GNSS接收機(jī)自適應(yīng)帶寬偽碼跟蹤環(huán)路設(shè)計(jì)

劉盟超，趙丙風(fēng)

(1.衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與裝備技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 石家莊 050081；2.中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

GNSS接收機(jī)自適應(yīng)帶寬偽碼跟蹤環(huán)路設(shè)計(jì)

劉盟超1,2，趙丙風(fēng)2

(1.衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與裝備技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 石家莊 050081；2.中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

從GNSS接收機(jī)對偽碼延遲鎖定環(huán)(DLL)快速穩(wěn)定的需求出發(fā)，分析了環(huán)路濾波器帶寬對碼環(huán)性能的影響，對不同帶寬下環(huán)路的穩(wěn)定時(shí)間和跟蹤精度進(jìn)行了測試。提出了一種自適應(yīng)帶寬的碼環(huán)設(shè)計(jì)方案，通過對環(huán)路濾波器帶寬的實(shí)時(shí)調(diào)整，有效地實(shí)現(xiàn)了碼環(huán)牽引過程的快速穩(wěn)定和精確跟蹤，提升了碼環(huán)性能。利用自研的GNSS接收機(jī)進(jìn)行了測試和驗(yàn)證，測試結(jié)果表明碼環(huán)穩(wěn)定時(shí)間小于400 ms。

延遲鎖定環(huán)路；穩(wěn)定時(shí)間；自適應(yīng)帶寬；GNSS

0 引言

隨著全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GNSS)的建設(shè)和GNSS接收機(jī)的廣泛應(yīng)用，用戶對GNSS接收機(jī)的連續(xù)定位能力提出了越來越高的要求[1]。但是，在城市、叢林及山谷等復(fù)雜環(huán)境應(yīng)用中，衛(wèi)星信號經(jīng)常受到短時(shí)遮擋，因此失鎖后的快速重定位技術(shù)成為了GNSS接收機(jī)的研究熱點(diǎn)之一。對于短時(shí)信號遮擋，GNSS接收機(jī)可以采用碼相位預(yù)測的方法完成信號的快速捕獲[2]，但是從捕獲完成(通常偽碼誤差為0.5碼片)到偽碼跟蹤環(huán)穩(wěn)定(通常偽碼誤差小于0.02碼片)的時(shí)間仍是制約定位恢復(fù)的主要因素。

本文對GNSS接收機(jī)偽碼延遲鎖定環(huán)路(DLL)的環(huán)路帶寬對其穩(wěn)定時(shí)間的影響進(jìn)行了分析，設(shè)計(jì)了一種自適應(yīng)帶寬的環(huán)路濾波器，有效地提高了碼環(huán)穩(wěn)定速度，并在自研的GNSS接收機(jī)上進(jìn)行了測試和驗(yàn)證。

1 延遲鎖定環(huán)路(DLL)基本原理

延遲鎖定環(huán)(DLL)是完成導(dǎo)航衛(wèi)星信號偽碼跟蹤的環(huán)路[3]，由本地偽碼產(chǎn)生器、鑒相器、環(huán)路濾波器和數(shù)控振蕩器(NCO)組成，其原理框圖如圖1所示。

圖1 偽碼延遲鎖定環(huán)路原理圖

碼環(huán)鑒相器的基本原理是利用了擴(kuò)頻碼的自相關(guān)和互相關(guān)特性[4-5]，通過超前(Early)、即時(shí)(Prompt)和滯后(Late)3個相關(guān)器的相關(guān)結(jié)果，計(jì)算出偽碼相位的差異。常用的鑒相方法有以下幾種：

① 非相干超前減滯后幅值法：

(1)

② 非相干超前減滯后功率法：

(2)

③ 相干點(diǎn)積功率法：

(3)

3種鑒相方法中，非相干超前減滯后幅值法是最準(zhǔn)確的碼環(huán)鑒相方法，但由于要進(jìn)行開方運(yùn)算，運(yùn)算量較大，工程中常用JPL近似或Robertson近似完成開方運(yùn)算[6]；非相干超前減滯后功率法會產(chǎn)生一定的鑒相誤差，并且鑒相噪聲是3種鑒相方法中最大的[7]；相干點(diǎn)積功率法運(yùn)算量最小，但是采用相干方法實(shí)現(xiàn)的鑒相器依賴于載波鎖相環(huán)的穩(wěn)定跟蹤，會導(dǎo)致DLL的穩(wěn)定時(shí)間變長[8]。

環(huán)路濾波器通常是一個低通濾波器[9]，其目的在于降低環(huán)路中的噪聲，使濾波結(jié)果能夠真實(shí)地反映輸入端本地偽碼與衛(wèi)星信號之間的相位偏差，控制數(shù)控振蕩器(NCO)對本地偽碼產(chǎn)生器進(jìn)行調(diào)整，最終反饋回相關(guān)器形成閉環(huán)，環(huán)路濾波器的階數(shù)和噪聲帶寬是其主要設(shè)計(jì)參數(shù)。

環(huán)路濾波器的階數(shù)越高，其動態(tài)適應(yīng)性越強(qiáng)，能夠適應(yīng)更高階的動態(tài)應(yīng)力；但同時(shí)會存在更嚴(yán)苛的穩(wěn)定門限和更高的設(shè)計(jì)復(fù)雜度。在通常的中低動態(tài)應(yīng)用中，二階環(huán)路濾波器是GNSS接收機(jī)的普遍選擇[10]。二階環(huán)路濾波器框圖如圖2所示。

圖2 二階環(huán)路濾波器圖

2 帶寬對碼環(huán)穩(wěn)定時(shí)間影響分析

噪聲帶寬(BL)是環(huán)路濾波器的另一個重要設(shè)計(jì)參數(shù)。噪聲帶寬越窄，通過環(huán)路的噪聲越少，環(huán)路的濾波效果越好，環(huán)路對信號的跟蹤就越精確；噪聲帶寬越寬，環(huán)路對高動態(tài)應(yīng)力所引起的信號頻率波動適應(yīng)力越強(qiáng)，就可以更好地支持用戶的高動態(tài)運(yùn)動。同時(shí)，由于二階環(huán)路濾波器的噪聲帶寬與其特征頻率(ωn)成簡單的正比關(guān)系，而ωn的大小影響著環(huán)路的收斂速度，所以噪聲帶寬的大小對此也有影響。

在GNSS接收機(jī)中，完成位置解算的偽距觀測量是根據(jù)DLL對衛(wèi)星信號的同步而獲得的，因此DLL的跟蹤誤差是偽距測量誤差的直接來源。選擇合適的環(huán)路噪聲帶寬使偽距測量誤差滿足接收機(jī)的設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，是偽碼跟蹤環(huán)設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)。在中低動態(tài)的GNSS接收機(jī)中，通常要求碼環(huán)跟蹤誤差小于0.02碼片甚至更低[11]，此時(shí)通常要求環(huán)路噪聲帶寬小于5 Hz[12-13]。在衛(wèi)星信號跟蹤的建立階段，首先由捕獲模塊完成的初步的相位匹配，其輸出的碼相位匹配誤差通常為0.5碼片[14]；然后，由碼環(huán)對本地偽碼信號進(jìn)行牽引，使本地偽碼相位誤差由0.5碼片逐漸縮小到符合定位要求的小于0.02碼片，從而使碼環(huán)進(jìn)入到穩(wěn)定跟蹤狀態(tài)[15]。

在碼環(huán)牽引階段，環(huán)路噪聲帶寬是牽引速度的重要影響因素之一。為了分析環(huán)路帶寬對穩(wěn)定時(shí)間和環(huán)路跟蹤精度的影響，圖3和表1利用自研的GNSS接收機(jī)對不同環(huán)路帶寬下的碼環(huán)牽引狀態(tài)進(jìn)行了測試。其中，信號頻點(diǎn)選取北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BDS)的B1頻點(diǎn)，信號中頻為15.902 MHz，采樣頻率為62 MHz，超前滯后相關(guān)器與即時(shí)相關(guān)器的間隔為0.5碼片，碼環(huán)鑒相方法選擇非相干超前減滯后幅值法。由測試結(jié)果可以看出，環(huán)路帶寬越大，其穩(wěn)定時(shí)間越短，但是穩(wěn)態(tài)跟蹤誤差越大。

圖3 不同帶寬的碼環(huán)牽引狀態(tài)

表1 不同帶寬碼環(huán)牽引結(jié)果

環(huán)路帶寬/Hz環(huán)路穩(wěn)定時(shí)間/s穩(wěn)態(tài)跟蹤誤差(2σ)/chip14.50.0122.51.70.01850.90.023100.60.036200.20.045400.10.064

3 自適應(yīng)帶寬碼跟蹤環(huán)路設(shè)計(jì)

由上文對碼跟蹤環(huán)路噪聲帶寬對環(huán)路牽引狀態(tài)的影響分析可知：更寬的環(huán)路帶寬能夠使環(huán)路快速穩(wěn)定，但是卻存在較大的環(huán)路跟蹤誤差；反之，較窄的環(huán)路帶寬能夠保證更高的環(huán)路跟蹤精度和更小的穩(wěn)態(tài)誤差，但是卻需要較長的穩(wěn)定時(shí)間。由此可見，在傳統(tǒng)的固定帶寬的碼跟蹤環(huán)路設(shè)計(jì)中，降低環(huán)路跟蹤誤差和提升環(huán)路穩(wěn)定速度的要求相互矛盾。因此，本文提出了一種自適應(yīng)帶寬的碼跟蹤環(huán)路設(shè)計(jì)方案，該方案如圖4所示。

在自適應(yīng)帶寬碼跟蹤環(huán)路中，通過增加一個濾波器對鑒相器的結(jié)果進(jìn)行濾波，同時(shí)增加環(huán)路牽引時(shí)間計(jì)時(shí)，通過濾波結(jié)果和牽引時(shí)間來實(shí)時(shí)調(diào)整環(huán)路帶寬，選擇合適的帶寬并完成環(huán)路濾波器參數(shù)的調(diào)整。這樣，在環(huán)路的牽引初始階段，由于相位誤差較大，環(huán)路濾波器選擇較大噪聲帶寬，實(shí)現(xiàn)快速震蕩和收斂；在牽引過程中，隨著相位誤差逐漸減小，環(huán)路濾波器的帶寬隨之變窄，使環(huán)路輸出逐漸穩(wěn)定，也將環(huán)路帶寬調(diào)整到最優(yōu)狀態(tài)，進(jìn)行信號的穩(wěn)定跟蹤。

圖4 自適應(yīng)帶寬碼跟蹤環(huán)路

自適應(yīng)帶寬碼環(huán)的工作分為2個階段：第一階段，當(dāng)信號完成捕獲后，牽引時(shí)間計(jì)時(shí)器開始計(jì)時(shí)，控制環(huán)路參數(shù)產(chǎn)生器選擇較寬的噪聲帶寬設(shè)計(jì)環(huán)路參數(shù)，當(dāng)牽引時(shí)間達(dá)到門限值T時(shí)，關(guān)閉牽引時(shí)間計(jì)時(shí)器，轉(zhuǎn)由濾波器控制環(huán)路參數(shù)產(chǎn)生器；第二階段，由濾波器對鑒相器的鑒相結(jié)果進(jìn)行濾波，利用濾波結(jié)果實(shí)時(shí)地調(diào)整噪聲帶寬設(shè)計(jì)，控制環(huán)路參數(shù)產(chǎn)生器產(chǎn)生相應(yīng)的環(huán)路參數(shù)。

具體設(shè)計(jì)中，需要綜合考慮環(huán)路性能和設(shè)計(jì)復(fù)雜度，選擇最佳的設(shè)計(jì)參數(shù)。其中，濾波器的設(shè)計(jì)采用α濾波器，系數(shù)為0.05；牽引時(shí)間門限值T的設(shè)計(jì)須保證環(huán)路濾波器充分震蕩以及α濾波器初始化，這里選擇為100 ms；環(huán)路參數(shù)產(chǎn)生器設(shè)計(jì)為5檔帶寬查表選擇參數(shù)，以減少運(yùn)算復(fù)雜度，各檔帶寬為40 Hz、20 Hz、10 Hz、5 Hz和2.5 Hz。

采用自適應(yīng)帶寬碼環(huán)實(shí)現(xiàn)快速牽引的結(jié)果如圖5所示。

從結(jié)果中可以看到由于在牽引階段使用了較寬的環(huán)路帶寬，環(huán)路濾波器快速完成震蕩和穩(wěn)定；隨后帶寬逐步減小，進(jìn)入到穩(wěn)定跟蹤階段后，環(huán)路跟蹤誤差滿足0.02碼片的要求。

圖5 自適應(yīng)帶寬碼環(huán)牽引結(jié)果

4 結(jié)束語

環(huán)路濾波器的噪聲帶寬是偽碼延遲鎖定環(huán)設(shè)計(jì)中的重要參數(shù)，不同的帶寬設(shè)計(jì)對碼環(huán)的穩(wěn)定時(shí)間存在較大影響，進(jìn)而影響GNSS接收機(jī)的失鎖重定位性能。本文改變了在牽引階段和穩(wěn)定跟蹤階段采用同一帶寬設(shè)計(jì)碼環(huán)的模式，在牽引狀態(tài)時(shí)采用較寬帶寬進(jìn)行碼環(huán)濾波器參數(shù)設(shè)計(jì)，而隨著通道進(jìn)入穩(wěn)定跟蹤，自適應(yīng)地將環(huán)路帶寬減小，從而在保證環(huán)路跟蹤精度的前提下加快環(huán)路穩(wěn)定速度。通過自研的GNSS接收機(jī)進(jìn)行了實(shí)際測試和驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，自適應(yīng)帶寬碼環(huán)能夠在400 ms內(nèi)完成信號穩(wěn)定跟蹤，相對于固定帶寬碼環(huán)的穩(wěn)定時(shí)間有很大改善。

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Design of Adaptive Bandwidth DLL for GNSS Receivers

LIU Meng-chao1,2,ZHAO Bing-feng2

(1. State Key Laboratory of Satellite Navigation System and Equipment Technology,Shijiazhuang Hebei 050081,China;2. The 54th Research Institute of CETC,Shijiazhuang Hebei 050081,China)

Based on the requirement of fast setting of the Delay Lock Loop (DLL) on GNSS receivers,this paper analyzes the influence of the loop filter bandwidth on the performance of the code loop,and tests the setting time and tracking accuracy of the loop under different bandwidths. An adaptive bandwidth DLL is proposed,which can effectively achieve the fast setting and accurate tracking through the real-time adjustment of the bandwidth of the loop filter,and thus improves the performance of the code loop. A self-developed GNSS receiver is used to test and verify the proposed solution. The result shows that the setting time of the DLL is less than 400 ms.

Delay Lock Loop (DLL);setting time;adaptive bandwidth;GNSS

10. 3969/j.issn. 1003-3114. 2017.04.15

劉盟超,趙丙風(fēng). GNSS接收機(jī)自適應(yīng)帶寬偽碼跟蹤環(huán)路設(shè)計(jì)[J].無線電通信技術(shù),2017,43(4):64-66,79.

[LIU Mengchao,ZHAO Bingfeng. Design of Adaptive Bandwidth DLL for GNSS Receivers[J]. Radio Communications Technology,2017,43(4):64-66,79. ]

2017-03-22

國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)項(xiàng)目(2015AA124001)

劉盟超(1985—)，男，工程師，碩士,主要研究方向：衛(wèi)星導(dǎo)航信號處理。趙丙風(fēng)(1988—)，男，助理工程師，碩士,主要研究方向：衛(wèi)星導(dǎo)航信號處理。

TN967.1

A

1003-3114(2017)04-64-3