GS接收机工作原理ppt课件

1、利用接收机产生复制码本地码与卫星发播的伪随机码进行相关运算，通过测量相关函数最大值的位置来测定卫星信号传播延迟，从而求得卫星到接收机的距离观测值。 l 卫星产生伪随时码，发出时信号l 接收机收到信号延迟l 接收机本地码发生器产生本地码l 经码移位电路本地码延迟l 相在器相关运算，积分器ll 相关输出达到最大值即)(,ts)(ts)(tts) ( ttsdtttstsR) ()()(ntcnTGPS接收机工作分为四步1. 对卫星信号捕获牵引2. 跟踪卫星信号，保证连续测距锁定、跟踪3. 解调导航电文，测量伪距，载波相位4. 定位计算l相关探测法每次移动本地码半个码元进行相关l 比较 。 lC/A

2、码捕获：因为C/A码短，用1.5min可完成捕获。lP码捕获：P码X1，X2 12位移位截短寄存器在每周六零时置成初始状态。lC/A码捕获后，在导航电文中转换码中给出Zl 计数，该计数按1.5秒计算，从星期六零时开l 始。有了Z计数就可以计算出X1X2状态，即可l 预先将P码本地码移到应有的状态，所以只需l 很短时间即可完成对P码捕获。 l捕获通过检测伪随机码和本地码相关输出为最 l 大，即可捕获卫星。l信号的捕获是一个码相位和载波多普勒的二维搜索过程，本质上是一个粗同步过程，其任务是估计出伪码的偏移和载波多普勒，用来初始化跟踪环路。l捕获方法有传统的串行捕获、基于FFT的并行捕获等多种，无论

3、是那种捕获方式，关键是搜索空间的定义，信号检测准则的建立，以及不同信号电平下算法的性能等。l信号的跟踪由跟踪环路来实现，主要作用是根据捕获环路能够给出的输入信号粗略估计，进一步精确估计信号的载波多普勒和伪码偏移，同时，将导航数据从输入的接收信号中解调出来。 l被跟踪后的信号已经实现了解调，因此，经过比特同步、子帧同步后就可以获得导航数据。利用导航数据和跟踪环路的载波多普勒和伪码偏移，进一步可以导出信号的测量值，即伪距、伪距和载波相位。最后根据这些信息计算出用户的位置、速度和时间PVT）。码的锁定也称跟踪由于卫星在运动，只有锁定卫星才能保证捕获码的最大相关输出，即不断完成伪距测量。 l接收天线、

4、l接收射频、l信号处理、l应用处理导航处理和授时处理）l用户界面。 l多频接收天线；l多频射频接收通道；l伪码的捕获与跟踪技术；l比特同步、子帧同步技术；l伪距、伪距和载波相位估计；l用户位置、速度和时间PVT的计算，授时处理； 接收天线部分完成射频信号的接收，即把卫星播发的电磁波转换成便于处理电信号。具有优良指标的天线对提高整机的接收灵敏度、减小地形、地貌以及环境因素对设备的影响等方面有非常重要的作用。在天线单元的设计中，除保证宽波束、高增益和宽轴比带宽外，天线单元在整个波束带宽内还应该提供均匀的幅度响应和均匀的相位响应。 l 天线与前置放大器一体化以减少信号损失l 天线对整个上半球各方向信

5、号不产生死角全园极化l 有适当防护屏蔽措施以清除多路径效应l 天线相位中心与天线几何中心一致，并稳 定 工作频率及带宽： L1：1575.421.023MHz L2：1227.61.023MHz极化方式： 右旋圆极化波束宽度： E俯仰）：5 90 （程度）：0 360天线增益： -5dB在整个波束范围内, 天线 顶部增益大于3dB）圆极化轴比：2输出驻波： 2 适合作为圆极化天线的类型包括了四线螺旋天线、交叉倾斜振子天线和微带贴片天线等多种形式。 四螺旋天线左旋园极化优点：天线频带宽，全园极化性好，可捕获低角卫星缺陷：不能进行双频接收，抗震性差 典型的微带贴片天线是在一块厚度远小于工作波长的介

6、质基片上，用微波集成技术覆盖在基片两面上的辐射片所构成的。在实际应用中，贴片辐射器的典型形状是矩形和圆形，然而，这种微带天线带宽很窄一般不超过1%）。 微带天线 优点：体积小、重量轻，可将二个频率集成在 一同，成本低可大批量生产，易于制 造。 缺陷：增益较低l 四馈源天线：天线相位中心为零l 带抑制板天线：扼流圈天线 可扼制地面和建筑物反射波信号 接收射频信道由低噪声预选放大器、下变频器、滤波器组成，对天线馈送来的微弱信号进行放大、下变频，最终输出较低的中频信号并经过ADC转换成数字中频，并送到信号处理部分 l载波频率： L1: 1575.42 MHz L2：1227.6 MHzl接收信号功率

7、范围：-133dBm-110dBml低噪声放大器噪声系数：1.5dB带选择滤波器）l低噪声放大器增益：37dBl镜频噪声抑制：40dBl输出中频频率： L1: 46.42 MHz L2：46.6 MHzl3dB带宽 1.023MHzl带外杂波抑制：40dBl输出信号电平：4dBm1dB 阻抗：50lAGC动态范围：55dBl本振相位噪声：100Hz -65 dBc/Hzl 1KHz -75 dBc/Hzl 10KHz -85 dBc/Hzl 100KHz -100 dBc/Hzl本振信号频率准确度和稳定度：优于5107LNA滤波一变频滤波放大PLL10MHz二变频PLL滤波放大B1： 1575

8、.42MHz2451MHz875.58MHz46.42MHzAD量化RSSI控制电压输入LNA滤波一变频滤波放大PLL10MHzB2： 1227.6MHz2103MHz875.4MHzVGA检波二变频滤波放大46.6MHzAD量化RSSI控制电压输入VGA检波Lo2:922MHzLo2l在L1载频上由数据流和两种伪随机码分别以同相和正交方式进行调制， 信号处理是导航信号接收处理通道的核心部分，这个部分包括信号捕获、跟踪、解调、比特同步、子帧同步、测量值的计算，l传统的串行搜索方法是在一个频率格内进行所有码元的串行时域相关，搜索所有的码相位。如果没有捕获到信号，则进入下一个多普勒频率格继续搜索

9、l串行捕获方法实现简单，但其捕获时间过长，对微弱信号环境、干扰环境、较高动态环境的适应性较差等,实用性较差。l新型的伪码捕获方案,基于块处理和FFT的软件GPS接收机 l跟踪是对伪码相位的精确跟踪过程。本地伪码精确跟踪输入伪码的相位变化，使得伪码相位误差在允许的小范围内。l跟踪是对伪码相位的精确跟踪过程。本地伪码精确跟踪输入伪码的相位变化，使得伪码相位误差在允许的小范围内。l获得各种导航定位计算所需的原始数据，如载波多普勒频移，码相位偏移等等。l信号接收时间是由接收机按本地时钟排定的一系列时刻来决定。例如：一个20ms的连续计数器可以给定接收机的接收时间。同时在每个相隔20ms的接收时间点上，

10、需要确定卫星信号的发射时刻。发射时刻的确定需要导航电文所包含的时间信息来辅助 l在GPS接收机中，卫星的发射时间由Z-记录，并且写在导航电文的每个子帧里。Z计数间隔为1.5秒，而导航电文每4个Z即6秒开始一个新的子帧。由于Z确立了每一子帧开始时的卫星时刻，则信号的发射时间应为Z时间Z(n)，加上从信号所在子帧的开头算起至接收时间点上所对应的接收信号之间所间隔的时间.l这一时间分为如下几个部分：对应导航电文的整比特数B(n)，从当前比特数开始算起的C/A码整周期数M(n)，从当前C/A码开始算起的C/A码码片数C(n)，以及当前码片的分数部分R(n)。整比特数和整周期数可以依靠跟踪环设置两个专门

11、的计数器提供；码片数和码片分数可以由伪码发生器和码环的NCO给出 l ts(t- )=6Z(n)+0.02B(n)+0.001M(n)+(c(n)+R(n)/1023000采用伪随机码测距技术，测量精度决定码元分辨率。当码的比特率越高，码元宽度越小，分辨率越高。 通道：能完成对卫星的捕获、跟踪、丈量、 解扩的装置称为通道。单通道接收机：每次只能捕获一颗卫星，通过变换时序，跟踪卫星进行丈量。多通道接收机：具有多个通道，可以同时捕获多颗卫星进行测量。卫星信号的扩频： 信号解扩 ：)()()(tDtpts)()()()()()(tDtptDtptptsl导航电文l导航电文lC/A码伪距 ，P码伪距l

12、L1载波相位 、L2载波相位lL1多普勒频移D1，L2多普勒频移D2。AC/P12射频器RF）是将高频1575M通过混频、滤波降 到中频。信号通道基带）完成信号捕获、跟踪、解扩、解调及伪距测量，载波相位测量数据处理(CPU)-对观测数据进行处理，解算出定 位结果，物体运动速度等。 在传统接收机中，天线模块和射频模块这两个模拟信号处理部分均用模拟硬件来实现，通常是一片专用芯片，而信号处理、应用处理部分用数字硬件来实现，通常也是一个专用芯片，用户界面部分则用一个微处理器来实现，也只有这一部分是用软件来实现的。lAntennalRFlASIClDigitallFirmwarePassive ante

13、nna Active antennas GPS天线 GPS主板 GPS显示 GPS电源l高清晰度、低功耗、反射式宽温特性、平板液晶显示器：STNLCD超扭曲向列相液晶显示器）l采用价格低、耐低温、功耗低的单片微处理器做系统管理和数据处理l精度(Accuracy)：5mm1ppmD l采样间隔(Sampling interval)：199秒可选l工作范围(Working temperature)：2055OCl功耗 (Power wastage): 3.5Wl汉化显示、电池电量显示、背光照明lGJS100：内存(Memory)4M，可存31个文件lGJS101：内存(Memory) 8M，可存6

14、3个文件l下载数据可转成RINEX2.0格式l RTK信息GPS天线定位数据控制命令数据下载电台天线GPS OEM板Pocket PC PDA数据上传桌面PC系统电源数字电台Modem数据链OEM板控制器l组件1：GPS OEM板l组件2：掌上电脑PDA控制器l组件3：数据链NovAtel OEM4实物图系统参数设置单点定位窗口流动站定位窗口 设置基准站 GPS卫星分布图运动状态显示图 多种导航模式采样功能界面YYNOEM板设计板设计(硬件和软件硬件和软件)IC芯片组设计的电路芯片组设计的电路描述及指标分配描述及指标分配进行前端射频进行前端射频芯片设计芯片设计进行基带处理进行基带处理芯片设计芯

15、片设计设计用于芯片测试的设计用于芯片测试的测试板及软件测试板及软件试投片试投片试投片试投片测试测试测试测试通过否？通过否？通过否？通过否？用用IC芯片组设计主机板芯片组设计主机板批量批量IC芯片组生产芯片组生产批量主机板生产批量主机板生产N低噪声放大低噪声放大器器频率频率综合器综合器下变频下变频下变频下变频A/DA/D多 个 数 字多 个 数 字跟踪通道跟踪通道多 个 数 字多 个 数 字跟踪通道跟踪通道实时控制实时控制基带信号处理基带信号处理实时控制实时控制基带信号处理基带信号处理定位定位解算解算、速度速度解算解算、测量测量数据数据处理处理、时钟时钟频率频率调整调整串行接口串行接口实时控制软

16、件和实时控制软件和定位解算软件定位解算软件GPS L1G L O N A S S L1采样时钟采样时钟射频芯片射频芯片数字相关通道和接口数字相关通道和接口分路器分路器晶晶振振基带芯片基带芯片FLASHDC/DC晶体晶体输入信号：GPS：1575.42MHz，伪码速率：1.023MHzGLONASS：1597.55151609.261MHz， 伪码速率：0.511MHzLNA噪声系数：2dB，芯片线性部分总NF2.5dB输入信号功率：130dBm扩频信号）输出中频信号幅度：1VP-P输出时钟频率：40MHz电源电压：3V10%工作温度范围：-2070兼容GPS/GLONASS协议 射频通道技术方

17、案 射频通道接收由天线LNA放大后GPS/GLONASS卫星信号。在射频通道里，按GPS和GLONASS频率分成两个射频通道，再分别进行下变频、滤波、放大并通过AGC保持末级中频幅度稳定在1VP-P。两个射频通道的末级中频信号分别输出。射频通道内还有一个频率综合器为全机提供各种本地频率和时钟。L1LNA带通1591.829MBW=34.864ML1GlonassLO456MHz分路器LO11400MHzLO2140MHzL1GPSGPS IFoutLO331.11MHz滤波器4.3MHz第 1 级混频第 2 级混频AGC第 3 级混频带通滤波器175.42MHz带通滤波器SAW35.42MHz

18、GLONASS IFout滤波器9.5MHz第 1 级混频第 2 级混频AGC第 3 级混频带通滤波器205.5MHz带通滤波器SAW65.5MHzLO2140MHzLO11400MHzAGC控制射频芯片原理框图射频芯片原理框图注：虚线部分在片外注：虚线部分在片外混频器混频器放大器放大器声表滤波器声表滤波器BW=12MHz中频接收机中频接收机中频放大器中频放大器GLONASS中频输出中频输出 6.9MHzAGC中频滤波器中频滤波器4 15MHz放放大大器器 1463.5MHz133MHz频频率率综综合合器器混频器混频器放大器放大器声表滤波器声表滤波器BW=2MHz中频接收机中频接收机中频放大器

19、中频放大器GPS中频输出中频输出 4.42MHzAGC中频滤波器中频滤波器3.45.4MHz放放大大器器 1435MHz136MHz频频率率综综合合器器陶瓷滤波器陶瓷滤波器1595MHz放大器放大器分路器分路器差分放大器差分放大器TCXO40MHz时钟输出时钟输出分路器分路器时时钟钟发发生生器器射频通道原理图射频通道原理图GPS C/A 码和GLONASS 兼容基带处理器 微处理器核采用DSP核 16 个GPS/GLONASS 的相关通道 2个串行口UART） 1PPS 输出 内置4M存储器输入信号：量化的GPS中频信号、量化的GLONASS中频信号、采样时钟 射射频频接接口口移移相相载 波载

20、 波DCO码码DCOC/A码码产生器产生器相相关关器器累累加加器器寄寄存存器器16通道通道处处理理器器接接口口MCU前端前端时 钟 控时 钟 控制器制器时 间 基 准时 间 基 准产生器产生器中 断 管中 断 管理器理器支持功能模块支持功能模块HDU双双UART电 源 和 复电 源 和 复位控制位控制1ms数据累加器数据累加器1ms数据累加器数据累加器本地本地1ms信号信号计数器计数器迟码迟码早码早码对准码对准码载波载波NCO码码NCO1ms数据累加器数据累加器I支路支路Q支路支路数数字字中中频频信信号号数数据据总总线线历元计数器历元计数器码相位码相位计数器计数器C/A码码产生器产生器码回转码

21、回转控制器控制器信信号号量量化化处处理理模模块块1ms数据累加器数据累加器1ms数据累加器数据累加器1ms数据累加器数据累加器载载波波周周期期计计数数器器GPS跟踪通道跟踪通道 1ms数据累加器数据累加器1ms数据累加器数据累加器本地本地1ms信号信号计数器计数器迟码迟码早码早码对准码对准码载波载波NCO码码NCO1ms数据累加器数据累加器I支路支路Q支路支路数数字字中中频频信信号号数数据据总总线线历元计数器历元计数器计数器计数器码相位码相位计数器计数器计数器计数器GLONASSC/A码码产生器产生器码回转码回转控制器控制器信信号号量量化化处处理理模模块块1ms数据累加器数据累加器1ms数据累

22、加器数据累加器1ms数据累加器数据累加器载载波波周周期期计计数数器器 信号处理器，先将两个末级中频信号通过A/D进行模数转换，把两个模拟信号变成两个数字信号，一路为GPS数字信号，一路为GLONASS数字信号。两个数字信号进入数字通道，在软件控制下进行信号跟踪，完成信号解扩、解调导航参数和伪距、伪距变化率等测量值。这里设计16个GPS和GLONASS卫星跟踪通道。硬件平台主要由FPGA实现。MAX3232地址总线地址总线数据总线数据总线控制总线控制总线GPS中频中频GLONASS中频中频时钟时钟频率频率A/DJTAGEPCS4FPGAGLONASS跟踪通道跟踪通道6GLONASS数字中频数字中频采样锁存器采样锁存器GLONASS跟踪通道跟踪通道1GLONASS跟踪通道跟踪通道2RS-232接口接口UART模块模块GPS跟踪通道跟踪通道10测测量量基基准准GPS数字中频数字中频中 断 信中 断 信号号数据总线数据总线地址总线地址总线采样锁存器采样锁存器采 样 时采 样 时钟钟地址地址译码器译码器数据数据/控制控制总线接口总线接口状状态态寄寄存存器器控制总线控制总线时基产生器时基产生器GPS跟踪通道跟踪通道1GPS跟踪通道跟踪