衛(wèi)星導(dǎo)航接收機概述

　　衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用現(xiàn)在已在全球風(fēng)行起來，實際上其廣泛應(yīng)用的物質(zhì)基礎(chǔ)是衛(wèi)星導(dǎo)航接收機，目前最主要的當(dāng)數(shù)GPS接收機，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，其2002年的OEM板產(chǎn)銷量接近1000萬個。除了這種普遍適合于民用的接收機外，還有雙頻(L1,L2)接收機，GPS/GLONASS雙系統(tǒng)兼容機，以及軍用接收機等。據(jù)《GPSWorld》雜志2003年最新調(diào)查報道表明，現(xiàn)在全球有70余家接收機生產(chǎn)制造廠家，共有500多種型號的接收機進入商用市場。但是，在80年代，只有一種接收機付諸商用，十年之后便有100多種不同廠家和型號的衛(wèi)星導(dǎo)航接收機問世。


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


　　十多年來，GPS接收機技術(shù)有了長足的進步，尤其在高端的科學(xué)和工程應(yīng)用中，其功能越來越強大，能同時接收所有可見衛(wèi)星信號，實現(xiàn)低噪聲測量及無碼與半無碼L2工作，實時動態(tài)求解整周多義性。在低端應(yīng)用中，手持導(dǎo)航接收機的價格降到＄100以下，具備了大批量進入大眾化應(yīng)用的條件，手表型導(dǎo)航儀也己進入市場，與無線移動通信結(jié)合的定位手機也業(yè)己出籠，個人應(yīng)用市場展現(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接收機數(shù)字技術(shù)的進步。基本的GPS接收機至今可以收拾在單個芯片中，或二、三個芯片之中，后者為RF前端，專用集成電路(ASIC)數(shù)字信號處理器(DSP)，以及微處理器(μCPU)。有的接收機將μCPU嵌入到DSP中，便成了兩片機了。數(shù)據(jù)記錄技術(shù)也有明顯發(fā)展，從原來的磁帶和軟盤，變成價廉物美的閃存或半導(dǎo)體存儲器，體積也越來越小。


天線


　　GPS接收天線的作用，是將衛(wèi)星來的無線電信號的電磁波能量變換成接收機電子器件可攝取應(yīng)用的電流。天線的大小和形狀十分重要，因為這些特征決定了天線能獲取微弱的GPS信號的能力。根據(jù)需要，天線可設(shè)計成可以工作在單一的L1頻率上，也可以工作在L1和L2兩個頻率上。
由于GPS信號是園極化波，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，也可以方的或長方的，如同一塊敷銅的印刷電路板。它由一個或多個金屬片構(gòu)成，所以GPS天線最常用的形狀是塊狀結(jié)，像個燒餅。由于天線可以做得很小，因此適合于航空應(yīng)用和個人手持應(yīng)用。


　　天線的另外一個主要特性，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。微帶天線通常有個接地平板作為地網(wǎng)。由于到達(dá)接收機的GPS信號一般都比較微弱，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接收機的RF部分，是將GPS的L1頻率（射頻RF）信號，轉(zhuǎn)換成較低的頻率，即中頻（IF），從而易于進行放大與處理。這種變換通常稱之為混頻，通常是將天線送來的輸入信號，經(jīng)過低嗓聲放大器（LNA）的濾波和放大，與本機振蕩器產(chǎn)生的正弦波信號進行混頻，形成中頻信號。大部分GPS接收機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。中頻信號除了在載波頻率上變低以外，RF信號的所有調(diào)制的信號信息都轉(zhuǎn)移到中頻信號上。


　　在GPS接收機模擬部分與數(shù)字部分之間必須有個模數(shù)（A/D）變換器，有的直接采樣接收機面對的不是中頻信號，而是直接對RF信號進行A/D采樣。這在低價位的混合模（A—D）芯片中，未帶來優(yōu)勢，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)字信號處理（DSP）部分


　　通常用下變頻方法得到中頻信號，經(jīng)過A/D后送給DSP進行處理。它要完成對GPS信號的跟蹤和解碼，實現(xiàn)數(shù)字采樣信號的相關(guān)處理，以及基本的跟蹤測量。


（1）GPSC/A碼、信號捕獲


　　GPS接收機的數(shù)字部分為了完成跟蹤和解碼工作，必須從采樣信號中將不同收星的信號區(qū)分開來，此時信號的搜索、捕獲、鎮(zhèn)定和跟蹤先后一步步要實現(xiàn)。一旦找到信號，要測量兩個重要參量：一個是C/A碼周期的開始，另一個是輸入信號的載波頻率。因為不同的衛(wèi)星信號，具有不同的C/A碼和不同的起始時間，以及不同的多卜勒頻率。得到了C/A碼的起始時間，便可以利用這一信息，實現(xiàn)擴頻，輸出就變成連續(xù)波信號，并獲得其載波頻率。隨后便可以由搜索捕獲過程，進入鎮(zhèn)定跟蹤程序。


（2）GPS信號跟蹤


　　為了跟蹤一個信號，必須針對輸入信號的變化，建立一個隨之而動的窄帶濾波器，當(dāng)輸入信號的頻率隨著時間變化時，濾波器的中心頻率也隨著信號而變。實際的跟蹤過程是，窄帶濾波器的中心頻率是固定的，而本機產(chǎn)生的信號隨著輸入信號頻率變化，輸入信號的相位和本機產(chǎn)
生的信號相位通過相位比較器進行比相，相位比較器的輸出通過窄帶濾波器。由于跟蹤電路的帶寬很窄，所以對比相器的輸出結(jié)果的響應(yīng)靈敏度很高。對輸入信號的跟蹤過程的結(jié)果是得到導(dǎo)航數(shù)據(jù)信息。在跟蹤過程中，一般有兩個跟蹤環(huán)路在工作，其中一個是C/A碼跟蹤環(huán)，稱為碼環(huán)，另一個是跟蹤信號載波相位的，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)星信號的距離和多卜勤（距離變化率）的跟蹤測量，控制數(shù)字部分中的跟蹤環(huán)路； （2）采集GPS信號的導(dǎo)航（NAV）數(shù)據(jù)，其中包括每個衛(wèi)星的軌道和時鐘，以及其它多種信息； （3）通過給跟蹤環(huán)提供信息，輔助并加速對衛(wèi)星的跟蹤； （4）基于距離和多卜勒測量及衛(wèi)星軌道信息，計算接收機所在位置和速度； （5）利用載波相位測量，可實現(xiàn)接收機內(nèi)置的其它計算，如RTK（實時動態(tài)）測量結(jié)果； （6）支持用戶接口，控制鍵盤、顯示器，以及其它人機界面。微處理器的外設(shè)，主要是存儲程序與數(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存儲器。


輸入/輸出（I/O），以及其它配套件


　　（1）I/O與驅(qū)動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的各種操作和測量結(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）鍵盤用戶可以通過鍵盤發(fā)出各種工作指令，來控制和動作GPS接收機，鍵盤常�？梢耘c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接收機的電源通常為一個，但對不同的部分供電時電壓可能是不同的。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定了其價格。 （7）電路板整體與集成GPS接收機中，盡可能將所有的元組件及其內(nèi)部連接全裝配在一個印刷電路板上。 （8）封裝封裝很大程度上取決于應(yīng)用要求和使用場合。


集成一體化帶來的好處


　　將GPS接收機的各個主要組成部分，盡可能地集成到一個芯片上來，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、改進可靠性、減少功耗，也影響到性能。



摘自　通信市場