一种FLL辅助PLL的GNSS接收机矢量跟踪环路

高动态GNSS接收机载波跟踪环自适应最优带宽设计与试验唐康华;武成锋;杜亮;何晓峰【摘要】对于大多数高动态接收机，通常采用2阶FLL辅助的3阶PLL环路结构，由于存在FLL环路，导致跟踪精度的下降。

针对卫星接收机的动态性能和信号载波功率噪声密度比，在综合考虑接收机跟踪环路中的各种误差源（热噪声、晶振误差、动态牵引误差等）的基础上，采用自适应最优带宽技术，设计一种适用于高动态的3阶PLL载波跟踪环。

采用基于GPS数字中频信号的数字仿真和GNSS信号源对所设计的自适应最优带宽进行了验证，验证结果表明：在加速度为30g、过程中存在加加速度为30g/s的高动态情况下，采用18 Hz 3阶PLL不能对信号进行跟踪，而采用所设计的自适应最优带宽的3阶PLL环可以对信号进行可靠的跟踪；同时，和固定带宽接收机比较，所设计载波跟踪环环路能够跟踪50g的高动态Compass卫星信号，而采用固定带宽接收机失锁，并且定位精度优于1 m(2σ)，测速精度优于0.2 m/s(2σ)。

%For most GNSS receiver designs in high dynamic application, a second-order FLL aided 3rd order PLL is usually adopted as carrier tracking loop. Based on GNSS receiver dynamics and carrier power-to-noise density, the structure of GNSS receiver 3rd order PLL tracking loop for high dynamic applications was designed by using the adaptive optimal bandwidth method and taking the tracking errors(such as thermal noise, oscillator phase noise, dynamic stress error) into account. According to the designed adaptive optimal bandwidth method of the 3rd order PLL tracking loop, the digital simulation and test based GNSS simulator were performed. Simulation results show that on the conditionof 30g line-of-sight acceleration and 30g/s jerk high dynamics, thedesigned adaptive optimal bandwidth method can track GNSS signal well, but when using the 18 Hz fixed-bandwidth 3rd order PLL, carrier tracking lock will be lost. When using the GNSS simulator, test results show that the designed adaptive optimal bandwidth method can track 50g high dynamic compass signal, but the 18 Hz fixed-bandwidth compass receiver tracking lock will be lost. And positi on accuracy can reach about 1 m(2σ), velocity accuracy can reach about 0.2 m/s(2σ).【期刊名称】《中国惯性技术学报》【年(卷),期】2014(000)004【总页数】6页(P498-503)【关键词】GNSS接收机;自适应最优跟踪带宽;载波跟踪环;高动态条件;信号载波功率噪声密度比【作者】唐康华;武成锋;杜亮;何晓峰【作者单位】国防科学技术大学机电工程与自动化学院，长沙 410073;北京自动化控制设备研究所，北京 100074;宜昌测试技术研究所，宜昌 443003;国防科学技术大学机电工程与自动化学院，长沙 410073【正文语种】中文【中图分类】U666.1卫星导航定位系统是一种天基无线电导航系统，它通过测量若干颗已知星历的卫星至用户接收设备间的无线电延时来确定用户的位置。

基于FLL+PLL的载波跟踪环路设计摘要：载体的高动态所引入的多普勒频移给载波跟踪带来了很大的困难，研究了采用锁频环(FLL)+锁相环（PLL)相结合的方式进行载波信号跟踪，利用FLL对信号的动态适应能力较强的特点和PLL对信号有较好跟踪精度的特点，实现了动态信号的快速、精确跟踪。

同时，分析热噪声和动态对环路的影响，得到了环路最优带宽。

理论分析以及仿真结果表明，该方法可以实现载波的精确跟踪。

o引言在深空探测的过程中，高动态的运动环境使运载器之间产生较大的多普勒频率和多普勒变化率。

针对高动态的运动环境，更好地完成对信号载波相位精确跟踪的前提是设计一个可承受动态能力的载波相位跟踪环路。

载波的同步分为载波的捕获和载波的跟踪，载波的捕获可以获得粗略的载波频率。

基于锁相环（PLL)具有良好的相位跟踪精度和抗噪声能力,通常情况下采用PLL完成对信号稳定精确的跟踪。

但是在大动态的情况下，PLL的跟踪精度会降低，只能通过加大环路带宽来应对。

带宽的加大必然会引起噪声的增加，因此还会影响到跟踪相位的精度。

锁频环（FLL)应对动态信号的能力比PLL要强，但是其跟踪精度要弱于PLL，所以，应对大动态环境的环路跟踪设计采用FLL + PLL的方式，利用FLL进行载波频率的跟踪，利用PLL完成载波相位的跟踪。

本文是基于某连续波雷达信号处理器通道跟踪处理研制，其工作环境处于高动态环境下，并且对跟踪精度的要求很高。

因此，在载波环路的设计中采用FLL+PLL,以满足环路跟踪的精度和动态。

1环路基本原理设中频信号经混频，积分清除后得到的信号错误！未找到引用源。

错误！未找到引用源。

式中：T s为采样时间；N为积分清除点数；错误！未找到引用源。

n I为带限白噪声，错误！未找到引用源。

为多普勒角频率残差。

针对运载器处于的不同运动状态，多普勒频率可以表示为错误！未找到引用源。

式中:错误！未找到引用源。

为多普勒频率，由运载器的匀速运动产生.错误！未找到引用源。

第 21 卷 第 11 期2023 年 11 月太赫兹科学与电子信息学报Journal of Terahertz Science and Electronic Information TechnologyVol.21，No.11Nov.，2023一种高动态弱GNSS信号跟踪解调算法研究与实现吴军伟，梁涛涛，王川(中国工程物理研究院电子工程研究所，四川绵阳621999)摘要：在某些高动态弱信号场景中，载波相位难以锁定。

为实现对高动态弱全球导航卫星系统(GNSS)信号的跟踪，考虑锁频环较锁相环更为鲁棒，提出了一种基于锁频环(FLL)+差分解调的算法，实现对GNSS信号的跟踪和解调。

该算法采用二阶FLL实现对卫星信号的频率进行跟踪，差分解调算法实现对比特数据的解调。

工程应用上，算法采用现场可编程门阵列和数字信号处理器(FPGA+DSP)的架构实现，在FPGA中实现信号的跟踪信号的前处理，在DSP中实现跟踪环路算法、位同步和差分解调。

本文在Matlab平台中实现算法的仿真，通过模拟器平台和对天接收真实的GNSS信号对算法进行验证。

仿真结果与实验结果表明，该算法在高动态弱信号条件下能实现对卫星信号的稳定跟踪和数据的解调，克服了锁相环难以锁定导致数据无法解调的难题，最终实现GNSS信号在该条件下的位置、速度和时间(PVT)解算。

关键词：高动态弱GNSS信号；二阶FLL；比特同步；差分解调；现场可编程门阵列和数字信号处理器(FPGA+DSP)中图分类号：TN961 文献标志码：A doi：10.11805/TKYDA2021322Research and implementation of tracking demodulation algorithm for highdynamic and weak GNSS signalWU Junwei，LIANG Taotao，WANG Chuan(Institute of Electronic Engineering，China Academy of Engineering Physics，Mianyang Sichuan 621999，China)AbstractAbstract：：In some high dynamic weak signal scenarios, the carrier phase is difficult to lock. In order to track the high dynamic weak Global Navigation Satellite System(GNSS) signal, considering thatthe Frequency Locked Loop(FLL) is more robust than the Phase-Locked Loop(PLL), an algorithm basedon FLL+differential demodulation is proposed to track and demodulate the GNSS signal. The algorithmuses the second-order FLL to track the frequency of satellite signal, and the differential demodulationalgorithm is employed to demodulate bit data. In engineering application, the algorithm adopts thearchitecture of Field Programmable Gate Array+Digital Signal Processing(FPGA+DSP), realizes the pre-processing of signal tracking signal in FPGA, and realizes the tracking loop algorithm, bitsynchronization and differential modulation in DSP. The simulation of the algorithm is performed inMatlab platform, and the algorithm is verified by receiving the real GNSS signal from the simulatorplatform and the sky. The simulation and experimental results show that the algorithm can realize thestable tracking of satellite signal and data demodulation under the condition of high dynamic and weaksignal, and overcome the problem that the data cannot be demodulated due to the difficulty of PLLlocking, finally realize the Position Velocity and Time(PVT) solution of GNSS signal under this condition.KeywordsKeywords：：high dynamic and weak Global Navigation Satellite System(GNSS) signal；the second order Frequency Locked Loop(FLL)；bit synchronization;differential demodulation；Field ProgrammableGate Array+Digital Signal Processor(FPGA+DSP)在某些特殊的弱信号、高动态环境下[1]，天线相位衰减起伏较大，锁相环无法实现对GNSS信号的相位跟踪，无法实现数据的解调和观测量的提取，导致PVT解算结果错误甚至解算中断。

专利名称：一种定位接收机中跟踪环路误差的处理装置及方法专利类型：发明专利
发明人：邓中亮,董婕舒,唐诗浩
申请号：CN202011579913.5
申请日：20201228
公开号：CN112672283B
公开日：
20220405
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明实施例提供了一种定位接收机中跟踪环路误差的处理装置及方法，其中装置包括：鉴别器、第一判决器、第二判决器、位置速度时间PVT解算电路、矢量跟踪修正器、环路滤波器等。

通过第一判决器每间隔计时时长判断跟踪误差是否超过误差门限值，如果是，则不使用位置速度时间PVT解算电路中PVT解算，而直接将跟踪误差给环路滤波器，如果否，则基于PVT解算电路修正跟踪误差；并且，通过第二判决器，判断修正后误差是否超过误差门限值，如果是，则直接将跟踪误差作为环路滤波器的输入，如果否，则将修正后误差作为环路滤波器的输入。

这样通过使用第一判决器及第二判决器，可以避免跟踪误差的积累，提高跟踪环路的可靠性。

申请人：北京邮电大学
地址：100876 北京市海淀区西土城路10号
国籍：CN
代理机构：北京柏杉松知识产权代理事务所(普通合伙)
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基于SoC FPGA的北斗接收机载波跟踪环路设计韦照川;潘军道;吴国增【期刊名称】《电子技术应用》【年(卷),期】2018(044)006【摘要】In order to realize the high real-time,miniaturization and low power consumption of Beidou satellite navigation receiver,a design scheme of carrier tracking loop based on SoC FPGA is proposed.Through the analysis of FLL and PLL,and using SOPC technology,the cartier tracking loop based on SoC FPGA is realized,and the carrier can be completely stripped inside the FPGA.The test results show that the scheme can realize fast and accurate tracking of carrier signals,and has good real-time and application value.%为了实现北斗卫星导航接收机高实时性、小型化及低功耗,提出了一种基于SoC FPGA的载波跟踪环路的设计方案.通过对FLL(锁频环)和PLL(锁相环)的分析,并利用SOPC技术,实现了基于SoC FPGA的载波跟踪环路,可完全在FPGA内部完成载波的剥离.测试结果表明,该方案能实现载波信号的快速精确跟踪,具有良好的实时性和应用价值.【总页数】5页(P124-128)【作者】韦照川;潘军道;吴国增【作者单位】桂林电子科技大学信息与通信学院,广西桂林541004;桂林电子科技大学信息与通信学院,广西桂林541004;桂林电子科技大学信息与通信学院,广西桂林541004【正文语种】中文【中图分类】TN927【相关文献】1.智能GPS软件接收机载波跟踪环路设计 [J], 唐斌;喻夏琼;董绪荣;赵新曙2.GPS软件接收机载波跟踪环路设计 [J], 余小辉3.GPS接收机载波跟踪环路设计 [J], 李津;张捷;刘亮4.基于SoC的导航接收机闭环跟踪环路设计与实现 [J], 薛志芹;刘坤;李立广5.高灵敏度GPS接收机载波跟踪环路的设计优化与实现 [J], 武玲娟;崔莹莹;路卫军;于敦山因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

基于载波频率辅助相位矢量跟踪算法
沈锋;李伟东;邓德超
【期刊名称】《计算机仿真》
【年(卷),期】2015(032)007
【摘要】针对传统GPS接收机在高动态环境下跟踪性能不理想、跟踪精度差的问题,提出一种载波频率辅助相位矢量跟踪算法,利用锁频环(Frequency Locked Loop,FLL)辅助锁相环(Phase Locked Loop,PLL)的方式代替传统单一跟踪环路,通过集中式滤波器对接收机各通道中频信号进行综合处理,同时完成对多颗可视卫星信号跟踪和导航信息解算.给出一种适合高动态环境下的载波频率辅助相位锁定环结构,详细分析了矢量跟踪下集中式滤波器的状态方程和量测方程,给出了跟踪环路反馈量,与传统标量跟踪模式下的跟踪性能进行了对比.仿真结果表明,载波频率辅助相位矢量跟踪算法比传统标量跟踪精度更高,可以更好的处理高动态信号.
【总页数】5页(P55-59)
【作者】沈锋;李伟东;邓德超
【作者单位】哈尔滨工程大学自动化学院,黑龙江哈尔滨150001;哈尔滨工程大学自动化学院,黑龙江哈尔滨150001;哈尔滨工程大学自动化学院,黑龙江哈尔滨150001
【正文语种】中文
【中图分类】TP391.9
【相关文献】
1.一种基于判决反馈的OFDM系统载波频率跟踪算法 [J], 郑来波;胡健栋
2.基于相位和频率反馈的GNSS矢量跟踪算法比较与研究 [J], 王乐;杨柯;姜明;王珂
3.导航接收机基于载波频率的矢量跟踪算法及性能分析 [J], 杨狄;唐小妹;李柏渝;王飞雪
4.一种基于同一码元内两个相邻样点相位差的载波频率估计算法 [J], 张海涛;游凌
5.基于载波频率辅助相位的GPS信号跟踪算法 [J], 沈锋;李伟东
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基于权值调整的FLL辅助PLL方法李然;杨霞玉;孙延鹏【摘要】锁相环技术越来越广泛应用于雷达、导航设备、空间技术等方面,特别是近年来在高动态信号环境中的应用更为广泛,但在此环境中存在环路带宽和高信噪比的矛盾,跟踪高动态信号时需要增加环路的带宽,但在增加带宽的同时会导致信噪比降低,反之,提高信噪比必须减少带宽.文中利用FLL有较高动态性能的特点,采用了FLL辅助PLL的方法来解决这对矛盾.而FLL辅助PLL的方法有多种,文中首先介绍了FLL/PLL(FLL牵引PLL)和FLL&PLL(FLL与PLL)的辅助方法原理及优缺点,最后通过改进采用了基于权值调整的FLL辅助PLL的方法,并用VHDL对它进行了设计,最后对三种方法进行了仿真验证.【期刊名称】《沈阳航空航天大学学报》【年(卷),期】2012(029)005【总页数】5页(P39-43)【关键词】锁相环;锁频环;FLL/PLL;FLL&PLL;FPLL【作者】李然;杨霞玉;孙延鹏【作者单位】西安航天复合材料研究所,西安710025;沈阳航空航天大学电子信息工程学院,沈阳110136;沈阳航空航天大学电子信息工程学院,沈阳110136【正文语种】中文【中图分类】TN850.4锁相环的发展方向是提高工作频率，采用微处理器件和微电子技术，发展新型序列滤波器，提高抗噪声能力，加快捕捉，减少输出相位抖动［1］。

为了保证动态跟踪性能，锁相环必须具有相对宽的带宽，而带宽的增加会导致信噪比降低，因此在锁相环路中动态性能和高信噪比是一对矛盾。

如何兼顾动态跟踪性能和高的信噪比，是锁相环设计中的难点。

FLL 有较高的动态性能，也就是其捕获带宽范围较大，而PLL 的鉴别精度较高(即高信噪比)，将两者结合，可以达到功能互补的作用。

在保证PLL 高精度的条件下，可以利用FLL的高动态性能加大整个环路的捕获范围。

本文兼顾两者的优点采用了基于权值调整的FLL 辅助PLL 的方法。

几种GNSS接收机跟踪环路配置的对比分析汤新华;陈新;修金城;陈熙源【摘要】在分析传统跟踪环路、载波平滑伪距技术、卡尔曼跟踪环路基础上,比较研究了基带信号处理滤波算法,从GNSS终端系统层次设计了四种基带处理的配置方案,通过理论分析及跑车实验进行了不同配置方案的对比.结果表明,相较于其他跟踪环路滤波算法,卡尔曼跟踪环路充分利用了各个参数的内在物理关系,由系统误差和观测误差可得到全局优化的参数跟踪估测,经定位、定速精度对比分析,卡尔曼跟踪环路等效码相位跟踪精度较传统方案提高近70％,多普勒频率精度提高近80％,为后续的导航解算、高精度载波相位差分算法等提供了稳定可靠的信息源.【期刊名称】《中国惯性技术学报》【年(卷),期】2018(026)005【总页数】6页(P623-628)【关键词】GNSS接收机;跟踪环路;载波平滑;卡尔曼跟踪环路【作者】汤新华;陈新;修金城;陈熙源【作者单位】东南大学仪器科学与工程学院,南京 210096;微惯性仪表与先进导航技术教育部重点实验室,南京 210096;上海交通大学上海 200000;济南市勘察测绘研究院,济南 250000;东南大学仪器科学与工程学院,南京 210096;微惯性仪表与先进导航技术教育部重点实验室,南京 210096【正文语种】中文【中图分类】U666.1随着定位服务应用范围的拓广和精度要求的日益提高，全球卫星导航技术的重要性日益彰显。

特别在国内北斗卫星导航系统日益完善趋势中，对应的接收机技术也在不断改进，一方面是针对卫星系统本身的改变（如新型信号调制方式，多卫星系统等），对接收机结构进行相应调整；另一方面主要是针对信号传播环境因素（如多路径，弱信号等），进一步改进基带的信号处理技术。

在传统接收机中，卫星信号的处理过程，可以简单分为：信号的捕获、跟踪和位置速度时间（PVT）解算三个阶段。

其中，标量跟踪环路一直被惯用至今，它的设计更多的注重单维的参数估测控制（比如载波频率控制环路（FLL），载波相位控制环路（PLL），码相位控制环路（DLL）等），其中FLL、PLL、DLL都共享了一个控制环路设计方案[1]。

高动态GNSS自适应矢量跟踪环路
任晓岳;卢虎;王立志;王旭婧
【期刊名称】《计算机仿真》
【年(卷),期】2014(31)2
【摘要】研究卫星导航跟踪优化设计问题.当接收机载体处于高动态运动状态时,传统跟踪环路极易容易失锁.若采用矢量跟踪环路,虽具有较好的跟踪性能,但在信号环境极端恶化情况下,状态估计将变差,严重影响导航定位的精确度和稳定性.针对上述问题,提出采用自适应矢量跟踪环路(A-VLL)的方法.A-VLL能够自适应调整测量噪声协方差矩阵,从而达到自适应调整反馈估计并降低估计误差的目的.仿真表明,在载体高动态、接收信号信噪比下降严重时,采用自适应矢量跟踪环路具有较好的跟踪精度和稳定性.
【总页数】5页(P149-153)
【作者】任晓岳;卢虎;王立志;王旭婧
【作者单位】空军工程大学理学院,陕西西安710051;空军工程大学理学院,陕西西安710051;空军工程大学理学院,陕西西安710051;空军工程大学理学院,陕西西安710051
【正文语种】中文
【中图分类】U666.1
【相关文献】
1.基于双码时延间隔的GNSS矢量跟踪环路 [J], 任晓岳;卢虎;王立志;王旭婧
2.基于非误差建模的高动态GNSS矢量跟踪环路 [J], 金天;杜越;王晨炎
3.惯性导航系统自适应辅助GNSS矢量跟踪方法 [J], 李传军;彭钟锋;李兴城
4.高动态GNSS自适应二阶卡尔曼滤波矢量跟踪环 [J], 任晓岳;卢虎;王立志;王旭婧
5.自适应非相干矢量跟踪环路设计 [J], 刘红光;傅金琳;金天;吴雨航;纪元法
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