GPS接收機(jī)及其實(shí)現(xiàn)電路

1、第7章 GPS接收機(jī)及其電路 GPS接收機(jī)及其實(shí)現(xiàn)電路 第7章 GPS接收機(jī)及其電路 7.1 GPS接收機(jī)接收機(jī) 7.2 基于基于RF8009的的GPS接收機(jī)電路接收機(jī)電路 7.3 基于嵌入式系統(tǒng)的基于嵌入式系統(tǒng)的GPS 第7章 GPS接收機(jī)及其電路 GPS接收機(jī)及其實(shí)現(xiàn)電路 7.1 GPS接收機(jī)接收機(jī) 7.1.1 GPS7.1.1 GPS接收機(jī)的基本構(gòu)成接收機(jī)的基本構(gòu)成 GPS接收機(jī)的基本構(gòu)成框圖如圖7-1所示， 它由天線單元 （有源或者無源）和接收單元兩大部分組成。 第7章 GPS接收機(jī)及其電路 GPS接收機(jī)及其實(shí)現(xiàn)電路 圖7-1 GPS接收機(jī)的基本構(gòu)成框圖 第7章 GPS接收機(jī)及其電路

2、GPS接收機(jī)及其實(shí)現(xiàn)電路 衛(wèi)星信號(hào)是通過天線接收到的，天線單元由接收天線和前 置放大器組成。天線為右圓極化（RHCP）形式，典型的覆蓋角 是160，其增益變化在天頂約為2.5 dBic，在仰角為10時(shí)接 近于1（RHCP天線的單位增益也可以用全向圓極天線表示為0 dBic=0 dB），在10以下增益一般變?yōu)樨?fù)的。由于衛(wèi)星信號(hào)是 RHCP形式，適合于用圓錐螺旋天線或其變形（如定向天線、 偶極子天線、微帶天線、螺旋天線等）進(jìn)行接收。同時(shí)在L1和 L2波段上跟蹤P（Y）碼的GPS接收機(jī)需要同時(shí)在兩個(gè)頻率上具 有20.46 MHz的帶寬。如果GPS接收機(jī)只跟蹤L1波段上的C/A碼， 天線（和接收機(jī)）在

3、飛機(jī)上傾向于使用薄剖面、低空氣阻力的 片狀天線，而陸上運(yùn)載體（如汽車）可使用較大外形的天線。 第7章 GPS接收機(jī)及其電路 GPS接收機(jī)及其實(shí)現(xiàn)電路 選擇天線時(shí)需要考慮的參數(shù)有天線增益場形、可用的安裝 面積、空氣動(dòng)力性能、多徑性能、無線電相位中心的穩(wěn)定度和 抗干擾性等。某些軍用飛機(jī)使用波束控制或自適應(yīng)調(diào)零天線以 抵制干擾。波束控制技術(shù)采用電子的方法將天線增益集中在衛(wèi) 星的方向上以使鏈路的容量最大。而自適應(yīng)調(diào)零天線是電子可 調(diào)的，在天線方向圖中，在干擾源（任何電子輻射，不管是來 自朋友或敵方的，只要干擾了GPS信號(hào)的接收和處理，均視為 干擾源）方向上建立零點(diǎn)。 第7章 GPS接收機(jī)及其電路 GP

4、S接收機(jī)及其實(shí)現(xiàn)電路 接收單元包括信號(hào)通道單元、存儲(chǔ)單元、計(jì)算和顯示單元 以及電源四部分。其中核心部分是信號(hào)通道單元，通常由硬件 和軟件組成。每一通道在某一時(shí)刻只能跟蹤一顆衛(wèi)星，當(dāng)此衛(wèi) 星被鎖定后便占據(jù)該通道，直到失鎖為止。目前GPS接收機(jī)廣 泛應(yīng)用并行多通道技術(shù)，即一個(gè)GPS接收機(jī)可同時(shí)跟蹤多顆衛(wèi) 星，同時(shí)鎖定多顆衛(wèi)星，大大縮短了確定衛(wèi)星的PVT時(shí)間。 第7章 GPS接收機(jī)及其電路 GPS接收機(jī)及其實(shí)現(xiàn)電路 在接收單元，GPS射頻信號(hào)被下變頻到中頻（IF），利用 模/數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換器對(duì)IF信號(hào)采樣和數(shù)字化?；鶐幚砥鲗?duì)接 收機(jī)進(jìn)行控制，包括信號(hào)的截獲、信號(hào)跟蹤和數(shù)據(jù)采集。此外， 基帶處理器

5、也可以由接收機(jī)測量值形成PVT解。在一些應(yīng)用中， 也可用專門的微處理器同時(shí)完成PVT計(jì)算和相關(guān)聯(lián)的導(dǎo)航功能。 大多數(shù)處理器在1 Hz速率的基礎(chǔ)上提供獨(dú)立的PVT解。然而， 用做飛機(jī)自動(dòng)著陸和其他寬動(dòng)態(tài)應(yīng)用的接收機(jī)， 至少需要以5 Hz的速率計(jì)算獨(dú)立的PVT解。 格式化了的PVT解和其他與導(dǎo)航 有關(guān)的數(shù)據(jù)送至I/O端口。 第7章 GPS接收機(jī)及其電路 GPS接收機(jī)及其實(shí)現(xiàn)電路 I/O端口是在GPS接收機(jī)和用戶之間的接口。 I/O端口有兩 種基本類型：整裝的和外置的。對(duì)于許多應(yīng)用來說，I/O端口 是一個(gè)CDU（控制顯示單元）。CDU允許操作員進(jìn)行數(shù)據(jù)輸入， 顯示出工作狀況和導(dǎo)航參數(shù)，還有許多導(dǎo)航功

6、能，如輸入航路 點(diǎn)、待航時(shí)間等。大多數(shù)手持式設(shè)備有整裝的CDU。 其他設(shè)備， 比如某些機(jī)載或船載設(shè)備，有可能其I/O是集成在已有的儀器 或控制面板上的。 除了到用戶和操作員的接口之外， 在與其 他傳感器（例如慣導(dǎo)）組合使用時(shí)要求有數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)接口以輸入 和輸出數(shù)據(jù)。通用接口有ARINC429、 MIL-STD-1553B、 RS- 232和RS-422。 第7章 GPS接收機(jī)及其電路 GPS接收機(jī)及其實(shí)現(xiàn)電路 電源可能是整裝的、外接的，或者兩者相結(jié)合。在整裝或 自備實(shí)現(xiàn)方式（比如手持式移動(dòng)設(shè)備）中，一般使用電池供電。 而在集成方式的應(yīng)用中（比如裝在個(gè)人計(jì)算機(jī)的接收機(jī)板上的 電源）一般用已有的電源。

7、 機(jī)載、 車載和船載GPS設(shè)備一般 用平臺(tái)電源， 然而GPS接收機(jī)一般都具有內(nèi)置的電源變換器 （交流變直流或直流變交流）和電壓調(diào)節(jié)器。 接收機(jī)內(nèi)置電 池用以在平臺(tái)電源斷電時(shí)維持存儲(chǔ)在RAM中的數(shù)據(jù)和運(yùn)行內(nèi)置 的實(shí)時(shí)時(shí)鐘。 常用的一些GPS接收機(jī)類型如表7-1所列。 第7章 GPS接收機(jī)及其電路 GPS接收機(jī)及其實(shí)現(xiàn)電路 表表7-1 常用常用GPS接收機(jī)類型接收機(jī)類型 分類方法 接收機(jī)類型 按編碼信息分類 有碼接收機(jī) 無碼接收機(jī) 按接收的數(shù)據(jù)形式分類 C/A 碼偽距 C/A 碼偽距，L1 載波相位 C/A 碼偽距，L1 載波相位，L2 載波相位 C/A 碼偽距，P 碼偽距 C/A 碼偽距，P 碼

8、偽距，L1 載波相位，L2 載波相位 L1 載波相位 L1 載波相位，L2 載波相位 按接收機(jī)通道方式分類 時(shí)序接收機(jī) 多路復(fù)用接收機(jī) 多通道接收機(jī) 按采用的電子器件分類 模擬接收機(jī) 數(shù)字接收機(jī) 混合接收機(jī) 按性能分類 X 型接收機(jī)（高動(dòng)態(tài)應(yīng)用接收機(jī)） Y 型接收機(jī)（中動(dòng)態(tài)應(yīng)用接收機(jī)） Z 型接收機(jī)（低動(dòng)態(tài)應(yīng)用接收機(jī)） 按用途分類 軍用/民用/導(dǎo)航/測時(shí)/測地 按工作模式分類 單點(diǎn)定位 相對(duì)定位 差分定位 第7章 GPS接收機(jī)及其電路 GPS接收機(jī)及其實(shí)現(xiàn)電路 7.1.2 GPS7.1.2 GPS接收機(jī)的分類接收機(jī)的分類 GPS接收機(jī)可分為兩種基本類型：同時(shí)跟蹤P（Y）碼和C/A 碼的PPS接

9、收機(jī)以及僅跟蹤C(jī)/A碼的SPS接收機(jī)。PPS接收機(jī)同時(shí) 在L1和L2波段上跟蹤P（Y）碼。 PPS接收機(jī)初始工作時(shí)在L1上 跟蹤C(jī)/A碼，然后轉(zhuǎn)換到在L1和L2上跟蹤P（Y）碼。P(Y)碼跟蹤 只有在加密單元的輔助下才能產(chǎn)生。SPS接收機(jī)只跟蹤L1上的 C/A碼。 在這兩種基本接收機(jī)類型中，還有其他一些變形，比 如無碼L2跟蹤接收機(jī)，這種接收機(jī)跟蹤L1上的C/A碼，并同時(shí)跟 蹤L1和L2頻率上的載波相位。利用載波相位作為測量點(diǎn)，測量 精度能夠達(dá)到厘米級(jí)甚至毫米級(jí)。多數(shù)接收機(jī)有多個(gè)通道，每 個(gè)通道跟蹤來自一顆衛(wèi)星的發(fā)射信號(hào)。 第7章 GPS接收機(jī)及其電路 GPS接收機(jī)及其實(shí)現(xiàn)電路 圖7-2 多通

10、道GPS接收機(jī)組成框圖 第7章 GPS接收機(jī)及其電路 GPS接收機(jī)及其實(shí)現(xiàn)電路 一個(gè)多通道GPS接收機(jī)的組成框圖如圖7-2所示。通常采用 一個(gè)無源的帶通濾波器對(duì)所接收到的射頻衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行濾波， 以減小帶外射頻干擾。 通過前置低噪聲放大器(LNA)放大后， 射頻信號(hào)下變頻到中頻（IF）。模/數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換器對(duì)IF信號(hào) 進(jìn)行采樣，A/D采樣速率典型情況下為PRN基碼速率的812倍 （對(duì)于L1 C/A碼PRN速率為1.023 MHz，對(duì)于L1和L2 P（Y）碼 為10.23 MHz）。最小采樣速率是碼的截止帶寬的2倍，以滿足 奈奎斯特判定的要求。對(duì)于只接收L1 C/A碼的接收機(jī)，截止帶 寬大于2

11、MHz，而對(duì)于接收P（Y）碼的接收機(jī)，截止帶寬大于 20 MHz。 第7章 GPS接收機(jī)及其電路 GPS接收機(jī)及其實(shí)現(xiàn)電路 過采樣會(huì)降低接收機(jī)對(duì)于A/D量化噪聲的敏感度，因而減少 在A/D轉(zhuǎn)換器中所需的位數(shù)。采樣結(jié)果送到數(shù)字信號(hào)處理器 （DSP）中。DSP包含N個(gè)并行通道，以同時(shí)跟蹤來自多達(dá)N (5N12)顆衛(wèi)星的載頻碼。每個(gè)通道中包含碼和載波跟蹤環(huán)， 以完成碼和載波的相位測量，以及導(dǎo)航電文數(shù)據(jù)的解調(diào)。通道 可以計(jì)算三種不同的測量值： 偽距、距離（有時(shí)稱做偽距） 和積分多普勒頻移。所希望的測量值和解調(diào)后的導(dǎo)航消息數(shù)據(jù) 送至基帶處理器?；鶐幚砥鲗?duì)接收機(jī)信號(hào)的截獲、跟蹤和數(shù) 據(jù)采集進(jìn)行控制，并處

12、理接收機(jī)的測量值形成PVT解。在一些應(yīng) 用中， 也可用專門的微處理器同時(shí)完成PVT的計(jì)算和相關(guān)聯(lián)的 導(dǎo)航功能。 第7章 GPS接收機(jī)及其電路 GPS接收機(jī)及其實(shí)現(xiàn)電路 7.1.3 7.1.3 數(shù)字?jǐn)?shù)字GPSGPS接收機(jī)接收機(jī) 一個(gè)數(shù)字GPS接收機(jī)的組成框圖如圖7-3所示。在視界中所 有衛(wèi)星的GPS射頻（RF）信號(hào)被右圓極化（RHCP）天線接收， 經(jīng)前置低噪聲放大器（LNA）放大， 接收機(jī)的噪聲系數(shù)與LNA 有關(guān)。通常在天線和LNA之間設(shè)置一個(gè)無源帶通濾波器， 以降 低帶外射頻干擾。這些被放大的射頻信號(hào)與來自本機(jī)振蕩器 （LO）的信號(hào)混頻，下變頻到中頻（IF）。本地振蕩器頻率是 根據(jù)接收機(jī)的頻率

13、設(shè)計(jì)，由基準(zhǔn)振蕩器經(jīng)頻率合成器產(chǎn)生的。 每一級(jí)下變頻器需要一個(gè)本地振蕩器信號(hào)。下變頻有采用兩級(jí) 下變頻形式、一級(jí)下變頻形式，或甚至直接在L頻段作數(shù)字采 樣的。本地振蕩器信號(hào)在混頻過程會(huì)同時(shí)產(chǎn)生上邊帶和下邊帶 信號(hào)，因此在混頻器之后，采用帶通濾波器選擇下邊帶信號(hào)， 而濾去上邊帶信號(hào)，獲得下變頻到中頻（IF）的信號(hào)。模/數(shù) 轉(zhuǎn)換（A/D）和自動(dòng)增益控制（AGC）功能均在中頻上完成。 第7章 GPS接收機(jī)及其電路 GPS接收機(jī)及其實(shí)現(xiàn)電路 通過模/數(shù)轉(zhuǎn)換（A/D）數(shù)字化了的中頻（IF）信號(hào)輸入到 N個(gè)數(shù)字接收機(jī)通道。這些數(shù)字接收機(jī)通道一般用一個(gè)或幾個(gè) 專用集成電路（ASIC）來組成， 完成環(huán)路鑒相和

14、濾波、數(shù)據(jù) 解調(diào)、測量、鎖相和批示等功能。接收機(jī)處理器是一個(gè)高速微 處理器，用來完成接收機(jī)基帶控制與處理、 導(dǎo)航處理和用戶 接口等功能。 第7章 GPS接收機(jī)及其電路 GPS接收機(jī)及其實(shí)現(xiàn)電路 圖7-3 數(shù)字GPS接收機(jī)組成框圖 第7章 GPS接收機(jī)及其電路 GPS接收機(jī)及其實(shí)現(xiàn)電路 7.1.4 GPS7.1.4 GPS接收機(jī)的選擇接收機(jī)的選擇 對(duì)于每一種應(yīng)用來說，一些與環(huán)境、使用和性能有關(guān)的參 數(shù)必須仔細(xì)考慮，如： (1) 滿足對(duì)沖擊、振動(dòng)、溫度、濕度、大氣中鹽的含量的 基本要求和最大限制，是否需要工作在提高抗干擾能力的環(huán)境 之中? (2) 是民用、軍用或是其他用途？如需要PPS操作，一般

15、必須選擇帶加密能力的雙頻GPS接收機(jī)。 (3) 需要多快的PVT更新率？飛機(jī)、汽車、行人對(duì)PVT更 新率的要求是不同的。 第7章 GPS接收機(jī)及其電路 GPS接收機(jī)及其實(shí)現(xiàn)電路 (4) 接收機(jī)將工作在什么類型的動(dòng)態(tài)（如加速、勻速）條 件下。例如，用于殲擊機(jī)的GPS接收機(jī)要求設(shè)計(jì)成在經(jīng)受多少 個(gè)“g”的加速度時(shí)還可以維持完好的性能，而指定用于測繪 的GPS接收機(jī)一般不要求能夠經(jīng)受嚴(yán)酷的動(dòng)態(tài)環(huán)境。 (5) 是否需要具有差分GPS（DGPS）能力？(DGPS是一種提 高精度的技術(shù)，它能提供比獨(dú)立的PPS或SPS更高的精度。) (6) 應(yīng)用中是否要求接受以地球靜止衛(wèi)星為基礎(chǔ)的重疊服 務(wù)（比如國際海事衛(wèi)

16、星（INMARSAT），是否考慮所采用的 GPS設(shè)備和/或GLONASS衛(wèi)星的完好性、測距和DGPS信息？ 第7章 GPS接收機(jī)及其電路 GPS接收機(jī)及其實(shí)現(xiàn)電路 (7) 航路點(diǎn)存儲(chǔ)能力以及航路和支路數(shù)量為多大？ (8) 接收機(jī)是否必須和外部系統(tǒng)相連接？是否已經(jīng)有合適 的I/O硬件與軟件？ (9) 對(duì)于數(shù)據(jù)輸入和顯示特性，接收機(jī)是需要外接的還是 整裝的CDU能力？是否要求當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)系數(shù)變換或者WGS-84已經(jīng) 夠用了？ (10) 是否需要設(shè)計(jì)成便攜式并考慮物理尺寸、 功耗、 成本等因素？ 第7章 GPS接收機(jī)及其電路 GPS接收機(jī)及其實(shí)現(xiàn)電路 7.2 基于基于RF8009的的GPS接收機(jī)電路接收

17、機(jī)電路 7.2.1 RF80097.2.1 RF8009簡介簡介 RFMD公司的RF8009 GPS接收機(jī)是為OEM（原始設(shè)備制造商） 使用的即插即用模塊，它具有12個(gè)并行信道， 能夠完成GPS信 號(hào)處理，產(chǎn)生精確的導(dǎo)航數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)高速精確地確定第一次定 位時(shí)間（TTFF）及信號(hào)重新采集，支持2D和3D導(dǎo)航模式， 采 用38 mm38 mm封裝，可廣泛地應(yīng)用在GPS終端產(chǎn)品上，如艦 隊(duì)導(dǎo)航、 汽車導(dǎo)航、遠(yuǎn)程信息處理和物體（財(cái)產(chǎn)）跟蹤。 第7章 GPS接收機(jī)及其電路 GPS接收機(jī)及其實(shí)現(xiàn)電路 7.2.2 RF8009的主要性能指標(biāo)的主要性能指標(biāo) 表表7-2 RF8009的主要電氣特性的主要電氣特性

18、 參 數(shù) 最小值 典型值 最大值 單位 備 注 外部電源 3.17 3.3 3.43 V 運(yùn)行模式 電壓 1.65 2.5 2.7 V 電池備用模式 410 mW 數(shù)據(jù)更新時(shí)間 1s 145 mW 數(shù)據(jù)更新時(shí)間 1s 40 mW 數(shù)據(jù)更新時(shí)間 5s 功率消耗 6 A 電池備用模式 峰到峰的紋波 100 mV 運(yùn)行模式 信號(hào)捕獲性能 水平方向精確性 5.8 m 2DRMS 垂直方向精確性 9.7 m 2DRMX 速度精確性 0.06 m/s 1Sigma 差分 GPS 精確性 1 m 2DRMS 數(shù)據(jù)更新速率分辨率 1 s 時(shí)間標(biāo)記 1 s 1s100ns（1Sigma） 串行數(shù)據(jù)輸出協(xié)議 二進(jìn)

19、制，NMEA-0183 串行主端口 19200 h/s 二進(jìn)制，無奇偶，8 個(gè)數(shù) 據(jù)位，1 個(gè)停止位 串行輔助端口 9600 h/s RTCM SC-104，無奇偶，8 個(gè)數(shù)據(jù)位，1 個(gè)停止位 天線要求 頻率 1575 MHz 第7章 GPS接收機(jī)及其電路 GPS接收機(jī)及其實(shí)現(xiàn)電路 表表7-2 RF8009的主要電氣特性的主要電氣特性 天線增益 3 dBic 90仰角 放大器增益 26 dB 包括電量損失 放大濾波器噪聲帶寬 20 MHz 在 3dB 點(diǎn) 噪聲特征 2.5 dB 連接器類型 MCX 放大器電流， 直流 3V5V 50 mA 由原始設(shè)備制造商提供 RF 信號(hào)環(huán)境 RF 輸入頻率

20、1575.42 MHz L1 頻率頻帶 RF 輸入功率 31 dBm 靈敏度 -113 dBm 運(yùn)行環(huán)境 溫度（操作/存儲(chǔ)） -40 +85 濕度 95 % 最大極限 -1000 +60000 ft 加速度 4g 海拔高度 -1000 +60000 ft 最大交通工具移動(dòng) 515 m/s 第7章 GPS接收機(jī)及其電路 GPS接收機(jī)及其實(shí)現(xiàn)電路 7.2.3 RF8009模塊封裝與引腳功能模塊封裝與引腳功能 表表7-3 RF8009的引腳功能的引腳功能 引腳 符號(hào) 功 能 1 V3_3P 接收機(jī)的主電源輸入端 2 GND 接收機(jī)的接地端 3 TX1 主異步雙工串行數(shù)據(jù)端口發(fā)送引腳，支持二進(jìn)制 ME

21、A 信息協(xié)議，默認(rèn) 設(shè)置；信息格式為二進(jìn)制；波特率為 19200h/s；無奇偶性，數(shù)據(jù) Bit； 停止為 1 Bit 4 RX1 主要的異步雙工數(shù)據(jù)端口接收線， 支持二進(jìn)制 MEA 信息協(xié)議， 默認(rèn)設(shè)置； 信息格式為二進(jìn)制，波特率為 19200h/s；無奇偶性；數(shù)據(jù)位 停止為 1 Bit 5 TMARK UTC 時(shí)間標(biāo)志脈沖，每秒一個(gè)脈沖。二進(jìn)制信息 包含 UTC 時(shí)間，該時(shí)間 與時(shí)標(biāo)脈沖有關(guān) 6 V_ANT 提供電源，連接到 RF 連接器的中心線 7 V2_5BU 為接收機(jī)的實(shí)時(shí)時(shí)鐘提供一個(gè)備用電源 8 V2_5BU 輔助異步雙工串行數(shù)據(jù)端口接收引腳，支持 DC MSC-104 信息協(xié)議。默

22、 認(rèn)信息：信息格式為 RTCM SC-104；波特率為 9600h/s；無奇偶 數(shù)據(jù) 位為 8bit；停止位為 1 bit 9 TX2 輔助異步雙工串行數(shù)據(jù)端口發(fā)送引腳 10 GPI020 通用輸入/輸出端口 第7章 GPS接收機(jī)及其電路 GPS接收機(jī)及其實(shí)現(xiàn)電路 7.2.4 RF8009的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的內(nèi)部結(jié)構(gòu) RF8009的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖7-4所示。模塊內(nèi)部包含數(shù)字 ASIC（Digital ASIC）、L1帶通濾波器（L1 BP Filter）、 低噪 聲放大器（LNA）、 增益放大器（AGC）、 濾波器（Filter）、 模/數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）、溫度傳感器（TemP.Sensor）、FL

23、ASH 存儲(chǔ)器、 管理器（Spervisor）、 +2.5 V基準(zhǔn)電壓（+2.5 V Ref.）、43 MHz GPS晶體振蕩器（GPS Crystal）和振蕩器 （LO）、32 kHz實(shí)時(shí)時(shí)鐘晶體振蕩器（RTC Crystal）和振蕩器 （OSC）等電路。數(shù)字ASIC中包含完整的微處理器，有Power PCR401、GPS信號(hào)處理、 靜態(tài)存儲(chǔ)器和寄存器測試電路等模 塊。 第7章 GPS接收機(jī)及其電路 GPS接收機(jī)及其實(shí)現(xiàn)電路 圖7-4 RF8009的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖 第7章 GPS接收機(jī)及其電路 GPS接收機(jī)及其實(shí)現(xiàn)電路 7.2.5 RF80097.2.5 RF8009電路應(yīng)用電路應(yīng)用 1 1

24、接收機(jī)體系結(jié)構(gòu)接收機(jī)體系結(jié)構(gòu) GPS接收機(jī)芯片組包括所有的射頻直接采樣和放大電路， 完成數(shù)據(jù)采樣。到達(dá)專用集成電路（ASIC）的采樣數(shù)據(jù)有符號(hào) 和量級(jí)兩個(gè)信號(hào)。 專用集成電路（ASIC）包含完整的微處理 器（PowerPCR401）、GPS信號(hào)處理、SRAM和RTC電路。 要制造 一個(gè)完整的導(dǎo)航系統(tǒng)，還需要存儲(chǔ)器和其他支持器件。 第7章 GPS接收機(jī)及其電路 GPS接收機(jī)及其實(shí)現(xiàn)電路 2 2 接收機(jī)操作接收機(jī)操作 接收機(jī)需要3.3 V直流電源和天線，接收足夠的衛(wèi)星信號(hào)， 提供導(dǎo)航數(shù)據(jù)。安裝在室內(nèi)或交通工具內(nèi)部的天線，要能夠有 效地接收衛(wèi)星信號(hào)。如果天線與衛(wèi)星是隔離的，要花很多時(shí)間 才能定位。如

25、果可利用的衛(wèi)星少于4顆， 接收機(jī)需要使用海拔 高度的輔助，才能提供有效的2D定位處理。 1） 信號(hào)截獲模式 GPS接收機(jī)支持表7-4所列的4種信號(hào)截獲模式，不同模式的 第一次定位時(shí)間（TTFF）等參數(shù)不同，如表7-5所列。 第7章 GPS接收機(jī)及其電路 GPS接收機(jī)及其實(shí)現(xiàn)電路 表表7-4 信號(hào)截獲模式信號(hào)截獲模式 冷啟動(dòng)（Cold Start） 在這個(gè)模式，接收機(jī)的有效歷書和頻率標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)在存儲(chǔ)器中。 當(dāng)沒有電池備用電源時(shí)，在啟動(dòng)時(shí)，接收機(jī)進(jìn)入這個(gè)模式 暖啟動(dòng)（Warm Start） 在這個(gè)模式， 接收機(jī)可利用內(nèi)存的有效數(shù)據(jù)初始化設(shè)置、 時(shí)間、 歷書和參考頻率等參數(shù)。 當(dāng)使用備用電池電源時(shí)，

26、接收機(jī)進(jìn)入 這個(gè)模式有一個(gè)較長的電源關(guān)斷周期 熱啟動(dòng)（Hot Start） 在這個(gè)模式， 接收機(jī)可利用內(nèi)存的有效數(shù)據(jù)初始化設(shè)置、 歷書 和參考頻率等參數(shù)。 當(dāng)使用備用電池電源時(shí)， 接收機(jī)進(jìn)入這個(gè) 模式，有一個(gè)短的電源關(guān)斷周期或軟件復(fù)位 重新截獲（Reacquisition） 在這個(gè)模式，接收機(jī)在一個(gè)短時(shí)間的信號(hào)阻塞（少于 10s） ， 信號(hào)阻塞時(shí)間小于連續(xù)導(dǎo)航周期 第7章 GPS接收機(jī)及其電路 GPS接收機(jī)及其實(shí)現(xiàn)電路 表表7-5 不同信號(hào)截獲模式的性能不同信號(hào)截獲模式的性能 初始定位容差（3Sigma） 截獲模式 TTFF/s （注釋 1,2） 位置/km 速度/m/s 時(shí)間/min 最大歷

27、書使 用時(shí)間/周 最大年鑒使 用時(shí)間/h 冷啟動(dòng) 44 無效 外形 無效 1 無效 暖啟動(dòng) 40 100 75 5 1 無效 熱啟動(dòng) 10 100 75 5 1 4 重新截獲 1 100 75 5 1 4 第7章 GPS接收機(jī)及其電路 GPS接收機(jī)及其實(shí)現(xiàn)電路 2） 導(dǎo)航模式 GPS接收機(jī)支持3種導(dǎo)航模式：3D（threedimensional， 三維）、2D（twodimensional，二維）和差分GPS （Differential GPS， DGPS）模式。當(dāng)4顆或更多的衛(wèi)星有效 時(shí)， 接收機(jī)進(jìn)入3D導(dǎo)航模式；當(dāng)有效使用到的衛(wèi)星數(shù)少于4顆， 且固定的海拔高度可使用時(shí)，GPS接收機(jī)進(jìn)入2D

28、導(dǎo)航模式，為了 計(jì)算此時(shí)的定位值，接收機(jī)既可采用由3D模式下決定的最后高 度，也可使用用戶提供的數(shù)據(jù)。在2D導(dǎo)航模式下，可用固定的 海拔高度值和天線實(shí)際的海拔高度值之間的關(guān)系確定導(dǎo)航的精 確度。當(dāng)使用4顆或更多的衛(wèi)星，并且信號(hào)具有差分修正時(shí)， 接收機(jī)進(jìn)入差分GPS（DGPS）導(dǎo)航模式。精確定位是整個(gè)GPS系 統(tǒng)中的重要功能，導(dǎo)航精確度如表7-6所列。 第7章 GPS接收機(jī)及其電路 GPS接收機(jī)及其實(shí)現(xiàn)電路 表表7-6 導(dǎo)導(dǎo) 航航 精精 確確 度度 位置（2DRMS，95%，All-in-View 水平方向 垂直方向 速度 DGPS 時(shí)間 5.8m 9.7m 0.06m/s 1m 100ns 第

29、7章 GPS接收機(jī)及其電路 GPS接收機(jī)及其實(shí)現(xiàn)電路 3） 電源工作模式 GPS接收機(jī)有表7-7所列的3種電源工作模式。 表表7-7 電源工作模式電源工作模式 模式 描 述 關(guān)斷模式 接收機(jī)完全不使能，包括所有直流電源、輸入信號(hào)和控制信號(hào) 工作模式 當(dāng)外部直流電源連接到接收機(jī)的主電輸入端（V3_3P 處）時(shí)，接收 機(jī)工作 備用電池模式 當(dāng)主電源被移走時(shí)，提供的外部直流電源連接到 RTC 端（V2_5BU） ， 接收機(jī)進(jìn)入備用電池模式。如果接收機(jī)在該模式下啟動(dòng)，其將使用 RTC 中的當(dāng)前時(shí)間和存儲(chǔ)在 FLASH 存儲(chǔ)器中的衛(wèi)星數(shù)據(jù)，使能夠快 速地完成第 1 次定位（TTFF） 第7章 GPS接收

30、機(jī)及其電路 GPS接收機(jī)及其實(shí)現(xiàn)電路 3 3 天線電源天線電源 GPS接收機(jī)提供電源電壓到I/O連接器中的V-ANT引腳，該引 腳與射頻連接器相連。連接到V-ANT引腳的電壓可正可負(fù)，可達(dá) 直流15 V。 天線檢測電路功能用來確定GPS天線是否有效連接，可檢查 天線的過流和短路。該狀態(tài)要使用IBIT信息， 結(jié)果在OBIT信息 中報(bào)告。 第7章 GPS接收機(jī)及其電路 GPS接收機(jī)及其實(shí)現(xiàn)電路 4 4 輸入輸入/ /輸出信號(hào)輸出信號(hào) 輸入/輸出信號(hào)見表7-8表7-11。所有的數(shù)字I/O信號(hào)為 直流2.5 V CMOS緩沖信號(hào)電平，允許使用3.3 V電壓。 5 5 信息定義信息定義 RFMDGPS接

31、收機(jī)用戶手冊(cè)中提供表7-8表7-12所定義的二 進(jìn)制信息和NMEA信息。 第7章 GPS接收機(jī)及其電路 GPS接收機(jī)及其實(shí)現(xiàn)電路 表表7-8 二進(jìn)制輸出信息二進(jìn)制輸出信息 二進(jìn)制信息 描 述 默認(rèn)狀態(tài) ONVD 導(dǎo)航處理數(shù)據(jù) 是 OSAT 可視衛(wèi)星 校正時(shí) OCHS 信道狀態(tài) 是 ODGS DGPS 狀態(tài) 否 ODGS DGPS 配置 否 ONOC 導(dǎo)航工作配置 在接通電源/復(fù)位時(shí)出現(xiàn) ONVC 導(dǎo)航有效配置 在接通電源/復(fù)位時(shí)出現(xiàn) ONPC 導(dǎo)航平臺(tái)配置 否 OCSC 冷啟動(dòng)配置 在接通電源/復(fù)位時(shí)出現(xiàn) OEMA 仰角標(biāo)記配置 在接通電源/復(fù)位時(shí)出現(xiàn) ODTM 圖像數(shù)據(jù)選擇 在接通電源/復(fù)位

32、時(shí)出現(xiàn) ODTU 用戶數(shù)據(jù)定義 否 OTMP UTC 時(shí)間標(biāo)記脈沖 是 OALD 下載歷書數(shù)據(jù) 否 OEPD 下載星歷表數(shù)據(jù) 否 OUTD 下載 UTC/IONO 數(shù)據(jù) 否 OSHM 衛(wèi)星健康標(biāo)記結(jié)構(gòu) 否 OSID 接收機(jī)軟件標(biāo)識(shí)符（ID） 在接通電源/復(fù)位時(shí)出現(xiàn) OBIT 內(nèi)置測試結(jié)構(gòu)（ACK） 否 OFSH 上載 FLASH 指標(biāo)（ACK） 否 第7章 GPS接收機(jī)及其電路 GPS接收機(jī)及其實(shí)現(xiàn)電路 表表7-9 二進(jìn)制輸入信息二進(jìn)制輸入信息 二進(jìn)制信息 描述 二進(jìn)制信息 描述 INIT 導(dǎo)航初始化 IEPD 星歷表下載指令 IDGC DGPS 配置 IUTD UTC/IONO 下載指令 I

33、NOC 導(dǎo)航工作配置 ISHM 衛(wèi)星健康標(biāo)記配置 INVC 導(dǎo)航有效配置 IRST 復(fù)位指令 INPC 導(dǎo)航平臺(tái)配置 IFSH 下載 FLASH 指令 ICSC 冷啟動(dòng)配置 ILOG 信息邏輯控制 IEMA 仰角標(biāo)記配置 IIOC 輸入/輸出端口配置 IDTM 圖像數(shù)據(jù)選擇 IMPC 信息協(xié)議配置 IDTU 用戶數(shù)據(jù)定義 IBIT 內(nèi)置測試指令 IALD 歷書下載指令 第7章 GPS接收機(jī)及其電路 GPS接收機(jī)及其實(shí)現(xiàn)電路 表表7-10 NMEA輸出信息輸出信息 二進(jìn)制信息 描 述 默認(rèn)狀態(tài) SID 軟件翻譯 在接通電源/復(fù)位時(shí)出現(xiàn) GGA GPS 定位數(shù)據(jù) 是 GLL 地理位置：緯度/經(jīng)度

34、否 GSA GPS DOP 和有效衛(wèi)星 是 GSV GPS 可視衛(wèi)星 RMC 推薦使用的最小指定 GPS/傳輸數(shù)據(jù) 是 VTG 好的軌跡和地面速度 否 BTO 內(nèi)置測試結(jié)果（ACK） 否 CHS 信道狀態(tài)數(shù)據(jù) 是 第7章 GPS接收機(jī)及其電路 GPS接收機(jī)及其實(shí)現(xiàn)電路 表表7-11 NMEA輸入信息輸入信息 NMEA 信息 描 述 INT 接收機(jī)初始化 LOG 信息邏輯控制 IOC 輸入/輸出端口配置 MPC 信息協(xié)議配置 RST 復(fù)位指令 BTI 要求內(nèi)置測試的指令 第7章 GPS接收機(jī)及其電路 GPS接收機(jī)及其實(shí)現(xiàn)電路 表表7-12 RTCM SC-104信息信息 RTCM 信息 描 述

35、類型 1 差分 GPS 修正 類型 2 增量（DELTA）差分 GPS 修正 類型 9 局部衛(wèi)星設(shè)置差分修正 第7章 GPS接收機(jī)及其電路 GPS接收機(jī)及其實(shí)現(xiàn)電路 7.2.6 RF80097.2.6 RF8009封裝尺寸封裝尺寸 RF8009模塊采用38 mm38 mm封裝，外形如圖7-5所示。 RF8009-1采用直角MCX射頻連接器，RF8009-2采用直式MCX射頻 連接器， 其封裝尺寸(單位為mm)如圖7-6所示。 第7章 GPS接收機(jī)及其電路 GPS接收機(jī)及其實(shí)現(xiàn)電路 圖7-5 RF8009模塊外形 第7章 GPS接收機(jī)及其電路 GPS接收機(jī)及其實(shí)現(xiàn)電路 圖7-6 RF8009模塊

36、封裝尺寸(單位： mm) (a) 采用直角MCS射頻連接器的封裝尺寸； 第7章 GPS接收機(jī)及其電路 GPS接收機(jī)及其實(shí)現(xiàn)電路 7.3 基于嵌入式系統(tǒng)的基于嵌入式系統(tǒng)的GPS應(yīng)用設(shè)計(jì)應(yīng)用設(shè)計(jì) 7.3.1 7.3.1 嵌入式系統(tǒng)比較嵌入式系統(tǒng)比較 1. 1. 單片機(jī)單片機(jī) 單片機(jī)是最早使用的嵌入式系統(tǒng), 具有微小體積的單芯片 和極低的成本,可廣泛地嵌入到家用電器、機(jī)器人、汽車電子 系統(tǒng)等產(chǎn)品中。近年來, 除了各種類型的工控機(jī),各種以通用 微處理器構(gòu)成的計(jì)算機(jī)主板模塊，以通用微處理器為核心、 片內(nèi)擴(kuò)展一些外圍功能電路單元構(gòu)成的嵌入式微處理器, 甚至 單片形態(tài)的PC 機(jī)等,都實(shí)現(xiàn)了嵌入式應(yīng)用, 形成

37、了嵌入式系統(tǒng) 的龐大家族。 第7章 GPS接收機(jī)及其電路 GPS接收機(jī)及其實(shí)現(xiàn)電路 2. Windows CE2. Windows CE操作系統(tǒng)操作系統(tǒng) Windows CE 操作系統(tǒng)是微軟公司在嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域推出 的產(chǎn)品,它一方面繼承了微軟其他操作系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn), 同時(shí)考慮 到了掌上電腦自身的特點(diǎn), 對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了精簡, 既允許用戶 在現(xiàn)有的操作系統(tǒng)上進(jìn)行各種應(yīng)用程序的開發(fā),用戶也可以通 過開發(fā)工具進(jìn)行各種驅(qū)動(dòng)的開發(fā), 將整個(gè)設(shè)備一體化。 Windows CE 3.0 是一個(gè)模塊化的嵌入式操作系統(tǒng), 適用于新 一代互聯(lián)式32 位設(shè)備。它提供了目前市場上最為豐富的技術(shù), 允許開發(fā)商建立各種需要?jiǎng)討B(tài)應(yīng)

38、用程序和Internet 服務(wù)的嵌 入式系統(tǒng)。此外, 微軟公司還將提供系統(tǒng)開發(fā)所需關(guān)鍵源代 碼的訪問, 用于幫助嵌入式系統(tǒng)開發(fā)商研制和測試設(shè)備。 第7章 GPS接收機(jī)及其電路 GPS接收機(jī)及其實(shí)現(xiàn)電路 3. Palm OS 3. Palm OS 操作系統(tǒng)操作系統(tǒng) Palm OS 操作系統(tǒng)以事件為驅(qū)動(dòng),同時(shí)具有操作簡單、方 便快捷的特點(diǎn), 是一個(gè)完整的電子產(chǎn)品。它不僅具有普通嵌入 式操作系統(tǒng)的特性, 而且系統(tǒng)本身也逐漸向高端發(fā)展, 比如提 供對(duì)網(wǎng)絡(luò)TCP/IP的支持、 對(duì)紅外線通信的支持、 先進(jìn)的聲音 功能、擴(kuò)大的動(dòng)態(tài)內(nèi)存堆、動(dòng)態(tài)菜單以及自定義控件等等。 Palm OS 是由C API 開發(fā)的,

39、 所以最有效靈活的工具是C 語言。 運(yùn)用C+語言也可以進(jìn)行Palm 的應(yīng)用程序開發(fā), 但是用于開發(fā) Palm 應(yīng)用軟件還存在一個(gè)普遍問題C+需要一塊不被重 新分配的內(nèi)存。 第7章 GPS接收機(jī)及其電路 GPS接收機(jī)及其實(shí)現(xiàn)電路 4. 4. 嵌入式嵌入式Linux Linux 操作系統(tǒng)操作系統(tǒng) Linux 是一個(gè)實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng), 它的界面可以采用 X2Windows 的GUI 模式。經(jīng)過對(duì)Linux 操作系統(tǒng)的小型化裁減, 可以適用于各種需要人機(jī)交互的工控應(yīng)用； 同時(shí)， 嵌入式 Linux 繼承了Linux 的網(wǎng)絡(luò)和通信功能, 在許多方面都能有很 廣泛的應(yīng)用。在應(yīng)用方面, Linux對(duì)數(shù)據(jù)庫

40、給以很強(qiáng)的支持, 同時(shí)可以進(jìn)行許多外設(shè)硬件的驅(qū)動(dòng)開發(fā)。由于Linux 的內(nèi)核包 含進(jìn)程調(diào)度、內(nèi)存管理、 進(jìn)程間通信虛擬文件系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)接 口五大部分，內(nèi)核的功能又被劃分為獨(dú)立的模塊。 Linux 提 供的模塊機(jī)制可以根據(jù)用戶的需要, 將某些模塊插入到內(nèi)核或 從內(nèi)核中拿走, 所以系統(tǒng)內(nèi)核可以裁減得很小。內(nèi)核的組織結(jié) 構(gòu)是整體式結(jié)構(gòu), 由很多過程組成, 每個(gè)過程獨(dú)立編譯, 然后 用連接程序?qū)⑵溥B接在一起成為一個(gè)單獨(dú)目標(biāo), 效率很高。 第7章 GPS接收機(jī)及其電路 GPS接收機(jī)及其實(shí)現(xiàn)電路 7.3.2 GPS7.3.2 GPS應(yīng)用開發(fā)的要求應(yīng)用開發(fā)的要求 1. 1. 系統(tǒng)運(yùn)行速度系統(tǒng)運(yùn)行速度 單片機(jī)和

41、Palm OS 相似,二者在硬件上的配置不是很高, 但是整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較簡單,尤其是單片機(jī), 由于使用匯編語 言, 運(yùn)行速度比較快, Palm OS 也繼承了這一特點(diǎn), 簡潔、 快速是它的特性。而Windows CE 操作系統(tǒng)在硬件配置、 主頻 和內(nèi)存上都遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于前兩者。利用嵌入式Linux進(jìn)行開發(fā), 用 戶可以根據(jù)自己的需要進(jìn)行配置。總的說來, 單片機(jī)和以Palm OS 作為操作系統(tǒng)的產(chǎn)品基本上屬于低端產(chǎn)品, 而基于Windows CE 和嵌入式Linux 操作系統(tǒng)的產(chǎn)品則是向高端發(fā)展, 在圖像 處理和網(wǎng)絡(luò)通信方面占有一定的優(yōu)勢。 用戶可以根據(jù)各自的 需求選用不同的系統(tǒng)。 第7章 GPS接收機(jī)及其電路 GPS接收機(jī)及其實(shí)現(xiàn)電路 2. 2. 網(wǎng)絡(luò)資源網(wǎng)絡(luò)資源 在網(wǎng)絡(luò)發(fā)達(dá)的今天, 上述四種嵌入式操作系統(tǒng)都有著很 豐富的網(wǎng)絡(luò)資源。 用戶可以從網(wǎng)絡(luò)上找到各系統(tǒng)相