精度進行了測試。提出了一種自適應帶寬的碼環設計方案，通過對環路濾波器帶寬的實時調整，有效地實現了碼環牽引過程的快速穩定和精確跟蹤，提升了碼環性能。利用自研的GNSS接收機進行了測試和驗證，測試結果表明碼環穩定時間小于400 ms。

延遲鎖定環路；穩定時間；自適應帶寬；GNSS

0 引言

隨著全球衛星導航系統(GNSS)的建設和GNSS接收機的廣泛應用，用戶對GNSS接收機的連續定位能力提出了越來越高的要求[1]。但是，在城市、叢林及山谷等復雜環境應用中，衛星信號經常受到短時遮擋，因此失鎖后的快速重定位技術成為了GNSS接收機的研究熱點之一。對于短時信號遮擋，GNSS接收機可以采用碼相位預測的方法完成信號的快速捕獲[2]，但是從捕獲完成(通常偽碼誤差為0.5碼片)到偽碼跟蹤環穩定(通常偽碼誤差小于0.02碼片)的時間仍是制約定位恢復的主要因素。

本文對GNSS接收機偽碼延遲鎖定環路(DLL)的環路帶寬對其穩定時間的影響進行了分析，設計了一種自適應帶寬的環路濾波器，有效地提高了碼環穩定速度，并在自研的GNSS接收機上進行了測試和驗證。

1 延遲鎖定環路(DLL)基本原理

延遲鎖定環(DLL)是完成導航衛星信號偽碼跟蹤的環路[3]，由本地偽碼產生器、鑒相器、環路濾波器和數控振蕩器(NCO)組成，其原理框圖如圖1所示。

圖1 偽碼延遲鎖定環路原理圖

碼環鑒相器的基本原理是利用了擴頻碼的自相關和互相關特性[4-5]，通過超前(Early)、即時(Prompt)和滯后(Late)3個相關器的相關結果，計算出偽碼相位的差異。常用的鑒相方法有以下幾種：

① 非相干超前減滯后幅值法：

(1)

② 非相干超前減滯后功率法：

(2)

③ 相干點積功率法：

(3)

3種鑒相方法中，非相干超前減滯后幅值法是最準確的碼環鑒相方法，但由于要進行開方運算，運算量較大，工程中常用JPL近似或Robertson近似完成開方運算[6]；非相干超前減滯后功率法會產生一定的鑒相誤差，并且鑒相噪聲是3種鑒相方法中最大的[7]；相干點積功率法運算量最小，但是采用相干方法實現的鑒相器依賴于載波鎖相環的穩定跟蹤，會導致DLL的穩定時間變長[8]。

環路濾波器通常是一個低通濾波器[9]，其目的在于降低環路中的噪聲，使濾波結果能夠真實地反映輸入端本地偽碼與衛星信號之間的相位偏差，控制數控振蕩器(NCO)對本地偽碼產生器進行調整，最終反饋回相關器形成閉環，環路濾波器的階數和噪聲帶寬是其主要設計參數。

環路濾波器的階數越高，其動態適應性越強，能夠適應更高階的動態應力；但同時會存在更嚴苛的穩定門限和更高的設計復雜度。在通常的中低動態應用中，二階環路濾波器是GNSS接收機的普遍選擇[10]。二階環路濾波器框圖如圖2所示。

圖2 二階環路濾波器圖

2 帶寬對碼環穩定時間影響分析

噪聲帶寬(BL)是環路濾波器的另一個重要設計參數。噪聲帶寬越窄，通過環路的噪聲越少，環路的濾波效果越好，環路對信號的跟蹤就越精確；噪聲帶寬越寬，環路對高動態應力所引起的信號頻率波動適應力越強，就可以更好地支持用戶的高動態運動。同時，由于二階環路濾波器的噪聲帶寬與其特征頻率(ωn)成簡單的正比關系，而ωn的大小影響著環路的收斂速度，所以噪聲帶寬的大小對此也有影響。

在GNSS接收機中，完成位置解算的偽距觀測量是根據DLL對衛星信號的同步而獲得的，因此DLL的跟蹤誤差是偽距測量誤差的直接來源。選擇合適的環路噪聲帶寬使偽距測量誤差滿足接收機的設計指標要求，是偽碼跟蹤環設計的重要環節。在中低動態的GNSS接收機中，通常要求碼環跟蹤誤差小于0.02碼片甚至更低[11]，此時通常要求環路噪聲帶寬小于5 Hz[12-13]。在衛星信號跟蹤的建立階段，首先由捕獲模塊完成的初步的相位匹配，其輸出的碼相位匹配誤差通常為0.5碼片[14]；然后，由碼環對本地偽碼信號進行牽引，使本地偽碼相位誤差由0.5碼片逐漸縮小到符合定位要求的小于0.02碼片，從而使碼環進入到穩定跟蹤狀態[15]。

在碼環牽引階段，環路噪聲帶寬是牽引速度的重要影響因素之一。為了分析環路帶寬對穩定時間和環路跟蹤精度的影響，圖3和表1利用自研的GNSS接收機對不同環路帶寬下的碼環牽引狀態進行了測試。其中，信號頻點選取北斗衛星導航系統(BDS)的B1頻點，信號中頻為15.902 MHz，采樣頻率為62 MHz，超前滯后相關器與即時相關器的間隔為0.5碼片，碼環鑒相方法選擇非相干超前減滯后幅值法。由測試結果可以看出，環路帶寬越大，其穩定時間越短，但是穩態跟蹤誤差越大。

圖3 不同帶寬的碼環牽引狀態

表1 不同帶寬碼環牽引結果

環路帶寬/Hz環路穩定時間/s穩態跟蹤誤差(2σ)/chip14.50.0122.51.70.01850.90.023100.60.036200.20.045400.10.064

3 自適應帶寬碼跟蹤環路設計

由上文對碼跟蹤環路噪聲帶寬對環路牽引狀態的影響分析可知：更寬的環路帶寬能夠使環路快速穩定，但是卻存在較大的環路跟蹤誤差；反之，較窄的環路帶寬能夠保證更高的環路跟蹤精度和更小的穩態誤差，但是卻需要較長的穩定時間。由此可見，在傳統的固定帶寬的碼跟蹤環路設計中，降低環路跟蹤誤差和提升環路穩定速度的要求相互矛盾。因此，本文提出了一種自適應帶寬的碼跟蹤環路設計方案，該方案如圖4所示。

在自適應帶寬碼跟蹤環路中，通過增加一個濾波器對鑒相器的結果進行濾波，同時增加環路牽引時間計時，通過濾波結果和牽引時間來實時調整環路帶寬，選擇合適的帶寬并完成環路濾波器參數的調整。這樣，在環路的牽引初始階段，由于相位誤差較大，環路濾波器選擇較大噪聲帶寬，實現快速震蕩和收斂；在牽引過程中，隨著相位誤差逐漸減小，環路濾波器的帶寬隨之變窄，使環路輸出逐漸穩定，也將環路帶寬調整到最優狀態，進行信號的穩定跟蹤。

圖4 自適應帶寬碼跟蹤環路

自適應帶寬碼環的工作分為2個階段：第一階段，當信號完成捕獲后，牽引時間計時器開始計時，控制環路參數產生器選擇較寬的噪聲帶寬設計環路參數，當牽引時間達到門限值T時，關閉牽引時間計時器，轉由濾波器控制環路參數產生器；第二階段，由濾波器對鑒相器的鑒相結果進行濾波，利用濾波結果實時地調整噪聲帶寬設計，控制環路參數產生器產生相應的環路參數。

具體設計中，需要綜合考慮環路性能和設計復雜度，選擇最佳的設計參數。其中，濾波器的設計采用α濾波器，系數為0.05；牽引時間門限值T的設計須保證環路濾波器充分震蕩以及α濾波器初始化，這里選擇為100 ms；環路參數產生器設計為5檔帶寬查表選擇參數，以減少運算復雜度，各檔帶寬為40 Hz、20 Hz、10 Hz、5 Hz和2.5 Hz。

采用自適應帶寬碼環實現快速牽引的結果如圖5所示。

從結果中可以看到由于在牽引階段使用了較寬的環路帶寬，環路濾波器快速完成震蕩和穩定；隨后帶寬逐步減小，進入到穩定跟蹤階段后，環路跟蹤誤差滿足0.02碼片的要求。

圖5 自適應帶寬碼環牽引結果

4 結束語

環路濾波器的噪聲帶寬是偽碼延遲鎖定環設計中的重要參數，不同的帶寬設計對碼環的穩定時間存在較大影響，進而影響GNSS接收機的失鎖重定位性能。本文改變了在牽引階段和穩定跟蹤階段采用同一帶寬設計碼環的模式，在牽引狀態時采用較寬帶寬進行碼環濾波器參數設計，而隨著通道進入穩定跟蹤，自適應地將環路帶寬減小，從而在保證環路跟蹤精度的前提下加快環路穩定速度。通過自研的GNSS接收機進行了實際測試和驗證，實驗結果表明，自適應帶寬碼環能夠在400 ms內完成信號穩定跟蹤，相對于固定帶寬碼環的穩定時間有很大改善。

[1] 楊杰,張凡.高精度GPS差分定位技術比較研究[J].移動通信,2014,38(2):54-58，64.

[2] 劉文燾.GPS接收機的失鎖后處理研究[J].遙測遙控,2010,31(1):22-25.

[3] 楊文津,趙勝,段召亮.一種改進的BOC信號碼跟蹤環路設計方法[J].無線電工程,2014,44(2):21-23.

[4] 余紅明,騰潢龍.一種基于超長序列擴頻調制解調技術的實現[J].移動通信,2015,39(12):68-71.

[5] 何成龍,王垚.GPS L1C信號Weil碼相關性能分析[J].無線電通信技術,2013,39(1):32-35.

[6] 寇艷紅.GPS原理與應用(第2版)[M].北京:電子工業出版社,2012.

[7] 孫福余,張鵬,徐亞明,等.GPS軟件接收機碼環鑒相器研究[J].大地測量與地球動力學,2012,32(4):144-147.

[8] 孟騫,劉建業,曾慶化,等.GNSS軟件接收機碼環鑒別器性能評估與改進研究[C]∥第五屆中國衛星導航學術年會電子文集-S7北斗/GNSS用戶終端技術,2014:123-130.

[9] 楊再秀,王茂磊,郭曉峰,等.基于通用環路的GNSS碼跟蹤性能分析方法[J].無線電工程,2015,45(7):45-49.

[10]尹燕,趙明生,蔡凡.數字直擴接收機中同步環路設計與仿真[J].計算機仿真,2006,23(11):325-327.

[11]姚彥鑫,楊東凱,丁凡,等.GPS碼精密跟蹤環路的研究[J].武漢大學學報,2010,35(11):1355-1357.

[12]吳瓊,寇艷紅,鄭興平.高動態GPS 接收機環路跟蹤技術研究[J].無線電工程,2008,38(12):32-36.

[13]李文聯,雷玉潔,金璐,等.全球導航定位系統接收機的跟蹤環路帶寬設計[J].武漢工程大學學報,2013,35(3):66-69.

[14]項家偉,韋志棉,熊小軍.一種基于數字匹配濾波器的偽碼捕獲方法[J].無線電工程,2011,41(11):28-30.

[15]謝鋼.GPS原理與接收機設計[M].北京：電子工業出版社,2009:349-366.

Design of Adaptive Bandwidth DLL for GNSS Receivers

LIU Meng-chao1,2,ZHAO Bing-feng2

(1. State Key Laboratory of Satellite Navigation System and Equipment Technology,Shijiazhuang Hebei 050081,China;2. The 54th Research Institute of CETC,Shijiazhuang Hebei 050081,China)

Based on the requirement of fast setting of the Delay Lock Loop (DLL) on GNSS receivers,this paper analyzes the influence of the loop filter bandwidth on the performance of the code loop,and tests the setting time and tracking accuracy of the loop under different bandwidths. An adaptive bandwidth DLL is proposed,which can effectively achieve the fast setting and accurate tracking through the real-time adjustment of the bandwidth of the loop filter,and thus improves the performance of the code loop. A self-developed GNSS receiver is used to test and verify the proposed solution. The result shows that the setting time of the DLL is less than 400 ms.

Delay Lock Loop (DLL);setting time;adaptive bandwidth;GNSS

10. 3969/j.issn. 1003-3114. 2017.04.15

劉盟超,趙丙風. GNSS接收機自適應帶寬偽碼跟蹤環路設計[J].無線電通信技術,2017,43(4):64-66,79.

[LIU Mengchao,ZHAO Bingfeng. Design of Adaptive Bandwidth DLL for GNSS Receivers[J]. Radio Communications Technology,2017,43(4):64-66,79. ]

2017-03-22

國家高技術研究發展計劃(863計劃)項目(2015AA124001)

劉盟超(1985—)，男，工程師，碩士,主要研究方向：衛星導航信號處理。趙丙風(1988—)，男，助理工程師，碩士,主要研究方向：衛星導航信號處理。

TN967.1

A

1003-3114(2017)04-64-3