GPS接收机及其基本工作原理

锥形天线的特征是增益好，但是鉴于其天线较高，并且在水准方向上不对称，天线相位中心与几何中心不完全一致，因此，在安置天线时要仔细定向以及要予以补偿。

(3) 前置放大器

由于GPS卫星高，GPs天线接收来的20000km高空的信号很弱，信号电平只有-50～-180dB；输入功率信噪比为S／N=–30dB，即信号源淹没在噪音中。为了提升信号密度，一般在天线后端设有前置放大器。对于千兆接收机设有两路前置放大器以提高带宽，抑制外来信号干扰，也避免1，2号干扰，见图11-11。

大部分GPS天线都与前置放大器结合在一起，但也有些导航接收机为避免天线重量而

将天线和前置放大器分开。

4．变频器及中频放大器

由GPS前置放大器来的信号依然很微弱，为了使接收机通道受到稳定的高增益，并且使L频段的射频信号变成高频信号，采用了变频器。图1l-12为变频电路。

GPS接收机内设有石英晶体振荡器产生本机基准频率(10.24MHz)，该信号经过频率综合器产生多种频率，如：1–36F；2–36F，29Fgps接收模块工作原理，7F，F／4等。在图11-12电路中，1–36F和2–36F信号分别送到1、2、F变频器，经过混滤后得到载波为36F的低频讯号。该信号的调制信号仍为伪码及数据码。为了预测方便，在此只探讨C／A码调制信号。

5．信号通道

信号通道是接收机的核心部分，GPS信号通道是硬工具结合的电路。不同类型的接收机其通道是不同的。在此先介绍相关型通道。

GPS信号通道的作用：

(1) 搜索卫星，牵引并追踪卫星；

(2) 对基准信号，即广播电文数据信号实行解扩、解调得到广播电文；

(3) 进行伪码距测量、载波相位测量及多普勒频移测量。图11-13为相关通道的电路原理图。

从卫星接收到的讯号是频段的调制信号，所以要经过解扩、解调才能给与导航电文。为了超过此目的，在相关通道电路中设有伪码相位跟踪环和载波相位跟踪环。

(1) 伪码相位跟踪环

伪码相位跟踪环是由环路滤波器、码环相位误差发生器、码数控振荡器组成的反馈环路，其作用是使伪码发生器产生本地伪码的相位与调制在输入信号上的伪码相位一致(或称为对准)。此时，两个伪码在相关器进行相关运算时，相关值为1。这样就推动了对输入信号的解扩。

码相位跟踪环工作过程是由本地发生器依序分别产生、

码(即向前或向后延迟1／2码位)，对本机载波振荡器生成的29.25F频率进行调制并与接收码进行相关运算，其结果再经过两次滤波和低通滤波以后相减，得到码环相位误差信号，用它去调节码数控振荡器直到本地码与接收码同步为止。此时，由第二级混频出的信号为

(2) 载波相位锁相环

载波相位锁相环由环路滤波器、载波环相位误差发生器和载波数控振荡器组成。该环形成的频率与固定29F频率合成为29.25F，伪码发生器产生的伪随机码(c／A码或P码)调制在该合成频率上。这个调制后的速率称为第二本地振荡信号。当本地振荡信号的频度和相位跟踪了输入讯号的速率和相位，使接收的低频载波与第二本振的速率差为6.75F。

再经过第三、第四级混频，得到零频信号的同相和正交分量：

这时，就完成了解扩和解调。如果，即没有对准时，可以从I，Q中取出码环和频域环的相位误差信号，经整流后去驱动码环和频域环的数字压控振荡器，使本机第二本振信号与接收讯号对准。

‘

载波环有三种工作状况：搜索、牵引、跟踪状态。

1) 伪码扩频信号的搜捕

为了解扩和译码导航信息，必须对载波和伪码的相位进行跟踪。为了推动跟踪，首先要捕获到卫星导航信号，即同时搜捕到导航信号的扩频和伪距的相位。这一过程叫搜捕。这一工作是利用u=I+ Q 进行的。由于码相对准时，信号通道I+ Q 就有输出。而且码相位对得越准，信号频谱全部落入通带(即速率对的准)时，I+ Q 越大。反之，码相位错开一个码位或信号速率处于信道通带之外时， I+ Q 趋于噪声电平。为了正确分辨是否搜捕到讯号，可采用连续测试判决法。同时，对导航信号和载波信号上的伪随机码的相位进行二维搜索。

2) 牵引

载波频率的牵引是指当接收讯号载波与第二本振频率之差不等于6.75IF时，经环路调整使之超过6.75F的过程。

3) 跟踪

跟踪有跳频速率跟踪和载波相位跟踪。

载波频率跟踪是指当接收讯号载波频率变化时，环路仍能维持差频6.75F不变；载波相位跟踪是指在接收讯号载波相位变化时，环路保持载波相位Q与第二本振相位Q之差为零。跟踪是采取costas环。

当借助搜索，捕捉到讯号后，伪码信号基本指向，信号载频落入信道通带，采用二阶costas环对载频和相位进一步牵引和追踪，以推动对导航信号的解扩、解调，得到基准信号。通过对导航电文提取同步信息，使接收机处于精密跟踪状态。再用三阶costas环对信号载

频和相位进行精密跟踪，码锁相环对伪码相位进行精密跟踪。这样，从码锁相环可取出码伪

距观测值；从三阶costas载波环提取伪距测量Δγ：

△φ声为固定时间间隔内载波相位变化量(△φ是卫星与用户相对运动引起的)。对基带信号解码，就可以得到卫星星历、各种校正参数、历书、TLM、HOW等信息。

6．存储器

接收机内设有存储器以储存一小时一次的卫星星历、卫星历书、接收机采集到的码相位伪距观测值、载波相位观测值及多普勒频移。目前，GPS接收机都装有半导体存储器(简称存储)，如Trimble 4000 SSE带有8M内存，在15s数据率的采样下，可以传输5颗卫星，双频观测19h的数据，若1s数据率可以储存2h。接收机内存数据可以借助数据接收口放到微机上，以便进行数据处理和数据储存。在存储器内还装有多种工作工具，如：自检测软件、天空卫星预报硬件、导航电文解码插件、GPS单点定位软件等。

7．微处理器

微处理器是GPS接收机工作的灵魂，GPS接收机工作都是在微机指令统一协作下进行的。其主要工作方法为：

(1) 接收机开机后首先对整个接收机工作情况进行检查，并测量、校正、存储各通道的速率值。

(2) 接收机对卫星进行搜索，捕捉卫星。当捕获到卫星后即对讯号进行牵引和追踪，并将基准信号译码，得到GPS卫星星历。当同时锁定4颗卫星时，将C／A码伪距观测值连同星历一起计算测站的三维坐标，并按预置位置更新率计算新的位置。

(3) 根据机内传输的卫星星历书(若是新的接收机，机内无历书，或内存中历书已超过3个月则需再次更新历书，这时，需要接收12.5min卫星讯号)和测站近似位置，计算所有在轨卫星升降时间、方位和高度角。

(4) 根据预先设定的航路点坐标和单点定位测站位置计算导航的参数、航偏距、航偏角、航行速度等。

(5) 接收用户输入信号，如：测站名，测站号，作业员名称，天线高，气象参数。

8．显示器

GPS接收机都有液晶显示屏以提供GPS接收机工作信息gps接收模块工作原理，并配有一个控制按键。用户可通过鼠标控制接收机工作。对于导航接收机，有的还配有大显示屏，在键盘上直接显示导航的信息或者显示数字地图。

9．电源

GPS接收机电源有两种，一种为内电池，一般选用锂电池，主要用于为RAM存储器供电，以避免数据损坏。另一种为外接电源，这种电池常配备可充电的12V直流镉镍电池组，有的也可采取车辆电池。当用交流电时，要经过稳压电源或专用功率交换器。

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