GPS軟件接收機結構及特性分析

王新龍+于潔

摘要：針對GPS應用范圍的不斷擴大及性能要求的不斷提高，在對GPS軟件接收機原理及常規(guī)GPS接收機結構介紹的基礎上，研究了三種具有代表性的新型GPS軟件接收機結構：基于濾波估計的GPS接收機、基于矢量跟蹤的GPS接收機和SINS/GPS深組合接收機，并分別對不同結構接收機的性能、特點及其在高動態(tài)、低載噪比環(huán)境下應用時的適用性進行了深入剖析；最后，結合各GPS接收機的結構特點給出了結論性意見。

關鍵詞：GPS；載噪比；偽碼相位；載波頻率；矢量跟蹤

中圖分類號：TN967.2文獻標識碼：A文章編號：1673-5048（2014）04-0018-05

0引言

隨著全球定位系統(tǒng)的發(fā)展和美國推行GPS現代化步伐的加快，GPS衛(wèi)星發(fā)射的信號結構將會有較大改變。依照現有GPS硬件接收機的模式，使用新的信號必須更換內部的相關器芯片，用戶向下一代GPS接收機的過渡將面臨著很高的升級費用。另外，世界上已有多個衛(wèi)星導航系統(tǒng)（GNSS）在運行，而將多個GNSS的導航信息進行融合能夠提供更可靠、更精確的服務[1]。因此GPS接收機還面臨著與其他GNSS信號相兼容的問題，這些問題都是傳統(tǒng)硬件接收機難以解決的。

GPS軟件接收機則是軟件無線電概念在導航領域的具體實現?；谲浖o線電的GPS軟件接收機采用相對通用的硬件平臺或PC機，通過加載不同的應用程序來實現不同的思想，就可以很好地解決上述問題[2]。對于軟件接收機來說，其射頻前端模塊和模數轉換器模塊仍由硬件實現，而捕獲、跟蹤等基帶信號處理過程則利用各種軟件來實現，處理新的信號只需簡單地更換不同的軟件程

序就能實現，具有很大的靈活性[3]。正因如此，軟件GPS接收機的設計與實現已經成為近年來的研究熱點。與傳統(tǒng)的硬件接收機相比，軟件接收機可以只通過改變程序來開發(fā)和驗證新的捕獲、跟蹤和定位算法，可以通過隨意改變碼和載波跟蹤環(huán)路帶寬使其性能達到最佳。隨著處理器性能的不斷提高，軟件接收機會得到越來越廣泛的應用。

但隨著其應用領域和適用范圍的不斷擴大，它在某些應用場合的性能缺陷也隨之顯現出來。為提高GPS接收機在特定環(huán)境中的工作性能，在常規(guī)GPS接收機結構的基礎上，對其環(huán)路性能進行改進，使之適應高動態(tài)、強干擾或者信號衰減環(huán)境下的性能需求，成為GPS接收機近年來的發(fā)展趨勢。目前，國內外應用及處于研究階段的GPS軟件接收機主要有四種類型[4-10]：①采用獨立跟蹤環(huán)路的常規(guī)接收機；②基于Kalman濾波器的接收機，利用Kalman濾波器代替常規(guī)環(huán)路中的鑒相器和環(huán)路濾波器；③矢量跟蹤結構的接收機，取消了傳統(tǒng)的跟蹤環(huán)路，利用接收機當前解算得到的導航解（包括位置、速度和鐘差等）直接驅動本地碼、載波數控振蕩器；④SINS/GPS深組合接收機，這種結構的原理類似于矢量跟蹤，用SINS/GPS組合系統(tǒng)的導航解代替了接收機的導航解，以提高組合系統(tǒng)和接收機的整體性能。

為了解各種GPS接收機的性能及其在復雜環(huán)境中的適應能力，本文以GPS軟件接收機為基礎，對上述四種具有代表性的GPS接收機的機理、結構及工作性能進行了深入分析。

1GPS軟件接收機結構

GPS軟件接收機對射頻信號下變頻后得到的中頻信號進行捕獲、跟蹤和導航解算處理都是通過軟件實現的。GPS信號處理算法是軟件GPS接收機實現的關鍵，它主要包括GPS信號的捕獲算法、偽碼和載波頻率的跟蹤算法以及導航電文的提取算法，目的是為了得到GPS信號中的導航電文信息和碼相位、多普勒頻率等觀測量。

圖1為軟件接收機的原理框圖。根據信號處理流程，軟件接收機包括信號捕獲、跟蹤、解碼和導航解算四個關鍵環(huán)節(jié)。在信號捕獲中采用并行碼相位搜索法，同時在精頻搜索中采用基于相位調整的方法以降低算法的復雜度；在偽碼和載波跟蹤環(huán)的設計中，利用載波跟蹤環(huán)路輸出的載波頻率信息輔助偽碼跟蹤環(huán)，以去除碼環(huán)上的動態(tài)效應；在通過基帶信號處理得到導航信息后，通過位同步、子幀同步提取50bps導航電文，并根據同步頭信息和跟蹤結果得到偽距、偽距率的計算值。最后，根據GPS衛(wèi)星的瞬時位置、速度和相對偽距、偽距率，完成接收機的PVT求解。

在該類接收機中，衛(wèi)星信號被天線接收后，經過帶通濾波器、前置放大器的處理后，再下變頻到中頻。而模數變換器則對中頻信號進行采樣和數字化，最終得到信號采樣值。中頻信號的采樣值傳送到多個并行通道中，同時跟蹤來自多顆衛(wèi)星的偽碼和載波。每個通道中都包含著偽碼和載波跟蹤環(huán)，以完成偽碼相位、載波頻率或載波相位的測量以及導航電文數據的解調。每個跟蹤通道中包括偽碼相關器、誤差鑒定環(huán)節(jié)以及本地信號發(fā)生器等部分。中頻信號采樣值送入跟蹤通道后，首先根據本地信號發(fā)生器生成的載波信號對其進行載波剝離，然后輸入到相關器中與本地偽碼進行相關處理。相關器的輸出信息送入到包括鑒相器和環(huán)路濾波器在內的誤差鑒定環(huán)節(jié)。環(huán)路濾波器用于在不影響期望信號的前提下，從鑒相器輸出中濾除噪聲。通常情況下，每個偽碼相位、載波相位（頻率）跟蹤環(huán)路中都包含該誤差鑒定環(huán)節(jié)。本地信號發(fā)生器則根據誤差鑒定環(huán)節(jié)的輸出信息對數控振蕩器進行調節(jié)，同時輸出更新后的本地載波和偽碼，用于對輸入信號進行載頻剝離和相關處理。跟蹤通道可以根據需要輸出以下三種測量信息：偽碼相位、載波頻率和載波相位。每個跟蹤通道的測量信息和導航電文解調數據輸入到導航解算處理器，最終解算出位置、速度和時間等參數。

常規(guī)接收機中，采用標量跟蹤結構的優(yōu)點在于實現相對容易，并且不會由于一個跟蹤通道發(fā)生故障而影響到其他通道。與此同時，信號之間由于反映相同的接收機位置和速度參數而導致的相關性被完全忽略，也就不存在跟蹤通道之間相互輔助的可能性。而且，常規(guī)接收機的跟蹤環(huán)路在載體動態(tài)較低、載噪比較高的環(huán)境中能夠維持良好的運行情況。然而常規(guī)跟蹤環(huán)路也存在一些固有的缺陷：

（1）固定帶寬的環(huán)路濾波器無法適應不斷變化的載噪比等級和載體動態(tài)；

（2）各個鑒相器輸出的量測信息都取相同的權值，然而在高載噪比情況下的量測權值與低載噪比情況下是不同的；

（3）環(huán)路跟蹤載體動態(tài)變化的能力有限。環(huán)路濾波器的階數決定了環(huán)路在無穩(wěn)態(tài)誤差的前提下所能跟蹤的載體動態(tài)情況。

因此，在設計跟蹤環(huán)路時，設計者需要進行性能上的折衷：一方面，增加環(huán)路濾波器帶寬能夠使環(huán)路更好地跟蹤載體的動態(tài)；而另一方面，增大帶寬會導致環(huán)路對噪聲和干擾更加敏感。3基于濾波估計的GPS軟件接收機基于卡爾曼濾波器的跟蹤結構則能夠很好地解決傳統(tǒng)跟蹤環(huán)路中存在的缺陷。卡爾曼濾波器在本質上是一個增益隨時間變化的濾波器。濾波器增益是隨著量測噪聲和系統(tǒng)噪聲統(tǒng)計特性的改變而變化的。量測噪聲的統(tǒng)計特性隨載噪比等級和干擾而變化；而系統(tǒng)噪聲統(tǒng)計特性則隨著載體的動態(tài)而改變。在已知系統(tǒng)噪聲和量測噪聲協(xié)方差矩陣的前提下，卡爾曼濾波器能夠根據最優(yōu)化原則將信號與噪聲分離開來。跟蹤偽碼和載波可以結合到一起，用一個卡爾曼濾波器來實現，每個通道中利用一個單獨的卡爾曼濾波器來跟蹤一顆衛(wèi)星，從而取代了常規(guī)接收機中的兩個跟蹤環(huán)路。

基于濾波估計的接收機結構如圖3所示，與常規(guī)接收機相比，跟蹤環(huán)路中的鑒相器和環(huán)路濾波器被一個單獨的卡爾曼濾波器取代。

該結構建立了偽碼相位、載波相位和載波幅值等信號的動態(tài)模型以及描述相關輸出與估計狀態(tài)之間關系的量測模型，并利用卡爾曼濾波器對環(huán)路的偽碼相位、載波相位（頻率）、多普勒頻移、載波幅值以及導航電文符號進行估計。載波相位動態(tài)模型近似反映了衛(wèi)星與接收機視線方向上的加速度以及接收機時鐘漂移率的影響；而偽碼相位動態(tài)模型則反映了多普勒頻率對偽碼速率的影響以及載波輔助效果。選擇卡爾曼濾波器作為估計器是因為它易于實現對環(huán)路誤差進行估計，也可以使用其他性能相當的濾波估計器?？柭鼮V波器用于誤差估計時，能夠根據量測信息（相關器輸出）的估計精度，對其進行加權處理。在基于濾波估計的接收機中，權值是根據輸入信號的載波噪聲功率密度比（C/N0）來確定的，這與傳統(tǒng)的環(huán)路濾波器效果不同，傳統(tǒng)環(huán)路濾波器假定所有鑒相器的輸出都包含了等量的信息。自適應的量測信息加權方法與卡爾曼濾波器配合使用能夠提高環(huán)路在微弱信號環(huán)境中的跟蹤性能。

4基于矢量跟蹤的GPS軟件接收機

基于濾波器估計的跟蹤結構利用一個單獨的卡爾曼濾波器代替跟蹤通道中的Costas載波跟蹤環(huán)和偽碼延遲鎖定環(huán)，但是不同跟蹤通道之間仍然相互獨立。與常規(guī)GPS接收機、基于濾波估計的接收機所使用的標量跟蹤方法不同，矢量跟蹤（VectorTracking）方法能夠根據不同跟蹤通道的相關器累加輸出，直接估計出接收機的位置、速度信息。矢量跟蹤利用專門的算法同時實現所有衛(wèi)星信號的跟蹤，它的基本特點體現為：接收的PRN碼序列的相位點取決于用戶位置。因此，如果已知衛(wèi)星星歷、用戶位置和接收機鐘差，就可以預測出每顆衛(wèi)星的偽碼相位。而矢量跟蹤就是利用載體的位置估計信息來產生本地PRN碼的副本。

基于矢量跟蹤的基本結構如圖4所示。在基于矢量跟蹤的接收機中，取消了獨立的跟蹤環(huán)路，而用一個導航濾波器對所有跟蹤通道的量測信息進行濾波處理。接收機的位置速度通過定位解算得到后，再根據導航解算結果更新接收機與每顆衛(wèi)星之間的距離、距離率，從而獲得對本地信號發(fā)生器的反饋信息。

在基于矢量跟蹤的方法中，不同衛(wèi)星的偽碼序列跟蹤和載波跟蹤是共同完成的。接收到衛(wèi)星信號的偽碼相位、載波頻率（相位）信息可以根據衛(wèi)星星歷數據、載體位置速度以及接收機的鐘差預測得到?；谑噶康母櫡椒ɡ每柭鼮V波器估計得到載體的位置、速度以及接收機的鐘差、鐘漂等信息，同時根據這些信息來估計偽碼相位、載波頻率等參數，用于更新本地信號發(fā)生器的偽碼、載波副本。在每個積分清零周期的末端，相關器的同相、正交累加輸出（I和Q）用于產生本地信號與輸入信號之間的偽碼相位差和載波頻率差的估計信息。而卡爾曼濾波器則根據相關器輸出的這些量測信息對狀態(tài)向量進行更新。

根據卡爾曼濾波器狀態(tài)變量選取的情況，基于矢量的跟蹤方法可以分為兩類：一類是以本地信號與輸入信號之間的偽碼相位差、載波頻率差或者載波相位差等跟蹤誤差作為濾波器的狀態(tài)變量，在根據相關器的累加輸出進行更新后，直接送回本地信號發(fā)生器，調節(jié)載波和偽碼數控振蕩器（NCO），以生成新的本地載波、偽碼副本；另一類則是以載體的位置、速度誤差以及接收機的鐘差、鐘漂等為狀態(tài)變量，用同一個濾波器完成跟蹤和導航解算工作，在積分清零周期的末端，根據鑒相器函數對相關器的同相、正交累積輸出進行相應的計算，得到偽碼相位差、載波頻率差或者載波相位差，作為量測信息輸入到卡爾曼濾波器中對狀態(tài)變量進行更新。同時，利用濾波器估計得到的誤差變量對載體的導航參數進行修正，并計算相應的偽碼相位、載波頻率（相位）信息，反饋回本地信號發(fā)生器，對本地信號進行調節(jié)。

與傳統(tǒng)的標量跟蹤方法相比，矢量跟蹤的主要優(yōu)點為：

（1）強度較高信號的跟蹤信息能夠促進對弱信號的跟蹤。這是由于偽碼跟蹤是取決于載體的位置，而不是微弱信號跟蹤通道單個濾波器的運轉。而載體位置可以根據目前強信號的跟蹤信息來確定。因此，弱信號的跟蹤參數可以由卡爾曼濾波器的狀態(tài)變量預測得到。

（2）所有通道數據的集中處理使噪聲被削弱，并且降低了噪聲進入非線性跟蹤區(qū)域的可能性。

（3）在一顆或數顆衛(wèi)星發(fā)生短暫信號中斷的情況下，仍能維持跟蹤正常運行；并且在信號中斷后，能夠根據導航濾波器的估計信息預測出偽碼相位和載波頻率信息，從而迅速地重新捕獲到衛(wèi)星信號。

（4）在干擾或微弱信號條件下，能夠改進接收機的跟蹤性能，與慣導系統(tǒng)相組合時尤其如此。

（5）能夠對不同準確度的量測信息進行加權處理。在包含較低噪聲的高載噪比條件下得到的量測信息可以取較大的權值，而對于低載噪比或信號中斷條件下的量測信息則取較小的權值，甚至可以忽略其影響。

然而，矢量跟蹤也存在著一個根本的問題：所有通道的跟蹤都由導航濾波器密切聯(lián)系在一起，任何一個通道的誤差都有可能會反過來影響到其他跟蹤通道。

5SINS/GPS深組合軟件接收機

SINS/GPS深組合接收機與基于矢量跟蹤的接收機結構類似，基于矢量的跟蹤方法成為SINS/GPS深組合結構的基礎。為了提高運行效率，在基于矢量的跟蹤方法中利用聯(lián)邦濾波或者分布式濾波器來代替集中式的導航濾波器，這種方法稱為分布式矢量跟蹤方法。在這種分布式矢量跟蹤結構中，每個通道中都有一個輔助Kalman濾波器，用來估計該通道的跟蹤誤差。在分布式矢量跟蹤結構中，對本地信號發(fā)生器的反饋信息為通道濾波器和導航濾波器的輸出之和。通道濾波器的估計結果用于更新載波相位跟蹤回路，這主要是因為最終導航解的精度以及時間變動性難以滿足對載波跟蹤環(huán)的輔助需求。與集中式矢量跟蹤結構相比，這種分布式結構具有兩個顯著的優(yōu)點：

第一，導航濾波器實現方式不同，從而減少了導航濾波器的狀態(tài)變量維數及系統(tǒng)模型的階數；

第二，用來估計跟蹤誤差的通道濾波器可以以較低的輸出頻率向導航濾波器傳遞信息，從而減少運算量，提高系統(tǒng)的運行效率。

SINS/GPS深組合接收機就是由這種分布式矢量跟蹤結構擴展而來的，它的結構如圖5。在這種深組合接收機中，增加了慣性測量單元（IMU）和SINS導航解算環(huán)節(jié)，并且用SINS/GPS組合導航濾波器代替了矢量跟蹤結構中的導航濾波器。

由于SINS/GPS深組合接收機是根據矢量跟蹤結構擴展而來的，所以它具有與分布式矢量跟蹤結構相似的特點。除此之外，由于慣性測量單元的引入，深組合接收機具有矢量跟蹤接收機無法比擬的優(yōu)勢：在深組合接收機中，慣性測量單元能夠精確地測量出當前時刻接收機天線的運動情況，而在基于矢量跟蹤的接收機中，則需根據過去時刻的估計信息來預測導航解，這將引入更多的誤差，尤其是在利用較長時間間隔的相干積分時將會導致額外的衰減。

6結論

在GPS接收機中，由于載波跟蹤環(huán)對噪聲和干擾較為敏感，所以在干擾或者低信噪比環(huán)境中，載波跟蹤容易失鎖。在信號跟蹤過程中，對于任何形式的接收機來講，最根本的目的是產生能夠與輸入信號精確匹配的本地信號。

在常規(guī)GPS軟件接收機結構中，這一目的是通過多個跟蹤通道對可視衛(wèi)星進行固定跟蹤而實現的，并且跟蹤通道之間沒有任何信息共享和交流；基于濾波估計的GPS軟件接收機利用一個專用的卡爾曼濾波器來代替常規(guī)接收機的碼相位、載波相位（頻率）鑒別器和環(huán)路濾波器，而自適應的量測信息加權法與卡爾曼濾波器的配合使用，能夠提高環(huán)路在微弱信號環(huán)境中的跟蹤性能。由于所有的信號都是通過同一天線接收的，因此天線的位置、速度決定了信號之間存在著固有的相關性；基于矢量跟蹤結構的GPS軟件接收機通過觀測獲取接收機天線的位置和速度而直接驅動本地信號發(fā)生器，從而提高了對弱信號的跟蹤性能，即使在衛(wèi)星發(fā)生短暫的信號中斷情況下，仍能維持跟蹤正常運行，并且在信號中斷后，能夠根據導航濾波器的估計信息預測出偽碼相位和載波頻率信息，從而迅速地重捕獲到衛(wèi)星信號。

基于SINS/GPS深組合結構的GPS軟件接收機實際上是矢量跟蹤結構的一種擴展，它通過利用SINS提供的導航信息增強了接收機的重捕獲、跟蹤和定位能力。這種分布式結構由于使用了不同形式的導航濾波器，從而減少了導航濾波器的狀態(tài)變量維數以及系統(tǒng)模型的階數。而用來估計跟蹤誤差的通道濾波器可以以較低的輸出頻率向導航濾波器傳遞信息，這種結構設計不僅減少了運算量，而且提高了系統(tǒng)的運行效率。

可見，深組合結構具有良好的抗干擾性能和動態(tài)跟蹤能力，在超視距空空導彈、各種戰(zhàn)術導彈、無人機及戰(zhàn)斗機等高動態(tài)飛行器上具有廣闊的應用前景。

然而，矢量跟蹤也存在著一個根本的問題：所有通道的跟蹤都由導航濾波器密切聯(lián)系在一起，任何一個通道的誤差都有可能會反過來影響到其他跟蹤通道。

5SINS/GPS深組合軟件接收機

SINS/GPS深組合接收機與基于矢量跟蹤的接收機結構類似，基于矢量的跟蹤方法成為SINS/GPS深組合結構的基礎。為了提高運行效率，在基于矢量的跟蹤方法中利用聯(lián)邦濾波或者分布式濾波器來代替集中式的導航濾波器，這種方法稱為分布式矢量跟蹤方法。在這種分布式矢量跟蹤結構中，每個通道中都有一個輔助Kalman濾波器，用來估計該通道的跟蹤誤差。在分布式矢量跟蹤結構中，對本地信號發(fā)生器的反饋信息為通道濾波器和導航濾波器的輸出之和。通道濾波器的估計結果用于更新載波相位跟蹤回路，這主要是因為最終導航解的精度以及時間變動性難以滿足對載波跟蹤環(huán)的輔助需求。與集中式矢量跟蹤結構相比，這種分布式結構具有兩個顯著的優(yōu)點：

第一，導航濾波器實現方式不同，從而減少了導航濾波器的狀態(tài)變量維數及系統(tǒng)模型的階數；

第二，用來估計跟蹤誤差的通道濾波器可以以較低的輸出頻率向導航濾波器傳遞信息，從而減少運算量，提高系統(tǒng)的運行效率。

SINS/GPS深組合接收機就是由這種分布式矢量跟蹤結構擴展而來的，它的結構如圖5。在這種深組合接收機中，增加了慣性測量單元（IMU）和SINS導航解算環(huán)節(jié)，并且用SINS/GPS組合導航濾波器代替了矢量跟蹤結構中的導航濾波器。

由于SINS/GPS深組合接收機是根據矢量跟蹤結構擴展而來的，所以它具有與分布式矢量跟蹤結構相似的特點。除此之外，由于慣性測量單元的引入，深組合接收機具有矢量跟蹤接收機無法比擬的優(yōu)勢：在深組合接收機中，慣性測量單元能夠精確地測量出當前時刻接收機天線的運動情況，而在基于矢量跟蹤的接收機中，則需根據過去時刻的估計信息來預測導航解，這將引入更多的誤差，尤其是在利用較長時間間隔的相干積分時將會導致額外的衰減。

6結論

在GPS接收機中，由于載波跟蹤環(huán)對噪聲和干擾較為敏感，所以在干擾或者低信噪比環(huán)境中，載波跟蹤容易失鎖。在信號跟蹤過程中，對于任何形式的接收機來講，最根本的目的是產生能夠與輸入信號精確匹配的本地信號。

在常規(guī)GPS軟件接收機結構中，這一目的是通過多個跟蹤通道對可視衛(wèi)星進行固定跟蹤而實現的，并且跟蹤通道之間沒有任何信息共享和交流；基于濾波估計的GPS軟件接收機利用一個專用的卡爾曼濾波器來代替常規(guī)接收機的碼相位、載波相位（頻率）鑒別器和環(huán)路濾波器，而自適應的量測信息加權法與卡爾曼濾波器的配合使用，能夠提高環(huán)路在微弱信號環(huán)境中的跟蹤性能。由于所有的信號都是通過同一天線接收的，因此天線的位置、速度決定了信號之間存在著固有的相關性；基于矢量跟蹤結構的GPS軟件接收機通過觀測獲取接收機天線的位置和速度而直接驅動本地信號發(fā)生器，從而提高了對弱信號的跟蹤性能，即使在衛(wèi)星發(fā)生短暫的信號中斷情況下，仍能維持跟蹤正常運行，并且在信號中斷后，能夠根據導航濾波器的估計信息預測出偽碼相位和載波頻率信息，從而迅速地重捕獲到衛(wèi)星信號。

基于SINS/GPS深組合結構的GPS軟件接收機實際上是矢量跟蹤結構的一種擴展，它通過利用SINS提供的導航信息增強了接收機的重捕獲、跟蹤和定位能力。這種分布式結構由于使用了不同形式的導航濾波器，從而減少了導航濾波器的狀態(tài)變量維數以及系統(tǒng)模型的階數。而用來估計跟蹤誤差的通道濾波器可以以較低的輸出頻率向導航濾波器傳遞信息，這種結構設計不僅減少了運算量，而且提高了系統(tǒng)的運行效率。

可見，深組合結構具有良好的抗干擾性能和動態(tài)跟蹤能力，在超視距空空導彈、各種戰(zhàn)術導彈、無人機及戰(zhàn)斗機等高動態(tài)飛行器上具有廣闊的應用前景。

然而，矢量跟蹤也存在著一個根本的問題：所有通道的跟蹤都由導航濾波器密切聯(lián)系在一起，任何一個通道的誤差都有可能會反過來影響到其他跟蹤通道。

5SINS/GPS深組合軟件接收機

SINS/GPS深組合接收機與基于矢量跟蹤的接收機結構類似，基于矢量的跟蹤方法成為SINS/GPS深組合結構的基礎。為了提高運行效率，在基于矢量的跟蹤方法中利用聯(lián)邦濾波或者分布式濾波器來代替集中式的導航濾波器，這種方法稱為分布式矢量跟蹤方法。在這種分布式矢量跟蹤結構中，每個通道中都有一個輔助Kalman濾波器，用來估計該通道的跟蹤誤差。在分布式矢量跟蹤結構中，對本地信號發(fā)生器的反饋信息為通道濾波器和導航濾波器的輸出之和。通道濾波器的估計結果用于更新載波相位跟蹤回路，這主要是因為最終導航解的精度以及時間變動性難以滿足對載波跟蹤環(huán)的輔助需求。與集中式矢量跟蹤結構相比，這種分布式結構具有兩個顯著的優(yōu)點：

第一，導航濾波器實現方式不同，從而減少了導航濾波器的狀態(tài)變量維數及系統(tǒng)模型的階數；

第二，用來估計跟蹤誤差的通道濾波器可以以較低的輸出頻率向導航濾波器傳遞信息，從而減少運算量，提高系統(tǒng)的運行效率。

SINS/GPS深組合接收機就是由這種分布式矢量跟蹤結構擴展而來的，它的結構如圖5。在這種深組合接收機中，增加了慣性測量單元（IMU）和SINS導航解算環(huán)節(jié)，并且用SINS/GPS組合導航濾波器代替了矢量跟蹤結構中的導航濾波器。

由于SINS/GPS深組合接收機是根據矢量跟蹤結構擴展而來的，所以它具有與分布式矢量跟蹤結構相似的特點。除此之外，由于慣性測量單元的引入，深組合接收機具有矢量跟蹤接收機無法比擬的優(yōu)勢：在深組合接收機中，慣性測量單元能夠精確地測量出當前時刻接收機天線的運動情況，而在基于矢量跟蹤的接收機中，則需根據過去時刻的估計信息來預測導航解，這將引入更多的誤差，尤其是在利用較長時間間隔的相干積分時將會導致額外的衰減。

6結論

在GPS接收機中，由于載波跟蹤環(huán)對噪聲和干擾較為敏感，所以在干擾或者低信噪比環(huán)境中，載波跟蹤容易失鎖。在信號跟蹤過程中，對于任何形式的接收機來講，最根本的目的是產生能夠與輸入信號精確匹配的本地信號。

在常規(guī)GPS軟件接收機結構中，這一目的是通過多個跟蹤通道對可視衛(wèi)星進行固定跟蹤而實現的，并且跟蹤通道之間沒有任何信息共享和交流；基于濾波估計的GPS軟件接收機利用一個專用的卡爾曼濾波器來代替常規(guī)接收機的碼相位、載波相位（頻率）鑒別器和環(huán)路濾波器，而自適應的量測信息加權法與卡爾曼濾波器的配合使用，能夠提高環(huán)路在微弱信號環(huán)境中的跟蹤性能。由于所有的信號都是通過同一天線接收的，因此天線的位置、速度決定了信號之間存在著固有的相關性；基于矢量跟蹤結構的GPS軟件接收機通過觀測獲取接收機天線的位置和速度而直接驅動本地信號發(fā)生器，從而提高了對弱信號的跟蹤性能，即使在衛(wèi)星發(fā)生短暫的信號中斷情況下，仍能維持跟蹤正常運行，并且在信號中斷后，能夠根據導航濾波器的估計信息預測出偽碼相位和載波頻率信息，從而迅速地重捕獲到衛(wèi)星信號。

基于SINS/GPS深組合結構的GPS軟件接收機實際上是矢量跟蹤結構的一種擴展，它通過利用SINS提供的導航信息增強了接收機的重捕獲、跟蹤和定位能力。這種分布式結構由于使用了不同形式的導航濾波器，從而減少了導航濾波器的狀態(tài)變量維數以及系統(tǒng)模型的階數。而用來估計跟蹤誤差的通道濾波器可以以較低的輸出頻率向導航濾波器傳遞信息，這種結構設計不僅減少了運算量，而且提高了系統(tǒng)的運行效率。

可見，深組合結構具有良好的抗干擾性能和動態(tài)跟蹤能力，在超視距空空導彈、各種戰(zhàn)術導彈、無人機及戰(zhàn)斗機等高動態(tài)飛行器上具有廣闊的應用前景。