从零开始研发GPS接收机连载——7、跟踪模块概述和设计

FPGA十年老鸟

已于 2022-05-03 21:04:51 修改

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分类专栏： GPS接收机研发文章标签： GPS接收机

于 2022-05-03 20:45:59 首次发布

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本文详细阐述了GPS接收机的跟踪环路原理，包括载波环与码环的作用，PL端相关器的设计流程，以及PS端FLL、PLL和DLL的具体实现。重点介绍了环路滤波器的选择和调试要点，旨在帮助读者理解跟踪环路在接收机中的关键作用和调试策略。

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前言

在之前的捕获阶段能获得对卫星信号载波和伪码相位的一个粗略的估计，在跟踪阶段则是逐步精细对这两个信号参量的估计，也就是说，接收机对信号的跟踪是一个与该信号同步的二维信号的复制过程。

跟踪环路概述

载波环的目的是尽力使其所复制的载波信号与接收到的卫星信号相一致，从而通过混频机制彻底的剥离卫星信号中的载波，从中获得对接收载波信号的相位或者频率测量值。若复制的载波与卫星载波不一致，则接收的信号就不能被彻底的剥离，也就是说接收信号不能被下变频到真正的基带，从而也会影响到伪码的自相关幅值。

码环的主要功能是保持本地复现的伪码与接收伪码之间的相位一致，然后让两者做相关运算，从而剥离接收信号中的伪码，最终得到对接收信号的码相位及其伪距测量值。基于导航信号的伪码都具有良好的自相关特性，码环可以通过相关检测其复现的伪码与接收伪码的一致性程度，从而调整复现码的相位，从而达到相位一致的目的，同时，其接近正交的互相关特性，可以将不同的卫星信号有效的区别开来。

码环通常采用延迟锁定环DLL，使得本地复制的码与接收到的码相位几乎完全一致，其偏差程度影响伪距，从而影响定位精度。

载波环通常使用频率锁定环FLL+相位锁定环PLL的方式，最终目的是本地载波与接收到的载波相位完全一致

同时由于基带信号中存在数据调制，PLL通常采用对数据跳变不敏感的科斯塔斯（Costas）环的形式。

跟踪环路设计

PL端相关器设计

经过捕获模块可以知道当前接收机能检索到的卫星的编号、信号的多普勒频移和信号的码相位，接着需要进入跟踪环路对信号进行跟踪。跟踪的大体流程可简单地描述如下：作为输入的数字中频信号首先与载波环所复制的载波混频相乘，其中在I支路上与正弦复制载波相乘，在Q支路上与余弦复制载波相乘；然后，在I支路和Q支路上的混频结果信号i和q又分别与码环所复制的超前、即时、滞后三份C/A码做相关运算；接着，相关结果iE、iP、iL、qE、qP和qL经积分-清除器后分别输出相干积分值IE、IP、IL、QE、QP和QL给软件进行载波鉴别和码环鉴别，对鉴别的结果进行滤波，最后将滤波后的结果再反馈回来调节各自的载波数控振荡器和C/A码数控振荡器的输出相位和频率等状态，使接收机所复制的载波和码环与接收载波和码环保持一致。
由PL端负责的功能实现框图如下图

在这里插入图片描述

PL与PS的数据交换主要是通过对寄存器的读写实现的，处理器通过对对应的寄存器配置为相应的值，就可以实现对PL工作模式的控制。PL将结果也是存放到相应的寄存器中，处理器通过读取对应寄存器就可以知道PL的处理结果和工作状态。
跟踪模块的积分器有三个，也就是分别对超前、即时和滞后三个半码相位的信号进行积分。