GPS基本原理及其matlab仿真第7章

第7章 GPS接收机及其电路
图7-3 数字GPS接收机组成框图
第7章 GPS接收机及其电路 GPS接收机的选择 7.1.4 GPS接收机的选择 对于每一种应用来说，一些与环境、使用和性能有关的参 数必须仔细考虑，如： (1) 满足对冲击、振动、温度、湿度、大气中盐的含量的 基本要求和最大限制，是否需要工作在提高抗干扰能力的环境 之中? (2) 是民用、军用或是其他用途？如需要PPS操作，一般 必须选择带加密能力的双频GPS接收机。 (3) 需要多快的PVT更新率？飞机、汽车、行人对PVT更 新率的要求是不同的。
第7章 GPS接收机及其电路 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。
第7章 GPS接收机及其电路 (7) 航路点存储能力以及航路和支路数量为多大？ (8) 接收机是否必须和外部系统相连接？是否已经有合适 的I/O硬件与软件？ (9) 对于数据输入和显示特性，接收机是需要外接的还是 整装的CDU能力？是否要求当地坐标系数变换或者WGS-84已经 够用了？ (10) 是否需要设计成便携式并考虑物理尺寸、 功耗、 成本等因素？
第7章 GPS接收机及其电路
图7-2 多通道GPS接收机组成框图
第7章 GPS接收机及其电路 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， 射频信号下变频到中频（IF）。模/数（A/D）转换器对IF信号 进行采样，A/D采样速率典型情况下为PRN基码速率的8～12倍 （对于L1 C/A码PRN速率为1.023 MHz，对于L1和L2 P（Y）码 为10.23 MHz）。最小采样速率是码的截止带宽的2倍，以满足 奈奎斯特判定的要求。对于只接收L1 C/A码的接收机，截止带 宽大于2 MHz，而对于接收P（Y）码的接收机，截止带宽大于 20 MHz。
按接收机通道方式分类 按采用的电子器件分类 按性能分类
按用途分类 按工作模式分类
第7章 GPS接收机及其电路 GPS接收机的分类 7.1.2 GPS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。
第7章 GPS接收机及其电路 (4) 接收机将工作在什么类型的动态（如加速、匀速）条 件下。例如，用于歼击机的GPS接收机要求设计成在经受多少 个“g”的加速度时还可以维持完好的性能，而指定用于测绘的 GPS接收机一般不要求能够经受严酷的动态环境。 (5) 是否需要具有差分GPS（DGPS）能力？(DGPS是一种提 高精度的技术，它能提供比独立的PPS或SPS更高的精度。) (6) 应用中是否要求接受以地球静止卫星为基础的重叠服 务（比如国际海事卫星（INMARSAT）），是否考虑所采用的 GPS设备和/或GLONASS卫星的完好性、测距和DGPS信息？
第7章 GPS接收机及其电路 常用GPS接收机类型 表7-1 常用 接收机类型
分类方法 按编码信息分类 按接收的数据形式分类 接收机类型 ①有码接收机 ②无码接收机 ①C/A 码伪距 ②C/A 码伪距，L1 载波相位 ③C/A 码伪距，L1 载波相位，L2 载波相位 ④C/A 码伪距，P 码伪距 ⑤C/A 码伪距，P 码伪距，L1 载波相位，L2 载波相位 ⑥L1 载波相位 ⑦L1 载波相位，L2 载波相位 ①时序接收机 ②多路复用接收机 ③多通道接收机 ①模拟接收机 ②数字接收机 ③混合接收机 ①X 型接收机（高动态应用接收机） ②Y 型接收机（中动态应用接收机） ③Z 型接收机（低动态应用接收机） 军用/民用/导航/测时/测地 ①单点定位 ②相对定位 ③差分定位
第7章 GPS接收机及其电路 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。
第7章 GPS接收机及其电路 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。
第7章 GPS接收机及其电路 7.1.3 数字GPS接收机 数字GPS接收机 GPS接收机 一个数字GPS接收机的组成框图如图7-3所示。在视界中所 有卫星的GPS射频（RF）信号被右圆极化（RHCP）天线接收， 经前置低噪声放大器（LNA）放大， 接收机的噪声系数与LNA 有关。通常在天线和LNA之间设置一个无源带通滤波器， 以降 低带外射频干扰。这些被放大的射频信号与来自本机振荡器 （LO）的信号混频，下变频到中频（IF）。本地振荡器频率是 根据接收机的频率设计，由基准振荡器经频率合成器产生的。 每一级下变频器需要一个本地振荡器信号。下变频有采用两级 下变频形式、一级下变频形式，或甚至直接在L频段作数字采 样的。本地振荡器信号在混频过程会同时产生上边带和下边带 信号，因此在混频器之后，采用带通滤波器选择下边带信号， 而滤去上边带信号，获得下变频到中频（IF）的信号。模/数 转换（A/D）和自动增益控制（AGC）功能均在中频上完成。
第7章 GPS接收机及其电路
第7章 GPS接收机及其电路
7.1 GPS接收机 接收机 7.2 基于RF8009的GPS接收机电路 基于 的 接收机电路 7.3 基于嵌入式系统的 基于嵌入式系统的GPS应用设计 应用设计
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7.1 GPS接收机 接收机
GPS接收机的基本构成 接收机的基本构成 7.1.1 GPS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。
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7.2 基于 基于RF8009的GPS接收机电路 的 接收机电路
RF8009 8009简介 7.2.1 RF8009简介 RFMD公司的RF8009 GPS接收机是为OEM（原始设备制造商） 使用的即插即用模块，它具有12个并行信道， 能够完成GPS信 号处理，产生精确的导航数据，实现高速精确地确定第一次定 位时间（TTFF）及信号重新采集，支持2D和3D导航模式， 采 用38 mm×38 mm封装，可广泛地应用在GPS终端产品上，如舰 队导航、 汽车导航、远程信息处理和物体（财产）跟踪。
第7章 GPS接收机及其电路 7.2.2 RF8009的主要性能指标 的主要性能指标 表7-2 RF8009的主要电气特性 的主要电气特性
参 外部电源 电压 功率消耗 数 最小值 3.17 1.65 典型值 3.3 2.5 410 145 40 6 最大值 3.43 2.7 单位 V V mW mW mW μA mV m m m/s m s s h/s h/s 备 注 运行模式 电池备用模式 数据更新时间 1s 数据更新时间 1s 数据更新时间 5s 电池备用模式 运行模式 2DRMS 2DRMX 1Sigma 2DRMS 1s±100ns（1Sigma） 二进制，NMEA-0183 二进制，无奇偶，8 个数 据位，1 个停止位 RTCM SC-104，无奇偶，8 个数据位，1 个停止位
第7章 GБайду номын сангаасS接收机及其电路
图7-1 GPS接收机的基本构成框图
第7章 GPS接收机及其电路 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2.5 dBic，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0 dBic=0 dB），在10°以下增益一般变为负的。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20.46 MHz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。
第7章 GPS接收机及其电路 过采样会降低接收机对于A/D量化噪声的敏感度，因而减少 在A/D转换器中所需的位数。采样结果送到数字信号处理器 （DSP）中。DSP包含N个并行通道，以同时跟踪来自多达N (5<N<12)颗卫星的载频码。每个通道中包含码和载波跟踪环， 以完成码和载波的相位测量，以及导航电文数据的解调。通道 可以计算三种不同的测量值： 伪距、Δ距离（有时称做Δ伪距） 和积分多普勒频移。所希望的测量值和解调后的导航消息数据 送至基带处理器。基带处理器对接收机信号的截获、跟踪和数 据采集进行控制，并处理接收机的测量值形成PVT解。在一些应 用中， 也可用专门的微处理器同时完成PVT的计算和相关联的 导航功能。
第7章 GPS接收机及其电路 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、 RS232和RS-422。
第7章 GPS接收机及其电路 通过模/数转换（A/D）数字化了的中频（IF）信号输入到 N个数字接收机通道。这些数字接收机通道一般用一个或几个 专用集成电路（ASIC）来组成， 完成环路鉴相和滤波、数据 解调、测量、锁相和批示等功能。接收机处理器是一个高速微 处理器，用来完成接收机基带控制与处理、 导航处理和用户 接口等功能。
第7章 GPS接收机及其电路 在接收单元，GPS射频信号被下变频到中频（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1 Hz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5 Hz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。