GNSS载波环辅助码环的机理

GNSS载波环辅助码环的机理随着各国对卫星导航系统的重视，卫星导航接收机的技术得到了很大的发展。各种形式 的接收机得到了广泛应用，其影响已经渗透到社会各个领域。高动态GNSS接收机在航空、 航天等领域的应用也越来越多，比如导弹制导，航天器的测姿定位等。由于该技术涉及到军 事敏感领域，国外的高动态GNSS接收机技术很少公开。因此，自主研发基于高动态的GNSS 接收机是非常有意义的。高动态接收机设计的主要难点就是载波环和伪码环的跟踪算法。在 常规跟踪环路中，为了能够承受高动态应力，需要采用阶数高的环路，而且环路带宽需要设 得宽些。但由于大带宽会引入更多的噪声，使接收机的定位精度下降，因此两者很难同时兼 顾。在GNSS接收机中，伪码跟踪环从理论上分析，其跟踪性能要比载波环要好很多，而且 采用载波环辅助的方式，所以高动态应力对于码环来说不是大的问题。在GNSS接收机中， 承受高动态应力的主要是载波环，而不是码环。所以本文主要分析GNSS接收机中的载波环 在承受高动态应力时的性能。GNSS接收机中的载波环用于跟踪输入信号，并提供精确的载 波相位测量。载波环的跟踪性能和测量精度受到很多因素的影响，比如信噪比，动态应力, 接收机频率颤动以及阿伦方差。在所有这些因素中，热噪声和动态应力是影响载波跟踪的最 主要因素。目前的数字GPS接收机中，对于相同的环路滤波器噪声带宽，载波环抖动的噪声低于码环 大约3个数量级，因此，接收机中普遍通过载波辅助DLL,使载波辅助码跟踪的应用将动态应 力负担加在了载波跟踪环上，降低了码环滤波器阶数，同时DLL不需要跟踪所有的动态，使 得非常窄的噪声带宽DLL进行最精确的伪距测量，提高了导航定位的精度。但由于码和载波 必须保持同时跟踪，以便接收机通道能够工作，所以码载波辅助并不改善GPS接收机的抗干 扰性。在无辅助的GPS接收机中，载波环通常是弱链接。为了提高GPS接收机的抗干扰能力， 一般采用外部导航辅助增强技术，对GPS接收机的载波跟踪环提供速度辅助，以允许载波环 滤波器噪声带宽从18Hz降至2Hz,保持与码跟踪环的相同，如图接收机处理器基带码和载波跟踪环至码助码I 码比俐因子I相器码环和载波环跟踪技术是在数字GPS接收机通道和接收机处理器中实现，在数字GPS接收机通 道和接收机处理器中，通过外部导航（如惯导系统）向载波跟踪环提供速度辅助，再由载波 跟踪环向码跟踪环提供辅助，从而使GPS接收机的抗干扰能力增强。GPS接收机的码环和载波 环的抗干扰特性是通过窄的码环和载波跟踪环滤波器带宽及接收机的预检测带宽来改进，以 减少带宽降低通道的动态范围。载波环跟踪机理1. 在信号接收端，如果接收机内部能同时复制出相应的载波与伪码信号，并且两者又分别与 接收到的该卫星信号中的载波和伪码保持同步与一致，那么复制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频到基带，而复制码与接收信号进行相乘可以实现伪码剥离及 信号解扩，这时在接受信号中剩下的便只是数据码。在跟踪信号的同时，接收机可以根据复 制载波信号的参数获得该卫星信号的多普勒频移和载波相位测量值，又可以根据复制伪码的 参数获得该卫星信号的码相位和伪距测量值。2. 由于卫星与接收机之间的相对运动以及卫星时钟与接收机晶体振荡器的频率漂移等原因 接收到的卫星信号的载波频率和码相位会随时间的推移而变化，并且这些变化通常又是不可 预测的，因而信号跟踪环路一般需要以闭路反馈的形式周期性的连续运行，以达到对卫星信 号的持续锁定。信号跟踪环路实际上是由载波跟踪环与码跟踪环两部分组成，分别用来跟踪 接收信号中的载波与伪码。3. 载波环的目的：尽力使其所复制的载波信号与接收到的卫星载波信号保持一致，从而通过 混频机制彻底的剥离卫星信号中的载波。若所复制的载波信号与接收到的卫星载波信号不一 致，则接收信号中的载波就不能被完全地剥离，也就是说接收信号不能下变频到真正的基带。 并且，码环所得的C/A码自相关幅值也受到削弱。4. 为彻底剥离数字中频输入信号中的载波，使其从中频下变频到基带，载波环必定含有一个 混频器，并且它所复制的载波必须与输入载波保持一致。如果载波环通过检测其复制载波与 输入载波之间相位差异，然后在相应的调节复制载波的相位，是两者的相位保持一致，那么 这种载波环的实现形式称为相位锁定环路；如果载波环通过检测其复制载波与输入载波之间 的频率差异，然后在相应的调节复制载波的频率，是两者的频率保持一致，那么这种载波环 的实现形式称为频率锁定环路。5码环、载波环分别彻底的剥离了数字中频信号中的C/A码和载波后，尚留存在接收信号中 的则是完整无缺的导航电文数据比特为了将导航电文数据比特通过BPSK机制解调出来并且 在将一系列比特组成字，接收机在进入信号跟踪阶段后还需要完成位同步和帧同步，只有找 到了数据比特边沿以实现位同步，接收机才能将接收信号一比特接着一比特的划分开来。在 实现位同步后，只有找到了子帧边沿以实现帧同步，相邻的每30个数据比特才能被正确的划 分成一个个有结构意义的字，并最终从字中解译处有实用价值的导航电文参数。我波坏对码环的战波轴助-般GPS接收机载液跟踪环方框图