高動(dòng)態(tài)GPS接收機(jī)跟蹤環(huán)路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

鄭興平,寇艷紅

(北京航空航天大學(xué)電子信息工程學(xué)院,北京100083)

0 引言

高動(dòng)態(tài)GPS接收機(jī)作為GPS系統(tǒng)重要的用戶設(shè)備,可應(yīng)用于導(dǎo)彈、衛(wèi)星等國(guó)防和國(guó)民經(jīng)濟(jì)關(guān)鍵領(lǐng)域。跟蹤環(huán)路設(shè)計(jì)是高動(dòng)態(tài)接收機(jī)設(shè)計(jì)的核心環(huán)節(jié),關(guān)系到接收機(jī)的動(dòng)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(dòng)態(tài)應(yīng)力誤差,因此對(duì)于高動(dòng)態(tài)信號(hào)跟蹤算法的研究主要集中于載波跟蹤環(huán)。文獻(xiàn)[1]分析了環(huán)路噪聲帶寬、鑒別器以及預(yù)檢積分時(shí)間等參數(shù)對(duì)環(huán)路動(dòng)態(tài)性能的影響。文獻(xiàn)[2]介紹了一種高動(dòng)態(tài)接收機(jī)設(shè)計(jì)方案。文獻(xiàn)[3]通過(guò)蒙特卡羅仿真分析比較了FLL、FLL輔助PLL以及PLL的動(dòng)態(tài)性能和跟蹤門限。文獻(xiàn)[5]比較了不同類型的碼環(huán)鑒別器并進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。文獻(xiàn)[6]介紹了一種新的純數(shù)字PLL的設(shè)計(jì)方法。本文針對(duì)高動(dòng)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(shí)現(xiàn),并利用GPS信號(hào)模擬器驗(yàn)證了跟蹤環(huán)路的動(dòng)態(tài)性能。

1 跟蹤環(huán)路設(shè)計(jì)

1.1 環(huán)路類型和參數(shù)的確定

GPS接收機(jī)必須同時(shí)使用載波跟蹤環(huán)和碼跟蹤環(huán)來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的解調(diào)和解擴(kuò)。為了提高動(dòng)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(duì)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(hào)捕獲得到的多普勒與真實(shí)多普勒可能存在較大偏差,特別是在高動(dòng)態(tài)環(huán)境下,因此本文先采用開環(huán)頻率估計(jì)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(xiàn)[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(dòng)態(tài)性能,載波跟蹤環(huán)預(yù)檢積分時(shí)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(shí)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(shí)間延長(zhǎng)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(hào)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(jìn)行跟蹤。本文先使用開環(huán)頻率估計(jì)方法對(duì)信號(hào)捕獲階段得到的多普勒進(jìn)行修正,然后利用2階FLL輔助3階PLL進(jìn)行頻率快速牽引,最終關(guān)閉FLL進(jìn)入3階PLL穩(wěn)定跟蹤。該方法能夠加快環(huán)路收斂過(guò)程,適合于高動(dòng)態(tài)應(yīng)用場(chǎng)景。文獻(xiàn)[1]和文獻(xiàn)[4]對(duì)鎖頻環(huán)輔助鎖相環(huán)進(jìn)行了介紹,這里僅對(duì)開環(huán)頻率估計(jì)方法進(jìn)行分析。

設(shè)環(huán)路的預(yù)檢積分時(shí)間為T,第i個(gè)預(yù)檢積分時(shí)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(gè)預(yù)檢積分值 ;Ii、Qi為第i個(gè)預(yù)檢積分值。開環(huán)頻率估計(jì)通過(guò)對(duì)N個(gè)Δφi求平均得到Δφ^i,進(jìn)而得到多普勒誤差估計(jì)值

在求Δφ^過(guò)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(shí)間T和平均次數(shù)N可以提高Δf^的估計(jì)精度,但是T和N的選擇受到導(dǎo)航電文比特跳變和接收機(jī)動(dòng)態(tài)特性的限制。本文取預(yù)檢積分時(shí)間T=1 ms,N=20。

2 硬件設(shè)計(jì)

高動(dòng)態(tài)接收機(jī)的硬件實(shí)現(xiàn)框圖如圖1所示。

圖1 硬件結(jié)構(gòu)

GPS射頻信號(hào)經(jīng)過(guò)射頻前端轉(zhuǎn)換為46.42 MHz模擬中頻信號(hào);ADC將模擬中頻信號(hào)轉(zhuǎn)化為2 bit數(shù)字中頻信號(hào)送入FPGA進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算;DSP進(jìn)行后續(xù)的信號(hào)處理和信息處理;觀測(cè)數(shù)據(jù)和定位解算結(jié)果通過(guò)串口發(fā)送給上位機(jī)軟件進(jìn)行分析評(píng)估。

FPGA主要由時(shí)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(shí)鐘產(chǎn)生單元生成60 MHz采樣時(shí)鐘和FPGA全局工作時(shí)鐘以及TIC(觀測(cè)量中斷)信號(hào)和DSP中斷信號(hào);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(jì)數(shù)單元組成,在DSP控制下完成信號(hào)解調(diào)和解擴(kuò);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(jī)軟件。DSP總線接口單元實(shí)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(jì)

DSP軟件程序分為主程序和中斷服務(wù)子程序。主程序負(fù)責(zé)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(hào)進(jìn)行通道更新。DSP為每個(gè)數(shù)字相關(guān)器通道維護(hù)了一個(gè)狀態(tài)變量,這些狀態(tài)包括:捕獲、開環(huán)頻率估計(jì)、牽引和跟蹤。開始時(shí)通道處于捕獲狀態(tài),進(jìn)行信號(hào)捕獲。捕獲到信號(hào)之后進(jìn)入開環(huán)頻率估計(jì)狀態(tài),將FLL開環(huán)進(jìn)行多普勒殘差估計(jì)。接著進(jìn)入牽引狀態(tài),此時(shí)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(shí)嘗試進(jìn)行比特同步。等到獲得比特同步之后進(jìn)入跟蹤狀態(tài),此時(shí)載波環(huán)進(jìn)入3階PLL的工作模式,碼環(huán)的預(yù)檢積分時(shí)間也由牽引狀態(tài)下的1 ms延長(zhǎng)到了20 ms。一旦檢測(cè)到環(huán)路失鎖則重新回到捕獲狀態(tài)。

4 測(cè)試結(jié)果

4.1 開環(huán)頻率估計(jì)方法測(cè)試

圖2為實(shí)測(cè)的捕獲轉(zhuǎn)跟蹤時(shí)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(shí)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(jì)時(shí)的收斂曲線。可以看出開始時(shí)頻差較大,2階FLL起主導(dǎo)作用,表現(xiàn)為環(huán)路輸出的多普勒迅速向真實(shí)多普勒靠近。當(dāng)頻差減小到一定程度時(shí)3階PLL起主導(dǎo)作用開始相位收斂的過(guò)程。實(shí)線為采用了開環(huán)頻率精細(xì)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(shí)多普勒估計(jì)誤差,環(huán)路收斂速度得到改善。

圖2 捕獲轉(zhuǎn)跟蹤時(shí)載波環(huán)收斂曲線(1號(hào)衛(wèi)星)

4.2 跟蹤環(huán)路動(dòng)態(tài)性能測(cè)試

利用北航衛(wèi)星導(dǎo)航與通信系統(tǒng)研究室開發(fā)的GPS信號(hào)模擬器測(cè)試了對(duì)跟蹤環(huán)路的視距動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行了測(cè)試。模擬器模擬接收機(jī)視距加加速度1 m/s3(等價(jià)于多普勒二階導(dǎo)數(shù)5.251 4 Hz/s2)仿真時(shí)間長(zhǎng)度600 s。模擬的接收機(jī)加速度達(dá)到60g,模擬器輸出的射頻信號(hào)功率-130 dBm。圖3(a)為實(shí)測(cè)的多普勒曲線。理論上當(dāng)接收機(jī)具有固定視距加加速度時(shí),多普勒隨時(shí)間按2次曲線規(guī)律變化,理論分析與實(shí)測(cè)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(shí)支路積分累加值輸出,圓圈符號(hào)標(biāo)識(shí)的為I支路積分累加值,叉符號(hào)標(biāo)識(shí)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(dòng)態(tài)測(cè)試(1號(hào)衛(wèi)星)

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)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(jì)了一種高動(dòng)態(tài)跟蹤環(huán)路并給出了具體硬件實(shí)現(xiàn)。利用GPS信號(hào)模擬器測(cè)試了跟蹤環(huán)路的動(dòng)態(tài)性能。測(cè)試結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的跟蹤環(huán)路在60g視距動(dòng)態(tài)應(yīng)力下能夠穩(wěn)定工作,滿足高動(dòng)態(tài)應(yīng)用要求。

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