GPS接收机中锁频环频率误锁的检测

3 鉴频器误锁判决算法

考察式(1)中Ⅰ支路的预检测积分值。误锁情况下，本地载波与接收信号载波间存在固定频偏△ω=π/T1；同时本地载波与接收信号载波间还存在着固定相差φ=π/2。此时Ⅰ支路预检测积分值为

其中tk-1=（k一1)T1。可见，Ⅰ支路预检测积分值Ik的正负随着(一1)k-1dk的变化而变化。图3是发生误锁时的Ⅰ支路预检测积分输出以及正确跟踪到载波频率时的预检测积分输出对比图。



对于GPS卫星信号，一个调制符号周期内包含有20个C/A码周期。在预检测积分时间选为一个伪码周期的情况下，连续输出的20个预检测积分值均对应同一个调制符号。那么在没有发生误锁的情况下，连续输出的20个Ik值的正负均相同；而在误锁情况下，对应同一调制符号的20个Ik值的正负将随着(一1)k项交替变化，将会出现预检测积分值正负符号的连续翻转。据此可以得到锁频环误锁判决算法：

暂不考虑噪声的影响，锁定判决器指示锁相环已完成相位锁定之后，即开始累计连续20个Ik值的正负翻转次数，无误锁时应该是连续20个Ik值正负符号均相同，误锁时应该是Ik值正负符号交替变化，共发生19次翻转。

考虑噪声的影响，在进行BPSK解调时会有一定的解调误码，即Ik的正负符号会受噪声影响而出现错误，这将会影响到误锁时Ik正负翻转的次数。设解调符号Ik的误码率为Pe。如果设定20个Ik值中发生17次正负符号翻转即队为发生了误锁，那么，经分析可得到误锁检测概率为(n表示20个Ie值中正负符号翻转的次数)

也即漏报概率是Pe的二阶无穷小，可见阈值选为17即可获得相当好的检测性能。此时，在没有误锁的情况下，需要在20个Ik值中至少发生8个误码，才可能误判为发生了误锁，即虚警概率是Pe的8阶无穷小。

发现误锁之后，通常可以重新启动信号同步算法，再次经过鉴频器实现频率牵引，直
   

到正确跟踪到载波频率为止。但这样不仅比较耗时，而且还有再次发生误锁的可能。通过分析可以看出，在鉴频器发生误锁时，锁定的错误频率与真正要锁定的目标频率是有固定关系的：设伪码捕获之后的本地载波频率为f0，根据鉴频器的鉴频范匿，输入信号的载波频率fc



即可得到要锁定的信号载波频率fc，之后把频率牵引至正确的频率点fc上。

4 仿真结果

仿真条件：输入中频信号的载噪比为37dBHz；伪码捕获完成后本地载波频率为400 Hz，输入信号频率为650 Hz，频偏为一250 Hz；取预检测积分时间为1 ms，鉴频器鉴频范围为250 Hz。

图4为发生频率误锁时，使用上述算法判决出误锁状态，并把频率重新牵引至正确频率过程中鉴频器和PLL上的工作状况。



图4a为本地载波频率的跟踪过程，图4b为I支路输出的预检测积分值。最初频率向相反方向调整，锁定在了错误的频率上，I支路预检测积分值出现正负交替变化；发现误锁现象并做出正确调整后，本地载波重新锁定在正确频率上，I支路预检测积分值符号变化恢复正常(不再是相邻点正负交替变化)。仿真结果显示该算法能够有效工作，锁相环锁定之后只需要1～2个导航比特时间(20～40个C/A码周期)即可判断出有无发生误锁，且在极短时间内即可修正锁定的频率。

5 结 论

本文提出了一种检测GPS接收机中鉴频器是否发生频率误锁现象的方法，对鉴频器在频率牵引过程中出现频率误锁的原因进行了分析，并利用仿真验证了该算法的有效性。该算法对鉴频器发生的频率误锁现象有较高的检测概率，而且由于该算法在载波同步算法进入锁相环之后即可马上做出误锁判决，并且对误锁频率的修正几乎不需要花费时间，所以可以有效地降低误锁现象给载波同步时间带来的损失。该方法同样适用于具有类似GPS信号格式的其他全球卫星导航系统(GNSS)接收机。