GPS卫星导航接收机

卫星导航接收机概述

　　卫星导航应用现在已在全球风行起来，实际上其广泛应用的物质基础是卫星导航接收机，目前最主要的当数GPS接收机，应用数量最多的则是单频(L1)C/A码民用导航接收机，其2002年的OEM板产销量接近1000万个。除了这种普遍适合于民用的接收机外，还有双频(L1,L2)接收机，
GPS/GLONASS双系统兼容机，以及军用接收机等。据《GPSWorld》杂志2003年最新调查报道表明，现在全球有70余家接收机生产制造厂家，共有500多种型号的接收机进入商用市场。但是，在80年代，只有一种接收机付诸商用，十年之后便有100多种不同厂家和型号的卫星导航接收机问世。

　　卫星导航接收机有多种多样的类别，分为军用与民用、C/A码与P码、单频与双频、导航与定位、授时与测量、手持、车载、机载、弹载、星载，以及其它各不相同的类型。本文仅对GPS导航接收机作一般性的介绍。

　　GPS导航接收机有若干主要部分组成。通常包括天线与相关的前置放大器、射频前端(模拟)部分，数字(DSP)部分，微处理器及其外围(存储器)，输入输出(I/O)接口和驱动器，以及显示、键盘、接头和电源等其它部分。

　　十多年来，GPS接收机技术有了长足的进步，尤其在高端的科学和工程应用中，其功能越来越强大，能同时接收所有可见卫星信号，实现低噪声测量及无码与半无码L2工作，实时动态求解整周多义性。在低端应用中，手持导航接收机的价格降到＄100以下，具备了大批量进入大众化应用的条件，手表型导航仪也己进入市场，与无线移动通信结合的定位手机也业己出笼，个人应用市场展现了不可逆转的发展前景。许许多多的应用拓广都归功于GPS接收机数字技术的进步。基本的GPS接收机至今可以收拾在单个芯片中，或二、三个芯片之中，后者为RF前端，专用集成电路(ASIC)数字信号处理器(DSP)，以及微处理器(μCPU)。有的接收机将μCPU嵌入到DSP中，便成了两片机了。数据记录技术也有明显发展，从原来的磁带和软盘，变成价廉物美的闪存或半导体存储器，体积也越来越小。

天线

　　GPS接收天线的作用，是将卫星来的无线电信号的电磁波能量变换成接收机电子器件可摄取应用的电流。天线的大小和形状十分重要，因为这些特征决定了天线能获取微弱的GPS信号的能力。根据需要，天线可设计成可以工作在单一的L1频率上，也可以工作在L1和L2两个频率上。由于GPS信号是园极化波，所以所有的接收天线都是园极化工作方式。尽管有多种多样的条件限制，仍然有许多不同的天线类型存在，如单极的、双极的、螺旋的、四臂螺旋的，以及微带天线。

　　微带天线由于其耐用性和相对地容易制作，所以成了应用最为普遍的一类天线。其形状可以是园的，也可以方的或长方的，如同一块敷铜的印刷电路板。它由一个或多个金属片构成，所以GPS天线最常用的形状是块状结，像个烧饼。由于天线可以做得很小，因此适合于航空应用
和个人手持应用。

　　天线的另外一个主要特性，是其的增益图形，即方向性。利用天线的方向性可以提高其抗干扰和抗多径效应能力。在精确定位中，天线的相位中心的稳定性是个很重要的指标。但是，普通的导航应用中，人们希望用全向天线，至少能接收天线地平以上五度视野内所有天空中的可
见卫星信号。微带天线通常有个接地平板作为地网。由于到达接收机的GPS信号一般都比较微弱，所以往往采用有源天线，所谓有源天线，是指天线中装有RF前置放大器或低噪声放大器。

(LNA)

模拟（RF）部分

　　GPS接收机的RF部分，是将GPS的L1频率（射频RF）信号，转换成较低的频率，即中频（IF），从而易于进行放大与处理。这种变换通常称之为混频，通常是将天线送来的输入信号，经过低嗓声放大器（LNA）的滤波和放大，与本机振荡器产生的正弦波信号进行混频，形成中频信
号。大部分GPS接收机的本振采用的是精密的石英晶体振荡器为基准的频率综合器。中频信号除了在载波频率上变低以外，RF信号的所有调制的信号信息都转移到中频信号上。

　　在GPS接收机模拟部分与数字部分之间必须有个模数（A/D）变换器，有的直接采样接收机面对的不是中频信号，而是直接对RF信号进行A/D采样。这在低价位的混合模（A—D）芯片中，未带来优势，直接采样非但要高速A/D转换器，更重要的是增加了后面数字部分的处理工作量。
数字信号处理（DSP）部分

　　通常用下变频方法得到中频信号，经过A/D后送给DSP进行处理。它要完成对GPS信号的跟踪和解码，实现数字采样信号的相关处理，以及基本的跟踪测量。

（1）GPSC/A码、信号捕获

　　GPS接收机的数字部分为了完成跟踪和解码工作，必须从采样信号中将不同收星的信号区分开来，此时信号的搜索、捕获、镇定和跟踪先后一步步要实现。一旦找到信号，要测量两个重要参量：一个是C/A码周期的开始，另一个是输入信号的载波频率。因为不同的卫星信号，具有不同的C/A码和不同的起始时间，以及不同的多卜勒频率。得到了C/A码的起始时间，便可以利用这一信息，实现扩频，输出就变成连续波信号，并获得其载波频率。随后便可以由搜索捕获过程，进入镇定跟踪程序。

（2）GPS信号跟踪

　　为了跟踪一个信号，必须针对输入信号的变化，建立一个随之而动的窄带滤波器，当输入信号的频率随着时间变化时，滤波器的中心频率也随着信号而变。实际的跟踪过程是，窄带滤波器的中心频率是固定的，而本机产生的信号随着输入信号频率变化，输入信号的相位和本机产
生的信号相位通过相位比较器进行比相，相位比较器的输出通过窄带滤波器。由于跟踪电路的带宽很窄，所以对比相器的输出结果的响应灵敏度很高。对输入信号的跟踪过程的结果是得到导航数据信息。在跟踪过程中，一般有两个跟踪环路在工作，其中一个是C/A码跟踪环，称为码环，另一个是跟踪信号载波相位的，称为载波环。

　　微处理器及其外设微处理器要完成如下一系列任务： （1）基于卫星信号的距离和多卜勤（距离变化率）的跟踪测量，控制数字部分中的跟踪环路； （2）采集GPS信号的导航（NAV）数据，其中包括每个卫星的轨道和时钟，以及其它多种信息； （3）通过给跟踪环提供信息，辅助并加速对卫星的跟踪； （4）基于距离和多卜勒测量及卫星轨道信息，计算接收机所在位置和速度； （5）利用载波相位测量，可实现接收机内置的其它计算，如RTK（实时动态）测量结果； （6）支持用户接口，控制键盘、显示器，以及其它人机界面。微处理器的外设，主要是存储程序与数据以及程序执行操作的存贮器。有的微处理器本身就带有ROM与EAM存储器。

　　输入/输出（I/O），以及其它配套件（1）I/O与驱动器它们包括串行接口，并行接口，USB接口，Ethernet接口，以及其它一些通信端口。 （2）显示器用于显示接收机的各种操作和测量结果。分为不同的大小、颜色和分辩力，以及前光、背光、显示屏方式和亮度等。 （3）键盘用户可以通过键盘发出各种工作指令，来控制和动作GPS接收机，键盘常常可以与触摸屏集成在一起。键盘的大小和形状取决于特定的应用。 （4）接插头通常包括无线连接头，电缆插头，以及数据连接线插头座。 （5）电源GPS接收机的电源通常为一个，但对不同的部分供电时电压可能是不同的。电源可以是蓄电池，也可以是外接输入。 （6）充电电池和充电器GPS接收机的大小和质量的制约往往在蓄电池及其充电器上。电池的类型和容量差异很大。充电器内置或外接均有，而质量和管理方式决定了其价格。 （7）电路板整体与集成GPS接收机中，尽可能将所有的元组件及其内部连接全装配在一个印刷电路板上。 （8）封装封装很大程度上取决于应用要求和使用场合。

集成一体化带来的好处

　　将GPS接收机的各个主要组成部分，尽可能地集成到一个芯片上来，构成单片系统，这是最理想的结果，从而可以缩小体积、降低成本、改进可靠性、减少功耗，也影响到性能。

摘自　通信市场