全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)接收機(jī)的跟蹤環(huán)路帶寬設(shè)計(jì)

李文聯(lián)，雷玉潔，，金 璐，章振保

（1.湖北文理學(xué)院物理與電子學(xué)院，湖北 襄陽 441053；2.武漢工程大學(xué)電氣信息學(xué)院，湖北 武漢 430074）

0 引 言

隨著無線通信的發(fā)展，出現(xiàn)了多種模式的通信體制，為了滿足互通性的問題，軟件無線電的思想被提了出來.而軟件接收機(jī)則以它的靈活性、可擴(kuò)展性、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)問題，并在過去的十幾年中，有很多的外國(guó)學(xué)者對(duì)軟件接收機(jī)作過研究，取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步.2000年，James B Y T寫過一本書來介紹全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)（Global Positioning System，以下簡(jiǎn)稱：GPS）軟件接收機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、信號(hào)的捕獲及跟蹤算法的細(xì)節(jié)，并且還提出了一種新的信號(hào)跟蹤方法——同步信號(hào)塊調(diào)整［1］（Block Adjustment of Synchonizing Signal，以下簡(jiǎn)稱：BASS）.隨后，美國(guó)康奈爾大學(xué)的諸多學(xué)者在CPU為ADM1.73G的PC機(jī)上實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)多通道的單頻GPS軟件接收機(jī)；意大利的都靈理工大學(xué)的Fabio Dovis等人在以現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FPGA）及數(shù)字信號(hào)處理（DSP）為主要運(yùn)算器件的平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)了GPS基帶信號(hào)的實(shí)時(shí)處理等.

本文介紹了GPS軟件接收機(jī)的基本結(jié)構(gòu)，捕獲及跟蹤的基本原理及思路，采用了并行碼相位搜索算法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)GPS信號(hào)的捕獲，并且利用最優(yōu)化的設(shè)計(jì)理念，設(shè)計(jì)了接收機(jī)的最優(yōu)環(huán)路帶寬，最后做出了相應(yīng)的仿真和驗(yàn)證.

1 GPS軟件接收機(jī)的結(jié)構(gòu)

GPS接收機(jī)主要包括了五個(gè)部分：天線、射頻前端模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、信號(hào)通道處理模塊和定位解算模塊.對(duì)于天線接收到的所有衛(wèi)星射頻信號(hào)，其中當(dāng)然也混雜有一些干擾信號(hào)，首先要經(jīng)過濾波和放大處理，當(dāng)信號(hào)放大到合適的幅度后才送入到下變頻器，繼而在下變頻器中與本機(jī)振蕩器的信號(hào)進(jìn)行多級(jí)混頻，并把射頻轉(zhuǎn)換到合適的頻率，變?yōu)橹蓄l信號(hào)，最后再由模數(shù)（A／D）轉(zhuǎn)換器將輸入信號(hào)數(shù)字化.接下來將采集到的各路數(shù)字中頻信號(hào)傳入通道作預(yù)處理，以實(shí)現(xiàn)最終的定位解算.GPS軟件接收機(jī)的結(jié)構(gòu)［2］如圖1所示.

圖1 GPS軟件接收機(jī)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of GPS software receiver

圖1各個(gè)模塊中，接收機(jī)的核心部分是若干并行的數(shù)字接收通道，每個(gè)通道對(duì)應(yīng)一路衛(wèi)星信號(hào)，并在其中對(duì)所有衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行具體的解調(diào)與解擴(kuò)操作，實(shí)現(xiàn)載波同步與碼同步、給出導(dǎo)航數(shù)據(jù)等.同步的過程有兩個(gè)：捕獲和跟蹤，信號(hào)的捕獲實(shí)現(xiàn)的是對(duì)信號(hào)的載波頻率和偽碼碼相位的粗略估計(jì)，可以通過捕獲電路對(duì)載波頻率和碼相位的二位搜索來完成，當(dāng)達(dá)到捕獲門限后，載波和偽碼必須持續(xù)不斷的動(dòng)態(tài)調(diào)整，以達(dá)到精同步；信號(hào)跟蹤的本質(zhì)就是為實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的穩(wěn)定跟蹤而采取的一種對(duì)環(huán)路參數(shù)的動(dòng)態(tài)調(diào)整策略，最后得出導(dǎo)航數(shù)據(jù).

2 GPS信號(hào)的捕獲及跟蹤

GPS接收機(jī)采集到的信號(hào)可能是來自所有碼分多址（Code Division Multiple Access，CDMA）系統(tǒng)信號(hào)源的混合信號(hào)，從混合后的信號(hào)中分辨出視界范圍內(nèi)的各顆衛(wèi)星，并對(duì)信號(hào)的載波頻率和偽碼碼相位做一個(gè)粗略估計(jì)才是信號(hào)捕獲的目的.

串行捕獲、并行頻率空間捕獲和并行碼相位捕獲是信號(hào)捕獲常用算法.串行搜索算法存在兩個(gè)不同的掃描過程，它涉及到對(duì)頻率范圍的搜索和1023種不同碼相位的搜索，因此搜索范圍非常大且比較耗時(shí)；并行頻率空間搜索算法則只是對(duì)1023個(gè)不同的偽碼相位進(jìn)行搜索，但每一偽碼相位都需要作頻域的變換，存在較大的計(jì)算量；并行碼相位搜索算法進(jìn)行的是頻率上的搜索，并行計(jì)算碼相位，這樣就將搜索空間消減為41個(gè)不同的載波頻率，大大減小了計(jì)算量，故在設(shè)計(jì)中重點(diǎn)考慮并行碼相位搜索算法.其原理［3］如下：

對(duì)于兩個(gè)長(zhǎng)度有限且均為N，并且具有周期重復(fù)特性的序列x（n）和y（n），其循環(huán)互相關(guān)序列為

去掉比例因子1／N，z（n）的N點(diǎn)離散傅里葉變換為

公式（2）中：X＊（k）為X（k）的共軛形式.

根據(jù)公式（2），對(duì)41個(gè)頻率的本地碼分別作2次快速傅里葉變換（Fast Fourier Trsnform，以下簡(jiǎn)稱：FFT），1次逐點(diǎn)相乘和1次快速傅里葉逆變換（Inverse Fast Fourier Trsnform，以下簡(jiǎn)稱：IFFT）運(yùn)算，可以較快的確定本地信號(hào)與原始的GPS信號(hào)相互間的關(guān)系，從而較快獲得了多普勒頻率的初始值，以及C／A碼（Coarse／Acquisition Code）的起始位置.這樣運(yùn)算量得到了大大的減小，搜索時(shí)間也縮短了，實(shí)現(xiàn)過程如圖2所示.

圖2 并行碼相位搜索算法框圖Fig.2 Chart of parallel code phase search acquisition注：I－同相；Q－異相

信號(hào)跟蹤的本質(zhì)是為實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的穩(wěn)定跟蹤而采取的一種對(duì)環(huán)路參數(shù)的動(dòng)態(tài)調(diào)整策略，它具有兩個(gè)目的：一是偽碼分量的跟蹤，解擴(kuò)衛(wèi)星信號(hào)，同時(shí)將偽距觀測(cè)量從C／A碼或P碼（Precise Code）中提取出來，從而得到只有導(dǎo)航電文調(diào)制的載波信號(hào)，此過程中通常采用非相干延遲鎖定環(huán)來實(shí)現(xiàn)；二是載波分量的跟蹤，解調(diào)偽載波信號(hào)，對(duì)載波相位進(jìn)行估計(jì)，獲得導(dǎo)航電文信息，并將多普勒頻移觀測(cè)量提取出來，此過程中采用的是科斯塔斯環(huán)來實(shí)現(xiàn)的.載波跟蹤環(huán)和碼跟蹤環(huán)都屬于數(shù)字環(huán)路，它們的基本結(jié)構(gòu)是相同的，只是環(huán)路鑒別器的算法以及環(huán)路的設(shè)計(jì)不一樣.接收機(jī)的跟蹤環(huán)路基本結(jié)構(gòu)圖［4］如圖3所示.

3 GPS跟蹤環(huán)路帶寬設(shè)計(jì)

對(duì)于GPS接收機(jī)跟蹤環(huán)路的帶寬選擇，需要考慮以下兩方面的因素：一是受到熱噪聲或干擾的影響，跟蹤帶寬要求要窄；二是考慮到載體動(dòng)態(tài)性能的影響，跟蹤環(huán)路帶寬要求要寬.為兼顧兩方面的影響，就需要折中考慮環(huán)路的帶寬.最優(yōu)帶寬［5］是輸入信噪比和載體動(dòng)態(tài)性的函數(shù)，根據(jù)估計(jì)的信噪比來確定最優(yōu)帶寬以達(dá)到總的誤差最小，延遲鎖定跟蹤環(huán)的誤差σDLL為：

圖3 GPS接收機(jī)跟蹤環(huán)路結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Design scheme for GPS tracking loop

則碼環(huán)跟蹤最優(yōu)帶寬為：

求其導(dǎo)數(shù)得：

利用載波跟蹤環(huán)輔助碼跟蹤環(huán)來實(shí)現(xiàn)跟蹤，主要是由于載波跟蹤環(huán)即便是在寬的帶寬條件下，精度也相對(duì)很高，并且在這種情況下，載體動(dòng)態(tài)引入的誤差很小，幾乎可以忽略不計(jì).

4 仿真結(jié)果

對(duì)所提出的算法，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，搜索及跟蹤算法的驗(yàn)證結(jié)果如表1和圖4所示.表1顯示的是捕獲跟蹤狀態(tài)，可以直觀的看到軟件接收機(jī)捕獲跟蹤各通道衛(wèi)星的狀態(tài)，包括通道衛(wèi)星的通道號(hào)、衛(wèi)星號(hào)、幀、碼頻率、載波多普勒值、偽距等.由表1可以看出，有7顆衛(wèi)星的信號(hào)被跟蹤上了，從中以通道1的數(shù)據(jù)來說明情況.

表1 GPS信號(hào)搜索結(jié)果Table 1 The results of GPS signal acquisition

搜索出衛(wèi)星PRN值、初始碼相位和多普勒頻移等參數(shù)后，進(jìn)一步進(jìn)行跟蹤計(jì)算，通道1所接收到的衛(wèi)星（PRN＝7）同相與正交相的跟蹤結(jié)果如圖4.導(dǎo)航數(shù)據(jù)位信息包含在同相數(shù)據(jù)中，對(duì)其跟蹤結(jié)果處理即可得到導(dǎo)航數(shù)據(jù)，而正交相中僅包含噪聲.

圖4 GPS信號(hào)跟蹤結(jié)果Fig.4 The result of GPS signal tracking

5 結(jié) 語

本文介紹了GPS軟件接收機(jī)的基本結(jié)構(gòu)，捕獲及跟蹤的基本原理及思路，通過實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)算法進(jìn)行了仿真和驗(yàn)證.對(duì)于傳統(tǒng)的GPS接收機(jī)，均是由專用定制的芯片來實(shí)現(xiàn)射頻前端和信號(hào)處理部分的，雖然運(yùn)算速度快，但是一旦定型，用戶很難改變相應(yīng)的參數(shù)或更換新的算法，且重新制版，不但周期長(zhǎng)而且成本高.GPS軟件接收機(jī)對(duì)信號(hào)處理功能改用軟件來實(shí)現(xiàn)，擁有了極大的靈活性.

［1］James B Y T.Fundamental of Global Positioning System Receivers：A Software Approach［M］.Hoboken，NJ，USA：A Wiley Interscience Publication，2000.

［2］張瑋.高動(dòng)態(tài)GPS接收機(jī)跟蹤技術(shù)研究［D］.西安：西安理工大學(xué)，2008.

［3］Borre K，Akos D M，Jensen N B P R S H.軟件定義的GPS和伽利略接收機(jī)［M］.楊東凱，張飛舟，張波，譯.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2009.

［4］王建平.GNSS接收機(jī)跟蹤環(huán)路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［D］.北京：北京郵電大學(xué)，2010.

［5］唐康華.基于射頻前端的GPS軟件接收機(jī)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證［J］.中國(guó)慣性技術(shù)學(xué)報(bào)，2007，15（1）：51－54.