卫星接收机跟踪环路介绍

跟踪环路介绍东南大学仪器科学与工程学院

汇报目录跟踪环路简介和原理载波环设计相位锁定环路频率锁定环路锁相环与锁频环对比码环设计基带数字信号处理多路径效应与抑制2024/5/72得到更为精确的码初始相位和载波频率，然后从跟踪到的卫星信号中解调出导航数据。主要目的是提高所捕获到的C/A码的相位和载波频率的精度，并在信号随着时间变化的时候保持接收机本地复制信号与输入信号的准确同步，进而去除信号中的载波和伪随机码得到导航数据信息。

跟踪主要包括码相位和载波相位的跟踪。信号跟踪是连续运行的，如果被跟踪的哪一颗卫星出现失锁，必须对这颗卫星重新捕获一次，使得接收机能够恢复对这颗卫星的跟踪状态。2024/5/73跟踪环路目的

信号跟踪是一个与接收信号同步的二维信号的复制过程。利用复制的载波与接收信号进行混频可以实现载波剥离及将信号下变到基带。复制伪码与接收机信号相乘可以实现伪码剥离和信号解扩，这时接收信号就只剩下数据码。GPS卫星信号是动态变化的，变化包括：

多普勒效应引起载波频率发生动态偏移；

伪随机码的起始时间会随着卫星与接收机间距离的变化而变化。2024/5/74跟踪环路原理信号通道处理信号的四个阶段：

2024/5/75跟踪环路原理

载波环的目前是尽力使其复制的载波信号与接收费的卫星载波倍号保持一致，从而通过混频机制彻底的剥离卫星信号中的载波。

下变频混频机制：接收信号与本机产生的信号相乘，去除高频部分。

若复制裁波与接收载波不一致，接收信号不能被下变频到真正的基带，并且码环C/A码的自相关幅值会削弱。

2024/5/76载波环

相位锁定环路（PLL）简称锁相环，是以锁定输入载波信号的相位为目标的一种载波环实现形式。

锁相环是一个产生、输出周期信号的电子控制环路，通过不断调整其输出信号的相位，使输出信号与输入信号之间的相位时刻保持一致。

当输入、输出相位一致时，称为锁定状态；未一致但趋于一致称为迁入状态；不收敛或者干扰过于激烈未能进入锁定状态时称为锁相环暂时失锁。2024/5/77相位锁定环路

2024/5/78相位锁定环路捕捉过程—环路由失锁进入锁定的过程Δωi

较小→ud(t)能顺利通过LF得到uC(t)→控制VCO→环路锁定捕捉带(Δωp)——环路由失锁进入锁定所允许信号频率偏离ωr的最大值。捕捉时间(τP

)——环路由失锁状态进入锁定状态所需的时间Δωi较大→ud(t)通过LF有较大衰减→uC(t)较小→经频率牵引过程时间长→环路锁定Δωi很大→ud(t)不能通过LF产生uC(t)→VCO不受控→环路失锁

2024/5/710相位锁定环路相位锁定环路

2024/5/711相位锁定环路

2024/5/712相位锁定环路拉氏变换

为方便对其运行性能进行分析，对上式进行拉氏变换，可得压控振荡器的传递函数为：锁相环的系统函数为：2024/5/713锁相环环路的阶数一阶环路的环路滤波器的传递函数系统函数为二阶环路的环路滤波器的传递函数系统函数为2024/5/714

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锁相环环路的阶数三阶环路的环路滤波器的传递函数系统函数为2024/5/715

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锁相环环路的阶数2024/5/716

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二阶锁相环滤波传递函数：N阶锁相环系统函数：（Ts表示信号采样周期）相位锁定环路的离散系统2024/5/717二阶数字式锁相环方框图：相位锁定环路的离散系统2024/5/718为什么要进行稳态相应分析：

假定一个N阶锁相环处于锁定状态，然后输入信号的初相位突然加入干扰或者激励，那么锁相环是否能最终回到锁定状态以及收敛后跟踪误差大小是多少，就是稳态响应性能的分析。

一般分为相位阶跃、频率阶跃、频率斜升等。相位锁定环路的稳态相应2024/5/719相位阶跃频率阶跃频率斜升误差传递函数的Z变换表示：相位锁定环路的稳态相应2024/5/720相位阶跃频率阶跃相位锁定环路的稳态相应2024/5/721频率斜升激励

一个N阶锁相环不但可以准确无误的跟踪相位按时间（N-1）阶次方或更低次方的变化信号，而且可以跟踪相位按时间N次方变化的信号，只不过会产生一个值恒定的跟踪误差，但不可跟踪（N+1）阶。相位锁定环路的稳态相应2024/5/722

暂态相应描述了一个系统在外界激励作用下收敛到稳态过程中的系统状态变化大小和快慢等情况。

相位锁定环路的暂态相应2024/5/723

相位锁定环路的暂态相应2024/5/724

噪声的带宽称为环路带宽，控制着进入环路噪声的多少。噪声带宽越窄，进入环路的噪声频率越少，环路滤波效果越好；反之亦然。

利用二阶锁相环的系统函数H（s）可得，噪声带宽为：

相位锁定环路的暂态相应2024/5/725

相位锁定环路的暂态相应2024/5/726

当接收机检测到变强的用户动态应力时，它就随即放宽噪声宽带，以迎合用户的高动态需求，然后当用户动态应力减弱至正常水平时，它又相应地缩小噪声带宽。

相位锁定环路的暂态相应2024/5/727

由于卫星信号的BPSK调制和强度微弱等特点，接收机锁相环通常采用I/Q解调来帮助完成载波剥离、鉴相和数据解调任务。相位锁定环路的I/Q解调2024/5/728

令：则：经过低通滤波后的同相信号I与Q合在一起可写为：相位锁定环路的I/Q解调2024/5/729

相位可由右式得出：

相位锁定环路的I/Q解调2024/5/730

当锁相环锁定信号后，相位差的值基本上在零值附近晃动，根据公式可发现，同相信号包含的数据信号和一些噪声，正交信号则基本上只是噪声。说明I/Q解调法通过反馈调节机制使得I路输出信号功率最大，同时使得Q路功率保持最小。

考虑到导航电文数据的比特0和1近乎随机，我我们若将锁相环输出标记在图中，则大概一半的数据集中于正向I轴，另一半集中在负向I轴。相位锁定环路的I/Q解调2024/5/731一种典型的载波环：相位锁定环路的I/Q解调2024/5/732

作为压控振荡器的数字化形式，数控振荡器是用来完成正弦载波和余弦载波的赋值工作，工作流程如下：1、载波数控振荡器输出一个阶梯型的周期型号2、正弦和余弦函数查询表分别将阶梯信号转换成数字式正弦和余弦载波复制信号。数控振荡器是一个由加法器和寄存器组成的相位累加器。相位锁定环路的I/Q解调2024/5/733相位锁定环路的I/Q解调2024/5/734

相位锁定环路的I/Q解调2024/5/735

积分-清除器通过积分低通滤波器来消除信号中的高频成分和噪声，提高载噪比。工作过程如下：积分器对输入信号i和q经过一定时间的积分后，得到输出积分结果I和Q，然后清除积分器中各个寄存单元，进行下一时段积分，以此往复。

由于积分环节是IQ两路分开，所以称为相干积分，相干积分的时间称为。相位锁定环路的相干积分2024/5/736

对i路进行时间为的相关计算可得可得复数向量为相位锁定环路的相干积分2024/5/737数字式锁相环中，忽略了高频部分的i路和q路表示为这些结果送入积分器后，积分器进行如下计算：相位锁定环路的相干积分2024/5/738

相位锁定环路的相干积分2024/5/739相干积分时间是一种妥协处理：一方面，为增强滤波效果、降低噪声和提高跟踪精度，的值应该尽可能的长；另一方面，为了支持用户的高动态性，让跟踪环路能更大容忍由用户运动导致的频率跟踪误差并限制频率误差损耗，积分滤波器的通带带宽必须相当宽，也就是

尽可能的小。必须兼顾噪声和动态这两方面。相位锁定环路的相干积分2024/5/740相位锁定环路的鉴相器2024/5/741相位锁定环路的鉴相器2024/5/742

锁频环与锁相环不同之处在于鉴别其，频率鉴别器称之为鉴频器。

锁频环追求的是其复制载波与接受载波的频率一致，并不要求其相位一致。锁频环中向量并不靠近I轴的正向或负向，端点可在向量图中发生旋转或者在某一任意相位差异角度上保持不动，锁频环可以推断出频率差异的幅值和正负，这就是锁频环鉴频的基本原理。

角频率的误差是通过相邻两个历元的相位差异变化率估算得到：其中，必须位于同一个数据的比特时延。频率锁定环路的基本原理2024/5/743

相干积分器的滤波带宽为，所以采用越长的的积分器具有越好的噪声滤波效果；当锁频环以相位差异作为鉴频器时，它的频率迁入范围宽（从到

），也就是说，越长的锁频环具有越小的频率迁入范围。因此，在锁频环中，仍需要在环路的噪声性能和动态性能之间做出平衡。频率锁定环路的基本原理2024/5/744

频率锁定环路的基本原理2024/5/745环路的锁定、捕获和跟踪1、环路的锁定没有输入信号时，VCO以自由振荡频率ωo振荡。有输入信号ui(t)时，刚开始ωi≠ωo。当某时刻，ωi和ωo接近到一定程度时，鉴相器输出一误差电压，经环路滤波器变换后控制VCO的频率，使其输出频率变化到接近ωi，且两信号的相位误差为φ（常数），这时环路锁定。2、环路的迁入从信号的加入到环路锁定以前，称环路的迁入过程。3、环路的跟踪环路锁定后，当输入基准信号的频率或相位发生某种变化时，由于环路的反馈控制作用，压控振荡器的频率和相位将随输入信号的变化而变化，使压控振荡器的频率与输入信号频率相同且相位差固定为（φ）。但变化范围是有限的。环路的同步带和捕捉带捕捉带环路能捕捉的最大的输入信号频率变化范围。同步带在环路已进入锁定状态后，压控振荡器能跟踪输入信号频率变化的范围。又称为PLL的同步特性或非线性跟踪特性。

频率锁定环路的鉴频方法2024/5/749

频率锁定环路的鉴频方法2024/5/750

锁相环与锁频环对比2024/5/751

锁相环与锁频环对比2024/5/752锁频环下辅助的锁相环是常见的组合方案，锁相环与锁频环同时工作。因锁频环滤波器所输出的频率差异需要积分才可以变成锁相环滤波器的相位差异，所以使用N-1阶锁频环辅助N阶锁相环。如图为二阶锁频环辅助三阶锁相环

码环设计2024/5/753

码跟踪环简称码环，一般采用延迟锁定环（DLL）。将通过复制一个与接收信号中的伪码（C/A码）相位相一致的伪码，然后让接收信号与复制伪码相乘相关，以剥离接收信号中的伪码，并从中获得GPS定位所必需的伪距这一重要测量值。主要是利用了C/A码的自相关性。

如果每一时刻只复制一份C/A码，那么由于缺乏可比性，码环难以判断复制的C/A码与接收信号的相关结果是否真的达到最大，所以码环一般复制三份（也可以是两份或更多），用EPL表示，分别是超前（Early）、即时（Prompt）和滞后（Late）

码环设计2024/5/754

码环设计2024/5/755相关器间距：

由于存在EPL三路，每路都含有I、Q支路，所以每个通道上原则上共有6个数字相关器，超前码输入到超前相关器，即时码输入到即时相关器，滞后码输入到滞后相关器。这三者相关器是等间距的，此处的间距是指复制得到的C/A码相位差异。若D表示超前与滞后相关器间距，d表示超前与即时相关器间距，则存在下述关系：一般情况下，d为1/2个码片。

码环设计2024/5/756补充： C/A码可以不用实时产生，可以选择查表的方式直接播放预先保存在记忆单元的C/A码序列。

码数控振荡器的分辨率与其字长有关，输出的时钟信号用来驱动码发生器，不必像载波滤波器还经过正弦和余弦查询。

码环鉴相原理2024/5/7570.5码片0.5码片即时码早码晚码-111-1-11ttt

码环鉴相原理2024/5/758在整个跟踪环路的位置示意

码环相关器与自相关函数2024/5/759相关器对x（n）和y（n）进行相关运算得到： N为参加运算的离散数据点个数，通常对应1ms采样数据量

相关器是由乘法器和加法器组成。载波混频结果与复制的C/A码相关后，以p路为例，得到相关结果：

码环相关器与自相关函数2024/5/760

码环相关器与自相关函数2024/5/761此时：

码环非相干积分2024/5/762

相干积分与非相干积分区别2024/5/7631、相干积分的输入数据率至少在1000Hz以上，所以相干积分一般由高速运行的积分-清除器硬件完成，输入数据率较低的非相干积分由软件完成。2、相干积分收到数据比特跳变和频率跟踪误差的影响，非相干积分则不受这些影响，这使得接收机在相干积分后可以长时间的非相干积分。3、非相干积分会产生相干积分没有的平方损耗，这有时限制了非相干积分的应用。

鉴相方法的种类2024/5/7641、非相干超前减滞后幅值法（常用）假设自相关幅值最大为1，实际大于1，进行单位化2、非相干超前减滞后功率法3、似相干点积功率法（计算量低于前两个，省去平方）4、相干点积功率法（忽略Q路）

载波环与码环组合2024/5/765

载波环与码环组合2024/5/766

码环可以接收载波环的辅助，同样载波环可以接受外界姿态辅助，可以来自于惯导。当外界惯导系统独立自主的获得当前运动速度后，可以根据速度预测出多普勒频移变化量，进而准确、及时的调整载波数控振荡器的输出频率，这种结合方法就是深组合。而接收机本身计算得到的速度定位值有1-2s的延时，无法用来辅助接收机载波环。

多通道信号之间拥有一定的相关性，产生了向量式锁频环（VFLL）通常将接收机不同信道的各锁频环通过一个卡尔曼滤波器联系一起，使得卡尔曼滤波器可以根据各通道的载波鉴别结果和码鉴别结果直接定位，利用同一个定位结果信息来控制各个通道上的载波数控振荡器和码数控振荡器。载波环与码环组合2024/5/767为什么要进行锁定检测

考虑到信号阻挡，卫星升降、用户运动、接收机基准频率漂移和外来干扰等因素，接收机跟踪环路发生对信号的失锁和锁定现象是不可避免的，并且在一定环境下可能会频繁发生。

如果跟踪环路对信号锁定，那么接收机不但应该让跟踪环路继续正常运行，而且他们的相位积分器所输出的GPS测量值还应当送给定位模块进行结算；否则，如果跟踪环路对信号失锁，那么接收机应该让跟踪环路停止输出无效的GPS观测值。

可以实时检查跟踪环路的状态是否与环路在正常跟踪信号时的状态相吻合。锁定检测2024/5/768

锁定检测的方法2024/5/769

为了调出导航电文数据比特或为了组装成伪距测量值，在跟踪之后，还需要完成位同步，即从接收信号中找到数据中找到数据比特的边缘，接着再实现帧同步，即从接收信号中找到子帧起始边缘。

虽然码环可以找出当前信号在一个C/A码周期中位置，但1个数据比特有20个C/A码周期，所以无法确定是哪个C/A码周期。位同步又称为比特同步。是接收通道根据一定算法确定当前接收信号在某一个数据比特的位置，或者等价于确定接收信号中比特起始边缘位置。位同步2024/5/770

如果载波环相干积分为1ms，那么鉴别器在鉴相或鉴频时输出1ms的数据比特电平值。但由于卫星导航电文中每数据比特持续20ms，所以将20个1ms组成1个20ms宽的正常数据比特。位同步直方图法位同步2024/5/771

位同步2024/5/772硬件位同步：

接收机利用20个并行相关器及其相关支路对接收信号进行长度均为20ms的相干积分，其中关键是让这20个相关价值路上的相干积分起始沿分别相差1ms，然后检查20个相干积分结果的信噪比。若某条相关支路上的相干积分结果信噪比最小，则相应的相干积分起始沿必定与比特起始沿差