基于锁频环辅助锁相环的载波跟踪方法研究.pdf

2024年4月第2 期现代导航97基于锁频环辅助锁相环的载波跟踪方法研究王宇琦，张佩华（中国电子科技集团公司第二十研究所，西安7 10 0 6 8）摘要：载波跟踪的目的是尽力使复制的载波信号与接收到的信号保持一致，从而能够很好地剥离卫星信号中的载波。因此，载波跟踪环路的跟踪精度很大程度决定了最后的定位测量精度。考虑到卫星等载体的高动态性带来的多普勒频移，跟踪环路需要同时具有较好跟踪精度和动态性能。因此，环路需要同时利用锁频环对信号具有较好的动态适应性和锁相环对信号具有较好的跟踪精度的特点。首先分析了锁频环和锁相环的原理，基于此采用了基于阈值调整的二阶锁频环辅助三阶锁相环的方法，最后利用Matlab对该算法进行仿真。结果表明跟踪环路能够较快地对信号进行跟踪的同时也具有较好的跟踪精度。关键词：载波环路；锁相环；锁频环中图分类号：TN967文献标志码：A文章编号：16 7 4-7 9 7 6-(2 0 2 4)-0 2-0 9 7-0 5Research on Carrier Tracking Method Based on FLL Auxiliary PLLWANG Yuqi,ZHANG PeihuaAbstract:The purpose of carrier tracking is to make the duplicated carrier signal consistent with the received signal,so as tostrip the carrier from the satellite signal.Therefore,the tracking accuracy of the carrier tracking loop determines the final positioningaccuracy to a large extent.Considering the Doppler frequency shift caused by the high dynamic characteristics of satellites,thetracking loop requires good dynamic performance while also having good tracking accuracy.Therefore,the loop needs tosimultaneously utilize the characteristics of Frequency-Locked Loop(FLL)with good dynamic adaptability to the signal andPhase-Locked Loop(PLL)with good tracking accuracy to the signal.The theory of FLL and PLL is analyzed,and based on this,adopts a method of using a second-order FLL assisted by a third-order PLL based on threshold adjustment.Finally,the algorithm issimulated by Matlab.The results show that the tracking loop can track the signal faster and has better tracking accuracy.Key words:Carrier Loop;Frequency-Locked Loop;Phase-Locked Loop否可以彻底被剥离，从而决定了最后的定位测量0引言载体在运动情况下带来的多普勒频移可能会导致载波环路在跟踪阶段失锁，载波环路的作用主要是使其所复制的载波信号与接收到的信号保持一致，能够利用混频彻底地剥离接收信号中的载波。因此载波环路的跟踪精度决定了接收中的载波是收稿日期：2 0 2 4-0 2-2 8。王宇琦（19 9 3.11一），陕西西安人，硕士，工程师，主要研究方向为区域导航。精度。为了保证载波跟踪环路的动态性能，只能尽量使跟踪环路具有较大的带宽，而带宽过大又会导致跟踪精度下降。载波跟踪环路通常是由锁频环（Fr e q u e n c y-Lo c k e d Lo o p，FLL）和锁相环（Ph a s e-Lo c k e d Lo o p，PLL）组成。FLL在低动态时具有较好的跟踪精度，但若多普勒频移较大时，就必须增加环路带宽，环路带宽变大就会造成跟踪精度下降。而FLL具有较好的动态性能，但是跟踪98精度比PLL差。针对以上问题，文献1 采用了锁频环与锁相环联合的载波跟踪方式，但是并没有考虑到锁频环与锁相环如何切换的问题。文献2 提出了用门限判断的方式对锁相环和锁频环进行切换，但并没有详细地分析门限判断的方式。而文献8 对二阶锁频环辅助三阶锁相环的跟踪误差进行了分析，表明了该环路构型的可行性。因此，本文考虑到 FLL的动态性能优于PLL,而 PLL 的跟踪精度又优于 FLL 的特性，提出了一种基于阈值调整的二阶FLL辅助三阶PLL的载波跟踪算法。1 基于二阶FLL辅助三阶PLL的载波跟踪原理分析若在较窄的噪声宽带下，载波跟踪环路可以采用PLL，环路能够较好地对信号进行跟踪，输出的载波相位测量值也较为准确，具有低误码率等特点。相反，若噪声带宽较大，载波跟踪环路可以采用FLL，环路虽然较PLL的载波跟踪环路跟踪误差较大，但是具有较好的动态适应性，可以更好地容忍载体的高动态，对导航电文的比特跳变也不敏感。因为低一阶的FLL可以达到比自身高一阶PLL的效果，一般采用三阶PLL与二阶FLL相结合的方式。1.1 PLL与FLL的工作原理载波跟踪环分为PLL和FLL两种。其中PLL主要是用来调节本地载波的相位输出与输入信号的相位始终保持一致。当输入、输出信号的相位差趋向于零的过程，称为PLL运行在牵入状态。PLL主要由三部分构成：相位鉴别器（Phase Detector，PD）、环路滤波（Loop Filter，LF）以及压控振荡器（Voltage-Controlled Oscillator，VC O）。载波跟踪环结构图如图1所示。PDLF图1PLL跟踪环路结构图现代导航其中科斯塔斯环（Costas）可以解决一般PLL对导航电文数据相位跳变过于敏感的问题，能够被广泛应用到导航接收中用于实现载波跟踪。因此本文的PLL同样采用Costas环。Costas 环原理结构图如图2 所示。90相移图2 Costas 环原理结构图FLL与PLL的区别主要在于鉴别器提取环路误差控制量的方法。FLL主要跟踪载波频率，通过鉴频器输出多普勒频移误差信号，而PLL直接对载波相位进行跟踪，鉴相器输出相位误差信号。常用的载波跟踪环种类较多，主要区别在于所用的鉴频器和鉴相器种类。1.2二阶FLL辅助三阶PLL的载波跟踪原理分析当频差较大的时候，通过FLL快速牵入信号，当信号被牵入到稳定跟踪状态后，通过阈值判断，将环路切换到PLL状态，PLL对信号相位进行精确的跟踪。动态阈值主要通过调整频差和相差的权值，来调整环路的工作状态。载波跟踪时间线如图3所示。FLL转换时间FLL过渡到PLLFLL,FLL,粗糙二阶环精细二阶环三阶环，牵引三阶环，位同步图3二阶FLL辅助三阶PLL的跟踪时间线首先，跟踪环路收到捕获完成后传来的数据信息并开始启动，因为初始的载波频率估计值与其真VCO实值存在较大误差，所以在这个阶段PLL不适宜快速地牵入，而FLL却能较轻松地应对这种频率跟踪误差，能更快地将信号牵入到稳定跟踪状态。接下来，当输入的本地信号与压控振荡器反馈回来的信号进行相关后进行门限判决，若频偏值小于门限值2024年低通滤波器VCO低通滤波器PLL牵引时间PLL,LFPLL,第2 期时，表明载波环以FLL的形式闭合并且锁定信号，则环路进入PLL工作状态，即为纯PLL模式，使载波环在锁定信号的前提下尽可能多的时间内输出纯PLL的精确相位测量值。载波跟踪环工作流程如图4所示3。输入信号相关器阅值判断鉴频器PDLFVCo图4二阶FLL辅助三阶PLL的载波跟踪流程图2二阶FLL辅助三阶PLL算法设计2.1鉴相器的设计采用二象限反正切算法，该算法在高和低信噪比时，都是最佳算法，斜率与信号幅度无关4。即=atan(Qp/I,)(1)式中：为输出角度；Q,为Q路信号；I,为I路信号。2.2鉴频器的设计频率是相位的微分，这里为了得到载波相位在单位时间内的变化情况，引入点积dot和又积cross，根据连续两次的积分累加结果对叉积和点积作以下定义cross=Ip(k-1)Qp(k)-Ip(k)Q,(k-1)dot=Qp(k)Qp(k-1)-I p(k)I,(k-1)王宇琦等：基于锁频环辅助锁相环的载波跟踪方法研究式中，t，表示单位时间。2.3滤波器的设计载波跟踪环路的系统函数为KF(s)SH(s)KF(s)s+KF(s)1+S式中：K为环路总增益；F(s)为环路传递函数。从式（5）可以看出载波跟踪环路的性能基本由滤波器决定。下面分别讨论二阶与三阶环路的滤波器。1）二阶环路设环路的传递函数F(s)为F(s)=25+1ST1时，该环路为二阶环路，则系统函数H(s)为K25+11H(s)=S+KT25+12+250s+02T1式中：为固有频率；为阻尼系数，分别定义为K(8)V10t22从式（8）和式（9）可知，和两个参数决定了跟踪环路的性能。根据和的定义，可将F(s)改写为(2)F(s)=K(3)根据式(10)可得到滤波器方框图如图5所示。99又积鉴频器对导航数据的电平跳变比较敏感，可以引入符号函数来检测电平跳变以消除电平跳变的影响，该算法除了对电平跳变不敏感其他方面完全相同，算法表达式为cross sign(dot)fe(n)=-(tn-tn-1)cross?+dot2KF(s)250s+02(2E0+2S(4)(5)(6)(7)(9)(10)100.现代导航2.4阅值设计1/K1/s2024年构造归一化的判决因子为20P=ln(k)-0,(k)2(12)1,(k)2-Q,(k)2图5二阶环路滤波器方框图2）三阶环路三阶环路的结果如图6 所示，环路的传递函数F(s)为(11)Hb0K1/K1/sbao图6 三阶环路滤波器方框图33）二阶FLL辅助三阶PLL的环路滤波器FLL滤波器输出的频差信号经过积分后能够成为PLL滤波器输出的相差信号，因此根据二阶环路和三阶环路的滤波器结构可得到二阶FLL辅助三阶PLL的环路滤波器Z域结构图0，如图7 所示。将判决因子P与固定门限值E进行比较，动态调整频率误差权值与相位误差的权值，具体如下所示：当判决因子P大于门限值E时aa?PSS1/s1403TT+E1当判决因子P小于于门限值E时PE123算法仿真使用Matlab对系统进行仿真，载波跟踪环路各参数设定如表1所示。表1载波跟踪环路各参数设定阻尼系数0.707特征二阶环路频率三阶环路固定门限值E+(13)(14)33.9622.940.8假设载波信号频率为2 0.46 MHz，采样频率为83MHz，初始频差为10 kHz。1/2a2260Tbo图7 二阶FLL辅助三阶PLL的Z域滤波器方框图载波跟踪环路运行到第40 0 ms时候，可以稳定跟踪载波。从第40 0 ms后，载波跟踪误差在10 0 Hz内。载波跟踪环路输出频率和误差分别如图8 和图9 所示。X102.0482.0472.046ZH/率源2.0451/22.0442.0432.0422.0410 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 900 950 1 000仿真次数图8 载波跟踪环路输出频率第2 期500-50-100-150ZH/李源-200-250-300-350-400-450300350400450500550600元6 50 7 0 0仿真次数21.510.500.5-1.524结语研究表明，载波环路采用FLL与PLL相结合的方式，可以使得环路能够快速地锁定信号，同时也具有较好的跟踪精度。因此，本文首先分析了FLL和 PLL的原理，确定了FLL采用二阶环，PLL采用三阶环路。随后设计了一种根据阈值动态调整的二阶FLL辅助三阶PLL的载波环路跟踪方法。通过Matlab仿真可以看出，本文提出的载波环路跟踪方法可以快速地对信号进行跟踪，可以作为一种高动态环境下的信号跟踪解决方案。王宇琦等：基于锁频环辅助锁相环的载波跟踪方法研究7508008509009501.0002004006008001 00012001.40016001.8002.000仿真次数图9载波跟踪环路频差、相差:101:参考文献：1王兰芳，吴长奇，高秀英.基于FLL与PLL级联的高动态载波跟踪技术 电子测量技术，2 0 0 9，34（3：25-27.2沈锋，徐定杰，薛冰.基于FLL_PLL相结合的载波跟踪在导航接收机中的应用J中国航海，2 0 0 4，59（2)：51-53.3FloydM.Gardner.锁相环技术M。姚剑清译，北京：人民邮电出版社，2 0 0 7.4Roland E.Best.锁相环设计仿真与应用M李永明译,北京：清华大学出版社，2 0 0 7.5 Jun Ma,Mike Li,Mark Marlett.A new measurement andanalysis for a third orderphase locked loop(PLL)transferfunctionCJ/International Test Conference,2005:1-10.6 赵婉璐.BDS接收机捕获与跟踪方法的研究D.南京：南京理工大学，2 0 14.7】王熙新体制导航信号的高动态捕获和跟踪算法设计D.成都：电子科技大学，2 0 17.8王俊，李加琪，吴嗣亮。锁频环辅助下锁相环的跟踪误差分析.北京理工大学学报，2 0 11，7：8 38-8 43.9】谢钢.GPS原理与接收机设计M.北京：电子工业出版社，2 0 0 8.10郑兴平，寇艳红，高动态GPS接收机跟踪环路设计与实现 测控遥感与导航定位，2 0 10，40（1)：6-2 7.(上接第9 6 页)11 Watson R M,Gross J N.Robust navigation in GNSSdegraded environment using graph optimizationCJ/Pro-ceedings of the 30th international technical meeting of thesatellite division of the institute of navigation.2017:2906-2918.12 Ge Y,Wang X.The Factor Graph Information FusionAlgorithm With Time-varying Noise Estimate forAll-Source Navigation SystemCJ/2021 IEEE/AIAA 40thDigital Avionics Systems Conference（D A SC).IEEE,2021:1-6.13 Wei X,Li J,Zhang D,et al.An improved integratednavigation method with enhanced robustness based onfactor graphJ.Mechanical SystemsandSignalProcessing，2 0 2 1,155:10 7 56 5.14 Zhang L,Wu X,Gao R,et al.A multi-sensor fusionpositioning approach for indoor mobile robot using factorgraphJ.Measurement,2023,216:112926.15王慧哲.基于多信息融合的无人机全源导航关键技术研究D.南京：南京航空航天大学，2 0 17.16 Qin H,Wang X,Wang G,et al.A novel INS/USBL/DVLintegrated navigation scheme against complex underwaterenvironmentJ.Ocean Engineering,2023,286:115485.17张兴学.基于因子图的多传感器信息融合导航算法研究D哈尔滨：哈尔滨工业大学，2 0 18.