GPS衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)

衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)概述



　　衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用現(xiàn)在已在全球風(fēng)行起來(lái)，實(shí)際上其廣泛應(yīng)用的物質(zhì)基礎(chǔ)是衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)，目前最主要的當(dāng)數(shù)GPS接收機(jī)，應(yīng)用數(shù)量最多的則是單頻(L1)C/A碼民用導(dǎo)航接收機(jī)，其2002年的OEM板產(chǎn)銷量接近1000萬(wàn)個(gè)。除了這種普遍適合于民用的接收機(jī)外，還有雙頻(L1,L2)接收機(jī)，
GPS/GLONASS雙系統(tǒng)兼容機(jī)，以及軍用接收機(jī)等。據(jù)《GPSWorld》雜志2003年最新調(diào)查報(bào)道表明，現(xiàn)在全球有70余家接收機(jī)生產(chǎn)制造廠家，共有500多種型號(hào)的接收機(jī)進(jìn)入商用市場(chǎng)。但是，在80年代，只有一種接收機(jī)付諸商用，十年之后便有100多種不同廠家和型號(hào)的衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)問(wèn)世。


　　衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)有多種多樣的類別，分為軍用與民用、C/A碼與P碼、單頻與雙頻、導(dǎo)航與定位、授時(shí)與測(cè)量、手持、車載、機(jī)載、彈載、星載，以及其它各不相同的類型。本文僅對(duì)GPS導(dǎo)航接收機(jī)作一般性的介紹。


　　GPS導(dǎo)航接收機(jī)有若干主要部分組成。通常包括天線與相關(guān)的前置放大器、射頻前端(模擬)部分，數(shù)字(DSP)部分，微處理器及其外圍(存儲(chǔ)器)，輸入輸出(I/O)接口和驅(qū)動(dòng)器，以及顯示、鍵盤、接頭和電源等其它部分。



　　十多年來(lái)，GPS接收機(jī)技術(shù)有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，尤其在高端的科學(xué)和工程應(yīng)用中，其功能越來(lái)越強(qiáng)大，能同時(shí)接收所有可見衛(wèi)星信號(hào)，實(shí)現(xiàn)低噪聲測(cè)量及無(wú)碼與半無(wú)碼L2工作，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)求解整周多義性。在低端應(yīng)用中，手持導(dǎo)航接收機(jī)的價(jià)格降到＄100以下，具備了大批量進(jìn)入大眾化應(yīng)用的條件，手表型導(dǎo)航儀也己進(jìn)入市場(chǎng)，與無(wú)線移動(dòng)通信結(jié)合的定位手機(jī)也業(yè)己出籠，個(gè)人應(yīng)用市場(chǎng)展現(xiàn)了不可逆轉(zhuǎn)的發(fā)展前景。許許多多的應(yīng)用拓廣都?xì)w功于GPS接收機(jī)數(shù)字技術(shù)的進(jìn)步�；�本的GPS接收機(jī)至今可以收拾在單個(gè)芯片中，或二、三個(gè)芯片之中，后者為RF前端，專用集成電路(ASIC)數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)，以及微處理器(μCPU)。有的接收機(jī)將μCPU嵌入到DSP中，便成了兩片機(jī)了。數(shù)據(jù)記錄技術(shù)也有明顯發(fā)展，從原來(lái)的磁帶和軟盤，變成價(jià)廉物美的閃存或半導(dǎo)體存儲(chǔ)器，體積也越來(lái)越小。


天線


　　GPS接收天線的作用，是將衛(wèi)星來(lái)的無(wú)線電信號(hào)的電磁波能量變換成接收機(jī)電子器件可攝取應(yīng)用的電流。天線的大小和形狀十分重要，因?yàn)檫@些特征決定了天線能獲取微弱的GPS信號(hào)的能力。根據(jù)需要，天線可設(shè)計(jì)成可以工作在單一的L1頻率上，也可以工作在L1和L2兩個(gè)頻率上。由于GPS信號(hào)是園極化波，所以所有的接收天線都是園極化工作方式。盡管有多種多樣的條件限制，仍然有許多不同的天線類型存在，如單極的、雙極的、螺旋的、四臂螺旋的，以及微帶天線。


　　微帶天線由于其耐用性和相對(duì)地容易制作，所以成了應(yīng)用最為普遍的一類天線。其形狀可以是園的，也可以方的或長(zhǎng)方的，如同一塊敷銅的印刷電路板。它由一個(gè)或多個(gè)金屬片構(gòu)成，所以GPS天線最常用的形狀是塊狀結(jié)，像個(gè)燒餅。由于天線可以做得很小，因此適合于航空應(yīng)用
和個(gè)人手持應(yīng)用。


　　天線的另外一個(gè)主要特性，是其的增益圖形，即方向性。利用天線的方向性可以提高其抗干擾和抗多徑效應(yīng)能力。在精確定位中，天線的相位中心的穩(wěn)定性是個(gè)很重要的指標(biāo)。但是，普通的導(dǎo)航應(yīng)用中，人們希望用全向天線，至少能接收天線地平以上五度視野內(nèi)所有天空中的可
見衛(wèi)星信號(hào)。微帶天線通常有個(gè)接地平板作為地網(wǎng)。由于到達(dá)接收機(jī)的GPS信號(hào)一般都比較微弱，所以往往采用有源天線，所謂有源天線，是指天線中裝有RF前置放大器或低噪聲放大器。


(LNA)


模擬（RF）部分


　　GPS接收機(jī)的RF部分，是將GPS的L1頻率（射頻RF）信號(hào)，轉(zhuǎn)換成較低的頻率，即中頻（IF），從而易于進(jìn)行放大與處理。這種變換通常稱之為混頻，通常是將天線送來(lái)的輸入信號(hào)，經(jīng)過(guò)低嗓聲放大器（LNA）的濾波和放大，與本機(jī)振蕩器產(chǎn)生的正弦波信號(hào)進(jìn)行混頻，形成中頻信
號(hào)。大部分GPS接收機(jī)的本振采用的是精密的石英晶體振蕩器為基準(zhǔn)的頻率綜合器。中頻信號(hào)除了在載波頻率上變低以外，RF信號(hào)的所有調(diào)制的信號(hào)信息都轉(zhuǎn)移到中頻信號(hào)上。


　　在GPS接收機(jī)模擬部分與數(shù)字部分之間必須有個(gè)模數(shù)（A/D）變換器，有的直接采樣接收機(jī)面對(duì)的不是中頻信號(hào)，而是直接對(duì)RF信號(hào)進(jìn)行A/D采樣。這在低價(jià)位的混合模（A—D）芯片中，未帶來(lái)優(yōu)勢(shì)，直接采樣非但要高速A/D轉(zhuǎn)換器，更重要的是增加了后面數(shù)字部分的處理工作量。
數(shù)字信號(hào)處理（DSP）部分


　　通常用下變頻方法得到中頻信號(hào)，經(jīng)過(guò)A/D后送給DSP進(jìn)行處理。它要完成對(duì)GPS信號(hào)的跟蹤和解碼，實(shí)現(xiàn)數(shù)字采樣信號(hào)的相關(guān)處理，以及基本的跟蹤測(cè)量。


（1）GPSC/A碼、信號(hào)捕獲


　　GPS接收機(jī)的數(shù)字部分為了完成跟蹤和解碼工作，必須從采樣信號(hào)中將不同收星的信號(hào)區(qū)分開來(lái)，此時(shí)信號(hào)的搜索、捕獲、鎮(zhèn)定和跟蹤先后一步步要實(shí)現(xiàn)。一旦找到信號(hào)，要測(cè)量?jī)蓚�(gè)重要參量：一個(gè)是C/A碼周期的開始，另一個(gè)是輸入信號(hào)的載波頻率。因?yàn)椴煌�的衛(wèi)星信號(hào)，具有不同的C/A碼和不同的起始時(shí)間，以及不同的多卜勒頻率。得到了C/A碼的起始時(shí)間，便可以利用這一信息，實(shí)現(xiàn)擴(kuò)頻，輸出就變成連續(xù)波信號(hào)，并獲得其載波頻率。隨后便可以由搜索捕獲過(guò)程，進(jìn)入鎮(zhèn)定跟蹤程序。


（2）GPS信號(hào)跟蹤


　　為了跟蹤一個(gè)信號(hào)，必須針對(duì)輸入信號(hào)的變化，建立一個(gè)隨之而動(dòng)的窄帶濾波器，當(dāng)輸入信號(hào)的頻率隨著時(shí)間變化時(shí)，濾波器的中心頻率也隨著信號(hào)而變。實(shí)際的跟蹤過(guò)程是，窄帶濾波器的中心頻率是固定的，而本機(jī)產(chǎn)生的信號(hào)隨著輸入信號(hào)頻率變化，輸入信號(hào)的相位和本機(jī)產(chǎn)
生的信號(hào)相位通過(guò)相位比較器進(jìn)行比相，相位比較器的輸出通過(guò)窄帶濾波器。由于跟蹤電路的帶寬很窄，所以對(duì)比相器的輸出結(jié)果的響應(yīng)靈敏度很高。對(duì)輸入信號(hào)的跟蹤過(guò)程的結(jié)果是得到導(dǎo)航數(shù)據(jù)信息。在跟蹤過(guò)程中，一般有兩個(gè)跟蹤環(huán)路在工作，其中一個(gè)是C/A碼跟蹤環(huán)，稱為碼環(huán)，另一個(gè)是跟蹤信號(hào)載波相位的，稱為載波環(huán)。


　　微處理器及其外設(shè)微處理器要完成如下一系列任務(wù)： （1）基于衛(wèi)星信號(hào)的距離和多卜勤（距離變化率）的跟蹤測(cè)量，控制數(shù)字部分中的跟蹤環(huán)路； （2）采集GPS信號(hào)的導(dǎo)航（NAV）數(shù)據(jù)，其中包括每個(gè)衛(wèi)星的軌道和時(shí)鐘，以及其它多種信息； （3）通過(guò)給跟蹤環(huán)提供信息，輔助并加速對(duì)衛(wèi)星的跟蹤； （4）基于距離和多卜勒測(cè)量及衛(wèi)星軌道信息，計(jì)算接收機(jī)所在位置和速度； （5）利用載波相位測(cè)量，可實(shí)現(xiàn)接收機(jī)內(nèi)置的其它計(jì)算，如RTK（實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)）測(cè)量結(jié)果； （6）支持用戶接口，控制鍵盤、顯示器，以及其它人機(jī)界面。微處理器的外設(shè)，主要是存儲(chǔ)程序與數(shù)據(jù)以及程序執(zhí)行操作的存貯器。有的微處理器本身就帶有ROM與EAM存儲(chǔ)器。


　　輸入/輸出（I/O），以及其它配套件（1）I/O與驅(qū)動(dòng)器它們包括串行接口，并行接口，USB接口，Ethernet接口，以及其它一些通信端口。 （2）顯示器用于顯示接收機(jī)的各種操作和測(cè)量結(jié)果。分為不同的大小、顏色和分辯力，以及前光、背光、顯示屏方式和亮度等。 （3）鍵盤用戶可以通過(guò)鍵盤發(fā)出各種工作指令，來(lái)控制和動(dòng)作GPS接收機(jī)，鍵盤常常可以與觸摸屏集成在一起。鍵盤的大小和形狀取決于特定的應(yīng)用。 （4）接插頭通常包括無(wú)線連接頭，電纜插頭，以及數(shù)據(jù)連接線插頭座。 （5）電源GPS接收機(jī)的電源通常為一個(gè)，但對(duì)不同的部分供電時(shí)電壓可能是不同的。電源可以是蓄電池，也可以是外接輸入。 （6）充電電池和充電器GPS接收機(jī)的大小和質(zhì)量的制約往往在蓄電池及其充電器上。電池的類型和容量差異很大。充電器內(nèi)置或外接均有，而質(zhì)量和管理方式?jīng)Q定了其價(jià)格。 （7）電路板整體與集成GPS接收機(jī)中，盡可能將所有的元組件及其內(nèi)部連接全裝配在一個(gè)印刷電路板上。 （8）封裝封裝很大程度上取決于應(yīng)用要求和使用場(chǎng)合。


集成一體化帶來(lái)的好處


　　將GPS接收機(jī)的各個(gè)主要組成部分，盡可能地集成到一個(gè)芯片上來(lái)，構(gòu)成單片系統(tǒng)，這是最理想的結(jié)果，從而可以縮小體積、降低成本、改進(jìn)可靠性、減少功耗，也影響到性能。




摘自　通信市場(chǎng)