3  信号跟踪原理

GPS接收机的每条通道对接收到的卫星信号的处理过程可以四个阶段：分别为捕获、跟踪、位同步和帧同步，如下图所示。

图 3。1  信号通道处理信号的四个阶段

接收机在跟踪之前，首先要捕获到该卫星的信号。搜索捕获到各颗可见卫星的信号后，从中获取当前对这些卫星信号的载波频率和C/A码相位的粗略估计值，然后进入跟踪阶段。

在跟踪阶段，跟踪环路通过相位误差的反馈一步步精确计算载波频率和伪码码相位，同时输出各种GPS信号的测量值，再同时解调出信号中的导航电文数据比特。信号跟踪环路实际上是由两个部分组成：跟踪载波的载波跟踪环路和跟踪信号中伪码的码跟踪环路。文献综述

3。1  载波环

载波环的目的是将接收的GPS卫星信号复制一个模板，尽量使复制信号与接收到的一致，然后通过环路中的混频部分将信号中的载波彻底的剥离。如果复制的载波与接收的载波不一致，接收信号中的载波就不能完全剥离，不能下变频到基带，而且码环所得的C/A码自相关幅值也会受到削弱。为了彻底剥离输入信号中的载波，环路中一定要包含一个混频器。如果载波环通过检测其复制载波与输入载波之间的差异，然后调节复制载波的相位，使其一致，这种载波环的方式叫做相位锁定环路。如果通过检测两者的频率差异，调节复制载波的频率使其一致，这种方式叫做频率锁定环路。

相位锁定环路（PLL）简称锁相环，它通过环路反馈不断的调整输出信号的相位，从而使输出信号与输入信号之间的相位时刻保持一致。当输入输出信号的相位基本保持一致时，锁相环进入锁定状态。当输入输出信号相位未达一致但趋于一致时，称为运行在牵入状态。锁相环主要包含三个部分，分别是相位鉴别器、环路滤波器和压控振荡器。

锁相环的输入信号和压控振荡器产生的输出信号分别表达成

图 3。2  锁相环的基本构成

锁相环的任务就是使它的输出信号与输入信号之间的相位保持一致，使得输出信号成为输入信号的一个副本，来剥离GPS信号上的载波信息。

鉴相器用来鉴别输入信号与输出信号之间的相位差异，它可以是一个简单的乘法器，则鉴相结果信号等于

Kd为鉴相器的增益（3。4）

锁相环进入锁定状态后，其输出信号的角频率非常接近与输入信号的角频率

第二个部分是环路滤波器。它通常是一个低通滤波器。它可以使得滤波结果能较为准确的反应输入信号的相位变化。同时，环路滤波器可以降低环路中的噪声，从而防止压控振荡器被过度的调节。由于环路滤波器是一个低通滤波器，所以鉴相器的输出结果经过滤波后的结果可以表达为

若输入输出信号的角频率相等，则就等于初相位的差异。虽然输入信号的初相位通常会随着时间而变化，但当信号被锁相环锁定时，输出信号的角频率等于输入信号的角频率，并且输出信号的初相位值也很接近输入信号初相位值，所以相位差很接近零。那么环路滤波器在锁相环锁定时的输出信号表达式可以写成

在鉴相结果得到滤波后，环路滤波器的输出信号接着作为输入到压控振荡器的控制电压信号。压控振荡器能产生一定频率的周期震荡信号，且其频率变化量与控制信号的大小成正比。

将上式左右同时积分，得到初相位的变化量来自~优尔、论文|网www.youerw.com +QQ752018766-

只要锁相环输入与输出信号之间的相位存在一个不等于零的差异，那么鉴相结果滤波值随后就会相应的调整压控振荡器输出信号的频率。跟踪环路通过不断的鉴别输入输出信号的相位差来调整所输出的信号的相位，从而保证两者的相位时时刻刻都保持一致。