gps中载波跟踪算法综述

gps中载波跟踪算法综述

gps网络接口系统随着软件通信技术的发展，基于软件通信的gps软件接收机逐渐取代了传统基于特定用途的电路治理（（asic）结构的硬件接收器。成为gps接收器研究的热点。真正意义上的软件接收机(SoftwareGPSReceiver)应是除射频前端外，其余所有部分均由软件在PC机上实现。在GPS软件接收机技术当中，恢复出与调制载波同频同相的相干载波即载波跟踪技术是关键技术之一。国内外学者对载波跟踪技术进行了大量的研究，取得了很多成果，但也有很多问题需要继续深入研究。本文主要对当前载波跟踪算法的研究成果进行归类分析，对其研究方向进行展望。1实时同扰动技术介绍文献给出了一种典型载波跟踪环的结构图如图1所示。由图1可以看出，载波跟踪技术可以分为纯载波跟踪环跟踪技术和外部辅助载波跟踪技术两大类。国内外学者对载波跟踪算法的研究也可以从这两方面进行总结。2新型能量的设计根据环路鉴别器提取误差控制量的不同，载波跟踪环可以分为锁频环(FLL)和锁相环(PLL)。当环路鉴别器采用频率鉴别算法时，环路为FLL；当环路鉴别器采用相位鉴别算法时，环路为PLL。由图1可以看出，锁频环和锁相环的设计关键是环路鉴别器的设计和环路滤波器的设计。一般纯载波跟踪环结构如图2所示(包含(1))，其改进方法如图2中(2)，(3),(4),(5)所示。由图2可以看出，载波跟踪环的优化设计可以从三个方面进行：首先是对环路结构中的环路鉴别器、环路滤波器进行分析和优化设计；其次是充分利用锁频环和锁相环各自的优点，设计一种基于二者的混合载波跟踪环路，使所设计的环路能够根据工作的动态或噪声环境的变化自动切换；再次是利用自适应门限技术、智能控制算法、智能估计算法以及降噪技术对环路的性能进行改进。2.1通道检测装置和滤波装置的分析和优化设计2.11相位鉴别算法输出不受信噪比影响的输出环路鉴别器通常采用的算法主要有频率鉴别算法和相位鉴别算法。文献对常用频率鉴别算法以及常用相位鉴别算法进行了分类和比较，分别如表1和表2所示。表1中dot=IPS1iIPS2+QPS1iQPS2,cross=IPS1iQPS2-QPS1iIPS2。IPS,QPS的定义如图1所示,即为积分清除器的输出。IPS1,QPS1为IPS,QPS在1t时刻的采样，IPS2,QPS2为IPS,QPS在1t时刻的下一时刻t2的采样，并且这两个时刻的采样在同一个数据位以内。下一对采样在t2之后的(t1-t2)秒处，依次类推。频率鉴别算法(1)在高信噪比时接近最佳，斜率正比于信号幅度A，运算量适中；频率鉴别算法(2)在低信噪比时接近最佳，斜率正比于信号幅度的平方A2，运算量最低；频率鉴别算法(3)是一种最大似然估计器，在高和低信噪比时最佳，斜率与信号幅度无关，但对运算量要求最高。表2中IPS,QPS的定义和表1中的定义相同。相位鉴别算法(1)在高信噪比时接近最佳，斜率与信号幅度成正比，运算量要求最低;相位鉴别算法(2)在低信噪比时接近最佳，斜率与信号幅度的平方A2成正比，运算量中等;相位鉴别算法(3)次最佳，但在高和低信噪比时性能良好，斜率与信号幅度大小无关，运算量要求较高，并且必须核对，以区分接近±900时分母为0的错误;相位鉴别算法(4)在高和低信噪比时最佳(最大似然估计器)，斜率不依赖信号幅度，运算量最大。文献对相位鉴别算法(2)和相位鉴别算法(3)进行了比较,得出了在低信噪比条件下,前者具有较宽稳定的鉴相范围，而在高信噪比条件下，后者的线性鉴相范围更宽；对相位鉴别算法(1)和相位鉴别算法(4)进行了比较，得出了相位鉴别算法(1)的输出不受信噪比的影响，但其相位鉴别范围比相位鉴别算法(4)窄的结论。结论1：频率鉴别算法或相位鉴别算法主要有三个指标：线性鉴别范围、鉴别误差，算法运算量的大小。鉴别器算法的选择可以根据具体情况综合以上三个指标进行设计。同时也可以看出，设计性能更加优良的鉴别算法也是值得研究的方向之一。2.1.2pll环路滤波器文献对环路滤波器的参数设计进行了详细介绍。接收机FLL频率误差的主要来源是热噪声频率颤动和动态应力误差。对于FLL的经验方法跟踪门限是：由所有环路应力源所造成颤动的3σ值，在一个预检测积分时间T内不允许超过90°。因此，经验方法的FLL跟踪门限是：式中，fe=dn3+16R0ωdtnnn+1(Hz),其中n为环路滤波器阶数；ωn为环路固有频率；dn+1Rdtn+1为卫星和接收机之间最大视距的n+1阶导数；Bn为环路噪声带宽(Hz)；比值；对于PLL的经验方法跟踪门限是：由所有环路误差源造成的误差的3σ值，在一个预检测积分时间T内不允许超过45°。式中，σj为除动态应力误差外的所有其他误差源造成的1σ相位颤动，θe为PLL环路动态应力误差。PLL环路的经验方法门限为：式中，σtPLL为1σPLL热噪声(度)，σv为1σ由振动引起的振荡器颤动(度)，θA由阿仑方差引起的振荡器颤动(度)。σtPLL、σv、θA和θe可由式(4-7)计算得到：其中式(5)中fL为L频段的输入频率(Hz)；Sv(fm)为fm函数的振荡器振动灵敏度，以每个G的表示；fm为随机振动的调制频率(Hz)；P(fm)为fm函数的随机振动的功率曲率，以G2/Hz表示；G加速度应力；式(6)、(7)中下标3表示PLL为3阶环。由于其他的PLL颤动源或者可能是瞬时的，或者可能忽略，因此常常把热噪声作为唯一的载波跟踪误差源，即取σPLL=σtPLL+3θe≤15(8)由式(1-8)可以看出，环路滤波器的设计主要考虑4个参数，即预检测积分时间、信噪比、动态范围以及滤波器噪声带宽。文献对不同预检积分时间，不同动态环境，不同信噪比，不同带宽等条件下对锁频环的性能进行了分析，给出了不同动态环境下滤波器噪声带宽的选择条件。文献对锁频环的跟踪性能进行了分析，得出的结论如下：鉴频器输出的是载波频率误差，因此具有较好的动态性能；而锁相环在低动态或静态环境下，当环路闭合稳定时比锁频环具有更高的跟踪精度。文献对相位鉴别算法(1)和相位鉴别算法(4)在不同信噪比条件,不同预检测积分时间下进行了比较,得出了在20≤C/N0≤28(dB-Hz)时,当采用1ms的预检测积分时较好,当C/N0<20(dB-Hz)时应采用更长的预检测积分时间如20ms的结论。文献对环路滤波器的输入相位噪声方差和环路带宽之间的关系进行了分析，得出载波跟踪环带宽nB越宽，噪声干扰引起的相位噪声误差越严重；对载体的动态和环路带宽之间的关系进行了分析，得出从降低动态误差来考虑，环路带宽应尽量宽。结论2：环路滤波器的动态误差和环路带宽是一对矛盾关系，环路滤波器的设计必须参考载波跟踪环的动态特性以及输入信号信噪比的大小，做到动态误差和环路带宽两者兼顾。2.2滤波器阶数的确定对大多数GPS接收机应用而言，绝大部分时间都工作在中低动态环境下，只有少数时间工作在高动态环境下。因此，较理想的载波跟踪环应该根据环境的变化使FLL和PLL交替工作：在中低动态环境下载波跟踪模式是PLL，采用较窄的环路滤波器带宽以获得较精确的载波相位估计，在高动态环境下转入FLL跟踪模式，采用较宽的滤波器带宽以适应载体的动态变化。对C/A码信号而言，当由快速捕获刚转入跟踪时，多普勒频率预测的分辨率一般为1KHz，残余的多普勒频率还比较大，这时需要把频率牵引到锁频环或锁相环的工作范围内，通常所用的频率牵引元器件为四相鉴频器。文献对最佳环路滤波器的阶数进行了研究，得出的结论如下：对于相位阶跃输入，一阶环是最佳的；只考虑频率阶跃输入(只伴随加性噪声)的情况下，二阶环是最佳的，在只考虑频率斜升输入(只伴随加性噪声)的情况下，三阶环是最佳的。为了充分利用锁频环，锁相环各自在不同动态条件下的优点，文献对一种基于FLL和PLL的混合载波跟踪算法进行了研究。一种二阶锁频环辅助三阶锁相环的结构如图3所示。图3中，∆f为频率鉴别器输出的频率误差，∆p为相位鉴别器输出的相位误差，ωnf为锁频环的固有频率，ωnp为锁相环的固有频率。结论3：混合载波跟踪环可以充分利用锁频环和锁相环各自的优点，提高载波跟踪环的动态适应能力，不足之处是增加了环路结构的复杂性。2.3新型同带带动态滤波器跟踪算法由式(4)，(7)，(8)可以看出，当信噪比一定时，不同动态环境对噪声门限的要求并不相同。基于此，文献提出了三阶跟踪环的一种自适应门限算法。改进后的载波跟踪环结构如图2中(2)所示，该算法描述如下：Step1:在式(8)中,取假定跟踪误差只由动态应力误差引入，即θe=θe3=100，代入式(7)可得：Step2:根据式(4)按照选定的信噪比和Step1中估计出的带宽nB计算出σtPLL;Step3:根据Step1中σPLL的取值，计算出Step4:将θe代入式(7)，求得，重复Step2,Step3,Step4，当计算所得两步之间的带宽nB变化小于某一固定值时(如小于0.1Hz)，即可取该带宽nB为环路滤波器的带宽。文献分析了小波降噪的良好性能，将小波降噪技术引入到载波跟踪环中，改进后的结构如图2中(3)所示(智能降噪技术为小波降噪)。文献提出了一种基于模糊逻辑控制器和三阶锁相环的动态载波跟踪方案，结构如图2中(4)所示(智能算法模块代表模糊控制器)。同时得出了设计的环路和传统环路相比可大幅缩短载波跟踪时间，减小环路滤波器带宽，并能消除周跳的结论。文献采用最大似然估计算法(MLE)对伪码时延和载波多普勒频率进行了估计；文献[7,11,12,13,14,15]对卡尔曼滤波算法(KF)，扩展卡尔曼滤波算法(EKF)，叉积自动频率跟踪环算法(CPAFC)、频率扩展卡尔曼滤波算法(FEKF)，数字锁相环算法(DPLL)等对GPS卫星信号的载波相位、载波频率、频率的各阶变化率以及伪码时延进行了估计。这些研究对载波跟踪环路的改进如图2中(5)所示。文献对以上几种智能估计算法进行了比较分析，得出结论如下：FEKF算法具有最低的门限，说明该算法在恶劣的噪声环境中仍然具有良好的跟踪性能；MLE算法和EKF算法的频率估计误差都很小(几赫兹)，但两种算法也都比较复杂；比较FEKF算法和EKF算法以及CPAFC算法和DPLL算法可见，去除输入信号相位的算法(FEKF和CPAFC)比利用输入信号相位的算法(EKF和DPLL)具有更低的信噪比门限，但频率估计误差却大很多，这说明前者在信噪比门限上的改进是以牺牲频率估计精度为代价的。结论4：利用自适应门限技术可以使载波跟踪环的噪声带宽随着外界环境的变化自动调节，提高了环路的跟踪性能；降噪技术的采用提高了跟踪环在弱信号情况下的跟踪能力。不足之处是两种方法都提高了算法的复杂程度，加长了算法的运算时间。智能控制算法或智能估计算法可以对载波跟踪环的信噪比门限进行改进，或可提高频率估计精度，但信噪比门限和频率估计精度是一对矛盾，在具体的设计中应予以综合考虑。3gps/in组合导航GPS的测量误差不随时间积累,测量精度高，但易受干扰;而惯性导航(INS)采用全自主的导航方式，不受外界干扰，但测量误差随时间积累。因此，GPS/INS组合导航的研究是目前众多组合导航研究的重点之一。从GPS和INS的耦合程度进行区分，二者的耦合可以分为松耦合和紧耦合两种基本组合模式，但近几年一些学者基于紧耦合模式提出了一种超紧致耦合模式，并进行了相关研究。三种组合模式中松耦合模式GPS接收机独立于惯导系统工作，惯导并不对GPS载波跟踪进行辅助，故不在本文的分析范围内。3.1模型2:惯导为等温方法，包括同现有现有网络的混合结构设计和改进的血压跟踪环路跟踪算法，如通过设置卡尔曼滤波器和gps等紧耦合GPS/INS的优点主要体现在GPS和INS的互相辅助上。首先GPS接收机能够充分利用由惯导提供的速度辅助，使GPS跟踪环在很窄的噪声带宽上运行，降低了载波跟踪门限值，使GPS接收机在高动态情况和强干扰环境下能更好的工作，并增加了GPS系统抗干扰的鲁棒性；其次未经处理的伪距和伪距率测量结果可以直接送入卡尔曼滤波器，修正惯导系统的累积误差。一种紧耦合组合方式的原理图如图4所示。文献[22,23,24,25,26,27]对GPS/INS紧耦合的组合模式以及卡尔曼滤波器的设计进行了研究,紧耦合组合模式对载波跟踪性能的辅助可以归纳为以下几个方面：(1)根据惯导信息和卫星星历计算惯导相对卫星的伪距和伪距率，除了用于卡尔曼滤波器外，伪距率用于对GPS接收机载波跟踪环进行辅助。该方法的优点是克服了级联卡尔曼滤波器的相关问题，增强了接收机的快捕和抗干扰能力，缺点是系统存在一个正反馈信息环，卡尔曼滤波器实际的量测输入仍然是有色噪声。(2)对环路跟踪误差建模，消除正反馈作用的影响。该方法的优点是优化了卡尔曼滤波器，能改善系统的不稳定性，缺点是增大了计算量，也没有从根本上消除问题的根源。(3)通过改变GPS接收机码环编排，增加跟踪误差估计器，获得仅含白噪声的伪距量测残差。该方法的优点是利用码跟踪误差估计器，消除跟踪误差的相关性。缺点是需要对GPS接收机重新编排。(4)让卡尔曼滤波器在估计INS与GPS误差的同时，参加载波跟踪环滤波，同时增加卡尔曼滤波器的量测周期，并使码环中C/A码发生器一开始就置于最优伪距估计值上。该方法的优点是获得理想的量测输入的同时，增强了回路的抗干扰能力。缺点是环路的动态跟踪性能会变差。(5)用相关器直接跟踪回路取代码环，卡尔曼滤波器直接跟踪码误差，INS的伪距和伪距率分别反馈到C/A码发生器和驱动码压控振荡器NCO，卡尔曼滤波器的量测残差直接来自GPS接收机相关检测网络。该方法的优点是卡尔曼滤波器的量测输入取自伪距残差，消除了误差根源；根据量测残差的大小，控制相关器过零点，因而大大提高了系统对惯导误差的容限，同时卡尔曼滤波器在跟踪环路中，带宽很窄，提高了系统对干扰的容限。结论5：在紧耦合结构中,通过惯导为载波跟踪环路提供精确的速度辅助,再利用载波跟踪环为码环跟踪提供载波辅助,可消除载波跟踪环和码跟踪环中载体的大部分动态因素，从而降低载波跟踪环和码跟踪环的阶数和噪声带宽，提高了系统对干扰的容限；但紧耦合结构中GPS接收机和惯导互相耦合，对二者时间系统的同步提出了更高的要求，且紧耦合结构的设计大多涉及到GPS接收机内部的编排，增加了设计的难度。3.2超紧致耦合结构超紧致耦合和传统紧耦合的主要区别为：超紧致耦合模式耦合的是GPS和INS的处理方法。该组合模式驱动每个卫星通道的信号产生器使用由导航状态矢量估计生成的当前最佳信息以及由卫星星历预测的卫星位置和速度。最佳的导航状态矢量估计是基于一个积分Kalman滤波器在前一个主循环运算和该主循环的IMU采样进行更新，导航状态矢量包括用户位置、速度、姿态、接收机时钟误差的精确估计。一种超紧致耦合结构如图5所示。文献对超紧致耦合GPS/INS组合模式进行了分析，该组合模式对载波跟踪的辅助可以归纳如下：(1)超