卫星导航系统-第7讲 GPS接收机技术-1

卫星导航系统-第7讲 GPS接收机技术-1

GPS接收机的概念

一种能够接收、跟踪、变换和测量GPS卫星导航定位信号的无线点接收设备，即具有无线电接收设备的共性，又具有捕获、跟踪和处理微弱的GPS卫星信号的特性。

GPS接收机本质是一种传感器，它主要用于感应、测量GPS卫星相对于接收机本身的距离以及卫星信号的多普勒频移，并从卫星信号中解调出导航电文，实现定位和测速等。

目前是多通道接收机为主！

按接收机工作原理分类码相关型接收机：C/A码的码相关获取接收机的位置平方型接收机：利用载波相位来获得位置混合型接收机:同时利用了上面两者来实现的干涉型接收机

目前绝大部分是采用混合型接收机；

接收机的体系结构

GPS接收机基本结构

天线模块、射频前端模块、基带处理模块、应用处理模块；

接收机天线

天线作用

接收天线是接收机的首个元器件，它接收卫星发射的电磁波信号并转变成电流信号，以供接收机射频前端摄取和处理。

天线要求

天线与低噪声放大器一体；

能够接收来自任何方向的卫星信号，不产生死角；

有防护与屏蔽多路径的措施；

天线相位中心保持高度稳定，并与几何中心一致；说明接收机的测量中心是在相位测量中心；

几个常见的概念

自由空间传播公式

说明了接收GPS的强度大约是多少；

PR表示接收天线接收信号的强度，指功率；PT表示卫星上发射天线的功率；GT表示发射天线的增益；GR表示接收天线的增益；第四项表示的是路径电磁波的衰减；最后一项指大气损耗

通过上面公式就能够大概估算出地面的接收机接收到信号的强度大概是多少。从上面可以计算出在对应的仰角情况下，这个信号到达地面的强度是多少

信号强度是不同的，因为距离不同；但我们希望在不同点接收到的信号强度是相同的；如果功率相差比较大会带来什么问题呢，如果不同的话，会给别的信号的互相关产生干扰；怎样保证在地球不同位置接收到同一卫星的强度相差不大呢，在GPS系统的发射天线在不同的角度上它的增益是不同的，来调整在地球表面不同位置的信号强度相差不大；在地球上角度为40度的时候，接收到的信号强度是最强的；

信号强度并不能完整地描述信号的清晰程度以及它的质量好坏；

信噪比和载噪比；

信号接收功率强弱并不能完整的用来描述信号的清晰程度或者质量好坏，还需要知道信号相对于噪声的强弱。

信号的质量通常用信噪比（SNR）来衡量：

噪声系数；

衡量某以电子器件的噪声性能，它定义为信号在进入这一器件前和从该器件输出后的载噪比变化倍数。

GPS接收机的整个信号接收系统的噪声温度与天际背景噪声、天线噪声、线路损耗、环境温度和射频前端噪声等有关，其中后两者占据主导地位。一般来讲，GPS接收机整个接收系统的噪声指数在3-4dB左右。

极化方式；

为其电场强度矢量的方向。极化是电场强度矢量的终端随着时间变化而在一个与电磁波传播方向垂直的静止截面上所做的运动轨迹的几何图形。

天线类型：

单极天线：竖直的、具有四分之一波长的天线。结构简单、体积较小，需要安装在一块基板上，属于单频天线；

螺旋天线：全圆极化性能好，可捕捉低高度角卫星；不能进行双频接收。

微带天线：结构简单，既可用于单频机，又可用于双频机；增益较低。

锥形天线：增益高；由于天线较高，且在水平方向不对称，天线相位中心与几何中心不完全一致。

带扼流圈的振子天线：可以有效地抑制多路径误差的影响。

射频前端

作用：

GPS信号从天线首先进入射频前端，经过多次混频，得到频率较低的中频模拟信号，继而经过模数转换器转换为数字中频信号，供基带处理模块实现信号的捕获、跟踪。

要求：

射频前端应具有低噪声指数、低功耗、高增益和高线性等优点。

射频前端对后续处理的影响

射频前端的噪声性能将会影响到接收信号质量，继而影响后续基带处理性能和导航定位精度。

射频前端的频率方案决定了信号的理论中频值 ，其物理意义是在没有多普勒频移和本地钟漂的情况下，接收到的卫星信号的载波频率的理论值，该值直接决定了信号捕获的频率搜索范围。

超外差技术

机理：通过混频将输入的高频信号下变频为较低频率的信号。

优点：低噪声、多个可供调节的设计参数。

缺点：模拟滤波器不易集成、电路复杂。

滤波器

作用：使特定频率通过并衰减其他频率信号，保证最小的插入损耗；

由于射频前端处理首端的前置滤波器对于整个接收系统的有很大的影响。所以前置滤波器必须具有低噪声的特点。

混频器

作用：实现信号从高频到中频的转换。

天线接收的GPS信号的中心频率在1575.42MHz左右，而频率如此高的射频信号一般不适合于被直接采样离散。

混频器是将低噪声放大器输出的射频信号与本机振荡器产生的本振信号进行相乘。

参考晶振

为整个电路提供时钟信号，除了在混频电路中必不可少，在模数转换中也扮演着重要角色。

由于接收机射频前端对时钟精度要求很高，因此大都选择温度补偿晶振。

模数转换器

经过前面几级的混频、滤波、放大等处理，GPS卫星信号的功率已经得到了足够的放大，中心频率也已经变为较低的中频，这些状况均有利于模数转换器对信号做最后模数（A/D）转换。

ADC性能指标主要包括分辨率、带宽和功耗。

对于一个n位的ADC而言，它的分辨率为2n；

为了防止ADC在采样过程中发生混叠，采样频率必须满足奈奎斯特采样定理，即采样频率必须大于信号最高频率的两倍。    在对通带信号进行采样时，采样频率可以小于信号最高频率的两倍，但它仍必须大于两倍的信号带宽。

采样频率与C/A码码率之间的关系

同步采样是指采样频率是C/A码频率的整数倍；

基带信号处理

什么是基带信号：即把载波解调掉，原始导航电文的信号；

作用

通过处理射频前端所输出的数字中频信号，复制出与接收到的卫星信号相一致的本地载波和本地伪码信号，从而实现对GPS信号的捕获与跟踪，并且从中获得GPS伪距和载波相位等测量值以及解调出导航电文。

搜索、捕获并跟踪卫星信号；

对电文数据实行解扩、解调；

进行伪距测量、载波相位测量及多普勒频率等数据测量。

处理顺序

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