衛(wèi)星導航接收機概述

　　衛(wèi)星導航應用現在已在全球風行起來，實際上其廣泛應用的物質基礎是衛(wèi)星導航接收機，目前最主要的當數GPS接收機，應用數量最多的則是單頻(L1)C/A碼民用導航接收機，其2002年的OEM板產銷量接近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《GPSWorld》雜志2003年最新調查報道表明，現在全球有70余家接收機生產制造廠家，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)星導航接收機問世。


　　衛(wèi)星導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導航接收機作一般性的介紹。


　　十多年來，GPS接收機技術有了長足的進步，尤其在高端的科學和工程應用中，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。在低端應用中，手持導航接收機的價格降到＄100以下，具備了大批量進入大眾化應用的條件，手表型導航儀也己進入市場，與無線移動通信結合的定位手機也業(yè)己出籠，個人應用市場展現了不可逆轉的發(fā)展前景。許許多多的應用拓廣都歸功于GPS接收機數字技術的進步�；�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。數據記錄技術也有明顯發(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。根據需要，天線可設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成，所以GPS天線最常用的形狀是塊狀結，像個燒餅。由于天線可以做得很小，因此適合于航空應用和個人手持應用。


　　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。但是，普通的導航應用中，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。由于到達接收機的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，經過低嗓聲放大器（LNA）的濾波和放大，與本機振蕩器產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信號的所有調制的信號信息都轉移到中頻信號上。


　　在GPS接收機模擬部分與數字部分之間必須有個模數（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轉換器，更重要的是增加了后面數字部分的處理工作量。
數字信號處理（DSP）部分


　　通常用下變頻方法得到中頻信號，經過A/D后送給DSP進行處理。它要完成對GPS信號的跟蹤和解碼，實現數字采樣信號的相關處理，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。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
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果的響應靈敏度很高。對輸入信號的跟蹤過程的結果是得到導航數據信息。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


　　微處理器要完成如下一系列任務： （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，控制數字部分中的跟蹤環(huán)路； （2）采集GPS信號的導航（NAV）數據，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，可實現接收機內置的其它計算，如RTK（實時動態(tài)）測量結果； （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，主要是存儲程序與數據以及程序執(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用。 （4）接插頭通常包括無線連接頭，電纜插頭，以及數據連接線插頭座。 （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。充電器內置或外接均有，而質量和管理方式決定了其價格。 （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，構成單片系統(tǒng)，這是最理想的結果，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