GPS接收機(jī)及其實(shí)現(xiàn)電路課件

第7章GPS接收機(jī)及其電路7.1GPS接收機(jī)

7.2基于RF8009的GPS接收機(jī)電路

7.3基于嵌入式系統(tǒng)的GPS7.1GPS接收機(jī)

7.1.1GPS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。

圖7-1GPS接收機(jī)的基本構(gòu)成框圖

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)。

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。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1Hz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5Hz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。

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。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。

表7-1常用GPS接收機(jī)類型

7.1.2GPS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)。

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8～12倍（對(duì)于L1C/A碼PRN速率為1.023MHz，對(duì)于L1和L2P（Y）碼為10.23MHz）。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L1C/A碼的接收機(jī)，截止帶寬大于2MHz，而對(duì)于接收P（Y）碼的接收機(jī)，截止帶寬大于20MHz。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(5<N<12)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、Δ距離（有時(shí)稱做Δ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。

7.1.3數(shù)字GPS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。圖7-3數(shù)字GPS接收機(jī)組成框圖

7.1.4GPS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。

(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)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？7.2基于RF8009的GPS接收機(jī)電路

7.2.1RF8009簡介RFMD公司的RF8009GPS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38mm×38mm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。

7.2.2RF8009的主要性能指標(biāo)

表7-2RF8009的主要電氣特性

表7-2RF8009的主要電氣特性

7.2.4RF8009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（DigitalASIC）、L1帶通濾波器（L1BPFilter）、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）、FLASH存儲(chǔ)器、管理器（Spervisor）、+2.5V基準(zhǔn)電壓（+2.5VRef.）、43MHzGPS晶體振蕩器（GPSCrystal）和振蕩器（LO）、32kHz實(shí)時(shí)時(shí)鐘晶體振蕩器（RTCCrystal）和振蕩器（OSC）等電路。數(shù)字ASIC中包含完整的微處理器，有PowerPCR401、GPS信號(hào)處理、靜態(tài)存儲(chǔ)器和寄存器測試電路等模塊。圖7-4RF8009的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖

表7-4信號(hào)截獲模式

表7-5不同信號(hào)截獲模式的性能

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（DifferentialGPS，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。

表7-6導(dǎo)

航

精

確

度

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7-7電源工作模式

3．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15V。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。

4．輸入/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2.5VCMOS緩沖信號(hào)電平，允許使用3.3V電壓。

5．信息定義RFMDGPS接收機(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。

表7-8二進(jìn)制輸出信息

表7-9二進(jìn)制輸入信息

表7-10NMEA輸出信息

表7-11NMEA輸入信息

表7-12RTCMSC-104信息

7.2.6RF8009封裝尺寸RF8009模塊采用38mm×38mm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。

圖7-5RF8009模塊外形

圖7-6RF8009模塊封裝尺寸(單位：mm)(a)采用直角MCS射頻連接器的封裝尺寸；7.3基于嵌入式系統(tǒng)的GPS應(yīng)用設(shè)計(jì)

7.3.1嵌入式系統(tǒng)比較1.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,形成了嵌入式系統(tǒng)的龐大家族。

2.WindowsCE操作系統(tǒng)WindowsCE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。WindowsCE3.0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)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。

3.PalmOS操作系統(tǒng)PalmOS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。PalmOS是由CAPI開發(fā)的,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。

4.嵌入式Linux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。

7.3.2GPS應(yīng)用開發(fā)的要求1.系統(tǒng)運(yùn)行速度單片機(jī)和PalmOS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,PalmOS也繼承了這一特點(diǎn),簡潔、快速是它的特性。而WindowsCE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?？偟恼f來,單片機(jī)和以PalmOS作為操作系統(tǒng)的產(chǎn)品基本上屬于低端產(chǎn)品,而基于WindowsCE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(shì)。用戶可以根據(jù)各自的需求選用不同的系統(tǒng)。

2.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)相應(yīng)的開發(fā)工具、技術(shù)文檔以及相關(guān)軟件,這將給系統(tǒng)的開發(fā)帶來強(qiáng)大的技術(shù)支持。

3.通信利用嵌入式操作系統(tǒng)進(jìn)行GPS的應(yīng)用開發(fā),要做好系統(tǒng)和GPSOEM板的數(shù)據(jù)通信問題。這方面PalmOS和WindowsCE為用戶提供了較完善的API函數(shù),用戶可以通過直接調(diào)用這些函數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信；同時(shí),一些公司在這方面也提供了相關(guān)的硬件支持,比如Visor公司為Palm新的機(jī)型提供了擴(kuò)展槽,用戶可以通過這些裝置解決通信、電源供應(yīng)等問題。而對(duì)于單片機(jī)和嵌入式Linux用戶,則需要自行編寫相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序和握手協(xié)議。

4.數(shù)據(jù)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)對(duì)單片機(jī)來講是比較困難的,但PalmOS、WindowsCE和嵌入式Linux在這方面提供了強(qiáng)大的支持。它們提供文件存儲(chǔ)方式和數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)方式,這樣就有利于衛(wèi)星數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和地圖數(shù)據(jù)的查詢。

5.多線程支持進(jìn)行GPS的應(yīng)用開發(fā),用戶需要不間斷地進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取與存儲(chǔ),同時(shí)需要操作大量的地圖數(shù)據(jù)。WindowsCE繼承了Windows操作系統(tǒng)的特點(diǎn),提供多線程支持。而嵌入式Linux本身就是一個(gè)多線程實(shí)時(shí)的操作系統(tǒng),給多線程很強(qiáng)的支持。PalmOS和單片機(jī)開發(fā)目前不支持多線程操作。

6.持續(xù)性問題對(duì)于GPS野外使用的接收機(jī)，其待機(jī)時(shí)間問題是很重要的評(píng)價(jià)指標(biāo)。PalmOS和單片機(jī)耗電量較小,待機(jī)時(shí)間較長。WindowsCE支持的功能比較多,但耗電量較大。

用戶在程序編寫過程中,應(yīng)該盡量減少功耗。