GPS接收机及其实现电路

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1、第7章GPS接收机及其电路7.1GPS接收机7.2基于RF8009的GPS接收机电路7.3基于嵌入式系统的GPS应用设计7.1GPS接收机7.1.1GPS接收机的基本构成GPS接收机的基本构成框图如图7-1所示，它由天线单元（有源或者无源）和接收单元两大部分组成。图7-1GPS接收机的基本构成框图卫星信号是通过天线接收到的，天线单元由接收天线和前置放大器组成。天线为右圆极化（RHCP）形式，典型的覆盖角是160°，其增益变化在天顶约为2.5dBic，在仰角为10°时接近于1（RHCP天线的单位增益也可以用全向圆极天线表示为0dBic=0dB），在10°以下增益

2、一般变为负的。由于卫星信号是RHCP形式，适合于用圆锥螺旋天线或其变形（如定向天线、偶极子天线、微带天线、螺旋天线等）进行接收。同时在L1和L2波段上跟踪P（Y）码的GPS接收机需要同时在两个频率上具有20.46MHz的带宽。如果GPS接收机只跟踪L1波段上的C/A码，天线（和接收机）在飞机上倾向于使用薄剖面、低空气阻力的片状天线，而陆上运载体（如汽车）可使用较大外形的天线。选择天线时需要考虑的参数有天线增益场形、可用的安装面积、空气动力性能、多径性能、无线电相位中心的稳定度和抗干扰性等。某些军用飞机使用波束控制或自适应调零天线以抵制干扰。波束控制技术采用电子的

3、方法将天线增益集中在卫星的方向上以使链路的容量最大。而自适应调零天线是电子可调的，在天线方向图中，在干扰源（任何电子辐射，不管是来自朋友或敌方的，只要干扰了GPS信号的接收和处理，均视为干扰源）方向上建立零点。接收单元包括信号通道单元、存储单元、计算和显示单元以及电源四部分。其中核心部分是信号通道单元，通常由硬件和软件组成。每一通道在某一时刻只能跟踪一颗卫星，当此卫星被锁定后便占据该通道，直到失锁为止。目前GPS接收机广泛应用并行多通道技术，即一个GPS接收机可同时跟踪多颗卫星，同时锁定多颗卫星，大大缩短了确定卫星的PVT时间。在接收单元，GPS射频信号被下变

4、频到中频（IF），利用模/数（A/D）转换器对IF信号采样和数字化。基带处理器对接收机进行控制，包括信号的截获、信号跟踪和数据采集。此外，基带处理器也可以由接收机测量值形成PVT解。在一些应用中，也可用专门的微处理器同时完成PVT计算和相关联的导航功能。大多数处理器在1Hz速率的基础上提供独立的PVT解。然而，用做飞机自动着陆和其他宽动态应用的接收机，至少需要以5Hz的速率计算独立的PVT解。格式化了的PVT解和其他与导航有关的数据送至I/O端口。I/O端口是在GPS接收机和用户之间的接口。I/O端口有两种基本类型：整装的和外置的。对于许多应用来说，I/O端口是

5、一个CDU（控制显示单元）。CDU允许操作员进行数据输入，显示出工作状况和导航参数，还有许多导航功能，如输入航路点、待航时间等。大多数手持式设备有整装的CDU。其他设备，比如某些机载或船载设备，有可能其I/O是集成在已有的仪器或控制面板上的。除了到用户和操作员的接口之外，在与其他传感器（例如惯导）组合使用时要求有数字数据接口以输入和输出数据。通用接口有ARINC429、MIL-STD-1553B、RS-232和RS-422。电源可能是整装的、外接的，或者两者相结合。在整装或自备实现方式（比如手持式移动设备）中，一般使用电池供电。而在集成方式的应用中（比如装在个人

6、计算机的接收机板上的电源）一般用已有的电源。机载、车载和船载GPS设备一般用平台电源，然而GPS接收机一般都具有内置的电源变换器（交流变直流或直流变交流）和电压调节器。接收机内置电池用以在平台电源断电时维持存储在RAM中的数据和运行内置的实时时钟。常用的一些GPS接收机类型如表7-1所列。表7-1常用GPS接收机类型7.1.2GPS接收机的分类GPS接收机可分为两种基本类型：同时跟踪P（Y）码和C/A码的PPS接收机以及仅跟踪C/A码的SPS接收机。PPS接收机同时在L1和L2波段上跟踪P（Y）码。PPS接收机初始工作时在L1上跟踪C/A码，然后转换到在L1和

7、L2上跟踪P（Y）码。P(Y)码跟踪只有在加密单元的辅助下才能产生。SPS接收机只跟踪L1上的C/A码。在这两种基本接收机类型中，还有其他一些变形，比如无码L2跟踪接收机，这种接收机跟踪L1上的C/A码，并同时跟踪L1和L2频率上的载波相位。利用载波相位作为测量点，测量精度能够达到厘米级甚至毫米级。多数接收机有多个通道，每个通道跟踪来自一颗卫星的发射信号。图7-2多通道GPS接收机组成框图一个多通道GPS接收机的组成框图如图7-2所示。通常采用一个无源的带通滤波器对所接收到的射频卫星信号进行滤波，以减小带外射频干扰。通过前置低噪声放大器(LNA)放大后，射频信号

8、下变频到中频（IF）。模