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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。 l 卫星产生伪随时码，发出时信号 l 接收机收到信号延迟 l 接收机本地码发生器产生本地码 l 经码移位电路本地码延迟 l 相在器相关运算，积分器 l 相关输出达到最大值即 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 l相关探测法每次移动本地码半个码元进行相关 比较 。 lC/A码捕获：因为C/A码短，用1.5min可完成捕获。 lP码捕获：P码X1，X2 12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。 l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。 l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。 l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 。 l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。 l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、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。 3 GPS接收机原理框图 完整的导航接收机接收处理通道 l接收天线、 l接收射频、 l信号处理、 l应用处理（导航处理和授时处理） l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： l多频接收天线； l多频射频接收通道； l伪码的捕获与跟踪技术； l比特同步、子帧同步技术； l伪距、伪距和载波相位估计； l用户位置、速度和时间（PVT）的计算 ，授时处理； 3.1 GPS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 l 天线与前置放大器一体化以减少信号损失 l 天线对整个上半球各方向信号不产生死角 全园极化 l 有适当防护屏蔽措施以清除多路径效应 l 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： L1：1575.421.023MHz L2：1227.61.023MHz l极化方式： 右旋圆极化 l波束宽度： E（俯仰）：5 90 （水平）：0 360 l天线增益： -5dB（在整个波束范围内, 天线 顶部增益大于3dB） l圆极化轴比：2 l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 l 四馈源天线：天线相位中心为零 l 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 l低噪声预选放大器、 l下变频器、滤波器组成， l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 l载波频率： L1: 1575.42 MHz L2：1227.6 MHz l接收信号功率范围：-133dBm-110dBm l低噪声放大器噪声系数：1.5dB（带选择滤波器） l低噪声放大器增益：37dB l镜频噪声抑制：40dB l输出中频频率： L1: 46.42 MHz L2：46.6 MHz l3dB带宽 1.023MHz l带外杂波抑制：40dB l输出信号电平：4dBm1dB 阻抗：50 lAGC动态范围：55dB l本振相位噪声：100Hz -65 dBc/Hz l 1KHz -75 dBc/Hz l 10KHz -85 dBc/Hz l 100KHz -100 dBc/Hz l本振信号频率准确度和稳定度：优于5107 C/A码信号的相位调制 l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， 3.3卫星信号处理流程图 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 l捕获、跟踪、解调、 l比特同步、子帧同步、 l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 l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 l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。 l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 l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。 l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。 l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 l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 l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. l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 l 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。 3.4 导航电文的解扩 卫星信号的扩频： 信号解扩 ： 6.3.5 导航电文的解码 l导航电文 3.6 GPS接收机接收信号 l导航电文 lC/A码伪距 ，P码伪距 lL1载波相位 、L2载波相位 lL1多普勒频移D1，L2多普勒频移D2。 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， l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， l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， l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。 6.4 GPS接收机OEM lAntenna lRF lASIC lDigital lFirmware Passive antenna Active antennas GPS接收机组成 GPS天线 GPS主板 GPS显示 GPS电源 6.5 GJS1006.5 GJS100、GJS101GJS101型接收机特点型接收机特点 The features of GJS100The features of GJS100、GJS101 ReceiverGJS101 Receiver l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） l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 6.5.1 高精度单频接收机研制高精度单频接收机研制 Single Frequency High accuracy GPS receiver 主要技术指标主要技术指标 The main technology indexThe main technology index l精度(Accuracy)：5mm1ppmD l采样间隔(Sampling interval)：199秒可选 l工作范围(Working temperature)：2055OC l功耗 (Power wastage): 3.5W l汉化显示、电池电量显示、背光照明 lGJS100：内存(Memory)4M，可存31个文件 lGJS101：内存(Memory) 8M，可存63个文件 l下载数据可转成RINEX2.0格式 l 6.5.2 TH100型GPS接收机系统结构 The system structure of TH100 RTK 信息 GPS天线 定位数据 控制命令 数 据 下 载 电台天线 GPS OEM板Pocket PC PDA 数 据 上 传 桌面PC 系统电源 数字电台 Modem 数据链OEM板控制器 l组件1：GPS OEM板 l组件2：掌上电脑PDA控制器 l组件3：数据链 NovAtel OEM4实物图 TH100型接收机样机 The sample of TH100 Receiver 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 5.4 GPS/GLONASS 兼容机OEM板方案 YY N OEM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 批量主机板生产 N 射频芯片和基带芯片组成框图 低噪声放大 器 频率 综合器 下变频 下变频 A/D A/D 多个数字 跟踪通道 多个数字 跟踪通道 实时控制 基带信号处理 实时控制 基带信号处理 定位 解算 、 速度 解算 、 测量 数据 处理 、 时钟 频率 调整 串行接口 实时控制软件和 定位解算软件 GPS L1 GLONASS L1 采样时钟 射频芯片 数字相关通道和接口 分路器 晶 振 基带芯片 FLASH DC/DC 晶体 射频芯片设计要求 l输入信号： GPS：1575.42MHz，伪码速率：1.023MHz GLONASS：1597.55151609.261MHz， 伪码速率：0.511MHz lLNA噪声系数：2dB，芯片线性部分总NF2.5dB l输入信号功率：130dBm（扩频信号） l输出中频信号幅度：1VP-P l输出时钟频率：40MHz l电源电压：3V10% l工作温度范围：-2070 l兼容GPS/GLONASS协议 射频通道技术方案 射频通道接收由天线LNA放大后GPS/GLONASS 卫星信号。在射频通道里，按GPS和GLONASS 频率分成两个射频通道，再分别进行下变频、滤 波、放大并通过AGC保持末级中频幅度稳定在 1VP-P。两个射频通道的末级中频信号分别输出 。射频通道内还有一个频率综合器为全机提供各 种本地频率和时钟。 L1 LNA 带通 1591.829M BW=34.864M L1Glonass LO4 56MHz 分 路 器 LO1 1400MHz LO2 140MHz L1GPS GPS IFout LO3 31.11MHz 滤波器 4.3MHz 第1级 混频 第2级 混频 AGC 第3级 混频 带通滤波器 175.42MHz 带通滤波器 SAW 35.42MHz GLONASS IFout 滤波器 9.5MHz 第1级 混频 第2级 混频 AGC 第3级 混频 带通滤波器 205.5MHz 带通滤波器 SAW 65.5MHz LO2 140MHz LO1 1400MHz AGC控制 射频芯片原理框图 注：虚线部分在片外 射频芯片原理级设计射频芯片原理级设计 混频器 放大器 声表滤波器 BW=12MHz 中频接收机 中频放大器 GLONASS 中频输出 6.9MHz AGC 中频滤波器 4 15MHz 放 大 器 1463.5MHz 133MHz 频 率 综 合 器 混频器 放大器 声表滤波器 BW=2MHz 中频接收机 中频放大器 GPS 中频输出 4.42MHz AGC 中频滤波器 3.45.4MHz 放 大 器 1435MHz 136MHz 频 率 综 合 器 陶瓷滤波器 1595MHz放大器 分路器 差分放大器 TCXO 40MHz 时钟输出 分路器 时 钟 发 生 器 射频通道原理图 基带芯片设计要求 lGPS C/A 码和GLONASS 兼容基带处理 器 l 微处理器核采用DSP核 l 16 个GPS/GLONASS 的相关通道 l 2个串行口（UART） l 1PPS 输出 l 内置4M存储器 l输入信号：量化的GPS中频信号、量化的 GLONASS中频信号、采样时钟 基带芯片总体体系结构设计 射 频 接 口 移 相 载波 DCO 码 DCO C/A码 产生器 相 关 器 累 加 器 寄 存 器 16通道 处 理 器 接 口 MCU 前端 时钟控 制器 时间基准 产生器 中断管 理器 支持功能模块 HDU 双 UART 电源和复 位控制 1ms数据累加器 1ms数据累加器 本地1ms信号 计数器 迟码 早码 对准码 载波 NCO 码 NCO 1ms数据累加器 I支路 Q支路 数 字 中 频 信 号 数 据 总 线 历元计数器 码相位 计数器 C/A码 产生器 码回转 控制器 信 号 量 化 处 理 模 块 1ms数据累加器 1ms数据累加器 1ms数据累加器 载 波 周 期 计 数 器 GPS跟踪通道 1ms数据累加器 1ms数据累加器 本地1ms信号 计数器 迟码 早码 对准码载波 NCO 码 NCO 1ms数据累加器 I支路 Q支路 数 字 中 频 信 号 数 据 总 线 历元计数器 计数器 码相位 计数器 计数器 GLONASS C/A码 产生器 码回转 控制器 信 号 量 化 处 理 模 块 1ms数据累加器 1ms数据累加器 1ms数据累加器 载 波 周 期 计 数 器 GLONASSGLONASS跟踪通道跟踪通道 信号处理器方案 信号处理器，先将两个末级中频信号通过A/D 进行模数转换，把两个模拟信号变成两个数字 信号，一路为GPS数字信号，一路为 GLONASS数字信号。两个数字信号进入数字 通道，在软件控制下进行信号跟踪，完成信号 解扩、解调导航参数和伪距、伪距变化率等测 量值。这里设计16个GPS和GLONASS卫星跟 踪通道。硬件平台主要由FPGA实现。 MAX3232 地址总线 数据总线 控制总线 GPS中频 GLONASS 中频 时钟 频率 A/D JTAGEPCS4 FPGA GLONASS 跟踪通道6 GLONAS S 数字中频 采样锁存器 GLONASS 跟踪通道1 GLONASS 跟踪通道2 RS-232 接口 UART模块 GPS 跟踪通道10 测 量 基 准 GPS 数字中频 中断信号 数据总线 地址总线 采样锁存器 采样时 钟 地址 译码器 数据/控制 总线接口 状 态 寄 存 器 控制总线 时基产生器 GPS 跟踪通道1 GPS 跟踪通道2 数字通道 信息处理器 信息处理器，控制信号处理器完成码和载波的捕 获、跟踪。 应用解调的卫星导航参数和测量的伪距 、伪距变化率，完成用户位置和速度计算、坐标变 换、管理I/O端口等。 信息处理器硬件平台主要由 DSP、FLASH、SRAM等组成。信息处理器是软件 平台，其功能由软件指令执行。 DSP FLASH S