卫星定位导航系统原理及应用第三讲.ppt

1、卫星定位导航系统原理与应用,信息科学技术学院：张继伟,第三讲,GPS系统的特点,第一，全球地面连续覆盖 由于GPS卫星的数目较多，且分布合理，所以地球上的任何地点均可同时观测到至少4颗卫星，从而能达到全球、全天候连续地三维定位。,第二，功能多，精度高,第三，实时定位 利用GPS导航，可以实时地确定运动目标的三维位置和速度，由此既可保障运动载体沿预定航线运行，也可实时监测和修正航行路线，不可选择最佳航线。,GPS与NNSS的比较,GPS在导航方面具有极高的应用价值,它从根本上解决了人类在地球上和近地空间的导航和定位问题。在海上，它可用于海上协同作战、海洋交通管制、海洋测量、海洋石油勘探、海洋捕鱼

2、、浮标建立、管道和电缆铺设、海岛暗礁定位、海轮进出港导航等方面；在空中,它可用于飞机进场着陆、航线导航、空中加油、武器准确投掷及空中交通管制等方面；在陆地，它可用于各种车辆、坦克、陆军部队、炮兵、空降兵和步兵的定位。,GPS在测量方面的作用 GPS的问世将导致测绘行业一场深刻的技术革命。其主要原因在于GPS定位技术和经典测量技术相比具有如下特点: 第一，观测站之间无需通信； 第二，定位精度高 第三，观测时间短 第四，可提供三维坐标 第五，操作简便 第六，全天候作业。,因此GPS定位技术的发展,对于经典的测量技术是一次重大的突破。一方面,它使经典的测量理论与方法产生了深刻的变革,另一方面,也进一

3、步加强了测量学与其他学科之间的相互渗透,从而促进了测绘科学技术的现代化发展。目前GPS定位技术在大地测量、工程测量、工程与地壳变形监视、航空摄影测量和海洋测绘等方面的应用已甚为广泛。,GPS政策分析,美国政府建立GPS的首要目的是提供一个精密的军用导航系统,以维持其军事优势,GPS的民用只是副产品。 美国政府在GPS设计中计划提供两种服务务:一种为精密定位服务（PPS）,利用P码进行定位,只提供给本国及其盟国的军方和得到特许的民间用户使用,估计其定位精度为10m.,另一种为标准定位服务(SPS),利用C/A码定位,提供给民间用户使用。由于C/A码作为捕获P码之前的前导码,是一种粗捕获的明码,因

4、此估计SPS的定位精度约为400m。 但GPS试验卫星阶段的多次试验结果表明,实际定位精度远远高于预测值。利用C/A码的定位精度可达14m,利用P码的定位精度可达3m。,这个出人意料的结果促使美国军方认真评估允许民间用户使用C/A码定位带来的影响。于是根据前总统里根1983年5月的决策,1984年确立了保护国家安全的两大政策,即防止敌对势力对 P码信号进行干扰的AS (Anti-Spoofing)政策和降低C/A码定位精度的SA(Selective Availability)政策。SA政策包括对GPS卫星基准信号采用技术,对导航电文采用技术。,因为基准信号(10.23MHz)是所有卫星信号(载

5、波、伪噪声码、数据码)的振荡源,故若对基准信号采用技术,人为引入一个高频抖动信号,那么所有派生信号均引入一个快速变化的高频抖动。C/A码广播星历经过技术处理其精度也将大大降低。在考虑限制 CA码定位精度的 SA政策初期，曾确定其定位精度为 500 m，后来考虑到民事用户的需要，最后确定为 100 m。从 1991年 7月1日开始，全部在轨卫星均已实施SA技术。AS技术即为将P码经过译密处理变成Y码，Y码是P码与高度机密的W码模2相加形成的。当实施AS技术时，非特许用户不但不能使用 P码作实时定位，而且不能进行P码和 CA码相位测量的联合求解，甚至不能用P码进行数据平滑。,促使美国取消SA政策的

6、原因 第一，随着民间应用开发的不断深入，对定位精度的要求也不断提高，于是具有较高定位精度的差分GPS（DGPS）技术和广域差分GPS（WADGPS）技术应运而生，这些技术的应用将使SA基本失去作用。 第二，同时随着国际用户的增加，改善CA码定位精度的要求也日益迫切，有些国际机构已经具备建立自己的GPS的经济和技术实力，有可能建立一个类似的系统，这将使美国在军事和技术上失去优势，在经济上蒙受损失。,因此，从1995年底至1996年初，经过几个月的反复论证，美国政府终于提出了一个较为宽松的GPS新政策。这一政策决定由国防部和交通部共同管理GPS，把GPS作为一个国际性的导航系统，加强国际合作，鼓励

7、国际应用。美国前任总统克林顿已于2000年5月宣布暂时取消SA政策，这一举动无疑将进一步扩展GPS的应用范围。,GPS的发展目标 美国政府还希望在21世纪内将导航系统全面向基于空间技术的系统转变，为此，需要增强GPS的性能，如提高可靠性和精确性，扩大覆盖面积，增强信号强度等。 措施一，增加在轨卫星数目，由现在的213颗增加到30颗，保证地球上任何一点接收到的卫星数不少于5颗，覆盖面积扩大到南北极、丛林地区以及 2倍的地球同步轨道高度的空间；,措施二，加载第二民用 CA码和增设第三民用频率。 措施三，加强建立民用广义差分系统WAAS和军用差分增强系统WAGE。,尽管如此，美国政府绝对不会放弃其军

8、事上的优势，一旦别国对其构成威胁，美国就可能宣布有权改变GPS信号结构或对其重新加密。即使在和平时期，美国也将采取措施，对广域差分信号进行加密，以防止敌对国的使用。因此，美国政府的GPS政策是双重性的：一方面，为了最大程度地获取经济利益，鼓励国际应用； 另一方面，为了维持其军事上的优势，对GPS进行垄断。,GPS组成,GPS系统由三大部分组成: （1）空间部分-GPS卫星星座 （2）地面控制部分一运行控制系统 （3）用户部分-GPS接收机,GPS系统三大组成,空间部分-GPS卫星星座,空间部分由高度约为20230KM的21颗工作卫星和3颗在轨热备份卫星组成卫星星座。 卫星分布在6个等间隔的、倾

9、角为55的近圆轨道上，运行周期为718min(约12小时）。,GPS空间卫星,单个卫星特征 第一代GPS卫星是由洛克韦尔国际公司空间部研制的，卫星重约774Kg，采用铝蜂巢结构，主体呈柱形，直径为1.5m。卫星的供电部分为对日定向太阳能电池帆板，板面始终对准太阳，为卫星不断地提供电力，同时给镍镉蓄电池充电，保证在地影区卫星仍能正常工作。星体底部装有多波束定向螺旋天线阵，能发射L1和L2波段的信号，其波束方向图能覆盖约半个地球。,GPS卫星星座示意图,GPS卫星星座的分布,GPS卫星特点,GPS卫星上除了由控制卫星自身工作的遥测、跟踪、指令系统，用于轨道调整与姿态稳定的控制和推进系统，电源系统和

10、计算机等组成外,主要有具有长期稳定度的原子钟(其误差为1s/300万年)、L波段双频发射机、S波段接收机、伪随机码发生器及导航电文存储器。 卫星的主要任务是播发导航信号。,GPS提供的两种服务,卫星采用3种频率工作：f1(1575.42MHz)和f2(1227.6MHz)用于导航定位，f3(1381.05MHz)是GPS卫星的附加信号，发射能探测到大气中核爆炸的星载传感器信息。采用两种伪随机码对发射信息进行调制，一种是保密的精密码(P码)，它同时调制在f1和f2两个频率上，主要是向美国及其盟国的军事用户提供精密定位服务(PPS-Precise Positioning Service)；另一种是

11、粗捕获码(C/A码)，仅调制在f1频率上，向全世界民用用户提供标准定位服务(SPS-Standard Positioning Service)。,卫星发播的导航电文包括:卫星星历、时钟偏差校正参数、信号传播延迟参数、卫星状态信息、时间同步信息和全部卫星的概略星历。 用户通过对导航电文的解码，可以得到以上各参数，用于定位计算。 GPS的星历数据和用户定位数据都采用WGS84全球测地坐标系统。,21+3颗GPS卫星分布在互成60的6个椭圆形轨道面上，轨道倾角为55。每个轨道面上布设4颗卫星。卫星轨道的长半轴为26609km，偏心率为0.01，卫星运行高度为20200km，运行周期为718min。此

12、轨道参数能保证卫星信号覆盖地面面积38%，地球上任何一点任何时刻均能够同时观测到至少4颗GPS卫星。卫星运行到轨道的任何位置上，对地面的距离和波束覆盖面积基本上不变。在波束覆盖区域内，用户接收到的卫星信号强度近似相等，即用于定位的卫星信号信噪比近似相等。,卫星星座分布特征,GPS卫星的作用是向广大用户连续不断地发送导航信号(又称GPS信号，并用导航电文报告自己的现时位置以及其他在轨卫星的概略位置；接收地面主控站通过注入站发送到卫星的调度命令如适时地改正运行偏差，或者启用备用时钟等命令；在飞越注入站上空时，接收由地面注入站用S波段发送到卫星的导航电文和其他相关信息，并通过GPS信号形成电路适时地

13、发送给广大用户。,GPS卫星的作用,地面控制部分,地面控制部分由1个主控站、3个注入站和5个监测站组成。 主控站位于Colorado Springs的联合空间执行中心，3个注入站分别设在大西洋、印度洋和太平洋的三个美国军事基地内，即大西洋的Ascension岛、印度洋的Diego Garcia岛和太平洋的kwajakin岛，5个监测站设在主控站和3个注入站以及Hawaii岛,GPS主控站和监控站分布图,主控站的主要任务,收集和处理本站及各监测站的跟踪测量数据，计算卫星的轨道和钟参数； 将预测的卫星星历、钟差、状态数据及大气传播改正参数编制成导航电文传送到注入站； 纠正卫星的轨道偏离，必要时用备

14、用卫星取代失效的工作卫星； 检测整个地面系统的工作。,注入站的主要任务,将主控站发来的导航电文用S波段射频链上行注入到相应卫星上。上行注入每天1次或2次，每次注入14d的星历； 自动向主控站发射信号，每分钟报告一次自己的工作状态。,监控站的主要任务,监控站配有精密的銫钟和伪距测量接收机，为主控站提供卫星的测量数据。在主控站的遥控下，每隔1.5s进行一次伪距测量，利用电离层和气象数据，每15min进行一次数据平滑，然后发送给主控站。,GPS系统组成,GPS信号接收机,GPS信号接收机是GPS导航卫星的用户设备，是实现GPS卫星导航定位的终端仪器。 它是一种能够接收、跟踪、变换和测量GPS卫星导航

15、定位信号的无线电接收设备。既具有常用无线电接收设备的共性，又具有捕获、跟踪和处理卫星微弱信号的特性。,GPS接收机分类,按使用环境：低动态接收机和高动态接收机。 按所使用的信号种类和精度：单频粗捕获码(C/A码)接收机和双频精码(P码)接收机。 按用途：测量型、授时型（在取消SA政策时可获得40ns的授时精度）、导航型和姿态型接收机。 导航型接收机按载体形式：机载式、弹载式、星载式、舰载式、车载式、手持式等。 按封装方式：OEM板（Original Equipment Manufacture)和整机。,GPS接收机组成示意图,选用GPS接收机的基础知识,定位时间 定位精度 数据更新率 接口方式

16、 物理特性 环境适应性 坐标系 时间体系,定位时间,接收机确定用户位置所需要的时间。 冷启动时间：50S 温启动时间：40S 热启动时间：30S 重捕时间：0.5S,定位精度,接收机可为用户提供的位置精度，一般分为水平定位精度和垂直定位精度。 在这是指接收机所测定的地面点位与其实际点位之差。如：水平1.8m (CEP)。,数据更新率,每秒钟数据输出的次数，单位：Hz 如：20Hz，10Hz，1Hz等,接口方式,一般采用串行接口，具有COM1 1 个或COM1/COM2 2个串行口 电平类型：RS232或RS422，多采用RS232 信号类型：RS232：RXD，TXD，GND RS422：RX

17、D+，RXD-，TXD+，TXD- 波特率：每秒发送数据的位数（bits), 如：9600bps (bits per second) 数据位，停止位和校验位,接收机与CPU（2个COM口）连接方法（RS232）,接收机与CPU（1个COM口）连接方法（RS232）,物理特性,尺寸（外形尺寸和安装尺寸等） 如：8512512 mmmmmm 重量，如：85g,环境适应性,工作温度：-40C+85 C 贮存温度： -45C+95 C 湿热：95%，+35 C，24h 电源：+4.5V+18V DC 功耗：2.2W（典型值） 冲击：30g，持续时间11ms，3次 振动：加速度1.5g，半正弦波振动频率

18、：52005Hz，振动时间为30min,GPS定位原理概述,GPS系统的定位过程可描述为:围绕地球运转的人造卫星连续向地球表面发射经过编码调制的连续无线电信号，信号中含有卫星信号准确的发射时间，以及不同的时间卫星在空间的准确位置(由卫星运动的星历参数和历书参数描述)；卫星导航接收机接收卫星发出的无线电信号，测量信号的到达时间，计算卫星和用户之间的距离；用导航算法(最小二乘法或滤波估计方法)解算得到用户的位置。,GPS利用TOA测距以确定用户位置。借助于对多颗卫星的TOA测量，便可得到用户位置。 GPS定位的基本几何原理为三球交会原理。,用户接收机与卫星之间的距离为 :,实际上，用户接收机一般不

19、可能有十分准确的时钟，它们也不与卫星钟准确同步，因此用户接收机测量得出的卫星信号在空间的传播时间是不准确的，计算得到的距离也不是用户接收机和卫星之间的真实距离，这种距离叫做伪距(PseudoRange)。,C0是电磁波传播速度(光速)；t是未知数。只要接收机能测出距四颗卫星的伪距，便有四个这样的方程，把它们联立起来，便可以解出四个未知量x，y，z和 t，即能求出接收机的位置和准确的时间。,GPS解算过程,4 个观测量4 个等式4 个参数,GPS信号,GPS信号是GPS卫星向广大用户发送的用于导航定位的已调波，其调制波是卫星电文和伪机噪声码（PRN）的组合码。,PRN伪随机码,伪随机码又称为伪噪

20、声码，简称PRN（Pseudo Random Noise Code)，是一组人工生成的噪声码。 它不仅具有高斯噪声所有的良好的自相关特征，而且具有某种确定的编码规则。GPS信号中使用了伪随机码编码技术，识别和分离各颗卫星信号，并提供无模糊度的测距数据。,m序列产生示意图,m序列自相关函数特性是伪随机噪声码测距技术的理论基础。如卫星发射一伪随机噪声码，而接收机内也产生一伪随机噪声码，且两个码序列是相同的m序列，时间也是精确同步的，则当卫星信号经过传播距离的时间延迟到达接收机，与本地复制码进行相关处理时，移动本地码，使相关函数达到最大值，本地码所移动的延迟值就是卫星信号的传播延迟（传播时间），它乘

21、上光速即为所测距离。,GPS卫星发送的导航电文，是一种不归零二进制码组成的编码脉冲串，称之为D(t)，其码率为50bps(50Hz).,GPS卫星信号发送采用的技术-伪码扩频技术,用50Hz的D码调制一个伪噪声码，如调制一个被叫做P码的伪噪声码，后者的码率高达10.23MHZ。D码调制P码的结果是形成一个组合码，致使D码信号的频带宽度从50Hz扩展到了10.23MHz。也就是说，GPS卫星原拟发送50bit/s的D码，转变为发送10.23Mbit/s的组合码P(t)D(t)。,伪码扩频和解扩,伪随机码由一串二进制0和1组成,分别对应状态+1和-1。当状态变化时,载波的相位发生180变化,即所谓

22、的双向移相键控技术。,GPS卫星信号发送采用的技术-双向移相键控技术,GPS信号结构,GPS卫星信号包括三种信号分量:载波、测距码和数据码。时钟频率f0=10.23MHz，利用频率综合器产生所需要的频率。 GPS使用L波段，配有两种载波: 载波L1:f1=154f0 =1575.42MHz 载波L2:f2=120f0 =1227.60MHz,GPS信号构成图,P码调制在L1和L2载波上，而C/A码仅调制在L1载波上而且与P码相位相差90度。 GPS卫星发射的信号为： L1(t)=ACC(t)D(t)sin(2f1t+c) +ApP(t)D(t)cos(2f1t+p1) L2(t)=ApP(t)

23、D(t)cos(2f2t+c2),D码,数据码（D码）由地面监控系统生成，又称导航电文，它包括:卫星星历、时钟改正、电离层时延改正、大气折射改正、轨道摄动改正、卫星工作状态以及C/A码转换到捕获P码的信息。,C/A码和P码,是两种RPN序列。 其作用相当于测距中的定时信号。 C/A码(Coarse/Acquisition Code):是一种短码，码率为f0/10=1.023Mbps，周期为1ms。 P码（Precise Code)是一种长码，其码率为f0=10.23Mbps。,C/A码,C/A码是由m序列优选对组合码形成的Gold码(G码)。用两个10级反馈移位寄存器相组合可产生1023种不同

24、结构的C/A码，这些相异的C/A码，其码长、周期和数码率均相同:码长为210-1=1023；码元宽度=1/1.023MHZ0.977521uS(相应距离为293.1m)；周期为1ms；数码率1.023Mbit/s。,C/A码的码长很短,易于捕获,通过捕获C/A码所提供的信息,又能够进一步捕获P码,因此C/A码又称捕获码。不同的卫星具有不同的C/A码,GPS依此来区分不同的卫星及其信号。在GPS定位和导航中,为了捕获C/A码以测定卫星信号传播的时延,通常需要对C/A码逐个搜索。C/A码的码元宽度较大,假设两个序列的码元对齐误差为码元宽度的1/1001/10,则这时相应的测距误差可达2.9329.

25、3m,精度较低,所以C/A码也称粗码。,P码,P码的产生原理与C/A码相似。 P码的特征有： 1)码长为235469592765000bit 2)码元宽度为1/10.23MHZ0.0977521uS(相应距离为29.31m） 3)周期为266d 9h45min 55.5s 4)数码率为10.23Mbit/s。,C/A与P码,用伪码测量伪距,GPS信号接收机,接收机通常由天线单元和接收单元两部分组成。 接收机的主要功能是:接收卫星发播的信号并利用本机产生的伪随机码取得距离观测值和导航电文；根据导航电文提供的卫星位置和钟差改正信息,计算接收机的位置。,GPS接收天线,接收天线,是无线电波进入接收设

26、备的入口地,是将电磁波还原为高频电流的”能量变换器“。 方向性图、增益、输入阻抗、极化和频带宽度,是表征天线特性的五大参数。 天线方向性图,是辐射能量在空间分布状态的三维立体图形。,极化,是无线电波的电场矢量所指的最大辐射方向。当电场的垂直分量和水平分量大小相等，而相位相差90(或270)时,则其合成电场的矢端,将以该电波的角频率作圆周旋转。这种电磁波叫做圆极化波。GPS信号接收天线应具有圆极化特性。,GPS天线图,GPS接收机的基本组成,全向圆极化天线接收卫星发射的频率为f1和f2的扩频导航信号，经前置放大后进行变频。 前置放大器是带宽低噪声载频放大器，用来改善信噪比。 接收通道采用多次变频

27、的方法，这是因为从卫星接收的信号很弱，多次变频可使接收通道得到稳定的高增益，并有利于抑制镜像频率信号干扰。,变频器把射频（RF）信号变成中频（IF）信号，经过放大、带通滤波BPF送给伪码延时锁定环路和载波锁定环路。对信号进行解扩、解调，得到基带信号。从载波锁定环路提取与多普勒频移相应的伪距变化率，从伪码延时锁定环路提取伪距。 至A/D变化之前的接收机通道对卫星L1和L2信号都是进行模拟信号处理，是典型的超外差接收机电路,A/D变换器将卫星模拟信号变换为二位数字信号，输入至相关器进一步进行处理。 基准振荡器和频率综合器产生需要的各种本地振荡信号。 导航定位计算部分从基带信号中译出星历参数、卫星时

28、钟校正参量、时间标记点和历书等。,用这些参数结合伪距和伪距变化率，以及一些初始参数（例如用户初始位置估计、速度估计以及它们的方差等），进行最佳导航星的选择计算和卫星信号的搜索跟踪控制等工作，并进行用户位置和速度的计算。,3.4 GPS接收机的工作过程,1、选择卫星 从可见（49颗）中选择几何配置关系最好的4颗星。因此用户必须预先知道24颗星的粗略星历，若刚投入使用而没有这种数据，用户就必须搜捕卫星信号。只要捕获并跟踪到一颗卫星的信号，便可从其第5子帧取得24颗星的粗略星历。一旦有了这些数据，再根据用户自身的估计位置，计算机就可按卫星仰角大于5度，对用户而言卫星相互张开角度都较大的原则，选出4颗

29、卫星。,2、搜捕和跟踪被选卫星的信号 信号的搜捕就是检测伪随机码自相关输出的极大值，通常是采用相关试探的方法进行搜捕。其步骤是，先选某一初相的本地码与所接收的卫星码进行相关检测，如果这时相关输出为低电平，则移动本地码（通常移动半个码元），再看相关输出的电平，如果为低电平，则再次移动本地码，直到取得最大相关输出（高电平）。尽管这一过程是由电路自动搜索和检测的，但考虑到自相关函数是通过积分运算后输出，本地码不能移动过快，否则将会漏掉相关输出的峰值。,这种相关探测最多可能进行2N次（N是伪随机码码长），当所使用的伪随机码码长很长时，所需花费的时间是相当可观的。,3、测量伪距离并进行修正 利用时间标记

30、和子帧计数测量出用户和卫星之间的伪距离，并用f1和f2测得的伪距差对其进行大气附加延时的修正。只用C/A码的接收机无法进行此项大气附加延时的修正。,4、定位计算 计算机根据星历、卫星时钟校正量、修正后的伪距离及初始装订的数据等，采用经典导航定位算法或卡尔曼滤波定位算法，由4颗卫星的信息计算出用户的位置、速度等导航参数。,一种基于DSP技术的全数字、模块式C/A码高动态GPS接收机设计方案,该方案采用近似最大似然估算(MLE)方法来估算接收机相对卫星的伪距离和距离变化率,依此满足高动态环境中对伪码和载波频率的跟踪;通过采用DSP技术设计了满足高动态跟踪所需的跟踪滤波器;在射频前端采用了低噪声放大

31、器来保证接收机在较低信噪比下可靠跟踪卫星信号;并且该方案还采用了并行12通道相关器来增加接收卫星信号的通道,有效地提高了接收机的捕获性能和定位精度。该接收机可以较好地工作在没有惯导辅助的导弹、军用飞机等高动态用户载体上。,1、高动态GPS接收机设计思路及方案,（1）高动态GPS接收机硬件组成本文设计的高动态GPS接收机主要由六大模块构成,如图1所示。,*前置滤波器模块由于GPS系统采用扩频通讯体制,再加上传播路径上的各种干扰影响,到达接收机天线接收端的卫星信号功率约为-155dBW,深埋于热噪声电平之下(-136dBW),只有经过前置低噪放大和解扩处理才能得到有用信号。前置滤波器模块的作用是对

32、GPS系统的L1波段信号(频率为1575.42MHz)进行滤波,去除噪声及其他干扰,它由有源天线和射频滤波器组成。,本方案采用L1波段右手螺旋极化有源天线,频带为15755MHz,内含增益为26dB的前置低噪放大器(LNA);射频滤波器是中心频率为1575.42MHz、带宽为2MHz的带通滤波器,其作用是滤除带外干扰,特别是滤除1224.58MHz(1400MHz175.42MHz,1400MHz为射频前端第一级混频器的本振频率,175.42MHz为第一级混频器后的中频)的镜象噪声,避免射频前端第一级混频器过载。该滤波器还有助于对900MHz的移动电话所带来的干扰进行滤除。射频滤波器引入的插入

33、损耗需要由LNA前置低噪放大器作出补偿。,*射频前端模块该模块的作用是对L1波段信号进行下变频,并进行A/D转换。它由射频前端下变频器(GP2010)及其外围器件构成。射频前端下变频器GP2010包括一个片内PLL频率合成器、三级混频器、自动增益控制电路及量化器,其组成如图2所示。其参考频率fREF由10MHz温补晶振提供。GP2010与少量的外围电路配合可以完成如下的三级变频: 1575.42MHz175.42MHz35.42MHz4.309MHz经低噪前置放大和滤波后的L1波段信号fRF经一电容匹配网络进入GP2010,在第一级混频器与1400MHz本振混频并放大,得到175.42MHz的

34、第一中频信号,此信号通过一个外接中心频率为175.42MHz,带宽为2MHz的电容耦合双调谐环路滤波网,络,滤除混频产生的谐波成分和第二级混频的镜象信号104.58MHz(140MHz35.42MHz)再进入第二级混频;第二级混频器本振的中心频率为140MHz,混频产生35.42MHz的第二中频信号。该信号又通过一个外接中心频率为35.42MHz的声表面滤波器SAW滤除带外干扰和混频产生的谐波成分(选择声表面滤波器是由于这一级滤波器决定整个接收机的带宽,对接收机的性能起决定作用,依此要求该滤波器在2MHz的C/A码信号带宽内保持平坦,对带外信号产生大于20dB的衰减,并且有陡峭的过渡带特性);

35、35.42MHz的第二中频信号经两级AGC放大后进入第三级混频器,与31.111MHz的本振混频产生4.309MHz的第三中频信号。,该信号经过4.309MHz滤波器滤波和放大器放大后馈入一个2-bit量化器产生符号和幅度两位输出,这两位输出经外部提供的5.714MHz采样时钟fSAM采样保持。采样过程也是一个混频过程,4.309MHz的第三中频信号被5.714MHz数字脉冲采样后得到1.405MHz的数字中频信号fOUT。这个数字化的信号进入下面将要叙及的基带数字相关器GP2021并与其内部载波数控振荡器DCO产生的1.405MHz本振相乘,最终得到基带信号。,*信号处理模块信号处理模块的主

36、要任务是实现载波跟踪、码相关解扩等功能,其由12通道相关器GP2021及少量的外围接口电路组成,整个电路的相对时间标准由外部的晶振和内部的时基发生器组合提供。GP2021相关器的核心部分为12个独立的相关通道,每一通道均由载波混频器、码混频器、C/A码产生器、载波及码数控振荡器、16比特的累加清除器等组成。累加清除器配合最大似然估计算法而完成码相关及载波跟踪,解调并恢复出基带信号。,对GPS系统L1波段的信号进行检测,只有当接收机的码延时和载波频率与接收到卫星信号的码延时和载波频率相匹配时,才使得相关器输出值高于信号检测阈值。为了两者匹配就必须进行码延时及载波频率级的信号搜索(搜索间隔由软件控

37、制参数可调),由于载频的多谱勒频移不能事先获得,因此需在整个码延时和频域上以一定间隔进行搜索。码延时和载波频率的搜索和跟踪是由信号处理模块和微处理器模块共同完成的,其工作原理框图如图3所示。,处理的第一步是利用对载波频率的最大似然估计方法估算出接收信号的频率。它是由正弦-余弦产生器和复数混频器组合完成的,正弦-余弦产生器利用跟踪滤波器的频率估算,或者在捕获期间利用来数字信号处理器的输入,产生在当前最佳估算载波频率点上的正弦和余弦函数,而复数混频器完成频率变换。,处理的第二步是使复数混频器的输出与几个码lag(时延偏置,也称为码片)进行互相关。FFT积分间隔(等于数据位时间T)分成长度为T/K的K个子间隔。相关器的输出加给FFT模块,FFT模块利用来自K相关间隔的数据计算每一相关lag的FFT。找出使FFT的能量输出最大的lag和载波频率而输入给跟踪滤波器,这样就完成对码时延和载波频率的跟踪。FFT算法、最大似然估计算法、跟踪滤波算法等都是微处理器模块通过软件实现的。,*微处理器模块该模块的任务是实现对整个高动态GPS接收机进行协调控制,并在其内设计实现满足高动态要求的捕获跟踪、扩展卡尔曼滤波、快速FFT及各种数字滤波器等算法。,GPS信号处理模块包括微处理器(DS