王新龍+于潔

摘要：針對(duì)GPS應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)大及性能要求的不斷提高，在對(duì)GPS軟件接收機(jī)原理及常規(guī)GPS接收機(jī)結(jié)構(gòu)介紹的基礎(chǔ)上，研究了三種具有代表性的新型GPS軟件接收機(jī)結(jié)構(gòu)：基于濾波估計(jì)的GPS接收機(jī)、基于矢量跟蹤的GPS接收機(jī)和SINS/GPS深組合接收機(jī)，并分別對(duì)不同結(jié)構(gòu)接收機(jī)的性能、特點(diǎn)及其在高動(dòng)態(tài)、低載噪比環(huán)境下應(yīng)用時(shí)的適用性進(jìn)行了深入剖析；最后，結(jié)合各GPS接收機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)給出了結(jié)論性意見。

關(guān)鍵詞：GPS；載噪比；偽碼相位；載波頻率；矢量跟蹤

中圖分類號(hào)：TN967.2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1673-5048（2014）04-0018-05

0引言

隨著全球定位系統(tǒng)的發(fā)展和美國(guó)推行GPS現(xiàn)代化步伐的加快，GPS衛(wèi)星發(fā)射的信號(hào)結(jié)構(gòu)將會(huì)有較大改變。依照現(xiàn)有GPS硬件接收機(jī)的模式，使用新的信號(hào)必須更換內(nèi)部的相關(guān)器芯片，用戶向下一代GPS接收機(jī)的過渡將面臨著很高的升級(jí)費(fèi)用。另外，世界上已有多個(gè)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GNSS）在運(yùn)行，而將多個(gè)GNSS的導(dǎo)航信息進(jìn)行融合能夠提供更可靠、更精確的服務(wù)[1]。因此GPS接收機(jī)還面臨著與其他GNSS信號(hào)相兼容的問題，這些問題都是傳統(tǒng)硬件接收機(jī)難以解決的。

GPS軟件接收機(jī)則是軟件無(wú)線電概念在導(dǎo)航領(lǐng)域的具體實(shí)現(xiàn)。基于軟件無(wú)線電的GPS軟件接收機(jī)采用相對(duì)通用的硬件平臺(tái)或PC機(jī)，通過加載不同的應(yīng)用程序來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的思想，就可以很好地解決上述問題[2]。對(duì)于軟件接收機(jī)來(lái)說，其射頻前端模塊和模數(shù)轉(zhuǎn)換器模塊仍由硬件實(shí)現(xiàn)，而捕獲、跟蹤等基帶信號(hào)處理過程則利用各種軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，處理新的信號(hào)只需簡(jiǎn)單地更換不同的軟件程

序就能實(shí)現(xiàn)，具有很大的靈活性[3]。正因如此，軟件GPS接收機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)已經(jīng)成為近年來(lái)的研究熱點(diǎn)。與傳統(tǒng)的硬件接收機(jī)相比，軟件接收機(jī)可以只通過改變程序來(lái)開發(fā)和驗(yàn)證新的捕獲、跟蹤和定位算法，可以通過隨意改變碼和載波跟蹤環(huán)路帶寬使其性能達(dá)到最佳。隨著處理器性能的不斷提高，軟件接收機(jī)會(huì)得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。

但隨著其應(yīng)用領(lǐng)域和適用范圍的不斷擴(kuò)大，它在某些應(yīng)用場(chǎng)合的性能缺陷也隨之顯現(xiàn)出來(lái)。為提高GPS接收機(jī)在特定環(huán)境中的工作性能，在常規(guī)GPS接收機(jī)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，對(duì)其環(huán)路性能進(jìn)行改進(jìn)，使之適應(yīng)高動(dòng)態(tài)、強(qiáng)干擾或者信號(hào)衰減環(huán)境下的性能需求，成為GPS接收機(jī)近年來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。目前，國(guó)內(nèi)外應(yīng)用及處于研究階段的GPS軟件接收機(jī)主要有四種類型[4-10]：①采用獨(dú)立跟蹤環(huán)路的常規(guī)接收機(jī)；②基于Kalman濾波器的接收機(jī)，利用Kalman濾波器代替常規(guī)環(huán)路中的鑒相器和環(huán)路濾波器；③矢量跟蹤結(jié)構(gòu)的接收機(jī)，取消了傳統(tǒng)的跟蹤環(huán)路，利用接收機(jī)當(dāng)前解算得到的導(dǎo)航解（包括位置、速度和鐘差等）直接驅(qū)動(dòng)本地碼、載波數(shù)控振蕩器；④SINS/GPS深組合接收機(jī)，這種結(jié)構(gòu)的原理類似于矢量跟蹤，用SINS/GPS組合系統(tǒng)的導(dǎo)航解代替了接收機(jī)的導(dǎo)航解，以提高組合系統(tǒng)和接收機(jī)的整體性能。

為了解各種GPS接收機(jī)的性能及其在復(fù)雜環(huán)境中的適應(yīng)能力，本文以GPS軟件接收機(jī)為基礎(chǔ)，對(duì)上述四種具有代表性的GPS接收機(jī)的機(jī)理、結(jié)構(gòu)及工作性能進(jìn)行了深入分析。

1GPS軟件接收機(jī)結(jié)構(gòu)

GPS軟件接收機(jī)對(duì)射頻信號(hào)下變頻后得到的中頻信號(hào)進(jìn)行捕獲、跟蹤和導(dǎo)航解算處理都是通過軟件實(shí)現(xiàn)的。GPS信號(hào)處理算法是軟件GPS接收機(jī)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵，它主要包括GPS信號(hào)的捕獲算法、偽碼和載波頻率的跟蹤算法以及導(dǎo)航電文的提取算法，目的是為了得到GPS信號(hào)中的導(dǎo)航電文信息和碼相位、多普勒頻率等觀測(cè)量。

圖1為軟件接收機(jī)的原理框圖。根據(jù)信號(hào)處理流程，軟件接收機(jī)包括信號(hào)捕獲、跟蹤、解碼和導(dǎo)航解算四個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在信號(hào)捕獲中采用并行碼相位搜索法，同時(shí)在精頻搜索中采用基于相位調(diào)整的方法以降低算法的復(fù)雜度；在偽碼和載波跟蹤環(huán)的設(shè)計(jì)中，利用載波跟蹤環(huán)路輸出的載波頻率信息輔助偽碼跟蹤環(huán)，以去除碼環(huán)上的動(dòng)態(tài)效應(yīng)；在通過基帶信號(hào)處理得到導(dǎo)航信息后，通過位同步、子幀同步提取50bps導(dǎo)航電文，并根據(jù)同步頭信息和跟蹤結(jié)果得到偽距、偽距率的計(jì)算值。最后，根據(jù)GPS衛(wèi)星的瞬時(shí)位置、速度和相對(duì)偽距、偽距率，完成接收機(jī)的PVT求解。

在該類接收機(jī)中，衛(wèi)星信號(hào)被天線接收后，經(jīng)過帶通濾波器、前置放大器的處理后，再下變頻到中頻。而模數(shù)變換器則對(duì)中頻信號(hào)進(jìn)行采樣和數(shù)字化，最終得到信號(hào)采樣值。中頻信號(hào)的采樣值傳送到多個(gè)并行通道中，同時(shí)跟蹤來(lái)自多顆衛(wèi)星的偽碼和載波。每個(gè)通道中都包含著偽碼和載波跟蹤環(huán)，以完成偽碼相位、載波頻率或載波相位的測(cè)量以及導(dǎo)航電文數(shù)據(jù)的解調(diào)。每個(gè)跟蹤通道中包括偽碼相關(guān)器、誤差鑒定環(huán)節(jié)以及本地信號(hào)發(fā)生器等部分。中頻信號(hào)采樣值送入跟蹤通道后，首先根據(jù)本地信號(hào)發(fā)生器生成的載波信號(hào)對(duì)其進(jìn)行載波剝離，然后輸入到相關(guān)器中與本地偽碼進(jìn)行相關(guān)處理。相關(guān)器的輸出信息送入到包括鑒相器和環(huán)路濾波器在內(nèi)的誤差鑒定環(huán)節(jié)。環(huán)路濾波器用于在不影響期望信號(hào)的前提下，從鑒相器輸出中濾除噪聲。通常情況下，每個(gè)偽碼相位、載波相位（頻率）跟蹤環(huán)路中都包含該誤差鑒定環(huán)節(jié)。本地信號(hào)發(fā)生器則根據(jù)誤差鑒定環(huán)節(jié)的輸出信息對(duì)數(shù)控振蕩器進(jìn)行調(diào)節(jié)，同時(shí)輸出更新后的本地載波和偽碼，用于對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行載頻剝離和相關(guān)處理。跟蹤通道可以根據(jù)需要輸出以下三種測(cè)量信息：偽碼相位、載波頻率和載波相位。每個(gè)跟蹤通道的測(cè)量信息和導(dǎo)航電文解調(diào)數(shù)據(jù)輸入到導(dǎo)航解算處理器，最終解算出位置、速度和時(shí)間等參數(shù)。

常規(guī)接收機(jī)中，采用標(biāo)量跟蹤結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于實(shí)現(xiàn)相對(duì)容易，并且不會(huì)由于一個(gè)跟蹤通道發(fā)生故障而影響到其他通道。與此同時(shí)，信號(hào)之間由于反映相同的接收機(jī)位置和速度參數(shù)而導(dǎo)致的相關(guān)性被完全忽略，也就不存在跟蹤通道之間相互輔助的可能性。而且，常規(guī)接收機(jī)的跟蹤環(huán)路在載體動(dòng)態(tài)較低、載噪比較高的環(huán)境中能夠維持良好的運(yùn)行情況。然而常規(guī)跟蹤環(huán)路也存在一些固有的缺陷：

（1）固定帶寬的環(huán)路濾波器無(wú)法適應(yīng)不斷變化的載噪比等級(jí)和載體動(dòng)態(tài)；

（2）各個(gè)鑒相器輸出的量測(cè)信息都取相同的權(quán)值，然而在高載噪比情況下的量測(cè)權(quán)值與低載噪比情況下是不同的；

（3）環(huán)路跟蹤載體動(dòng)態(tài)變化的能力有限。環(huán)路濾波器的階數(shù)決定了環(huán)路在無(wú)穩(wěn)態(tài)誤差的前提下所能跟蹤的載體動(dòng)態(tài)情況。

因此，在設(shè)計(jì)跟蹤環(huán)路時(shí)，設(shè)計(jì)者需要進(jìn)行性能上的折衷：一方面，增加環(huán)路濾波器帶寬能夠使環(huán)路更好地跟蹤載體的動(dòng)態(tài)；而另一方面，增大帶寬會(huì)導(dǎo)致環(huán)路對(duì)噪聲和干擾更加敏感。3基于濾波估計(jì)的GPS軟件接收機(jī)基于卡爾曼濾波器的跟蹤結(jié)構(gòu)則能夠很好地解決傳統(tǒng)跟蹤環(huán)路中存在的缺陷?？柭鼮V波器在本質(zhì)上是一個(gè)增益隨時(shí)間變化的濾波器。濾波器增益是隨著量測(cè)噪聲和系統(tǒng)噪聲統(tǒng)計(jì)特性的改變而變化的。量測(cè)噪聲的統(tǒng)計(jì)特性隨載噪比等級(jí)和干擾而變化；而系統(tǒng)噪聲統(tǒng)計(jì)特性則隨著載體的動(dòng)態(tài)而改變。在已知系統(tǒng)噪聲和量測(cè)噪聲協(xié)方差矩陣的前提下，卡爾曼濾波器能夠根據(jù)最優(yōu)化原則將信號(hào)與噪聲分離開來(lái)。跟蹤偽碼和載波可以結(jié)合到一起，用一個(gè)卡爾曼濾波器來(lái)實(shí)現(xiàn)，每個(gè)通道中利用一個(gè)單獨(dú)的卡爾曼濾波器來(lái)跟蹤一顆衛(wèi)星，從而取代了常規(guī)接收機(jī)中的兩個(gè)跟蹤環(huán)路。

基于濾波估計(jì)的接收機(jī)結(jié)構(gòu)如圖3所示，與常規(guī)接收機(jī)相比，跟蹤環(huán)路中的鑒相器和環(huán)路濾波器被一個(gè)單獨(dú)的卡爾曼濾波器取代。

該結(jié)構(gòu)建立了偽碼相位、載波相位和載波幅值等信號(hào)的動(dòng)態(tài)模型以及描述相關(guān)輸出與估計(jì)狀態(tài)之間關(guān)系的量測(cè)模型，并利用卡爾曼濾波器對(duì)環(huán)路的偽碼相位、載波相位（頻率）、多普勒頻移、載波幅值以及導(dǎo)航電文符號(hào)進(jìn)行估計(jì)。載波相位動(dòng)態(tài)模型近似反映了衛(wèi)星與接收機(jī)視線方向上的加速度以及接收機(jī)時(shí)鐘漂移率的影響；而偽碼相位動(dòng)態(tài)模型則反映了多普勒頻率對(duì)偽碼速率的影響以及載波輔助效果。選擇卡爾曼濾波器作為估計(jì)器是因?yàn)樗子趯?shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)路誤差進(jìn)行估計(jì)，也可以使用其他性能相當(dāng)?shù)臑V波估計(jì)器?？柭鼮V波器用于誤差估計(jì)時(shí)，能夠根據(jù)量測(cè)信息（相關(guān)器輸出）的估計(jì)精度，對(duì)其進(jìn)行加權(quán)處理。在基于濾波估計(jì)的接收機(jī)中，權(quán)值是根據(jù)輸入信號(hào)的載波噪聲功率密度比（C/N0）來(lái)確定的，這與傳統(tǒng)的環(huán)路濾波器效果不同，傳統(tǒng)環(huán)路濾波器假定所有鑒相器的輸出都包含了等量的信息。自適應(yīng)的量測(cè)信息加權(quán)方法與卡爾曼濾波器配合使用能夠提高環(huán)路在微弱信號(hào)環(huán)境中的跟蹤性能。

4基于矢量跟蹤的GPS軟件接收機(jī)

基于濾波器估計(jì)的跟蹤結(jié)構(gòu)利用一個(gè)單獨(dú)的卡爾曼濾波器代替跟蹤通道中的Costas載波跟蹤環(huán)和偽碼延遲鎖定環(huán)，但是不同跟蹤通道之間仍然相互獨(dú)立。與常規(guī)GPS接收機(jī)、基于濾波估計(jì)的接收機(jī)所使用的標(biāo)量跟蹤方法不同，矢量跟蹤（VectorTracking）方法能夠根據(jù)不同跟蹤通道的相關(guān)器累加輸出，直接估計(jì)出接收機(jī)的位置、速度信息。矢量跟蹤利用專門的算法同時(shí)實(shí)現(xiàn)所有衛(wèi)星信號(hào)的跟蹤，它的基本特點(diǎn)體現(xiàn)為：接收的PRN碼序列的相位點(diǎn)取決于用戶位置。因此，如果已知衛(wèi)星星歷、用戶位置和接收機(jī)鐘差，就可以預(yù)測(cè)出每顆衛(wèi)星的偽碼相位。而矢量跟蹤就是利用載體的位置估計(jì)信息來(lái)產(chǎn)生本地PRN碼的副本。

基于矢量跟蹤的基本結(jié)構(gòu)如圖4所示。在基于矢量跟蹤的接收機(jī)中，取消了獨(dú)立的跟蹤環(huán)路，而用一個(gè)導(dǎo)航濾波器對(duì)所有跟蹤通道的量測(cè)信息進(jìn)行濾波處理。接收機(jī)的位置速度通過定位解算得到后，再根據(jù)導(dǎo)航解算結(jié)果更新接收機(jī)與每顆衛(wèi)星之間的距離、距離率，從而獲得對(duì)本地信號(hào)發(fā)生器的反饋信息。

在基于矢量跟蹤的方法中，不同衛(wèi)星的偽碼序列跟蹤和載波跟蹤是共同完成的。接收到衛(wèi)星信號(hào)的偽碼相位、載波頻率（相位）信息可以根據(jù)衛(wèi)星星歷數(shù)據(jù)、載體位置速度以及接收機(jī)的鐘差預(yù)測(cè)得到。基于矢量的跟蹤方法利用卡爾曼濾波器估計(jì)得到載體的位置、速度以及接收機(jī)的鐘差、鐘漂等信息，同時(shí)根據(jù)這些信息來(lái)估計(jì)偽碼相位、載波頻率等參數(shù)，用于更新本地信號(hào)發(fā)生器的偽碼、載波副本。在每個(gè)積分清零周期的末端，相關(guān)器的同相、正交累加輸出（I和Q）用于產(chǎn)生本地信號(hào)與輸入信號(hào)之間的偽碼相位差和載波頻率差的估計(jì)信息。而卡爾曼濾波器則根據(jù)相關(guān)器輸出的這些量測(cè)信息對(duì)狀態(tài)向量進(jìn)行更新。

根據(jù)卡爾曼濾波器狀態(tài)變量選取的情況，基于矢量的跟蹤方法可以分為兩類：一類是以本地信號(hào)與輸入信號(hào)之間的偽碼相位差、載波頻率差或者載波相位差等跟蹤誤差作為濾波器的狀態(tài)變量，在根據(jù)相關(guān)器的累加輸出進(jìn)行更新后，直接送回本地信號(hào)發(fā)生器，調(diào)節(jié)載波和偽碼數(shù)控振蕩器（NCO），以生成新的本地載波、偽碼副本；另一類則是以載體的位置、速度誤差以及接收機(jī)的鐘差、鐘漂等為狀態(tài)變量，用同一個(gè)濾波器完成跟蹤和導(dǎo)航解算工作，在積分清零周期的末端，根據(jù)鑒相器函數(shù)對(duì)相關(guān)器的同相、正交累積輸出進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算，得到偽碼相位差、載波頻率差或者載波相位差，作為量測(cè)信息輸入到卡爾曼濾波器中對(duì)狀態(tài)變量進(jìn)行更新。同時(shí)，利用濾波器估計(jì)得到的誤差變量對(duì)載體的導(dǎo)航參數(shù)進(jìn)行修正，并計(jì)算相應(yīng)的偽碼相位、載波頻率（相位）信息，反饋回本地信號(hào)發(fā)生器，對(duì)本地信號(hào)進(jìn)行調(diào)節(jié)。

與傳統(tǒng)的標(biāo)量跟蹤方法相比，矢量跟蹤的主要優(yōu)點(diǎn)為：

（1）強(qiáng)度較高信號(hào)的跟蹤信息能夠促進(jìn)對(duì)弱信號(hào)的跟蹤。這是由于偽碼跟蹤是取決于載體的位置，而不是微弱信號(hào)跟蹤通道單個(gè)濾波器的運(yùn)轉(zhuǎn)。而載體位置可以根據(jù)目前強(qiáng)信號(hào)的跟蹤信息來(lái)確定。因此，弱信號(hào)的跟蹤參數(shù)可以由卡爾曼濾波器的狀態(tài)變量預(yù)測(cè)得到。

（2）所有通道數(shù)據(jù)的集中處理使噪聲被削弱，并且降低了噪聲進(jìn)入非線性跟蹤區(qū)域的可能性。

（3）在一顆或數(shù)顆衛(wèi)星發(fā)生短暫信號(hào)中斷的情況下，仍能維持跟蹤正常運(yùn)行；并且在信號(hào)中斷后，能夠根據(jù)導(dǎo)航濾波器的估計(jì)信息預(yù)測(cè)出偽碼相位和載波頻率信息，從而迅速地重新捕獲到衛(wèi)星信號(hào)。

（4）在干擾或微弱信號(hào)條件下，能夠改進(jìn)接收機(jī)的跟蹤性能，與慣導(dǎo)系統(tǒng)相組合時(shí)尤其如此。

（5）能夠?qū)Σ煌瑴?zhǔn)確度的量測(cè)信息進(jìn)行加權(quán)處理。在包含較低噪聲的高載噪比條件下得到的量測(cè)信息可以取較大的權(quán)值，而對(duì)于低載噪比或信號(hào)中斷條件下的量測(cè)信息則取較小的權(quán)值，甚至可以忽略其影響。

然而，矢量跟蹤也存在著一個(gè)根本的問題：所有通道的跟蹤都由導(dǎo)航濾波器密切聯(lián)系在一起，任何一個(gè)通道的誤差都有可能會(huì)反過來(lái)影響到其他跟蹤通道。

5SINS/GPS深組合軟件接收機(jī)

SINS/GPS深組合接收機(jī)與基于矢量跟蹤的接收機(jī)結(jié)構(gòu)類似，基于矢量的跟蹤方法成為SINS/GPS深組合結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。為了提高運(yùn)行效率，在基于矢量的跟蹤方法中利用聯(lián)邦濾波或者分布式濾波器來(lái)代替集中式的導(dǎo)航濾波器，這種方法稱為分布式矢量跟蹤方法。在這種分布式矢量跟蹤結(jié)構(gòu)中，每個(gè)通道中都有一個(gè)輔助Kalman濾波器，用來(lái)估計(jì)該通道的跟蹤誤差。在分布式矢量跟蹤結(jié)構(gòu)中，對(duì)本地信號(hào)發(fā)生器的反饋信息為通道濾波器和導(dǎo)航濾波器的輸出之和。通道濾波器的估計(jì)結(jié)果用于更新載波相位跟蹤回路，這主要是因?yàn)樽罱K導(dǎo)航解的精度以及時(shí)間變動(dòng)性難以滿足對(duì)載波跟蹤環(huán)的輔助需求。與集中式矢量跟蹤結(jié)構(gòu)相比，這種分布式結(jié)構(gòu)具有兩個(gè)顯著的優(yōu)點(diǎn)：

第一，導(dǎo)航濾波器實(shí)現(xiàn)方式不同，從而減少了導(dǎo)航濾波器的狀態(tài)變量維數(shù)及系統(tǒng)模型的階數(shù)；

第二，用來(lái)估計(jì)跟蹤誤差的通道濾波器可以以較低的輸出頻率向?qū)Ш綖V波器傳遞信息，從而減少運(yùn)算量，提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率。

SINS/GPS深組合接收機(jī)就是由這種分布式矢量跟蹤結(jié)構(gòu)擴(kuò)展而來(lái)的，它的結(jié)構(gòu)如圖5。在這種深組合接收機(jī)中，增加了慣性測(cè)量單元（IMU）和SINS導(dǎo)航解算環(huán)節(jié)，并且用SINS/GPS組合導(dǎo)航濾波器代替了矢量跟蹤結(jié)構(gòu)中的導(dǎo)航濾波器。

由于SINS/GPS深組合接收機(jī)是根據(jù)矢量跟蹤結(jié)構(gòu)擴(kuò)展而來(lái)的，所以它具有與分布式矢量跟蹤結(jié)構(gòu)相似的特點(diǎn)。除此之外，由于慣性測(cè)量單元的引入，深組合接收機(jī)具有矢量跟蹤接收機(jī)無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)：在深組合接收機(jī)中，慣性測(cè)量單元能夠精確地測(cè)量出當(dāng)前時(shí)刻接收機(jī)天線的運(yùn)動(dòng)情況，而在基于矢量跟蹤的接收機(jī)中，則需根據(jù)過去時(shí)刻的估計(jì)信息來(lái)預(yù)測(cè)導(dǎo)航解，這將引入更多的誤差，尤其是在利用較長(zhǎng)時(shí)間間隔的相干積分時(shí)將會(huì)導(dǎo)致額外的衰減。

6結(jié)論

在GPS接收機(jī)中，由于載波跟蹤環(huán)對(duì)噪聲和干擾較為敏感，所以在干擾或者低信噪比環(huán)境中，載波跟蹤容易失鎖。在信號(hào)跟蹤過程中，對(duì)于任何形式的接收機(jī)來(lái)講，最根本的目的是產(chǎn)生能夠與輸入信號(hào)精確匹配的本地信號(hào)。

在常規(guī)GPS軟件接收機(jī)結(jié)構(gòu)中，這一目的是通過多個(gè)跟蹤通道對(duì)可視衛(wèi)星進(jìn)行固定跟蹤而實(shí)現(xiàn)的，并且跟蹤通道之間沒有任何信息共享和交流；基于濾波估計(jì)的GPS軟件接收機(jī)利用一個(gè)專用的卡爾曼濾波器來(lái)代替常規(guī)接收機(jī)的碼相位、載波相位（頻率）鑒別器和環(huán)路濾波器，而自適應(yīng)的量測(cè)信息加權(quán)法與卡爾曼濾波器的配合使用，能夠提高環(huán)路在微弱信號(hào)環(huán)境中的跟蹤性能。由于所有的信號(hào)都是通過同一天線接收的，因此天線的位置、速度決定了信號(hào)之間存在著固有的相關(guān)性；基于矢量跟蹤結(jié)構(gòu)的GPS軟件接收機(jī)通過觀測(cè)獲取接收機(jī)天線的位置和速度而直接驅(qū)動(dòng)本地信號(hào)發(fā)生器，從而提高了對(duì)弱信號(hào)的跟蹤性能，即使在衛(wèi)星發(fā)生短暫的信號(hào)中斷情況下，仍能維持跟蹤正常運(yùn)行，并且在信號(hào)中斷后，能夠根據(jù)導(dǎo)航濾波器的估計(jì)信息預(yù)測(cè)出偽碼相位和載波頻率信息，從而迅速地重捕獲到衛(wèi)星信號(hào)。

基于SINS/GPS深組合結(jié)構(gòu)的GPS軟件接收機(jī)實(shí)際上是矢量跟蹤結(jié)構(gòu)的一種擴(kuò)展，它通過利用SINS提供的導(dǎo)航信息增強(qiáng)了接收機(jī)的重捕獲、跟蹤和定位能力。這種分布式結(jié)構(gòu)由于使用了不同形式的導(dǎo)航濾波器，從而減少了導(dǎo)航濾波器的狀態(tài)變量維數(shù)以及系統(tǒng)模型的階數(shù)。而用來(lái)估計(jì)跟蹤誤差的通道濾波器可以以較低的輸出頻率向?qū)Ш綖V波器傳遞信息，這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不僅減少了運(yùn)算量，而且提高了系統(tǒng)的運(yùn)行效率。

可見，深組合結(jié)構(gòu)具有良好的抗干擾性能和動(dòng)態(tài)跟蹤能力，在超視距空空導(dǎo)彈、各種戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈、無(wú)人機(jī)及戰(zhàn)斗機(jī)等高動(dòng)態(tài)飛行器上具有廣闊的應(yīng)用前景。

然而，矢量跟蹤也存在著一個(gè)根本的問題：所有通道的跟蹤都由導(dǎo)航濾波器密切聯(lián)系在一起，任何一個(gè)通道的誤差都有可能會(huì)反過來(lái)影響到其他跟蹤通道。

5SINS/GPS深組合軟件接收機(jī)

SINS/GPS深組合接收機(jī)與基于矢量跟蹤的接收機(jī)結(jié)構(gòu)類似，基于矢量的跟蹤方法成為SINS/GPS深組合結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。為了提高運(yùn)行效率，在基于矢量的跟蹤方法中利用聯(lián)邦濾波或者分布式濾波器來(lái)代替集中式的導(dǎo)航濾波器，這種方法稱為分布式矢量跟蹤方法。在這種分布式矢量跟蹤結(jié)構(gòu)中，每個(gè)通道中都有一個(gè)輔助Kalman濾波器，用來(lái)估計(jì)該通道的跟蹤誤差。在分布式矢量跟蹤結(jié)構(gòu)中，對(duì)本地信號(hào)發(fā)生器的反饋信息為通道濾波器和導(dǎo)航濾波器的輸出之和。通道濾波器的估計(jì)結(jié)果用于更新載波相位跟蹤回路，這主要是因?yàn)樽罱K導(dǎo)航解的精度以及時(shí)間變動(dòng)性難以滿足對(duì)載波跟蹤環(huán)的輔助需求。與集中式矢量跟蹤結(jié)構(gòu)相比，這種分布式結(jié)構(gòu)具有兩個(gè)顯著的優(yōu)點(diǎn)：

第一，導(dǎo)航濾波器實(shí)現(xiàn)方式不同，從而減少了導(dǎo)航濾波器的狀態(tài)變量維數(shù)及系統(tǒng)模型的階數(shù)；

第二，用來(lái)估計(jì)跟蹤誤差的通道濾波器可以以較低的輸出頻率向?qū)Ш綖V波器傳遞信息，從而減少運(yùn)算量，提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率。

SINS/GPS深組合接收機(jī)就是由這種分布式矢量跟蹤結(jié)構(gòu)擴(kuò)展而來(lái)的，它的結(jié)構(gòu)如圖5。在這種深組合接收機(jī)中，增加了慣性測(cè)量單元（IMU）和SINS導(dǎo)航解算環(huán)節(jié)，并且用SINS/GPS組合導(dǎo)航濾波器代替了矢量跟蹤結(jié)構(gòu)中的導(dǎo)航濾波器。

由于SINS/GPS深組合接收機(jī)是根據(jù)矢量跟蹤結(jié)構(gòu)擴(kuò)展而來(lái)的，所以它具有與分布式矢量跟蹤結(jié)構(gòu)相似的特點(diǎn)。除此之外，由于慣性測(cè)量單元的引入，深組合接收機(jī)具有矢量跟蹤接收機(jī)無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)：在深組合接收機(jī)中，慣性測(cè)量單元能夠精確地測(cè)量出當(dāng)前時(shí)刻接收機(jī)天線的運(yùn)動(dòng)情況，而在基于矢量跟蹤的接收機(jī)中，則需根據(jù)過去時(shí)刻的估計(jì)信息來(lái)預(yù)測(cè)導(dǎo)航解，這將引入更多的誤差，尤其是在利用較長(zhǎng)時(shí)間間隔的相干積分時(shí)將會(huì)導(dǎo)致額外的衰減。

6結(jié)論

在GPS接收機(jī)中，由于載波跟蹤環(huán)對(duì)噪聲和干擾較為敏感，所以在干擾或者低信噪比環(huán)境中，載波跟蹤容易失鎖。在信號(hào)跟蹤過程中，對(duì)于任何形式的接收機(jī)來(lái)講，最根本的目的是產(chǎn)生能夠與輸入信號(hào)精確匹配的本地信號(hào)。

在常規(guī)GPS軟件接收機(jī)結(jié)構(gòu)中，這一目的是通過多個(gè)跟蹤通道對(duì)可視衛(wèi)星進(jìn)行固定跟蹤而實(shí)現(xiàn)的，并且跟蹤通道之間沒有任何信息共享和交流；基于濾波估計(jì)的GPS軟件接收機(jī)利用一個(gè)專用的卡爾曼濾波器來(lái)代替常規(guī)接收機(jī)的碼相位、載波相位（頻率）鑒別器和環(huán)路濾波器，而自適應(yīng)的量測(cè)信息加權(quán)法與卡爾曼濾波器的配合使用，能夠提高環(huán)路在微弱信號(hào)環(huán)境中的跟蹤性能。由于所有的信號(hào)都是通過同一天線接收的，因此天線的位置、速度決定了信號(hào)之間存在著固有的相關(guān)性；基于矢量跟蹤結(jié)構(gòu)的GPS軟件接收機(jī)通過觀測(cè)獲取接收機(jī)天線的位置和速度而直接驅(qū)動(dòng)本地信號(hào)發(fā)生器，從而提高了對(duì)弱信號(hào)的跟蹤性能，即使在衛(wèi)星發(fā)生短暫的信號(hào)中斷情況下，仍能維持跟蹤正常運(yùn)行，并且在信號(hào)中斷后，能夠根據(jù)導(dǎo)航濾波器的估計(jì)信息預(yù)測(cè)出偽碼相位和載波頻率信息，從而迅速地重捕獲到衛(wèi)星信號(hào)。

基于SINS/GPS深組合結(jié)構(gòu)的GPS軟件接收機(jī)實(shí)際上是矢量跟蹤結(jié)構(gòu)的一種擴(kuò)展，它通過利用SINS提供的導(dǎo)航信息增強(qiáng)了接收機(jī)的重捕獲、跟蹤和定位能力。這種分布式結(jié)構(gòu)由于使用了不同形式的導(dǎo)航濾波器，從而減少了導(dǎo)航濾波器的狀態(tài)變量維數(shù)以及系統(tǒng)模型的階數(shù)。而用來(lái)估計(jì)跟蹤誤差的通道濾波器可以以較低的輸出頻率向?qū)Ш綖V波器傳遞信息，這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不僅減少了運(yùn)算量，而且提高了系統(tǒng)的運(yùn)行效率。

可見，深組合結(jié)構(gòu)具有良好的抗干擾性能和動(dòng)態(tài)跟蹤能力，在超視距空空導(dǎo)彈、各種戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈、無(wú)人機(jī)及戰(zhàn)斗機(jī)等高動(dòng)態(tài)飛行器上具有廣闊的應(yīng)用前景。

然而，矢量跟蹤也存在著一個(gè)根本的問題：所有通道的跟蹤都由導(dǎo)航濾波器密切聯(lián)系在一起，任何一個(gè)通道的誤差都有可能會(huì)反過來(lái)影響到其他跟蹤通道。

5SINS/GPS深組合軟件接收機(jī)

SINS/GPS深組合接收機(jī)與基于矢量跟蹤的接收機(jī)結(jié)構(gòu)類似，基于矢量的跟蹤方法成為SINS/GPS深組合結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。為了提高運(yùn)行效率，在基于矢量的跟蹤方法中利用聯(lián)邦濾波或者分布式濾波器來(lái)代替集中式的導(dǎo)航濾波器，這種方法稱為分布式矢量跟蹤方法。在這種分布式矢量跟蹤結(jié)構(gòu)中，每個(gè)通道中都有一個(gè)輔助Kalman濾波器，用來(lái)估計(jì)該通道的跟蹤誤差。在分布式矢量跟蹤結(jié)構(gòu)中，對(duì)本地信號(hào)發(fā)生器的反饋信息為通道濾波器和導(dǎo)航濾波器的輸出之和。通道濾波器的估計(jì)結(jié)果用于更新載波相位跟蹤回路，這主要是因?yàn)樽罱K導(dǎo)航解的精度以及時(shí)間變動(dòng)性難以滿足對(duì)載波跟蹤環(huán)的輔助需求。與集中式矢量跟蹤結(jié)構(gòu)相比，這種分布式結(jié)構(gòu)具有兩個(gè)顯著的優(yōu)點(diǎn)：

第一，導(dǎo)航濾波器實(shí)現(xiàn)方式不同，從而減少了導(dǎo)航濾波器的狀態(tài)變量維數(shù)及系統(tǒng)模型的階數(shù)；

第二，用來(lái)估計(jì)跟蹤誤差的通道濾波器可以以較低的輸出頻率向?qū)Ш綖V波器傳遞信息，從而減少運(yùn)算量，提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率。

SINS/GPS深組合接收機(jī)就是由這種分布式矢量跟蹤結(jié)構(gòu)擴(kuò)展而來(lái)的，它的結(jié)構(gòu)如圖5。在這種深組合接收機(jī)中，增加了慣性測(cè)量單元（IMU）和SINS導(dǎo)航解算環(huán)節(jié)，并且用SINS/GPS組合導(dǎo)航濾波器代替了矢量跟蹤結(jié)構(gòu)中的導(dǎo)航濾波器。

由于SINS/GPS深組合接收機(jī)是根據(jù)矢量跟蹤結(jié)構(gòu)擴(kuò)展而來(lái)的，所以它具有與分布式矢量跟蹤結(jié)構(gòu)相似的特點(diǎn)。除此之外，由于慣性測(cè)量單元的引入，深組合接收機(jī)具有矢量跟蹤接收機(jī)無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)：在深組合接收機(jī)中，慣性測(cè)量單元能夠精確地測(cè)量出當(dāng)前時(shí)刻接收機(jī)天線的運(yùn)動(dòng)情況，而在基于矢量跟蹤的接收機(jī)中，則需根據(jù)過去時(shí)刻的估計(jì)信息來(lái)預(yù)測(cè)導(dǎo)航解，這將引入更多的誤差，尤其是在利用較長(zhǎng)時(shí)間間隔的相干積分時(shí)將會(huì)導(dǎo)致額外的衰減。

6結(jié)論

在GPS接收機(jī)中，由于載波跟蹤環(huán)對(duì)噪聲和干擾較為敏感，所以在干擾或者低信噪比環(huán)境中，載波跟蹤容易失鎖。在信號(hào)跟蹤過程中，對(duì)于任何形式的接收機(jī)來(lái)講，最根本的目的是產(chǎn)生能夠與輸入信號(hào)精確匹配的本地信號(hào)。

在常規(guī)GPS軟件接收機(jī)結(jié)構(gòu)中，這一目的是通過多個(gè)跟蹤通道對(duì)可視衛(wèi)星進(jìn)行固定跟蹤而實(shí)現(xiàn)的，并且跟蹤通道之間沒有任何信息共享和交流；基于濾波估計(jì)的GPS軟件接收機(jī)利用一個(gè)專用的卡爾曼濾波器來(lái)代替常規(guī)接收機(jī)的碼相位、載波相位（頻率）鑒別器和環(huán)路濾波器，而自適應(yīng)的量測(cè)信息加權(quán)法與卡爾曼濾波器的配合使用，能夠提高環(huán)路在微弱信號(hào)環(huán)境中的跟蹤性能。由于所有的信號(hào)都是通過同一天線接收的，因此天線的位置、速度決定了信號(hào)之間存在著固有的相關(guān)性；基于矢量跟蹤結(jié)構(gòu)的GPS軟件接收機(jī)通過觀測(cè)獲取接收機(jī)天線的位置和速度而直接驅(qū)動(dòng)本地信號(hào)發(fā)生器，從而提高了對(duì)弱信號(hào)的跟蹤性能，即使在衛(wèi)星發(fā)生短暫的信號(hào)中斷情況下，仍能維持跟蹤正常運(yùn)行，并且在信號(hào)中斷后，能夠根據(jù)導(dǎo)航濾波器的估計(jì)信息預(yù)測(cè)出偽碼相位和載波頻率信息，從而迅速地重捕獲到衛(wèi)星信號(hào)。

基于SINS/GPS深組合結(jié)構(gòu)的GPS軟件接收機(jī)實(shí)際上是矢量跟蹤結(jié)構(gòu)的一種擴(kuò)展，它通過利用SINS提供的導(dǎo)航信息增強(qiáng)了接收機(jī)的重捕獲、跟蹤和定位能力。這種分布式結(jié)構(gòu)由于使用了不同形式的導(dǎo)航濾波器，從而減少了導(dǎo)航濾波器的狀態(tài)變量維數(shù)以及系統(tǒng)模型的階數(shù)。而用來(lái)估計(jì)跟蹤誤差的通道濾波器可以以較低的輸出頻率向?qū)Ш綖V波器傳遞信息，這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不僅減少了運(yùn)算量，而且提高了系統(tǒng)的運(yùn)行效率。

可見，深組合結(jié)構(gòu)具有良好的抗干擾性能和動(dòng)態(tài)跟蹤能力，在超視距空空導(dǎo)彈、各種戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈、無(wú)人機(jī)及戰(zhàn)斗機(jī)等高動(dòng)態(tài)飛行器上具有廣闊的應(yīng)用前景。