高動態(tài)GPS接收機跟蹤環(huán)路設(shè)計與實現(xiàn)

鄭興平,寇艷紅

(北京航空航天大學電子信息工程學院,北京100083)

0 引言

高動態(tài)GPS接收機作為GPS系統(tǒng)重要的用戶設(shè)備,可應(yīng)用于導彈、衛(wèi)星等國防和國民經(jīng)濟關(guān)鍵領(lǐng)域。跟蹤環(huán)路設(shè)計是高動態(tài)接收機設(shè)計的核心環(huán)節(jié),關(guān)系到接收機的動態(tài)性能。利用載波跟蹤環(huán)路的輔助可以消除大部分碼跟蹤環(huán)路的動態(tài)應(yīng)力誤差,因此對于高動態(tài)信號跟蹤算法的研究主要集中于載波跟蹤環(huán)。文獻[1]分析了環(huán)路噪聲帶寬、鑒別器以及預(yù)檢積分時間等參數(shù)對環(huán)路動態(tài)性能的影響。文獻[2]介紹了一種高動態(tài)接收機設(shè)計方案。文獻[3]通過蒙特卡羅仿真分析比較了FLL、FLL輔助PLL以及PLL的動態(tài)性能和跟蹤門限。文獻[5]比較了不同類型的碼環(huán)鑒別器并進行了仿真驗證。文獻[6]介紹了一種新的純數(shù)字PLL的設(shè)計方法。本文針對高動態(tài)要求討論了跟蹤環(huán)路類型、參數(shù)的確定以及捕獲轉(zhuǎn)跟蹤的方法,給出了具體硬件實現(xiàn),并利用GPS信號模擬器驗證了跟蹤環(huán)路的動態(tài)性能。

1 跟蹤環(huán)路設(shè)計

1.1 環(huán)路類型和參數(shù)的確定

GPS接收機必須同時使用載波跟蹤環(huán)和碼跟蹤環(huán)來實現(xiàn)信號的解調(diào)和解擴。為了提高動態(tài)性能,碼跟蹤環(huán)采用受載波跟蹤環(huán)輔助的2階DLL。3階PLL對加速度應(yīng)力不敏感,能夠承受一定的加加速度應(yīng)力,具有較好的跟蹤精度,因此載波跟蹤環(huán)采用3階PLL。由于3階PLL的捕獲帶較小,但是信號捕獲得到的多普勒與真實多普勒可能存在較大偏差,特別是在高動態(tài)環(huán)境下,因此本文先采用開環(huán)頻率估計方法減小捕獲之后的多普勒頻差,接著使用2階FLL輔助3階PLL將頻率迅速牽引至正確的載波頻率。載波跟蹤環(huán)和碼跟蹤環(huán)濾波器結(jié)構(gòu)參見文獻[1],本文使用的環(huán)路參數(shù)如_表1所示。

表1 環(huán)路參數(shù)

為了提高環(huán)路動態(tài)性能,載波跟蹤環(huán)預(yù)檢積分時間取1 ms。3階PLL噪聲帶寬取15 Hz,用于輔助的2階FLL噪聲帶寬取10 Hz。碼環(huán)預(yù)檢積分時間在環(huán)路收斂的初始階段取為1 ms,這將有利于碼環(huán)快速收斂。獲得比特同步之后碼環(huán)預(yù)檢積分時間延長到20 ms以提高碼環(huán)跟蹤精度。

1.2 捕獲轉(zhuǎn)跟蹤方法

常用的捕獲轉(zhuǎn)跟蹤方法是在信號捕獲之后利用捕獲帶較寬的FLL將頻差減小到PLL捕獲帶內(nèi),然后切換到PLL進行跟蹤。本文先使用開環(huán)頻率估計方法對信號捕獲階段得到的多普勒進行修正,然后利用2階FLL輔助3階PLL進行頻率快速牽引,最終關(guān)閉FLL進入3階PLL穩(wěn)定跟蹤。該方法能夠加快環(huán)路收斂過程,適合于高動態(tài)應(yīng)用場景。文獻[1]和文獻[4]對鎖頻環(huán)輔助鎖相環(huán)進行了介紹,這里僅對開環(huán)頻率估計方法進行分析。

設(shè)環(huán)路的預(yù)檢積分時間為T,第i個預(yù)檢積分時間內(nèi)的平均相位差為Δφi。Δφi可由下列式子得到:

式中,Ii-1、Qi-1為第i-1個預(yù)檢積分值 ;Ii、Qi為第i個預(yù)檢積分值。開環(huán)頻率估計通過對N個Δφi求平均得到Δφ^i,進而得到多普勒誤差估計值

在求Δφ^過程中為了得到較好的結(jié)果剔除了Δφi中最大和最小值。增加預(yù)檢積分時間T和平均次數(shù)N可以提高Δf^的估計精度,但是T和N的選擇受到導航電文比特跳變和接收機動態(tài)特性的限制。本文取預(yù)檢積分時間T=1 ms,N=20。

2 硬件設(shè)計

高動態(tài)接收機的硬件實現(xiàn)框圖如圖1所示。

圖1 硬件結(jié)構(gòu)

GPS射頻信號經(jīng)過射頻前端轉(zhuǎn)換為46.42 MHz模擬中頻信號;ADC將模擬中頻信號轉(zhuǎn)化為2 bit數(shù)字中頻信號送入FPGA進行相關(guān)運算;DSP進行后續(xù)的信號處理和信息處理;觀測數(shù)據(jù)和定位解算結(jié)果通過串口發(fā)送給上位機軟件進行分析評估。

FPGA主要由時鐘產(chǎn)生單元、12路數(shù)字相關(guān)器通道、串口發(fā)送單元以及DSP總線接口單元組成。時鐘產(chǎn)生單元生成60 MHz采樣時鐘和FPGA全局工作時鐘以及TIC(觀測量中斷)信號和DSP中斷信號;數(shù)字相關(guān)器通道由本地碼生成及控制單元、本地載波生成及控制單元、相乘積分累加單元以及歷元計數(shù)單元組成,在DSP控制下完成信號解調(diào)和解擴;串口發(fā)送單元將DSP發(fā)送給FPGA的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給PC端上位機軟件。DSP總線接口單元實現(xiàn)FPGA和DSP的通信接口,將FPGA內(nèi)部寄存器映射到DSP固定的地址空間中。

3 DSP軟件設(shè)計

DSP軟件程序分為主程序和中斷服務(wù)子程序。主程序負責系統(tǒng)的初始化,包括DSP控制寄存器配置,初始通道分配以及中斷使能等。中斷服務(wù)程序響應(yīng)FPGA中斷信號進行通道更新。DSP為每個數(shù)字相關(guān)器通道維護了一個狀態(tài)變量,這些狀態(tài)包括:捕獲、開環(huán)頻率估計、牽引和跟蹤。開始時通道處于捕獲狀態(tài),進行信號捕獲。捕獲到信號之后進入開環(huán)頻率估計狀態(tài),將FLL開環(huán)進行多普勒殘差估計。接著進入牽引狀態(tài),此時環(huán)路閉合,2階FLL輔助3階PLL載波跟蹤環(huán)開始工作同時嘗試進行比特同步。等到獲得比特同步之后進入跟蹤狀態(tài),此時載波環(huán)進入3階PLL的工作模式,碼環(huán)的預(yù)檢積分時間也由牽引狀態(tài)下的1 ms延長到了20 ms。一旦檢測到環(huán)路失鎖則重新回到捕獲狀態(tài)。

4 測試結(jié)果

4.1 開環(huán)頻率估計方法測試

圖2為實測的捕獲轉(zhuǎn)跟蹤時載波環(huán)(2階FLL輔助3階PLL)收斂曲線。載波環(huán)預(yù)檢積分時間取1 ms。2階FLL采用四像限反正切鑒別器,噪聲帶寬為10 Hz。3階PLL噪聲帶寬為15 Hz。虛線為未采用開環(huán)頻率估計時的收斂曲線?？梢钥闯鲩_始時頻差較大,2階FLL起主導作用,表現(xiàn)為環(huán)路輸出的多普勒迅速向真實多普勒靠近。當頻差減小到一定程度時3階PLL起主導作用開始相位收斂的過程。實線為采用了開環(huán)頻率精細分辨方法后的收斂曲線,可以看出采用了該方法后有效地減小了捕獲時多普勒估計誤差,環(huán)路收斂速度得到改善。

圖2 捕獲轉(zhuǎn)跟蹤時載波環(huán)收斂曲線(1號衛(wèi)星)

4.2 跟蹤環(huán)路動態(tài)性能測試

利用北航衛(wèi)星導航與通信系統(tǒng)研究室開發(fā)的GPS信號模擬器測試了對跟蹤環(huán)路的視距動態(tài)性能進行了測試。模擬器模擬接收機視距加加速度1 m/s3(等價于多普勒二階導數(shù)5.251 4 Hz/s2)仿真時間長度600 s。模擬的接收機加速度達到60g,模擬器輸出的射頻信號功率-130 dBm。圖3(a)為實測的多普勒曲線。理論上當接收機具有固定視距加加速度時,多普勒隨時間按2次曲線規(guī)律變化,理論分析與實測結(jié)果一致。圖3(b)為多普勒誤差曲線,1σ值為8.674 Hz。圖3(c)為相關(guān)器即時支路積分累加值輸出,圓圈符號標識的為I支路積分累加值,叉符號標識的為Q支路積分累加值,從中可以看出跟蹤環(huán)路工作正常。

圖3 視距動態(tài)測試(1號衛(wèi)星)

5 結(jié)束語

通過對跟蹤環(huán)路類型、參數(shù)以及捕獲轉(zhuǎn)跟蹤方法的分析,設(shè)計了一種高動態(tài)跟蹤環(huán)路并給出了具體硬件實現(xiàn)。利用GPS信號模擬器測試了跟蹤環(huán)路的動態(tài)性能。測試結(jié)果表明所設(shè)計的跟蹤環(huán)路在60g視距動態(tài)應(yīng)力下能夠穩(wěn)定工作,滿足高動態(tài)應(yīng)用要求。

[1]KAPLAN E D.GPS原理與應(yīng)用[M].寇艷紅,譯.北京:電子工業(yè)出版社,2007.

[2]SON S B,KIM II K,OH S H,et al.Commercial GPS Receiver Design for High Dynamic Launching Vehicles[C].Sydney,Australia:GNSS 2004,2004:305-345.

[3]WARD P W.Performance Comparisons Between FLL,PLL and a Novel FLL-Assisted-PLL Carrier Tracking Loop Under RF Interference Conditions[C].Nashville,TN:ION GPS,1998:783-795.

[4]GARDNER F M.鎖相環(huán)技術(shù)[M].姚劍清,譯.北京:北京人民郵電出版社,2007.

[5]寇艷紅.GNSS軟件接收機與信號模擬器系統(tǒng)研究[D].北京:航空航天大學博士學位論文,2006:6-12.

[6]STEPHENS S A,THOMAS J C.Controlled-Root Formulation for Digital Phase-Locked Loops[C].IEEE Trans Aerospace and Electronic Systems,1995:78-95.