《现代电子技术》2006 年第 3 期总第 218 期 　 通信与信息技术 高动态下 GPS 信号的捕获和跟踪技术研究 (1. 中国航天二院遥感设备研究所 　北京 　100854 ;2. 浙江大学 信息与电子工程学院 　浙江 杭州 　310027) 陈斌杰1 ,陈敏锋2 摘 　要 :为检测高动态 GPS 信号 ,需要设计码环及载波环的捕获和跟踪数字系统 。如何快速捕获信号 ,并进行精确跟 踪 ,是问题的关键 。针对高动态环境下 GPS 信号的捕获和跟踪问题 ,分析了高动态环境对 GPS 信号的影响 ,提出了 FF T 码 快速捕获算法 ,以及二阶 FLL 与三阶 PLL 混合载波跟踪方案 ,并对码环和载波环的结构和参数的设计方法进行了说明 。仿 真结果和分析表明该方案能在高动态环境下实现信号的快速捕获 ,且能较好地满足接收机动态性能和跟踪精度的要求 。 关键词 : GPS ;高动态 ; FF T 快速捕获 ;载波跟踪技术 中图分类号 : P228 4 　　　　　文献标识码 :A 　　　　　文章编号 :1004 373X(2006) 03 013 03 Study of Acquisition and Tracking for High Dynamic GPS Signals C H EN Binjie1 ,C H EN Minfeng2 (1. Institute No. 25 of Second Academy China Aero space Science and Indust ry Co rpo ration ,Beijing ,100854 ,China ; 2. Info rmation Science and Electronic Engineering College ,Zhejiang University , Hangzhou ,310027 ,China) Abstract : To examine the GPS signal in high dynamic situation ,it is necessary to design code circus and carrier circus. GPS signal′s fast acquisition and tracking precisely is the key problem. In this dissertation ,for the question of GPS signals acquisition and tracking under high dynamic circumstance , some p roblems existed in receiving GPS signals are analysed , which is brought by high dynamic circumstance. Based on the analysis , FF T code fast acquisition algorithm ,integrated phase locked tracking strategy are p resented. Designing methods of code circus ,carrier circus structure and parameter are explained. The simulation result s and analysis show that the designing realize the signal′s fast acquisition under high dynamic circumstance and keep dynamics performance and tracking precision at the same time. locking and f requency Keywords : GPS ;high dynamic ; FF T code fast acquisition ;carrier tracking technique 1 　高动态环境对卫星信号的影响 在高动态环境下 ,载体和 GPS 卫星之间的高速相对 运动将使接收信号产生很大的多普勒频移。当多普勒频 移达到 ±25 k Hz 时 ,就对信号捕获时频域的搜索带宽提 出了较高的要求 ,同时由于频域带宽的增加 ,使频域搜索 点的个数增加 ,数据处理量增大 ,这就给码的快速捕获带 来了困难 ,使得传统的码捕获方法很难实现信号的快捕 。 载体的高加速度和高加加速度会产生接收信号载波 的多普勒频移的变化率的改变 ,设载体的相对加速度为 a = 10g ,伪随机码多普勒频率的变化率为 : f′= a ×f C/ A / c = 10 ×9 8 ×1 023 ×106 / 3 ×108 = 0 334 Hz/ s 接收信号载频的最大多普勒频率的变化率为 : f′= 515 Hz/ s 。 当加速度变化率为 a′= 10g/ s ,所以 f″= 515 Hz/ s2 。 这就要求在捕获时观察时间短 ,数据更新率高 ,频率 搜索单元的间隔大 ,从而避免在高动态下搜索不到信号 ; 在跟踪时锁相环采用三阶 ,以保证能跟踪上一阶相位斜 升 ,从而避免在高动态下信号失锁 。另外 ,我们可以发现 载体的高动态对伪随机码的影响还是比较小的 ,只要数据 更新率合适 ,则这种影响都可以在捕获和跟踪的过程中忽 略不计[1 ] 。 2 　码捕获和跟踪 传统的码捕获方法由于巨大的数据处理量 ,捕获时间变 得很长 ,无法适应高动态环境下的码捕获。为了实现码的快 速捕获 ,本文采用 FFT 算法进行码捕获 ,原理如图 1 所示。 图 1 　FF T 快速捕获结构框图 接收信号序列 { x ( n) } 和本地信号序列{ y ( n) } 的相关 函数在时域的计算表达式为 : N r = 1 [ x ( r) ×y ( r - n) ] ρxy ( n) = ∑ N = 1 023 , 　　　　0 ≤ n < 1 023 (1) 收稿日期 :2005 08 30 　　相关间隔设定为 1 个码 片 , 如 果在 时 域直 接计 算 31 © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 

1 1 军 事 通 信 陈斌杰等 :高动态下 GPS 信号的捕获和跟踪技术研究 1 023 个相关函数值 ,由于实际的采样点数为每个码片上 6 个 点时 ,所需乘法运算的次数为 : a = 6 ×1 023 ×6 ×1 023 = 37 675 044 次 ,所需加法运算的次数为 :b = 37 675 044。计算 量太大 ,微处理器难以实时完成。因此 ,我们采用适合大计算 量运算的 FFT 运算。用 F- 1 表示傅里叶逆变换 , Y( n) 表示 Y( n) 的复共轭 ,相关函数在频域可由式(2) 算得 : ρxy ( n) = ∑ r = 1 N [ x ( r) ×y ( r - n) ] 　　　　　　 = F- 1 [ X ( n) ×Y ( n) ] , 　0 ≤ n ≤1 023 (2) 　　在频域计算 1 023 个相关函数值所需 FF T 的次数为 : c = 3 次 ,采用 FF T 计算时 ,所需乘法运算的次数为 : a = 3 ×(6 ×1 023) / 2 ×log2 (6 ×1 023) + 6 ×1 023 = 86 444 所需加法运算的次数为 : b = 3 ×(6 ×1 023) ×log2 (6 ×1 023) = 160 610 与传统的捕获方法相比较 ,FF T 算法显然大大减少了 运算次数。 用 Matlab 软件进行仿真 ,用 FF T 算法可以得到各个 相位上的相关峰峰值 。如图 2 所示 ,横坐标表示的是码相 位 ,纵坐标表示不同码相位差所对应的相关峰峰值 。仿真 结果显示 ,在多普勒频移估计误差小于 500 Hz 的条件下 , 可以在很短时间内 ,估计出本地伪随机码和接收伪随机码 的相位差 ,实现伪随机码的快速捕获。 图 2 　码捕获相关峰图 FF T 解算 , 必 须 存 储 一 段 数 据 , 定 为 一 个 数 据 位 时 间 20 ms ,可以粗略认为 ,码捕获时间就是 0 100 + 0 35 s) 。 02 = 0 35 s (0 003 3 初始捕获时间 : T = 0 2. 2 　环路滤波器设计 35 32 = 11 2 s 码跟踪环路采用超前/ 滞后锁相环 ,超前/ 滞后支路之 间的间隔为 0 5 个码片。 为了尽可能削弱噪声对环路跟踪精度的影响 ,环路等 0 之间时为 707 时能够较好地抑制噪声 ,增强 效噪声带宽应尽可能小 ,当ζ取值为 0 欠阻尼状态 ,一般取 0 信噪比 ,此时 : 5～1 B = 0 53ωn (3) 　　为了跟踪频率斜升的信号 , f n必须足够大以使频率变 化率满足 : f′< ω2 n 2 [1 - ( SNR) - 1/ 2 L ] (4) 其中( SNR) L 是环路信噪比 10 dB 。 载体的加速度 a = 10 g , 伪随机码多普勒频率的变化 率为 : f′= a ×f C/ A / c 　　　　　　　　　 023 ×106 / 3 ×108 = 10 ×9 = 0 8 ×1 334 Hz/ s 求得ωN 应不小于 0 988 rad/ s ,因此 B = 0 524 Hz 。 考虑到设计余量 ,设定码环的二阶 J affe Rechtin 滤 波器 B L F = 1 Hz 。 3 　载波跟踪 由于载体在绝大部分时间内工作于中低态环境下 ,在 少数时间处于高动态环境下 ,因此较理想的载波跟踪环是 以 FLL 跟踪及短的积分时间与较大的带宽滤波器闭合跟 踪环路 ,然后转入科斯塔斯环跟踪 ,在容许预期动态影响 的前提之下 ,尽量采用长的预检积分时间和窄的滤波器噪 声带宽以维持环路的跟踪状态 ,当动态增强时 ,环路自动 实现动态变化时 FLL 和 PLL 跟踪方式的切换[2 ,3 ] 。图 4 为 FLL 和 PLL 混合载波跟踪的原理框图 。 图 3 　c/ a 码相位图 2. 1 　捕获时间 拟采用 TI 公司的 TMS320VC33 芯片 。该 DSP 芯片 的浮点数字信号处理器的指令周期为 13 ns ,每秒钟可以 运行 7 5 ×107 条指令 ,完成 86 444 次乘法和 160 610 次加 法需要 3 3 ms 。 定义步进频率为 500 Hz 调整本地载波 NCO ,为完成 41 图 4 　FLL 和 PLL 混合载波跟踪环原理图 二阶 FLL 和三阶 PLL 混合载波跟踪的实现基于相关 器输出的同相 ,正交信号 I k , Qk 。在不同的动态环境下 , 通 © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 

1 1 1 1 1 《现代电子技术》2006 年第 3 期总第 218 期 过频率判决和相位判决来决定采用哪种跟踪模式。首先用 四相鉴频器将载波频率变化 Δf 降到 10 Hz 以下 , 然后跟 据载波相位θk 进行判决 ,若θk > 10°,整个载波跟踪过程中 包括两次判决 :同相 ,正交信号 I k , Qk 首先进入频率判决器 进行第一次判决 ,如果频率误差太大 ,那么需要先用四相 鉴频器将频率牵引到 10 Hz 以下 ;如果频率误差已经进入 叉积鉴频器的线性工作范围 ,再用相位判决器进行第二次 判决 ,载体相位误差的大小来决定转入叉积频率环 ( FLL 环) 还是科斯塔斯环( PLL 环) 。 3. 1 　频率判决 伪码捕获后 ,载波多普勒频移范围已被牵引到500 Hz 以内 ,但仍有可能超出叉积鉴频器的线性工作范围 ,那么 需要先用四相鉴频器将频率牵引到 10 Hz 以下。 四相鉴频器的输出频率误差控制量为 f k ,即两个连续 时间间隔内同相和正交通道的相关值的叉积 (条件是假定 两个连续间隔时间内调制在信号上的数据位没有跳变) 。 (5) 　　当 f k ≤10 Hz 时 ,采用叉积鉴频器 ,当 f k > 10 Hz 时 , 则采用四相鉴频器。 3. 2 　相位判决 f k = Qk I k- 1 - I kQ k- 1 相位判决值 B k 由式(6) 得到 : sin φk cos φk B k = Qk I k = = | tan φk | (6) 　　当φk 很小时 ,tan φk 与φk 成正比 ,将φk = 10°代入式 176 , 则转入 (6) ,则相位判决阈值 B k = 0 176 。若 B k > 0 FLL 跟踪环 ,叉积鉴频器控制量 Ek = Qk I k- 1 - I kQ k- 1 ,否则 转入 PLL 跟踪环 ,鉴相器控制量 Ek = Qk I k 。 3. 3 　环路滤波器设计 叉积鉴频器的输出频率误差控制量为 Ek , 频率误差 值 Ek 通过带宽为 B L F 的二阶 J affe Rechtin 滤波器 ,由滤 波器输出的频率校正量由下面得到 : 2 f k ωk′= ωk- 1′+ ωnF Δω = ωk - ωk- 1 = Tωk′+ 2ωnF f k (7) (8) 式中 , T 为相关器的积分间隔时间 1 ms ,ωnF = 1 89 B L F 。所 以 B L F 的设计影响着环路的性能 , 设计 B L F 可以根据接收 机运动加速度的变化率。高动态载体中 , 其加速度的变化 率也很大 , 当加速度变化率为 a′= 10 g/ s , 所以 f″= 515 Hz/ s2 。 　 通信与信息技术 　　考虑到设计余量 ,设定 FLL 的二阶 J affe Rechtin 滤 波器 B L F = 3 Hz 。 科斯塔斯环的鉴相器输出为 Ek = Q( k) I ( k) , PLL 三 2 B L F , 加 00 Hz ,考虑到设计余量 ,设 阶 J affe Rechtin 滤波器的性能方程为 ωnF = 1 加速度为 10 g/ s2 ,则带宽为 3 定 B L F = 3 5 Hz 。 4 　系统精度估计 4. 1 　定位精度的估算 伪码测距的关键问题是提取接收信号伪码的相位信 息 。根据提取到的接收伪码相位信息 ,可知道接收信号到 达的时刻 ,该时刻与同一伪码的发射时刻进行比较 ,从而 完成对目标的定位精度的估计。伪码跟踪环在跟踪的过 程中存在一定的误差 ,设本地码和接收到的码之间存在着 大小为Δt 的伪码延时估计误差 ,那么定位精度Δl 可由公 式Δl =Δt ×c 估算 : 在伪码用 FF T 捕获时 ,Δt 为 1/ 6 个码片 ,在跟踪过程 中 ,通过改变跟踪环路的参数 ,使误差控制在 1/ 100 码片 之内 ,则Δl = 3 m。 4. 2 　测速精度的估算 测速的关键是提取运动目标的多普勒频移信号 。本 接收机的载波跟踪精度大约为 3 Hz 。 设Δv 为要求的测速精度 ,Δf 为对应Δv 的多普勒频 移变化量 ,则有 :Δv = Δf ×c f l 则Δv = 0 576 m/ s 。 5 　结 　语 , f l 为载频 1 575 42 M Hz , 本文讨论了高动态环境对 GPS 信号的影响 ,对采用 的 FF T 码快速捕获方法和跟踪策略 ,载波跟踪环路的特 性及解决方案进行了分析 。本文还对高动态接收机的码 捕获跟踪及载波跟踪系统的设计作了简单说明 ,并给出设 计参数 。通过仿真和分析表明 ,在动态范围达到速度 0～ 4 km/ s ,相对加速度 0～10 g/ s ,相对加加速度 0～10 g/ s 时 ,定位精度能达到 3 m ,测速精度优于 1 m/ s ,初始捕获 时间优于 1 min 。 参 　考 　文 　献 2 rad/ s 　　根据 J affe Rechtin 滤波器的性能方程 : ω″= 2π ×f″= 3 234 ω″ ω2 nF = 0 25/ T [ 1 ] 张伯川 ,张其善. 高动态接收机的关键问题研究 [J ]. 电子学 报 ,2003 ,31 (12) :1 844 1 846. [ 2 ] 田明坤. 高动态 GPS 接收机的一种设计方案. 遥测遥控 , (9) 2002 ,23 (3) :15 20. B L F = ωnF 89 1 = 2 ω″T 89 1 = 1 90 Hz (10) 研究. 电子学报 ,2003 ,31 (12) :2 147 2 150. [ 3 ] 程乃平 ,任宇飞 ,吕金飞. 高动态扩频信号的载波跟踪技术 作者简介 　陈斌杰 　男 ,1981 年出生 ,中国航天二院研究生院硕士研究生 。研究方向为信号处理 。 陈敏锋 　男 ,1979 年出生 ,浙江大学信息与电子工程学院 ,硕士研究生 。研究方向为信号处理 。 51 © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net