高灵敏度接收机跟踪环路设计方案

0、引言

全球卫星导航系统GNSS(Global Navigation Satel-lite System)在政治、经济以及军事等多个领域都具有重要意义。从飞机、汽车到个人手持通信终端，都能看到GNSS定位技术，GNSS系统在民用领域应用十分广泛，对国民经济建设也起到了重要作用。目前全球已经使用和公开研制的GNSS 系统一共有以下四个，美国的GPS 导航系统、俄罗斯的GLONASS 导航系统、欧盟的GALILEO导航系统和中国的北斗导航系统。

随着技术的进步、应用需求的增加，卫星导航以全天候、自动化、高效率、高精度等显着特点及其所独具的定位导航、精密测量、授时校频等多方面的强大功能，已涉足众多的应用领域，使卫星导航成为了继蜂窝移动通信和互联网之后的全球第三个IT经济新增长点。随着我国自主卫星导航系统北斗系统建设的全面展开，北斗的应用将迅速推广，结合卫星导航与通信、多媒体等的多方面需求。面向大众及行业的导航应用，研制高性能多模高灵敏度导航基带芯片及多模导航基带IP 核，将对提高我国核心导航产品技术水平和市场占有率，为重大专项典型示范项目提供自主核心芯片和解决方案。

天线接收到的GPS 信号功率一般为-130 dBm,但在室内、森林、城市等复杂环境下，GPS信号验证衰减可达20~30 dB,此时普通GPS 接收机不能实现正确的捕获和跟踪。本文基于了高灵敏度数字基带芯片的研究背景，对经典载波跟踪环进行修改，设计实现了高灵敏度跟踪环路设计，高灵敏跟踪环路接收机实现了正确的捕获和跟踪。

1、自主跟踪环路设计

1.1 自主跟踪环路设计

卫星信号由3部分组成：导航电文、伪随机扩频(C/A)码和载波。基带信号处理器同步过程包括捕获和跟踪。捕获是一个对卫星和接收机相对运动引起的载波多普勒频偏和C/A 码相位偏移进行粗略估计的二维搜索过程，捕获完成后这两个参数用来初始化跟踪环路。

跟踪环路进行了精确地相位同步和跟踪，从而实现了载波的剥离和C/A码的剥离，最终得到了导航电文用于导航解算。

自主捕获通道所得结果中的卫星号、扩频码相位这些信息输入至卫星扩频码产生器，启动了扩频码序列的产生，包括超前0.5 码片、即时码片和滞后0.5 码片共3 路序列，然后与本地伪码信号进行相关处理，通过扩频码跟踪环路与载波跟踪环路的有关运算，使载波环路和码环路保持了锁定状态。程序结构如图1所示。

跟踪环路包括了载波跟踪环和码跟踪环，两个环路相互影响，只有两个环路同时锁定时，才能解调出导航电文。载波跟踪环路对环境噪声、晶振的相位噪声和动态应力等更加敏感，比码跟踪环路更容易失锁，因此成为接收机的关键和设计难点。

1.2 码跟踪环路

由于码跟踪环DDLL算法可用软件实现，并能保证伪码延时精确到1%个码片内。因此，自主码跟踪环采用了此方法进行伪码相位跟踪的，即利用本地码发生器产生了相位超前、滞后信号并与输入的信号相关，比较两支路结果以获取码相位误差信号来控制码DCO并产生与输入码相位一致的本地码信号。

码环鉴相器的输入为同相/正交支路码相位超前/滞后的相关信号。码相关发生时环路进入了跟踪状态，假定d = 2δ，d 为相位超前与滞后支路的相位间隔，则超前一滞后型非相干DDLL环的控制量B(k) 可由式(1)获得：

分别表示鉴相器的增益系数和鉴相特性函数。GPS C/A码的码长为L = 1 023,BD C/A码的码长为L = 2 046,码元宽度为tc =20 ms,其相关函数为：

由此可得鉴相器的鉴相特性函数：

鉴相特性函数为相关间隔与码相位偏差的函数。

若定义(-δ，δ) 为鉴相线性范围，鉴相特性函数在ε = 0 处的斜率D′(ε，δ) 为DDLL环的鉴相增益，Dmax (ε，δ) 为跟踪牵引范围。

1.3 载波跟踪环路设计

载波的同步包括了捕获和跟踪两个过程，载波捕获即多普勒频移的粗略估计已由快捕通道的捕获算法完成，而精确的载波相位及多普勒频移跟踪则通过反馈跟踪控制环路实现。本方案采用一种非相干的FLL环--叉积自动频率跟踪环(CPAFC)加锁相跟踪算法作为载波跟踪方法。在通过捕获算法进行伪码捕获后，载波多普勒频移范围被"牵引"到了500 Hz,为了使多普勒频移进入叉积鉴频器的线性工作范围，算法上首先采用叉积鉴频器将频率从几百赫兹降到几赫兹，然后利用锁相环进行精确的频率跟踪。

叉积自动频率跟踪环鉴频算法为：

假定连续量测过程中调制数据位不变，即有D(k)D(k - 1) = 1.在预检积分时间内载体机动造成的频率偏移可视为恒值，则有Δfd ≡ Δfd (k) = Δfd (k - 1) 成立。而由于Φk = Δfd (k) - tk + Φ0 ,则：