1、1 中文 6200 字 出处： Jwo D J. Optimisation and sensitivity analysis of GPS receiver tracking loops in dynamic environmentsJ. IEE Proceedings - Radar, Sonar and Navigation, 2002, 148(4):241-250. 动态环境下 GPS 接收机跟踪环路的优化和灵敏度分析 D.-J.Jow 摘要： 对于 GPS 接收器 ,如果载体处于静态，那么减小接收机跟踪环路带宽就会减少失锁的概率。但是 ,在动态条件下，减小带宽则会增加跟踪误差。带宽的
2、减小超过一定限制时，更会导致动态跟踪性能的严重退化。因此 ,这就涉及 到两种对立因素之间的权衡 :由于热影响，需要有窄跟踪环路带宽来过滤噪声 , 但同时也需要宽跟踪环路带宽来保证跟踪载体动态。首先研究的最优跟踪环路带宽需要满足在特定动态环境中产生最小误差。线性卡尔曼滤波器被采用来设计最佳的估计量 。由于错误估计噪声水平，我们计算任意增益模型的协方差值并将其 应用于灵敏度分析，从而研究误差增长。数值模拟的结果也证实了理论的结果，而且这两种方式得到的结果十分吻合。 1 介绍 作用于 GPS 的伪码和载波的接收 机跟踪误差包括两个主要部分 :由热 噪声产生的噪声误差以及由不完整跟 踪载体动态所产生的
3、暂态误差。接收 器基带处理器设计的选择总是涉及到 权衡以下两种对立的因素，由于热影 响或干扰，需要窄跟踪环路带宽来过 滤噪声，然而 ,也需要宽的跟踪环路带 宽来保证跟踪由载体用户动态所引 起的信号的多普勒频移。 载波环或码环通常是用来选择合 适的带宽，在最大动态约等于环路锁 定的限制下，此带宽产生跟踪误差。 当 GPS 信号功率有限时 ,这一趋势似乎 使接收机跟踪环路带宽更窄。然而 ,这 增加了由载体 /用户动态所导致的跟 踪环路失锁的概率。因此 ,在同时考虑 低载噪比和用户动态时，跟踪环路阈 值存在一个基本的系统限制。因此， 重要的是要分析误差特性，确定最优 环路带宽，从而最小化总的跟踪误差
4、。 用来预测热噪声颤动的接收机噪 声模型 已被列举出来，如例 1-7。 动态应力误差也可以被精确的估计 4， 6， 7。对于特定的载噪比和用户动 态，这两个主要误差的总和存在一个 最小值。基于对误差的认识 ,可以确定 最小化跟踪误差的最优带宽的理论预 测值。所涉及的环境包括 GPS 有限的 信号功率以及在没有其他信息辅助下 的动态用户的干扰。错误的参数 (例如： 有意或无意的偏离设计点 )如何影响 误差的增长 ,称为 “ 灵敏度分析 ”, 也 被考虑在内。灵敏度分析涉及到对接 收信号载噪比的错误估计。理论方法 和数值模拟被采用来进行验证。 2 2 GPS接收机的跟踪环路 GPS 接收机包含一个
5、码跟踪环和 跟踪载波多普勒频移的载波跟踪环。 由码跟踪环得到的伪距提供位置修正 ; 由载波跟踪环得到的伪距率估计提供 速度修正。因为载波跟踪环的跟踪信 号频率远高于伪码跟踪环的跟踪信号 频率，所以接收机载波跟踪环路对动 态更敏感。如果载波跟踪环在动态过 程中失锁 ,那么码跟踪环随后通常也 会失锁。 一些设计使用载波环来跟踪动态 , 并提供有关动态的先验知识的码环， 但此类的码环不能揭示完整的动态过 程。也可以利用外部导航源 ,如惯性速 度 ,来帮助跟踪环路，从而消除大部分 的动态应力误差 ,比如可以使用一个 较小的带宽。更多关于惯性速度辅助 跟踪环的信息见于 9， 10。简化的 GPS 接收机
6、跟踪环路的结构图如 Fig.1 所示。 Fig.1 简化的 GPS 接收机跟踪环路方块 图 9 2.1 跟踪环路的传递函数 适用于分析载波环和码环的一般 框图如 Fig.2 所示。跟踪环路的闭环传 递函数为： （ 1 ） 开环传递函数为： （ 2） K0 表示压控振荡器 (VCO)增益系数， Kd 是相位检测器 /延时鉴别器增益系数。 传递函数 F(s)代表跟踪环路的环路滤 波器。环路滤波器通常是一个低通滤 波器，用于抑制从相位侦测器 /延时鉴 频器中产生的噪声和高频信号成分 , 并为 VCO 提供一个直流控制的的信号。 当 F(s)为 1 时，为一阶跟踪环路。在 二阶环路中，选择环路滤波器通常有 三个选项 :(简单的 )延迟滤波器、有源 滤波器和无源滤波器。带有滞后滤波 器的二阶环路通常被称为修正的一阶 环路而不是真正的二阶环路。当 时，带有无源滤波器的二阶 跟踪环
