基于载波频率辅助相位的GPS信号跟踪算法.docx
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基于载波频率辅助相位的GPS信号跟踪算法
基于载波频率辅助相位的GPS信号跟踪算法
摘要：
针对传统全球定位系统（GPS）接收机在高动态环境下跟踪性能不理想，提出一种基于载波频率辅助相位的GPS信号跟踪算法。
利用锁频环（FLL）辅助锁相环（PLL）的方式代替传统单一跟踪环路，通过卡尔曼（Kalman）滤波器对接收机各跟踪通道中频信号进行综合处理。
根据多条跟踪通道的伪距和伪距率残差对系统状态参量进行综合估计，并搭建Kalman滤波器的状态方程和量测方程，给出了跟踪环路反馈量，与传统标量跟踪模式下的跟踪性能进行了对比。
仿真结果表明，基于载波频率辅助相位的GPS信号跟踪算法进入稳态时间减小了100ms，位置误差精度提高了5m，速度误差精度提高了近3m/s，在接收机用户快速运动的环境下，能够很好地处理高动态信号。
关键词：
全球定位系统；高动态；跟踪环路；标量跟踪
中图分类号：
TP391.9
文献标志码：
A
Abstract：
TrackingperformanceoftraditionalGlobalPositioningSystem（GPS）receiverinhighdynamicenvironmentisnotideal，akindofGPSsignaltrackingalgorithmbasedoncarrierfrequencyassistphasewasproposedtoimproveit.Thetraditionalsingletrackingloopwasreplacedbyfrequencylockloopassistingphaselockloop，andintermediatefrequencysignalsinalltrackingchannelofreceiverwereprocessedusingKalmanfilter.Accordingtomanytrackingchannelpseudorangeandpseudorangerateresidual，comprehensiveestimationforsystemstateparameterswasgiven.ThesystemstateequationandmeasurementequationoftheKalmanfilterwerecreatedandthetrackingloopfeedbackwasgiven.Trackingperformanceofthetraditionalscalartrackingmodewascomparedwiththatoftheproposedmethod.ThesimulationresultsshowthattheGPSsignaltrackingalgorithmbasedoncarrierfrequencyassistphasegetsintothesteadystatewith100msdecreasing，theprecisionofpositionerrorisimprovedby5m，andtheprecisionofvelocityerrorisimprovedabout3m/s.Inthefastmovingenvironmentofreceiveruser，itcanbetterhandlethehighdynamicsignal.
英文关键词Keywords：
GlobalPositioningSystem（GPS）；highdynamic；trackingloop；scalartracking
0引言
全球定位系统（GlobalPositioningSystem，GPS）全天候、高精度的特点，已经在军用及民用领域内得到了广泛的应用[1]。
传统GPS接收机采用各自独立的跟踪通道跟踪不同的可视卫星，单独的锁相环（PhaseLockedLoop，PLL）噪声带宽较窄，导致高动态环境下容易失锁，单独的锁频环（FrequencyLockedLoop，FLL）则由于其较宽的噪声带宽而引入过多的各种噪声量[2-3]。
针对高动态环境下GPS信号跟踪问题，文献[4]利用变跟踪环路带宽技术，给出一种环路参数可调的载波跟踪环结构，能够很好地兼顾高动态和定位精度的要求，但其设计结构较为复杂；在高动态多普勒频率剧烈变化的环境下，文献[5]提出一种智能切换的混合载波跟踪算法，使FLL和PLL依据不同的动态环境交替工作，但其相位判定条件过于简单化；文献[6]对动态接收机载波多普勒进行了分析，并用软件接收机对二阶FLL和三阶PLL的跟踪性能进行了实验，然其并没有给出具体的设计思路和系统架构形式；为了提高标量跟踪环路的工作性能，Spilker首先提出了矢量跟踪思想[7]，各通道信号相互辅助，从而提高各通道输入信噪比；文献[8]给出了在不同动态模型下的矢量延迟/频率锁定环（VectorDelay/FLL，VDFLL），对其跟踪性能进行了详细分析；文献[9]在原有VDFLL结构的基础上作了进一步改进，提出了新的控制反馈量，能够处理动态应力为4g～8g的GPS信号；文献[10]利用设置双码时延间隔的方法来优化矢量跟踪性能，用矢量跟踪来弥补传统接收机在弱信号下的缺陷，稳定性得到增强，但其码环跟踪精度还有待进一步提高。
在高动态环境下，传统标量跟踪模式性能欠佳且容易失锁，现有关矢量跟踪的文献大多对弱信号进行了研究。
本文提出一种基于载波频率辅助相位的矢量跟踪算法，其核心思想是各通道利用二阶锁频环辅助三阶锁相环的方式代替传统GPS接收机中的FLL或PLL，扩大信号锁定范围，对高动态下多普勒频率进行精确跟踪，通过Kalman滤波器来完成信号跟踪和导航解算，将载波频率、码相位转换为伪距、伪距率作为量测信息，完成了对状态量的最优估计，与传统标量跟踪性能进行对比，验证所提方法正确性和有效性。
1载波频率辅助相位锁定环分析
GPS信号的多普勒频率是由卫星与接收机在视线方向上的相对运动引起的，而多普勒频率的变化率则是由视线方向上的相对加速度引起的。
在高动态环境下，载体的高速运动使接收信号载波多普勒频率随时间变化得非常快[11]。
常规接收机在高动态环境中，跟踪载波的多普勒频率是一个困难的任务。
FLL采用较宽的噪声带宽，动态性能好，更鲁棒地容忍用户的高动态应力且较快消除多普勒频率影响，但其跟踪信号欠紧密且跟踪精度不高。
PLL的噪声带宽较窄，抗噪声能力强，跟踪信号紧密，输出的载波相位测量值精确度高，但其对动态应力的容忍性较差。
因此本文提出采用二阶FLL辅助三阶PLL的方式，FLL能很好地跟踪高动态多普勒频率，将信号牵入到稳态跟踪状态，随后PLL利用FLL的跟踪结果进一步输出精确的载波相位测量值，图1为锁频环辅助锁相环（PhaseLockedLoop，PLL）结构。
2矢量跟踪
矢量跟踪方案融合GPS接收机所有跟踪通道信息，充分利用信号跟踪和导航状态解算之间的内在耦合关系[12]，统一跟踪所有可视卫星信号并完成定位解算任务，是一种比传统标量跟踪算法更加紧凑的接收算法，能全面提高接收机跟踪精度和鲁棒性。
矢量跟踪环路通过Kalman滤波器来完成闭合回路，码相位误差和各通道FLL辅助PLL输出的载波频率误差转换为伪距误差和伪距率误差，作为Kalman滤波器的量测信息对滤波器的位置、速度、时钟偏差和时钟频差状态参数进行估计，将估计值转化为载波频率和码相位的修正值，送入本地压控振荡器（NumericallyControlledOscillator，NCO），调整NCO的输出，从而形成闭合回路。
根据文献[13]绘制的矢量跟踪环路流程，整个工作流程如图2所示。
3仿真校验
为了验证本文提出基于载波频率辅助相位矢量跟踪算法的正确性，将该算法与传统GPS接收机工作下的跟踪性能进行对比，分析采用矢量跟踪与传统标量跟踪模式下的跟踪性能。
仿真条件选为：
GPSL1载波信号，频率为1575.42MHz，C/A码频率为1.023MHz，预检积分时间Tcoh=1ms，集中式滤波器更新时间选为20ms。
二阶FLL带宽选为3Hz，三阶PLL带宽选为10Hz，码延迟锁定环路带宽选为6Hz，信号起始多普勒频率为300Hz，多普勒频率变化率为1000Hz/s。
仿真实验结果如图3～6所示，其中坐标系采用东北天地理坐标系，本地纬线方向朝东为正，本地子午线方向朝北为正。
其中带有“×”号的实线表示预测值，另一条实线表示真实值。
图3为传统GPS接收机单独二阶FLL跟踪高动态多普勒频率，图4为基于载波频率辅助相位矢量跟踪下高动态多普勒频率情况。
从中可看出：
在多普勒频率快速变化的情况下，单独二阶FLL跟踪多普勒频率模式跟踪结果呈现出一条光滑曲线，逐步逼近真实值，在环路更新0.2s左右达到稳态值，且与真实值之间有恒定的稳态误差。
二阶FLL辅助三阶PLL跟踪模式在跟踪起始阶段出现小振幅的超调量，在环路更新0.1s左右达到稳态值，稳态时间要比前者减少100ms左右，比单独FLL跟踪模式更加快速，能够更快地处理高动态多普勒频率的变化情况，其鉴别误差在零值附近上下小幅震荡，稳定在一个很小的误差范围内。
从表1所示的两种跟踪模式下的跟踪性能数据对比情况可看出：
单独二阶FLL跟踪模式下频率误差标准差为75.26Hz，FLL辅助PLL矢量跟踪模式下则为42.31Hz，标准差明显高于后者，后者跟踪载波频率误差更小，跟踪精度更高。
从稳态时间上来看，前者稳态时间为0.2s，而后者只有0.1s，快速性得到体现，后者跟踪信号动态性优于前者。
图5为基于载波频率辅助相位矢量跟踪模式和传统标量跟踪模式在位置误差处的对比图，从中可看出：
传统标量跟踪模式在东方向上位置误差稳态值在8m范围内，北方向上位置误差稳态值在7m范围内。
基于载波频率辅助相位矢量跟踪模式位置误差控制在2m范围内，比传统标量跟踪模式具有更高的定位精度。
从图6所示的两种方法在速度误差处的对比可看出：
传统标量跟踪模式下东向和北向上速度误差值控制在3m/s范围内，而本文提出的基于载波频率辅助相位跟踪模式下速度误差明显优于前者，速度误差值稳定在0.5m/s的范围内，且速度误差更为收敛。
由此可以得出基于载波频率辅助相位的GPS信号跟踪算法下的跟踪性能更优于传统标量跟踪模式。
4结语
本文针对高动态环境下传统标量跟踪性能不佳，提出一种基于载波频率辅助相位矢量跟踪算法。
本文详细介绍了该算法的流程推导，将鉴别器的输出转换为伪距、伪距率，并将其作为Kalman滤波器的量测数据，建立了系统的状态方程和量测方程。
通过本文算法和传统标量跟踪算法在高动态环境下的性能仿真对比，可以得出：
基于载波频率辅助相位矢量跟踪算法能够更快地跟踪多普勒频率变化，且位置和速度跟踪精度比传统方法更高，更好地兼顾了动态性和跟踪精度的要求，该算法能够更好地处理高动态信号。
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