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(diào)節(jié)接收環(huán)路的信號帶寬，調(diào)和帶內(nèi)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(huán)路帶寬，抑制進入帶內(nèi)的噪聲能量，提高環(huán)路信噪比，但在高動態(tài)環(huán)境下，為增加系統(tǒng)對頻率誤差的容忍度，就需適當提高環(huán)路帶寬。采用模糊控制對接收環(huán)路的噪聲帶寬進行自適應調(diào)節(jié)，達到了提高接收機靈敏度的目的。仿真結(jié)果表明，該接收機系統(tǒng)性能比傳統(tǒng)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(tài)環(huán)境。
關鍵詞：GPS；模糊控制；自適應環(huán)路；高靈敏度GPS接收機

0 引言
全球定位系統(tǒng)(GPS)是一種全球、全天候、實時、連續(xù)的高精度空基導航系統(tǒng)。作為一種通用的定位系統(tǒng)，全球定位系統(tǒng)具有許多其他導航設備無可比擬的優(yōu)勢。整個GPS系統(tǒng)由三個獨立部分組成：空間星座部分、地面監(jiān)控部分和用戶設備部分?？臻g星座部分的各顆GPS衛(wèi)星向地面發(fā)射信號；地面監(jiān)控部分通過接收、測量各顆衛(wèi)星信號，進而確定衛(wèi)星運行軌道信息；最后，用戶設備部分接收、測量各顆可見衛(wèi)星的信號，并從信號中獲取衛(wèi)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(shù)據(jù)處理軟件、微處理器和終端設備組成。
現(xiàn)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(tǒng)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(jié)果。給定一組數(shù)目和質(zhì)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(wèi)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(wèi)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(tài)、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(huán)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(wèi)星載波頻率和碼相位的粗略估計值出發(fā)，通過跟蹤環(huán)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(huán)路一般以閉環(huán)反饋的形式周期性連續(xù)進行，以達到對衛(wèi)星信號的持續(xù)鎖定。信號跟蹤環(huán)路實際上就是由載波跟蹤環(huán)路與碼跟蹤環(huán)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(huán)路
載波相位鎖定環(huán)路的目的是盡量使所復制的載波信號與接收到的衛(wèi)星載波信號保持一致，從而通過混頻徹底剝離衛(wèi)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(huán)所得的C／A碼自相關幅值。GPS接收機載波環(huán)路通常采用I／Q解調(diào)法來完成對輸入信號的載波剝離、鑒相和數(shù)據(jù)解調(diào)等任務，如圖1所示。

系統(tǒng)輸入的連續(xù)時間信號ui(t)可以表示為：

式中：D(t)表示調(diào)制在載波上的數(shù)據(jù)碼；表示其幅值；sin(ωit+θi)為調(diào)制載波；n表示均值為零、方差為的高斯白噪聲。
I／Q解調(diào)的一個功能是將輸入信號ui(t)中的數(shù)據(jù)碼D(t)解調(diào)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。