基于高阶环路的高动态gps基带信号处理器设计

《基于高阶环路的高动态gps基带信号处理器设计》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。

1、基于高阶环路的高动态GPS基带信号处理器设计摘要：当接收机和卫星之间相对动态较小，即在低多普勒频移和低多普勒加速度环境下，传统的GPS接收机能正常工作。但是，在高动态环境下，传统的接收机不再能够跟踪信号，会导致GPS卫星的位置，速度和时间失锁。一般而言，传统接收机中的多普勒平移为，多普勒加速度为，然而高动态环境下，多普勒频移扩展到，多普勒加速度增加到大约。因此，在高动态环境下开发接收信号算法成了一项具有挑战性的任务。为了解决这个问题，本篇论文介绍了一种新型高阶锁频环(FLL)辅助锁相环(PLL)技术。二阶FLL通过频率频率牵引降低锁定时间，从而减少高动态环境

2、下接收机的频率误差，使得三阶PLL能够更加精确地锁定高速变化的信号相位。该算法用Matlab/Simulink仿真并用模拟数据进行评估。结果表明，在输入信号大范围动态变化时，使用高阶环路算法有很大改进。关键词：基带处理器，GPS，高动态，高阶环路1.引言美国太空无线电导航系统称为全球定位系统(GPS)，它为军用和民用用户提供了实时导航、定位和定时服务。位置、三维坐标中的速度和用户接收机的时间是三个从GPS接收机中获得的重要参数。在传统GPS系统中，所有的卫星通过两个频率进行广播，信号用收发，信号用收发。在GPS中，我们利用CDMA扩频技术进行卫星通信，每个卫

3、星都利用互相独立的高速伪随机(PRN)序列对低比特率的信息数据进行编码，在接收端以20ms每数据位展开。通过解调数据，利用伪距和三角伪距，接收机能够提供位置，速度和时间等信息。然而，GPS接收机是依靠电磁信号与卫星进行通信，更加容易受到无线干扰。像房屋树木这样的障碍物能够反射信号，从而导致在GPS屏幕上会有100英尺的漂移。它不能在室内、水下、隧道、地铁和大城市工作，因为在这些地方很少能连续地保持与卫星的无线连接。GPS的另一个缺点就是提供全球覆盖的GPS信号不能均匀平等的分布在各个区域。GPS卫星轨道与赤道呈55°夹角，使其更好地覆盖了美国和大多数大洲地区

4、，却很少覆盖了北部和南部高维度地区。斯堪的纳维亚、加拿大和俄罗斯的北部就受到影响。此外，高速运动的汽车等物体产生的多普勒频移和多普勒加速度快速变化的现象也会使得接收机工作失败。对于固定的接收机而言，其多普勒频移为，但在高动态接收机中其多普勒频移扩大到，使得GPS信号不总是精确的。图1基本GPS接收机当处理环境的多变时，对于接收机设计者来说，跟踪高动态变化的GPS信号是一大挑战。动态独立系统的优化问题通常可以简化为精确的度量问题。因此，可以引入结合GPS接收机的惯性导航系统(INS)来解决这个问题[1]。然而，这是一个昂贵的解决办法，无法适用于低成本应用。一个

5、典型的接收机框图如图1所示[2]。在基本GPS接收机中，GPS卫星发送的信号被接收天线接收，然后通过数字处理器进行处理。射频(RF)前端对接收信号进行频率和幅度转换，随后接收信号被数字化并传入到数据采集捕获模块。数据采集捕获模块决定了在卫星和接收机相对运动导致的多普勒影响下信号是否存在。跟踪算法是由延时环(DLL:DelayLockedLoop)和科斯塔锁相环(CPLL)构成的，它能够从数据采集捕获模块中提取粗值对的导航信号进行微调[3]。导航信号中的星历表和年历等参数可以协助确定卫星的位置并且最终计算用户的位置。在本篇论文中，相对于其他传统的方法，我们提出

6、了一个简单的算法来减少高动态下接受机的频率误差。我们运用FLL(FrequencyLockedLoop)协助PLL(PhaseLockedLoop)的结构，即二阶FLL协助三阶PLL的优化方案[4][5]。传统跟踪高动态信号的方法有一阶FLL协助二阶PLL，其不能检测反射和加速变化应力[6]。同样的，扩展卡尔曼滤波器(EKF:extendedKalmanfilter)也被用来跟踪传统的呈现高动态的轨道[7]，但是如果初始状态的估计值超过了边界，就会导致滤波器不再是线性的，将会快速发散。在我们讨论的技术中，FLL利用频率牵引技术减少锁定时间，避免错误锁定并且能

7、够确保在高动态环境下对扩频信号的跟踪。这种在宽带上具有前向纠错的二阶FLL环路能使得三阶PLL环路精确地跟踪高动态变化的信号相位。另外，FLL的频率牵引减少了PLL的传输带宽，抑制了噪声，提高了PLL锁定载波相位的精确性。一阶和二阶的PLL能够对信号的相位和频率阶跃进行跟踪，而三阶PLL可以跟踪频率斜升信号[8]，这在高动态环境下的跟踪相当有效。为了有效地跟踪载波相位，PLL环路带宽应当尽量窄，增加PLL环路带宽会引入更多的噪声，然而动态跟踪的误差会随着环路带宽的减少而增加[9]。因此，载波环路带宽应该足够窄，能够可靠地跟踪小于5g的加速度和5g/s的加加速

8、度(加速度的衍生物)的载波相位。本文提到的技术已经在