基于模糊控制的高靈敏GPS接收機設計

摘要：為提高GPS接收機的靈敏度，采用模糊控制算法自適應調節接收環路的信號帶寬，調和帶內噪聲控制與頻率誤差之間的矛盾。在GPS接收機設計中，通過降低環路帶寬，抑制進入帶內的噪聲能量，提高環路信噪比，但在高動態環境下，為增加系統對頻率誤差的容忍度，就需適當提高環路帶寬。采用模糊控制對接收環路的噪聲帶寬進行自適應調節，達到了提高接收機靈敏度的目的。仿真結果表明，該接收機系統性能比傳統接收機在平方損耗及誤碼率等方面有不同程度的提高，使其更適用于高動態環境。
關鍵詞：GPS；模糊控制；自適應環路；高靈敏度GPS接收機

0 引言
全球定位系統(GPS)是一種全球、全天候、實時、連續的高精度空基導航系統。作為一種通用的定位系統，全球定位系統具有許多其他導航設備無可比擬的優勢。整個GPS系統由三個獨立部分組成：空間星座部分、地面監控部分和用戶設備部分。空間星座部分的各顆GPS衛星向地面發射信號；地面監控部分通過接收、測量各顆衛星信號，進而確定衛星運行軌道信息；最后，用戶設備部分接收、測量各顆可見衛星的信號，并從信號中獲取衛星的運行軌道信息，確定用戶接收機自身的空間位置。用戶設備也就是GPS接收機，主要由接收機硬件、數據處理軟件、微處理器和終端設備組成。
現用來提高GPS定位性能的主要技術包括：差分GPS，GPS與慣性導航系統的組合和地圖匹配三種技術。這些算法和技術直接求解出GPS用戶所關心的定位、定速和定時結果。給定一組數目和質量完全相同的GPS測量值，采用不同定位算法和技術的接收機有可能獲得差別很大的GPS定位性能。但是選定一種GPS定位算法和技術，使GPS接收機更快地捕獲到更多顆可見衛星信號和從中獲得更加精確的GPS測量值，是提高GPS定位精度的兩種有效途徑，而通過這兩種有效途徑設計接收機，對衛星信號的捕獲與跟蹤性能的提升較大。本文中采用模糊控制算法可在高動態、低信噪比條件下獲得更精確的GPS測量值，從而提高接收機的靈敏度。

1 GPS接收機環路模型及問題分析
在GPS信號跟蹤階段，信號通道從捕獲階段獲得當前這顆衛星載波頻率和碼相位的粗略估計值出發，通過跟蹤環路逐步精細對這兩個信號參量進行估計，同時輸出各種GPS測量值。信號跟蹤環路一般以閉環反饋的形式周期性連續進行，以達到對衛星信號的持續鎖定。信號跟蹤環路實際上就是由載波跟蹤環路與碼跟蹤環路兩部分組成，分別用來跟蹤接收信號中的載波與偽碼。
1．1 載波相位鎖定環路
載波相位鎖定環路的目的是盡量使所復制的載波信號與接收到的衛星載波信號保持一致，從而通過混頻徹底剝離衛星信號中的載波。若復制載波與接收載波不一致，則接收信號不能被下變頻到正確的基帶頻段，并會消弱碼環所得的C／A碼自相關幅值。GPS接收機載波環路通常采用I／Q解調法來完成對輸入信號的載波剝離、鑒相和數據解調等任務，如圖1所示。

系統輸入的連續時間信號ui(t)可以表示為：

式中：D(t)表示調制在載波上的數據碼；表示其幅值；sin(ωit+θi)為調制載波；n表示均值為零、方差為的高斯白噪聲。
I／Q解調的一個功能是將輸入信號ui(t)中的數據碼D(t)解調出來。輸入信號在I，Q支路上分別與正弦載波復制信號、余弦載波復制信號相乘混頻，所得的乘積分別為：

式(2)的最后一個等號右邊的第一項為高頻成份，第二項為低頻成份。而ωe和θe分別為輸入信號與復制信號之間的載波頻率差和初相差。