GS接收機工作原理ppt課件

1、利用接收機產生復制碼本地碼與衛(wèi)星發(fā)播的偽隨機碼進行相關運算，通過測量相關函數(shù)最大值的位置來測定衛(wèi)星信號傳播延遲，從而求得衛(wèi)星到接收機的距離觀測值。 l 衛(wèi)星產生偽隨時碼，發(fā)出時信號l 接收機收到信號延遲l 接收機本地碼發(fā)生器產生本地碼l 經碼移位電路本地碼延遲l 相在器相關運算，積分器ll 相關輸出達到最大值即)(,ts)(ts)(tts) ( ttsdtttstsR) ()()(ntcnTGPS接收機工作分為四步1. 對衛(wèi)星信號捕獲牽引2. 跟蹤衛(wèi)星信號，保證連續(xù)測距鎖定、跟蹤3. 解調導航電文，測量偽距，載波相位4. 定位計算l相關探測法每次移動本地碼半個碼元進行相關l 比較 。 lC/A

2、碼捕獲：因為C/A碼短，用1.5min可完成捕獲。lP碼捕獲：P碼X1，X2 12位移位截短寄存器在每周六零時置成初始狀態(tài)。lC/A碼捕獲后，在導航電文中轉換碼中給出Zl 計數(shù)，該計數(shù)按1.5秒計算，從星期六零時開l 始。有了Z計數(shù)就可以計算出X1X2狀態(tài)，即可l 預先將P碼本地碼移到應有的狀態(tài)，所以只需l 很短時間即可完成對P碼捕獲。 l捕獲通過檢測偽隨機碼和本地碼相關輸出為最 l 大，即可捕獲衛(wèi)星。l信號的捕獲是一個碼相位和載波多普勒的二維搜索過程，本質上是一個粗同步過程，其任務是估計出偽碼的偏移和載波多普勒，用來初始化跟蹤環(huán)路。l捕獲方法有傳統(tǒng)的串行捕獲、基于FFT的并行捕獲等多種，無論

3、是那種捕獲方式，關鍵是搜索空間的定義，信號檢測準則的建立，以及不同信號電平下算法的性能等。l信號的跟蹤由跟蹤環(huán)路來實現(xiàn)，主要作用是根據(jù)捕獲環(huán)路能夠給出的輸入信號粗略估計，進一步精確估計信號的載波多普勒和偽碼偏移，同時，將導航數(shù)據(jù)從輸入的接收信號中解調出來。 l被跟蹤后的信號已經實現(xiàn)了解調，因此，經過比特同步、子幀同步后就可以獲得導航數(shù)據(jù)。利用導航數(shù)據(jù)和跟蹤環(huán)路的載波多普勒和偽碼偏移，進一步可以導出信號的測量值，即偽距、偽距和載波相位。最后根據(jù)這些信息計算出用戶的位置、速度和時間PVT）。碼的鎖定也稱跟蹤由于衛(wèi)星在運動，只有鎖定衛(wèi)星才能保證捕獲碼的最大相關輸出，即不斷完成偽距測量。 l接收天線、

4、l接收射頻、l信號處理、l應用處理導航處理和授時處理）l用戶界面。 l多頻接收天線；l多頻射頻接收通道；l偽碼的捕獲與跟蹤技術；l比特同步、子幀同步技術；l偽距、偽距和載波相位估計；l用戶位置、速度和時間PVT的計算，授時處理； 接收天線部分完成射頻信號的接收，即把衛(wèi)星播發(fā)的電磁波轉換成便于處理電信號。具有優(yōu)良指標的天線對提高整機的接收靈敏度、減小地形、地貌以及環(huán)境因素對設備的影響等方面有非常重要的作用。在天線單元的設計中，除保證寬波束、高增益和寬軸比帶寬外，天線單元在整個波束帶寬內還應該提供均勻的幅度響應和均勻的相位響應。 l 天線與前置放大器一體化以減少信號損失l 天線對整個上半球各方向信

5、號不產生死角全園極化l 有適當防護屏蔽措施以清除多路徑效應l 天線相位中心與天線幾何中心一致，并穩(wěn) 定 工作頻率及帶寬： L1：1575.421.023MHz L2：1227.61.023MHz極化方式： 右旋圓極化波束寬度： E俯仰）：5 90 （程度）：0 360天線增益： -5dB在整個波束范圍內, 天線 頂部增益大于3dB）圓極化軸比：2輸出駐波： 2 適合作為圓極化天線的類型包括了四線螺旋天線、交叉傾斜振子天線和微帶貼片天線等多種形式。 四螺旋天線左旋園極化優(yōu)點：天線頻帶寬，全園極化性好，可捕獲低角衛(wèi)星缺陷：不能進行雙頻接收，抗震性差 典型的微帶貼片天線是在一塊厚度遠小于工作波長的介

6、質基片上，用微波集成技術覆蓋在基片兩面上的輻射片所構成的。在實際應用中，貼片輻射器的典型形狀是矩形和圓形，然而，這種微帶天線帶寬很窄一般不超過1%）。 微帶天線 優(yōu)點：體積小、重量輕，可將二個頻率集成在 一同，成本低可大批量生產，易于制 造。 缺陷：增益較低l 四饋源天線：天線相位中心為零l 帶抑制板天線：扼流圈天線 可扼制地面和建筑物反射波信號 接收射頻信道由低噪聲預選放大器、下變頻器、濾波器組成，對天線饋送來的微弱信號進行放大、下變頻，最終輸出較低的中頻信號并經過ADC轉換成數(shù)字中頻，并送到信號處理部分 l載波頻率： L1: 1575.42 MHz L2：1227.6 MHzl接收信號功率

7、范圍：-133dBm-110dBml低噪聲放大器噪聲系數(shù)：1.5dB帶選擇濾波器）l低噪聲放大器增益：37dBl鏡頻噪聲抑制：40dBl輸出中頻頻率： L1: 46.42 MHz L2：46.6 MHzl3dB帶寬 1.023MHzl帶外雜波抑制：40dBl輸出信號電平：4dBm1dB 阻抗：50lAGC動態(tài)范圍：55dBl本振相位噪聲：100Hz -65 dBc/Hzl 1KHz -75 dBc/Hzl 10KHz -85 dBc/Hzl 100KHz -100 dBc/Hzl本振信號頻率準確度和穩(wěn)定度：優(yōu)于5107LNA濾波一變頻濾波放大PLL10MHz二變頻PLL濾波放大B1： 1575

8、.42MHz2451MHz875.58MHz46.42MHzAD量化RSSI控制電壓輸入LNA濾波一變頻濾波放大PLL10MHzB2： 1227.6MHz2103MHz875.4MHzVGA檢波二變頻濾波放大46.6MHzAD量化RSSI控制電壓輸入VGA檢波Lo2:922MHzLo2l在L1載頻上由數(shù)據(jù)流和兩種偽隨機碼分別以同相和正交方式進行調制， 信號處理是導航信號接收處理通道的核心部分，這個部分包括信號捕獲、跟蹤、解調、比特同步、子幀同步、測量值的計算，l傳統(tǒng)的串行搜索方法是在一個頻率格內進行所有碼元的串行時域相關，搜索所有的碼相位。如果沒有捕獲到信號，則進入下一個多普勒頻率格繼續(xù)搜索

9、l串行捕獲方法實現(xiàn)簡單，但其捕獲時間過長，對微弱信號環(huán)境、干擾環(huán)境、較高動態(tài)環(huán)境的適應性較差等,實用性較差。l新型的偽碼捕獲方案,基于塊處理和FFT的軟件GPS接收機 l跟蹤是對偽碼相位的精確跟蹤過程。本地偽碼精確跟蹤輸入偽碼的相位變化，使得偽碼相位誤差在允許的小范圍內。l跟蹤是對偽碼相位的精確跟蹤過程。本地偽碼精確跟蹤輸入偽碼的相位變化，使得偽碼相位誤差在允許的小范圍內。l獲得各種導航定位計算所需的原始數(shù)據(jù)，如載波多普勒頻移，碼相位偏移等等。l信號接收時間是由接收機按本地時鐘排定的一系列時刻來決定。例如：一個20ms的連續(xù)計數(shù)器可以給定接收機的接收時間。同時在每個相隔20ms的接收時間點上，

10、需要確定衛(wèi)星信號的發(fā)射時刻。發(fā)射時刻的確定需要導航電文所包含的時間信息來輔助 l在GPS接收機中，衛(wèi)星的發(fā)射時間由Z-記錄，并且寫在導航電文的每個子幀里。Z計數(shù)間隔為1.5秒，而導航電文每4個Z即6秒開始一個新的子幀。由于Z確立了每一子幀開始時的衛(wèi)星時刻，則信號的發(fā)射時間應為Z時間Z(n)，加上從信號所在子幀的開頭算起至接收時間點上所對應的接收信號之間所間隔的時間.l這一時間分為如下幾個部分：對應導航電文的整比特數(shù)B(n)，從當前比特數(shù)開始算起的C/A碼整周期數(shù)M(n)，從當前C/A碼開始算起的C/A碼碼片數(shù)C(n)，以及當前碼片的分數(shù)部分R(n)。整比特數(shù)和整周期數(shù)可以依靠跟蹤環(huán)設置兩個專門

11、的計數(shù)器提供；碼片數(shù)和碼片分數(shù)可以由偽碼發(fā)生器和碼環(huán)的NCO給出 l ts(t- )=6Z(n)+0.02B(n)+0.001M(n)+(c(n)+R(n)/1023000采用偽隨機碼測距技術，測量精度決定碼元分辨率。當碼的比特率越高，碼元寬度越小，分辨率越高。 通道：能完成對衛(wèi)星的捕獲、跟蹤、丈量、 解擴的裝置稱為通道。單通道接收機：每次只能捕獲一顆衛(wèi)星，通過變換時序，跟蹤衛(wèi)星進行丈量。多通道接收機：具有多個通道，可以同時捕獲多顆衛(wèi)星進行測量。衛(wèi)星信號的擴頻： 信號解擴 ：)()()(tDtpts)()()()()()(tDtptDtptptsl導航電文l導航電文lC/A碼偽距 ，P碼偽距l(xiāng)

12、L1載波相位 、L2載波相位lL1多普勒頻移D1，L2多普勒頻移D2。AC/P12射頻器RF）是將高頻1575M通過混頻、濾波降 到中頻。信號通道基帶）完成信號捕獲、跟蹤、解擴、解調及偽距測量，載波相位測量數(shù)據(jù)處理(CPU)-對觀測數(shù)據(jù)進行處理，解算出定 位結果，物體運動速度等。 在傳統(tǒng)接收機中，天線模塊和射頻模塊這兩個模擬信號處理部分均用模擬硬件來實現(xiàn)，通常是一片專用芯片，而信號處理、應用處理部分用數(shù)字硬件來實現(xiàn)，通常也是一個專用芯片，用戶界面部分則用一個微處理器來實現(xiàn)，也只有這一部分是用軟件來實現(xiàn)的。lAntennalRFlASIClDigitallFirmwarePassive ante

13、nna Active antennas GPS天線 GPS主板 GPS顯示 GPS電源l高清晰度、低功耗、反射式寬溫特性、平板液晶顯示器：STNLCD超扭曲向列相液晶顯示器）l采用價格低、耐低溫、功耗低的單片微處理器做系統(tǒng)管理和數(shù)據(jù)處理l精度(Accuracy)：5mm1ppmD l采樣間隔(Sampling interval)：199秒可選l工作范圍(Working temperature)：2055OCl功耗 (Power wastage): 3.5Wl漢化顯示、電池電量顯示、背光照明lGJS100：內存(Memory)4M，可存31個文件lGJS101：內存(Memory) 8M，可存6

14、3個文件l下載數(shù)據(jù)可轉成RINEX2.0格式l RTK信息GPS天線定位數(shù)據(jù)控制命令數(shù)據(jù)下載電臺天線GPS OEM板Pocket PC PDA數(shù)據(jù)上傳桌面PC系統(tǒng)電源數(shù)字電臺Modem數(shù)據(jù)鏈OEM板控制器l組件1：GPS OEM板l組件2：掌上電腦PDA控制器l組件3：數(shù)據(jù)鏈NovAtel OEM4實物圖系統(tǒng)參數(shù)設置單點定位窗口流動站定位窗口 設置基準站 GPS衛(wèi)星分布圖運動狀態(tài)顯示圖 多種導航模式采樣功能界面YYNOEM板設計板設計(硬件和軟件硬件和軟件)IC芯片組設計的電路芯片組設計的電路描述及指標分配描述及指標分配進行前端射頻進行前端射頻芯片設計芯片設計進行基帶處理進行基帶處理芯片設計芯

15、片設計設計用于芯片測試的設計用于芯片測試的測試板及軟件測試板及軟件試投片試投片試投片試投片測試測試測試測試通過否？通過否？通過否？通過否？用用IC芯片組設計主機板芯片組設計主機板批量批量IC芯片組生產芯片組生產批量主機板生產批量主機板生產N低噪聲放大低噪聲放大器器頻率頻率綜合器綜合器下變頻下變頻下變頻下變頻A/DA/D多 個 數(shù) 字多 個 數(shù) 字跟蹤通道跟蹤通道多 個 數(shù) 字多 個 數(shù) 字跟蹤通道跟蹤通道實時控制實時控制基帶信號處理基帶信號處理實時控制實時控制基帶信號處理基帶信號處理定位定位解算解算、速度速度解算解算、測量測量數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)處理處理、時鐘時鐘頻率頻率調整調整串行接口串行接口實時控制軟

16、件和實時控制軟件和定位解算軟件定位解算軟件GPS L1G L O N A S S L1采樣時鐘采樣時鐘射頻芯片射頻芯片數(shù)字相關通道和接口數(shù)字相關通道和接口分路器分路器晶晶振振基帶芯片基帶芯片F(xiàn)LASHDC/DC晶體晶體輸入信號：GPS：1575.42MHz，偽碼速率：1.023MHzGLONASS：1597.55151609.261MHz， 偽碼速率：0.511MHzLNA噪聲系數(shù)：2dB，芯片線性部分總NF2.5dB輸入信號功率：130dBm擴頻信號）輸出中頻信號幅度：1VP-P輸出時鐘頻率：40MHz電源電壓：3V10%工作溫度范圍：-2070兼容GPS/GLONASS協(xié)議 射頻通道技術方

17、案 射頻通道接收由天線LNA放大后GPS/GLONASS衛(wèi)星信號。在射頻通道里，按GPS和GLONASS頻率分成兩個射頻通道，再分別進行下變頻、濾波、放大并通過AGC保持末級中頻幅度穩(wěn)定在1VP-P。兩個射頻通道的末級中頻信號分別輸出。射頻通道內還有一個頻率綜合器為全機提供各種本地頻率和時鐘。L1LNA帶通1591.829MBW=34.864ML1GlonassLO456MHz分路器LO11400MHzLO2140MHzL1GPSGPS IFoutLO331.11MHz濾波器4.3MHz第 1 級混頻第 2 級混頻AGC第 3 級混頻帶通濾波器175.42MHz帶通濾波器SAW35.42MHz

18、GLONASS IFout濾波器9.5MHz第 1 級混頻第 2 級混頻AGC第 3 級混頻帶通濾波器205.5MHz帶通濾波器SAW65.5MHzLO2140MHzLO11400MHzAGC控制射頻芯片原理框圖射頻芯片原理框圖注：虛線部分在片外注：虛線部分在片外混頻器混頻器放大器放大器聲表濾波器聲表濾波器BW=12MHz中頻接收機中頻接收機中頻放大器中頻放大器GLONASS中頻輸出中頻輸出 6.9MHzAGC中頻濾波器中頻濾波器4 15MHz放放大大器器 1463.5MHz133MHz頻頻率率綜綜合合器器混頻器混頻器放大器放大器聲表濾波器聲表濾波器BW=2MHz中頻接收機中頻接收機中頻放大器

19、中頻放大器GPS中頻輸出中頻輸出 4.42MHzAGC中頻濾波器中頻濾波器3.45.4MHz放放大大器器 1435MHz136MHz頻頻率率綜綜合合器器陶瓷濾波器陶瓷濾波器1595MHz放大器放大器分路器分路器差分放大器差分放大器TCXO40MHz時鐘輸出時鐘輸出分路器分路器時時鐘鐘發(fā)發(fā)生生器器射頻通道原理圖射頻通道原理圖GPS C/A 碼和GLONASS 兼容基帶處理器 微處理器核采用DSP核 16 個GPS/GLONASS 的相關通道 2個串行口UART） 1PPS 輸出 內置4M存儲器輸入信號：量化的GPS中頻信號、量化的GLONASS中頻信號、采樣時鐘 射射頻頻接接口口移移相相載 波載

20、 波DCO碼碼DCOC/A碼碼產生器產生器相相關關器器累累加加器器寄寄存存器器16通道通道處處理理器器接接口口MCU前端前端時 鐘 控時 鐘 控制器制器時 間 基 準時 間 基 準產生器產生器中 斷 管中 斷 管理器理器支持功能模塊支持功能模塊HDU雙雙UART電 源 和 復電 源 和 復位控制位控制1ms數(shù)據(jù)累加器數(shù)據(jù)累加器1ms數(shù)據(jù)累加器數(shù)據(jù)累加器本地本地1ms信號信號計數(shù)器計數(shù)器遲碼遲碼早碼早碼對準碼對準碼載波載波NCO碼碼NCO1ms數(shù)據(jù)累加器數(shù)據(jù)累加器I支路支路Q支路支路數(shù)數(shù)字字中中頻頻信信號號數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)總總線線歷元計數(shù)器歷元計數(shù)器碼相位碼相位計數(shù)器計數(shù)器C/A碼碼產生器產生器碼回轉碼

21、回轉控制器控制器信信號號量量化化處處理理模模塊塊1ms數(shù)據(jù)累加器數(shù)據(jù)累加器1ms數(shù)據(jù)累加器數(shù)據(jù)累加器1ms數(shù)據(jù)累加器數(shù)據(jù)累加器載載波波周周期期計計數(shù)數(shù)器器GPS跟蹤通道跟蹤通道 1ms數(shù)據(jù)累加器數(shù)據(jù)累加器1ms數(shù)據(jù)累加器數(shù)據(jù)累加器本地本地1ms信號信號計數(shù)器計數(shù)器遲碼遲碼早碼早碼對準碼對準碼載波載波NCO碼碼NCO1ms數(shù)據(jù)累加器數(shù)據(jù)累加器I支路支路Q支路支路數(shù)數(shù)字字中中頻頻信信號號數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)總總線線歷元計數(shù)器歷元計數(shù)器計數(shù)器計數(shù)器碼相位碼相位計數(shù)器計數(shù)器計數(shù)器計數(shù)器GLONASSC/A碼碼產生器產生器碼回轉碼回轉控制器控制器信信號號量量化化處處理理模模塊塊1ms數(shù)據(jù)累加器數(shù)據(jù)累加器1ms數(shù)據(jù)累

22、加器數(shù)據(jù)累加器1ms數(shù)據(jù)累加器數(shù)據(jù)累加器載載波波周周期期計計數(shù)數(shù)器器 信號處理器，先將兩個末級中頻信號通過A/D進行模數(shù)轉換，把兩個模擬信號變成兩個數(shù)字信號，一路為GPS數(shù)字信號，一路為GLONASS數(shù)字信號。兩個數(shù)字信號進入數(shù)字通道，在軟件控制下進行信號跟蹤，完成信號解擴、解調導航參數(shù)和偽距、偽距變化率等測量值。這里設計16個GPS和GLONASS衛(wèi)星跟蹤通道。硬件平臺主要由FPGA實現(xiàn)。MAX3232地址總線地址總線數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)總線控制總線控制總線GPS中頻中頻GLONASS中頻中頻時鐘時鐘頻率頻率A/DJTAGEPCS4FPGAGLONASS跟蹤通道跟蹤通道6GLONASS數(shù)字中頻數(shù)字中頻采樣鎖存器采樣鎖存器GLONASS跟蹤通道跟蹤通道1GLONASS跟蹤通道跟蹤通道2RS-232接口接口UART模塊模塊GPS跟蹤通道跟蹤通道10測測量量基基準準GPS數(shù)字中頻數(shù)字中頻中 斷 信中 斷 信號號數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)總線地址總線地址總線采樣鎖存器采樣鎖存器采 樣 時采 樣 時鐘鐘地址地址譯碼器譯碼器數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)/控制控制總線接口總線接口狀狀態(tài)態(tài)寄寄存存器器控制總線控制總線時基產生器時基產生器GPS跟蹤通道跟蹤通道1GPS跟蹤通道跟蹤