卫星导航概述

卫星导航应用程序现在在世界范围内都很流行. 实际上，其广泛应用的物质基础是卫星导航接收机. 当前，最重要的是GPS，最常用的是单频（L1）码民用导航，其OEM板在2002年的产销量接近一千万. 除了通常适合民用的此类之外，还有双频（L1，L2），GPS / GLONASS双系统兼容机器以及军事. 根据GPSWorld杂志2003年的最新，目前全球有70多个制造商，并且500多种型号已进入商业市场. 但是，在1980年代，只有一个投入商业使用. 十年后，出现了100多个不同制造商和型号的卫星导航.

卫星导航接收机的类型很多，分为军用和民用，C / A码和P码，单频和双频，导航和定位，定时与测量，手持式，车辆，机载和. 承运人，星形承运人和其他不同类型. 本文仅对GPS导航进行一般介绍.

十多年来，GPS技术取得了长足的进步，特别是在高端科学和工程应用中，其功能越来越强大，可以同时接收所有可见的卫星信号，实现低噪声测量和和半码L2工作，实时动态解决全周歧义. 在低端应用中，手持式导航的价格已跌至100美元以下gps接收机型号，并且具有进入市场应用的条件. 手表式导航设备也已进入市场，结合无线移动通信的定位手机也已问世. 个人应用市场显示出不可逆转的发展前景. 许多应用是由于GPS接收机中数字技术的进步. 基本的GPS可以封装在一个芯片中，也可以封装在两个或三个芯片中，后者是RF前端，专用集成电路（ASIC）数字信号处理器（DSP）和微处理器（μCPU）. 一些将μCPU嵌入到DSP中，它们变成了两个芯片. 从原始的磁带和软盘，到廉价的闪存或半导体存储器，数据记录技术也得到了长足的发展.

天线

GPS接收天线的功能是将来自卫星的信号的电磁波能量转换为可由电子设备施加的电流. 天线的尺寸和形状非常重要，因为这些特性决定了天线获得微弱GPS信号的能力. 根据需要，可以将天线设计为在单个L1频率上工作，或者在L1和L2频率上工作.

由于GPS信号是圆极化波，因此所有接收天线均以圆极化模式工作. 尽管存在各种限制，但仍然存在许多不同类型的天线，例如单极，偶极，螺旋，四臂螺旋和微带天线.

由于其耐用性和相对易于制造，微带天线已成为使用最广泛的天线. 它的形状可以是圆形，正方形或矩形，类似于覆铜印刷电路板. 它由一个或多个金属片组成，因此GPS天线最常见的形状是一个大结，就像饼干一样. 因为天线可以做得很小，所以它适用于航空航天应用和个人手持应用.

天线的另一个主要特征是其增益模式，即方向性. 使用天线的方向性可以改善其抗干扰和抗多径效应. 在精确定位中，天线相位中心的稳定性是非常重要的指标. 但是，在普通导航应用中，人们希望使用全向天线至少在天线水平线以上五度以内的所有天空中接收可见的卫星信号. 微带天线通常具有一个接地层作为接地栅格. 由于到达的GPS信号通常较弱，因此经常使用有源天线. 所谓有源天线是指安装在天线中的RF前置放大器或低噪声放大器.

（LNA）模拟（RF）部分

GPS的RF部分是将GPS L1频率（射频RF）信号转换为较低的频率，即中频（IF），以便于放大和处理. 这种转换通常称为混合. 通常是来自天线的输入信号，由低噪声放大器（LNA）对其进行滤波和放大，然后与本地振荡器生成的正弦波信号混合，形成中频信号. . 大多数GPS的本地振荡器使用基于精密石英晶体振荡器的频率合成器. 除了中频信号在载波频率上降低之外，RF信号的所有调制信号信息都被传输到中频信号.

在GPS的模拟部分和数字部分之间必须有一个模数（A / D）转换器. 一些直接采样并不面向中频信号，而是直接对RF信号执行A / D. 采样. 这在低成本混合模式（AD）芯片中没有带来优势. 直接采样不仅需要高速A / D转换器gps接收机型号，而且更重要的是，它增加了后续数字部分的处理工作量.

数字信号处理（DSP）部分

中频信号通常是通过下变频方法获得的，并经过A / D后发送给DSP进行处理. 有必要完成GPS信号的跟踪和解码，以实现对数字采样信号的相关处理，并且基本跟踪测量结果.

（1）GPSC / A码，信号采集

为了完成跟踪和解码工作，GPS的数字部分必须从采样信号中区分出不同接收星的信号. 这时，必须逐步执行信号搜索，采集，稳定和跟踪. 找到信号后，将测量两个重要参数: 一个是C / A代码周期的开始，另一个是输入信号的载波频率. 因为不同的卫星信号具有不同的C / A码和不同的开始时间，以及不同的多普勒频率. 一旦获得了C / A码的开始时间，该信息就可以用于实现扩频，输出成为连续波信号，并获得其载波频率. 然后，您可以通过搜索和捕获过程进入平静跟踪程序.

（2）GPS信号跟踪

为了跟踪信号，必须为输入信号的变化建立一个窄带滤波器. 当输入信号的频率随时间变化时，滤波器的中心频率也随信号而变化. 实际的跟踪过程是窄带滤波器的中心频率是固定的，本地机器产生的信号随输入信号的频率，输入信号的相位和本地产生的变化而变化.

生成的信号的相位由相位比较器进行比较，并且相位比较器的输出通过窄带滤波器. 由于跟踪电路的带宽非常窄，因此相位比较器的输出结果的响应灵敏度非常高. 输入信号的跟踪处理的结果是导航数据信息. 在跟踪过程中，通常有两个跟踪循环在起作用，一个是C / A代码跟踪循环，称为代码循环，另一个是对信号载波相位的跟踪，称为载波循环.

微处理器及其设备

微处理器必须完成以下一系列任务: （1）基于距离和卫星跟踪以及距离（距离变化率）跟踪测量，控制数字部分中的跟踪环路； （2）收集GPS信号导航（NAV）数据，包括每颗卫星的轨道和时钟以及其他各种信息； （3）向跟踪环提供信息，以协助和加速对卫星的跟踪； （4）根据距离和多普勒测量值以及卫星轨道信息，计算出接收机的位置和速度； （5）载波相位测量可以实现接收机内置的其他计算，例如RTK（实时动态）测量结果； （6）支持用户界面，控制键盘，显示器等人机界面. 微处理器的设备主要是用于存储程序和数据以及程序的执行操作的存储器. 一些微处理器具有ROM和EAM存储器.

输入/输出（I / O）和其他支持部件

（1）I / O和驱动程序. 它们包括串行接口，并行接口，USB接口，以太网接口和其他一些通信端口. （2）显示屏用于显示接收机的各种操作和测量结果. 分为不同的大小，颜色和分辨率，以及前灯，背光，显示模式和亮度. （3）键盘用户可以通过键盘发送各种工作指令，以控制和操作GPS. 键盘通常可以与触摸屏集成在一起. 键盘的大小和形状取决于特定的应用程序. （4）插头通常包括无线连接器，电缆插头和数据电缆插头插座. （5）电源GPS的电源通常为一个，但为不同的部件供电时电压可能会有所不同. 电源可以是电池或外部输入. （6）充电电池和充电器的尺寸和质量限制GPS通常放在电池及其充电器上. 电池的类型和容量差异很大. 充电器是内置的或外部的，其质量和管理方法决定其价格. （7）在整个电路板和集成GPS中，尽可能将所有组件及其内部连接完全组装在印刷电路板上. （8）封装在很大程度上取决于应用程序需求和应用场合.

整合的好处

GPS的主要组件尽可能集成到一个芯片中，以形成一个单芯片系统. 这是最理想的结果，它可以减小尺寸，成本，可靠性和功耗，并影响性能.

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