卫星导航系统-第8讲 GPS接收机技术-3

基带信号处理

作用：

搜索、捕获并跟踪卫星信号；

对电文数据实行解扩、解调；

进行伪距测量、载波相位测量及多普勒频率等数据测量。

处理顺序：

数字中频信号->捕获（捕捉到可见性的卫星信号，伪码实现初同步，载波频率实现初同步）->跟踪（伪码和载波相位的精同步）->位同步->帧同步->GPS测量值导航电文

信号跟踪（精同步）

GPS卫星信号的动态变化包含两个含义：一是由于多普勒效应会引起载波频率发生动态偏移；二是C/A码的相位会随着卫星与接收机间距离的变换而改变。

手段

跟踪GPS信号需要两个类环路：

一类用来跟踪载波，叫做载波跟踪环；

另一类用来跟踪C/A码，称为伪码跟踪环。

载波相位跟踪环（PLL）

载波相位跟踪环是用来实现本地复现载波与中频载波同相。

常用于抑制载波BPSK扩频信号载波跟踪有Costas环和平方环，而在低信噪比条件下两个环路具有相似的环路信噪比，工作性能相似；在高信噪比时，Costas环的环路信噪比有根号2倍的增益改善，GPS载波相位跟踪采用Costas环。

首先与本地PRN码相乘进行解扩，与NCO产生的两路I和Q相乘进行载波的剥离，然后进行积分清洗，一个是完成积分的功能，另一个是控制环路的更新速率，它的作用相当于是一个滤波器，之后进行载波环路的鉴别，这个鉴别器的目的是得到输入信号与本地信号的一个载波相位差，进而通过环路滤波器来控制本地的载波发生器。然后产生本地的信号来跟踪输入的信号，使本地的载波与输入的载波达到同相的目的。

载波相位鉴别器

载波相位鉴别器特性曲线

载波相位图

载波相位跟踪误差

载波频率跟踪环（FLL）

载波频率跟踪的种类较多，主要区别在于所用的鉴频器不同，大致包括：近似最大似然估计器（AMLE），扩展卡尔曼滤波估计器，交叉积鉴频器和DFT鉴频器等。相比之下，交叉积频率鉴频器具有运算量小，跟踪性能优越，易于数字化实现的特点。

交叉积频率跟踪环

交叉积频率跟踪环跟踪误差

FLL与PLL的对比

锁相环采用较窄的噪声带宽，能比较紧密地跟踪信号，输出的载波相位测量值相当精确，并且解调出的数据比特错误率也较低，然而它对动态应力的容忍性较差。当噪声较强或所需环路带宽较宽时，锁相环就有可能对信号锁定发生困难。
锁频环采用较宽的噪声带宽，动态性能较好，能更鲁棒地容忍用户的高动态应力以及射频、多路径和电离层风暴等干扰，能够跟踪信噪比更低的信号，并且对数据比特跳变不敏感；但它对信号的跟踪略欠紧密,环路噪声较高,输出的载波相位测量值欠精确，并且数据解调过程中所发生的比特错误率也较高。

二阶FLL与三阶PLL的频率响应是一样的，所以用他们来对比的原因。

FLL/PLL相结合的载波跟踪方式

动态环境给信号接收机跟踪环路的设计带来了困难，动态性使得载波信号产生较大的多普勒频移，为了保证动态性能，跟踪环路必须具有相对宽的带宽，而带宽的增加会导致跟踪精度的降低。
频率跟踪环的动态性能优于PLL,但在相同的载噪比条件下，FLL的测量误差要大于PLL。如何兼顾动态跟踪性能和测量精度，是动态性信号接收机设计中的难点。