摘要：机载或弹载的扩频接收机由于接收机载体的高动态特性，导致接收信号具有显著的多普勒频移。针对高动态环境下扩频信号的载波捕获与跟踪问题，分析研究了几种适合的扩频信号跟踪的频率估计算法，并设计了采用四相鉴频器、符号叉积自动频率跟踪算法和科斯塔斯环相混合进行载波跟踪的一整套方案。

关键词：高动态 载波捕获跟踪 叉积自动频率跟踪（cpafc） 科斯塔斯环（costas）

扩频技术的诸多优点使其在很多领域都得到了广泛的应用，发展非常迅速。直接扩频信号接收中最重要的问题是对载波和伪码的捕获与跟踪。在低动态环境中，扩频接收机一般采用相关技术进行捕获和跟踪。在高动态环境中（指速度及其各阶导数值很大的环境），由于载体机动引起的多普勒频移很大，其对载波的捕获跟踪带来许多问题。国内外围绕伪码和载波的捕获与跟踪进行了大量的研究工作，但多围绕低动态的信号展开。本文在高动态、低信噪比环境下研究扩频信号载波跟踪频率估计算法的基础上，提出了对于载波捕获和跟踪的一套设计方案。

1 高动态环境下频率估计的方法

高动态一般定义为定位目标具有较高的速度、加速度和加加速度。

按照定位目标的高度或根据动态性能一般可将接收机分为三类，即：

x型接收机——高动态（强机动性）接收机，适应于高速运行的飞行器，如导弹、飞船及飞机等；

y型接收机——中等动态接收机，适用于速度较慢的运动目标，如低于400km/h的民用飞机等；

z型接收机——低动态接收机，适用于速度较低的地面车辆、海上船只、徒步或定点的定位。

高动态环境会给接收机接收带来许多问题：（1）高动态使载波产生较大的多普勒频移和频率变化率，若使用一般的载波锁相环，则载波多普勒频移常常会超出锁相环的捕获带，不能保证对载波的可靠捕获和跟踪，为此必须增加环路带宽，这样就使得宽带噪声加入。当噪声电平超过环路工作门限时，也会使载波跟踪失锁，使得解调数据无法恢复。（2）高动态也使伪随机码产生动态时延和频移，使得接收机的码延迟锁定环容易失锁，从而得不到伪距测量量，而且重新捕获时间加长，使得导航解发散。

针对高动态环境下扩频信号接收机出现的上述问题，人们提出了一些解决方案：一种方案是给接收机提供惯性导航系统的速率辅助（即提供多普勒频移的先验知识），使得接收机能可靠工作；另一种方案是研究适合高动态环境下扩频信号跟踪的频率估计算法，将算法嵌入接收机的载波环路内，以适应高动态环境下信号的接收。显然后者具有体积小、成本低、结构简单等优点。

这些频率估计方法包括最大似然估计（mle）概念的扩展、扩展卡尔曼滤波技术（ekf）、叉积自动频率跟踪技术（afc）、自适应最小均方算法（als）和数字锁相环技术及其变形方法等。这些频率估计器的细调整和性能依赖于信号的动态，与最大可允许观测时间及频率过程的最高阶导数有关。这四种算法中，最大似然估计与扩展卡尔曼滤波频率跟踪均属于载波准开环跟踪，而叉积自动频率跟踪与数字锁相环则属于闭合载波跟踪。而其它算法如频率扩展卡尔曼滤波（fekf）、基于快速傅立叶变换的叉积自动频率跟踪以及交叠离散傅立叶自动频率跟踪（odafc）等则是由前述四种算法变形产生的。对于不同的高动态应用，可以选择不同的算法以最佳的性价比满足载体环境的要求。

2 高动态环境下载波捕获及跟踪设计方案

载波环路跟踪方法有载波频率跟踪和载波相位跟踪两种，取决于载波鉴别器提取环路误差控制量的方法。常规接收机中载波跟踪是在数字延迟锁相环（ddll）对伪随机码相关解扩的基础上，通过科斯塔斯环（costas）重构载波相位相干解调实现。锁相环（pl具有较高的噪声性能，但对通信链路干扰的容忍能力较差，特别是受载体动态引入的多普勒频移影响较大。在动态尤其是高动态扩频通信系统中，由于各种因素的影响，载频的偏差或阶跃到几千赫/秒到几十千赫/秒。高动态扩频接收机必须承受环境路带宽与动态性能之间的折衷，同时满足跟踪精度与动态性能的要求。

为容忍接收机载体的动态效应，通常希望接收机鉴别器采