隨著GPS 衛(wèi)星應用產業(yè)化進程的逐步發(fā)展，對導航接收機關鍵技術的攻關必將縮短衛(wèi)星導航終端產品的研發(fā)周期，推進衛(wèi)星導航應用產業(yè)化的進程。在GPS 接收機中利用何種技術來快速跟蹤衛(wèi)星多普勒頻偏的變化是面臨的主要挑戰(zhàn)。載波跟蹤環(huán)路設計是GPS 接收機中非常重要的環(huán)節(jié)，其性能的好壞直接影響到接收機的靈敏度。

本文通過GPS 接收機中載波跟蹤環(huán)路的設計與研究，討論載波跟蹤環(huán)路的實現(xiàn)方法和需要注意的細節(jié),最后經過Matlab 仿真比較了幾種鑒頻和鑒相算法的性能，證明本文采用的算法正確合理，且適應高動態(tài)環(huán)境下對GPS 信號的跟蹤。

1.載波跟蹤環(huán)路基本模型

GPS 接收機完成對信號的捕獲、碼跟蹤后進入載波跟蹤環(huán)路，圖1 給出了載波跟蹤環(huán)路的基本模型。

載波預檢測積分時間、載波環(huán)鑒別器和載波環(huán)濾波器決定了載波跟蹤環(huán)的特性。為了容忍動態(tài)應力，預檢測積分時間應當短，鑒別器應為一個FLL，載波環(huán)濾波器的帶寬應當寬，但是為了使載波測量精確，預檢測積分時間應當長，鑒別器應為一個PLL，且載波環(huán)濾波器帶寬應當窄。為了解決這個矛盾，本文采用了一種二階FLL 輔助三階鎖相PLL 的方法，使環(huán)路從FLL有效過渡到PLL，既保證了接收機的動態(tài)性能，又提高了載波測量的精度。

圖1.GPS 接收機載波跟蹤環(huán)方框圖

2.頻率鑒別器

FLL 通過復現(xiàn)衛(wèi)星近似的頻率來完成載波剝離過程，信號I 和Q 的采樣時間不應跨越數(shù)據(jù)比特的跳變,在初始信號捕獲期間，接收機并不知道數(shù)據(jù)跳變的邊界在哪里。在完成比特同步的同時，與相位鎖定相比,一般說來更易與衛(wèi)星信號保持頻率鎖定。常用的頻率鑒別器為四象限反正切鑒別器，其表達式為：

式中: cr ss = I ps1×Qps2 - I ps2 Qps1 ；dot = I ps1×I ps2 + Qps1×Qps2 ；I ps1 和Qps1 是在時刻t 1 下的相關值;I ps2 和Qps2 是在時刻t2 下的相關值；t2- t1 為預檢測積分時間。

采用這種鑒別器，t1 和t2 時刻的相關值采樣應該在同一數(shù)據(jù)比特時間區(qū)間內，但是初始捕獲階段接收機不知道數(shù)據(jù)跳變的邊界，所以本文采用二象限反正切鑒別器，有效防止了因數(shù)據(jù)跳變引起的頻率鑒別誤差，其表達式為：

3.相位鑒別器

PLL 通過復現(xiàn)衛(wèi)星的準確相位和頻率( 已變換到中頻) 來完成載波剝離功能。因為CoSTas 鎖相環(huán)對數(shù)據(jù)調制不敏感，所以本文采用Costas 鎖相環(huán)，常用的鑒別器如表1 所示。

表1.常用Costas 環(huán)鑒別器

因為二象限反正切鑒別器的輸入誤差范圍在±90°區(qū)間上保持線性，所以本文采用二象限反正切鑒別器。

4.載波環(huán)濾波器

環(huán)路濾波器的作用是降低噪聲，以便對原始信號進行精確估計，其階數(shù)和帶寬決定了它對信號的動態(tài)響應。為了使接收機適應高動態(tài)環(huán)境，本文采用二階FLL 輔助三階PLL 的環(huán)路濾波器，其原理框圖見圖2。

接收機完成捕獲、碼跟蹤后進入載波跟蹤模塊，由于此時多普勒頻移較大，所以FLL 與PLL 同時工作，給環(huán)路濾波器輸入頻差和相差，當頻率誤差減小到PLL 可以容忍的范圍時，將環(huán)路濾波器的輸入頻差設為零，即環(huán)路轉變?yōu)榧働LL 跟蹤模式。

表2.環(huán)路濾波器特性