信号标量跟踪原理详解

在信号捕获阶段,已经获得了卫星信号载波频率和码相位的粗略估计值；在跟踪阶段需要达到载波和伪随机码的完全剥离,同时确定精确的码相位,用于给出伪距测量值。简单来说,接收机对卫星信号的跟踪是一个与该接收信号同步的二维信号的复制过程。信号跟踪环路包括载波跟踪环路(载波环)和码跟踪环路(码环)两部分,下面将分别对这两部分进行介绍。

7.5.3.1　载波跟踪环路

载波跟踪环路用于测量载波多普勒频移、剥离载波。图7.22所示为一般载波跟踪环结构示意。

图7.22　一般载波跟踪环结构示意

为了剥离载波,载波环包含一个混频器,其产生的本地载波必须与输入载波完全一致。如果载波环鉴别器通过检测本地载波与输入载波之间的相位差异来相应地调节本地载波的相位,则将这种载波环称为相位锁定环路(简称“锁相环”)；如果载波环鉴别器通过检测本地载波与输入载波之间的频率差异来相应地调节本地载波的频率,则将这种载波环称为频率锁定环路(简称“锁频环”)。

一个典型的锁相环通常由鉴相器、环路滤波器和压控振荡器组成,如图7.23所示。鉴相器用于鉴别输出信号与输入信号之间的相位差异,几种常用算法及其特性如表7.5所示。锁相环的拉氏变换框图如图7.24所示。

图7.23　锁相环结构示意

ui(t)—输入信号；u d(t)—鉴相结果信号；u f(t)—滤波结果信号；u o(t)—输出信号

表7.5　鉴相器的常用算法及其特性

图7.24　锁相环的拉氏变换框

θx(s)(x＝i,o)—输入/输出信号的拉式变换；θe(s)—相位差异信号的拉氏变换；ux(s)(x＝d,f)—鉴相/滤波结果信号的拉氏变换；K d—鉴相器增益；F(s)—环路滤波器的传递函数；K o—压控振荡器的增益

根据环路滤波器F(s)的不同,可将锁相环分成一阶、二阶、三阶。

1.一阶环路

环路滤波器的传递函数的系数为恒定值,传递函数可表示为

一阶锁相环的系统函数为

2.二阶环路

环路滤波器的传递函数为

系统函数为

式中,ωn为特征频率,ξ为阻尼系数,其定义为

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3.三阶环路

三阶锁相环的环路滤波器传递函数为

系统函数为

积分器通过低通滤波器来消除信号中的高频信号成分和噪声,以提高载噪比。由于这里的积分将I轴和Q轴上的信号分开进行,因此将这种积分称为相干积分。

例7-2根据系统函数的表达式,分析连续型二阶锁相环的稳定性。

解：令二阶锁相环系统函数的分母为0,即

可解得两个极点为对于任何值大于0的ωn、ξ,两个极点均位于s的左半平面,所以该二阶锁相环是稳定的。

随着阶数的增加,锁相环容易发生不稳定。一阶、二阶锁相环在理论上均没有条件稳定,但是三阶锁相环如果参数选取不当,则有可能发生不稳定。

7.5.3.2　码跟踪环路

大多数GPS用户端使用固定增益的延迟锁定环(DLL)对每一单独的信号进行码跟踪。码跟踪环路的结构如图7.25所示。

图7.25　码跟踪环路的结构示意

码跟踪环路利用了C/A 良好的自相关和互相关特性,码环复制出三个不同相位的C/A码——超前(Early,E)、即时(Prompt,P)和滞后(Late,L),分别与接收到的信号做相关运算,通过比较多个支路上的结果,推算出自相关函数最大值的位置,从而确定本地即时码与接收到的C/A码之间的相位差异,并反馈给C/A码发生器。假设接收信号中的C/A码为x(n)、本地复制的C/A码为y(n),则相关结果z(n)为

式中,N——参加相关运算的离散数目。

只有当x(n)与y(n)完全一致时,z(n)出现最大值,最大自相关值为1。

码鉴别器根据超前、即时、滞后的同相和正交相累加相关器的输出,计算码跟踪误差,据此校正码跟踪环的码相位估计值,预测下一时刻的码相位,并提供给码生成器。码环鉴别器的工作原理为：当即时码与卫星码信号完全同步时,超前通道和滞后通道的码相关功率相同。鉴别器的常用算法及其特性如表7.6所示。

表7.6　鉴别器的常用算法及其特性

续表

将载波环与码环组合在一起,即可得到GPS接收机完整的信号跟踪环路,结构如图7.26所示。数字中频信号sIF(n)首先与载波环产生的本地载波混频在I、Q支路上分别相乘,然后混频结果信号i、q分别与码环所复制的超前、滞后和即时C/A码做相关运算,得到结果iE、iP、iL、qE、qP、qL,经积分—清除器后,分别输出相干积分值IE、IP、IL、QE、QP、QL。随后,即时支路上的IP、QP进入载波环鉴别器,其他支路上的相干积分结果进入码环鉴别器。最后,滤波器对鉴别器的输出值φe(fe)、δCP进行滤波,并将滤波结果反馈给载波数控振荡器和C/A码数控振荡器,最终使本地产生的载波、C/A码与接收到的信号完全一致,以保证载波和C/A码可被完全剥离。

图7.26　组合跟踪结构