GPS接收机工作原理

GPS接收机工作原理1伪随机码测距原理利用接收机产生复制码（本地码）与卫星发播的伪随机码进行相关运算，通过测量相关函数最大值的位置来测定卫星信号传播延迟，从而求得卫星到接收机的距离观测值。卫星产生伪随时码，发出时信号接收机收到信号延迟接收机本地码发生器产生本地码经码移位电路本地码延迟相在器相关运算，积分器相关输出达到最大值即)(,ts)(ts)(tts)'('ttsdtttstsR)'()()(ntcnT'2GPS接收机工作原理GPS接收机工作分为四步1.对卫星信号捕获——牵引2.跟踪卫星信号，保证连续测距——锁定、跟踪3.解调导航电文，测量伪距，载波相位4.定位计算C/A码和P码的捕获相关探测法——每次移动本地码半个码元进行相关比较。C/A码捕获：因为C/A码短，用1.5min可完成捕获。P码捕获：P码X1，X212位移位截短寄存器在每周六零时置成初始状态。C/A码捕获后，在导航电文中转换码中给出Z计数，该计数按1.5秒计算，从星期六零时开始。有了Z计数就可以计算出X1X2状态，即可预先将P码本地码移到应有的状态，所以只需很短时间即可完成对P码捕获。捕获——通过检测伪随机码和本地码相关输出为最大，即可捕获卫星。信号的捕获是一个码相位和载波多普勒的二维搜索过程，本质上是一个粗同步过程，其任务是估计出伪码的偏移和载波多普勒，用来初始化跟踪环路。捕获方法有传统的串行捕获、基于FFT的并行捕获等多种，无论是那种捕获方式，关键是搜索空间的定义，信号检测准则的建立，以及不同信号电平下算法的性能等。信号的跟踪由跟踪环路来实现，主要作用是根据捕获环路能够给出的输入信号粗略估计，进一步精确估计信号的载波多普勒和伪码偏移，同时，将导航数据从输入的接收信号中解调出来。被跟踪后的信号已经实现了解调，因此，经过比特同步、子帧同步后就可以获得导航数据。利用导航数据和跟踪环路的载波多普勒和伪码偏移，进一步可以导出信号的测量值，即伪距、Δ伪距和载波相位。最后根据这些信息计算出用户的位置、速度和时间（PVT）。码的馈定码的锁定也称跟踪——由于卫星在运动，只有锁定卫星才能保证捕获码的最大相关输出，即不断完成伪距测量。3GPS接收机原理框图完整的导航接收机接收处理通道接收天线、接收射频、信号处理、应用处理（导航处理和授时处理）用户界面。导航信号接收处理的主要关键技术包括下面的几项：多频接收天线；多频射频接收通道；伪码的捕获与跟踪技术；比特同步、子帧同步技术；伪距、Δ伪距和载波相位估计；用户位置、速度和时间（PVT）的计算，授时处理；3.1GPS天线接收天线部分完成射频信号的接收，即把卫星播发的电磁波转换成便于处理电信号。具有优良指标的天线对提高整机的接收灵敏度、减小地形、地貌以及环境因素对设备的影响等方面有非常重要的作用。在天线单元的设计中，除保证宽波束、高增益和宽轴比带宽外，天线单元在整个波束带宽内还应该提供均匀的幅度响应和均匀的相位响应。天线设计要求天线与前置放大器一体化以减少信号损失天线对整个上半球各方向信号不产生死角－－全园极化有适当防护屏蔽措施以清除多路径效应天线相位中心与天线几何中心一致，并稳定GPS接收天线技术指标工作频率及带宽：L1：1575.42±1.023MHzL2：1227.6±1.023MHz极化方式：右旋圆极化波束宽度：E（俯仰）：5°～90°（水平）：0°～360°天线增益：≥-5dB（在整个波束范围内,天线顶部增益大于3dB）圆极化轴比：≤2输出驻波：≤2天线类型适合作为圆极化天线的类型包括了四线螺旋天线、交叉倾斜振子天线和微带贴片天线等多种形式。四螺旋天线左旋园极化优点：天线频带宽，全园极化性好，可捕获低角卫星缺点：不能进行双频接收，抗震性差GPS天线典型的微带贴片天线是在一块厚度远小于工作波长的介质基片上，用微波集成技术覆盖在基片两面上的辐射片所构成的。在实际应用中，贴片辐射器的典型形状是矩形和圆形，然而，这种微带天线带宽很窄（一般不超过1%）。微带天线优点：体积小、重量轻，可将二个频率集成在一起，成本低可大批量生产，易于制造。缺点：增益较低GPS天线发展四馈源天线：天线相位中心为零带抑制板天线：扼流圈天线可扼制地面和建筑物反射波信号3.2接收射频信道接收射频信道由低噪声预选放大器、下变频器、滤波器组成，对天线馈送来的微弱信号进行放大、下变频，最终输出较低的中频信号并经过ADC转换成数字中频，并送到信号处理部分GPS接收射频通道技术指标载波频率：L1:1575.42MHzL2：1227.6MHz接收信号功率范围：-133dBm～-110dBm低噪声放大器噪声系数：≤1.5dB（带选择滤波器）低噪声放大器增益：≥37dB镜频噪声抑制：≥40dB输出中频频率：L1:46.42MHzL2：46.6MHz3dB带宽1.023MHz带外杂波抑制：≥40dB输出信号电平：4dBm±1dB阻抗：50ΩAGC动态范围：55dB本振相位噪声：100Hz-65dBc/Hz1KHz-75dBc/Hz10KHz-85dBc/Hz100KHz-100dBc/Hz本振信号频率准确度和稳定度：优于5×10－7LNA滤波一变频滤波放大PLL10MHz二变频PLL滤波放大B1：1575.42MHz2451MHz875.58MHz46.42MHzAD量化RSSI控制电压输入LNA滤波一变频滤波放大PLL10MHzB2：1227.6MHz2103MHz875.4MHzVGA检波二变频滤波放大46.6MHzAD量化RSSI控制电压输入VGA检波Lo2:922MHzLo2C/A码信号的相位调制在L1载频上由数据流和两种伪随机码分别以同相和正交方式进行调制，X154BPSK调制器BPSK调制器90°限幅器P(Y)码产生器C/A码产生器÷10-3dB∑数据f010.23MHz154f0f0时钟f0/10时钟50bpsL11575.42MHz3.3卫星信号处理流程图信号捕获信号跟踪导航数据解调用户PVT解算用户界面IF信号信号处理信号处理是导航信号接收处理通道的核心部分，这个部分包括信号捕获、跟踪、解调、比特同步、子帧同步、测量值的计算，伪随机码跟踪环路图载波跟踪环路图相关通道电路原理图延迟锁定环的工作原理跟踪环原理图搜索方法传统的串行搜索方法是在一个频率格内进行所有码元的串行时域相关，搜索所有的码相位。如果没有捕获到信号，则进入下一个多普勒频率格继续搜索串行捕获方法实现简单，但其捕获时间过长，对微弱信号环境、干扰环境、较高动态环境的适应性较差等,实用性较差。新型的伪码捕获方案,基于块处理和FFT的软件GPS接收机跟踪跟踪是对伪码相位的精确跟踪过程。本地伪码精确跟踪输入伪码的相位变化，使得伪码相位误差在允许的小范围内。跟踪是对伪码相位的精确跟踪过程。本地伪码精确跟踪输入伪码的相位变化，使得伪码相位误差在允许的小范围内。获得各种导航定位计算所需的原始数据，如载波多普勒频移，码相位偏移等等。伪距提取信号接收时间是由接收机按本地时钟排定的一系列时刻来决定。例如：一个20ms的连续计数器可以给定接收机的接收时间。同时在每个相隔20ms的接收时间点上，需要确定卫星信号的发射时刻。发射时刻的确定需要导航电文所包含的时间信息来辅助在GPS接收机中，卫星的发射时间由Z-记录，并且写在导航电文的每个子帧里。Z计数间隔为1.5秒，而导航电文每4个Z（即6秒）开始一个新的子帧。由于Z确立了每一子帧开始时的卫星时刻，则信号的发射时间应为Z时间Z(n)，加上从信号所在子帧的开头算起至接收时间点上所对应的接收信号之间所间隔的时间.这一时间分为如下几个部分：对应导航电文的整比特数B(n)，从当前比特数开始算起的C/A码整周期数M(n)，从当前C/A码开始算起的C/A码码片数C(n)，以及当前码片的分数部分R(n)。整比特数和整周期数可以依靠跟踪环设置两个专门的计数器提供；码片数和码片分数可以由伪码发生器和码环的NCO给出ts(t-)=6Z(n)+0.02B(n)+0.001M(n)+(c(n)+R(n))/1023000精度讨论采用伪随机码测距技术，测量精度决定码元分辨率。当码的比特率越高，码元宽度越小，分辨率越高。接收机通道通道：能完成对卫星的捕获、跟踪、测量、解扩的装置称为通道。单通道接收机：每次只能捕获一颗卫星，通过变换时序，跟踪卫星进行测量。多通道接收机：具有多个通道，可以同时捕获多颗卫星进行测量。跟踪环跟踪环捕获跟踪测量值导出内部时钟生成接收机控制管理子帧同步PVT解算1212比特同步数字中频信号BD-21/B2GPSL1/L2C3.4导航电文的解扩卫星信号的扩频：信号解扩：)()()(tDtpts)()()()()()(tDtptDtptpts6.3.5导航电文的解码导航电文3.6GPS接收机接收信号导航电文C/A码伪距，P码伪距L1载波相位、L2载波相位L1多普勒频移D1，L2多普勒频移D2。AC/P12射频器（RF）——是将高频1575M通过混频、滤波降到中频。信号通道（基带）——完成信号捕获、跟踪、解扩、解调及伪距测量，载波相位测量数据处理(CPU)---------对观测数据进行处理，解算出定位结果，物体运动速度等。在传统接收机中，天线模块和射频模块这两个模拟信号处理部分均用模拟硬件来实现，通常是一片专用芯片，而信号处理、应用处理部分用数字硬件来实现，通常也是一个专用芯片，用户界面部分则用一个微处理器来实现，也只有这一部分是用软件来实现的。6.4GPS接收机OEMAntennaRFASICDigitalFirmwarePassiveantennaActiveantennasGPS接收机组成GPS天线GPS主板GPS显示GPS电源6.5GJS100、GJS101型接收机特点ThefeaturesofGJS100、GJS101Receiver高清晰度、低功耗、反射式宽温特性、平板液晶显示器：STNLCD（超扭曲向列相液晶显示器）采用价格低、耐低温、功耗低的单片微处理器做系统管理和数据处理GJS100、GJS101接收机整机图6.5.1高精度单频接收机研制SingleFrequencyHighaccuracyGPSreceiver主要技术指标Themaintechnologyindex精度(Accuracy)：±5mm＋1ppm·D采样间隔(Samplinginterval)：1～99秒可选工作范围(Workingtemperature)：－20～＋55OC功耗(Powerwastage):3.5W汉化显示、电池电量显示、背光照明GJS100：内存(Memory)4M，可存31个文件GJS101：内存(Memory)8M，可存63个文件下载数据可转成RINEX2.0格式6.5.2TH100型GPS接收机系统结构ThesystemstructureofTH100RTK信息GPS天线定位数据控制命令数据下载电台天线GPSOEM板PocketPCPDA数据上传桌面PC系统电源数字电台Modem数据链OEM板控制器组件1：GPSOEM板组件2：掌上电脑——PDA控制器组件3：数据链NovAtelOEM4实物图TH100型接收机样机ThesampleofTH100Receiver接收机工作界面图系统参数设置单点定位窗口流动站定位窗口设置基准站GPS卫星分布图运动状态显示图多种导航模式采样功能界面5.4GPS/GLONASS兼容机OEM板方案YYNOEM板设计(硬件和软件)IC芯片组设计的电路描述及指标分配进行前端射频芯片设计进行基带处理芯片设计设计用于芯片测试的测试板及软件试投片试投片测试测试通过否？通过否？用IC芯片组设计主机板批量IC芯片组生产批量主