如何實(shí)現(xiàn)GPS接收機(jī)的電路設(shè)計(jì)？

GPS是全球定位系統(tǒng),主要實(shí)現(xiàn)在全球范圍內(nèi)為不限數(shù)量的用戶提供全天候并且連續(xù)精確的速度、位置和時(shí)間信息。隨著GPS市場(chǎng)的不斷開(kāi)拓,最初只應(yīng)用在軍事上的技術(shù)逐漸向民用方向發(fā)展,生產(chǎn)技術(shù)的大規(guī)?；驮奈⑿突厔?shì)帶來(lái)了低成本的接收機(jī)元器件。本文首先提出了GPS接收機(jī)方案及其性能指標(biāo)要求,接收機(jī)主要由天線部分、射頻前端部分和基帶處理部分組成,具體分析了放大器的噪聲系數(shù)、增益及接收機(jī)的靈敏度。其次,運(yùn)用ADS 2009進(jìn)行低噪聲放大器的設(shè)計(jì),并針對(duì)其功能進(jìn)行匹配電路的設(shè)計(jì),增益大于30dB,噪聲系數(shù)小于1dB。選擇合適的射頻前端芯片ATR0601,以及與其相對(duì)應(yīng)的基帶處理芯片ATR0625P,根據(jù)所需功能完成外圍電路的設(shè)計(jì)。再次,運(yùn)用Cadence 16.2進(jìn)行電路原理圖及印制電路板(PCB)的設(shè)計(jì),并運(yùn)用CAM350進(jìn)行光繪文件的檢查。

全球定位系統(tǒng)(GPS, Global Positioning System)是美國(guó)國(guó)防部建立的新一代衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)。由于其高精度、全天候、全球覆蓋、方便靈活和質(zhì)優(yōu)價(jià)廉等特點(diǎn),目前已廣泛應(yīng)用在全世界幾乎所有需要導(dǎo)航、定位的軍用和民用系統(tǒng)中。但是,由于天線接收的GPS衛(wèi)星信號(hào)頻率很高、功率很弱,因此需要對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)處理才能使得GPS系統(tǒng)正常工作。射頻前端電路位于接收機(jī)天線與基帶信號(hào)處理單元之間,主要作用是將接收到的GPS信號(hào)進(jìn)行信號(hào)調(diào)整和降頻處理。其中,信號(hào)調(diào)整主要是利用前級(jí)帶通濾波器和低噪聲放大器將L1波段以外的噪聲和干擾濾除,同時(shí)對(duì)其功率進(jìn)行放大。

市的飛速發(fā)展，一棟棟的高樓在施工，街道也在擴(kuò)張或者是收縮，使得人們?cè)诔鲂械臅r(shí)候常常要運(yùn)用到GPS定位來(lái)確定自己的位置，以及對(duì)目的地進(jìn)行導(dǎo)航，以此來(lái)防止迷路以及清楚路線。今天小編要講的是一種跟GPS有關(guān)的裝置，叫做GPS接收機(jī)。

一、GPS接收機(jī)的工作原理

GSP在人們的日常生活中廣泛被應(yīng)用，操作也簡(jiǎn)單，其主要由三個(gè)單元組成，分別是接收機(jī)天線單元、接收機(jī)的主機(jī)單元以及電源三部分組合而成。

天線的作用主要是把GPS微弱的微信信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)，而且能將信號(hào)在原來(lái)的基礎(chǔ)之上放大，更利于接收機(jī)對(duì)信號(hào)的捕捉以及處理，同時(shí)天線也分為單板天線、四螺旋形天線、微帶天線以及錐形天線。

接收機(jī)主機(jī)的作用，接收機(jī)對(duì)于微弱的衛(wèi)星信號(hào)，為了提高信息接受的精度以及使信號(hào)穩(wěn)定，通常都要經(jīng)過(guò)變頻，使得信號(hào)被放大，通過(guò)不同的通道，對(duì)信息進(jìn)行存儲(chǔ)、管理以及分析。

電源是GPS接收機(jī)的核心部分，主要維持接收機(jī)的正常使用，供應(yīng)于RAM貯存器功能，可分為內(nèi)置電源與外置電源。

二、GPS接收機(jī)的分類

根據(jù)GPS接收機(jī)不同的用途以及功能。接受的信號(hào)也是有差異的，因此按不同背景可分為多種的接收機(jī)。

導(dǎo)航型接收機(jī)：這種接收機(jī)主要是對(duì)運(yùn)動(dòng)載體的跟蹤以及導(dǎo)航，并精確地給出運(yùn)載物體的位置以及速度等實(shí)時(shí)信息，大多數(shù)用于車輛、船舶、飛機(jī)等的航程導(dǎo)航，而且因速度不同所使用的不同衛(wèi)星追蹤。

測(cè)地型接收機(jī)：這類接收機(jī)精度很高，而且價(jià)格相對(duì)較貴，主要是對(duì)于大地和工程等的精密測(cè)量。

單頻接收機(jī)：這種接收機(jī)只能選擇性地接收L1的載波信號(hào)，對(duì)物體進(jìn)行定位，但是有電離層延遲的影響，所以只適合于在短基線上進(jìn)行緊密的定位。

雙頻接收機(jī)：這種接收機(jī)可以同時(shí)接收來(lái)自L1、L2通道的載波信號(hào)，沒(méi)有選擇性，而且利用雙頻的電離層不同從而消除單頻接收機(jī)的誤差。

GPS接收機(jī)是接收全球定位系統(tǒng)衛(wèi)星信號(hào)并確定地面空間位置的儀器。GPS衛(wèi)星發(fā)送的導(dǎo)航定位信號(hào)，是一種可供無(wú)數(shù)用戶共享的信息資源。對(duì)于陸地、 海洋和空間的廣大用戶，只要擁有能夠接收、跟蹤、變換和測(cè)量GPS信號(hào)的接收設(shè)備， 即GPS信號(hào)接收機(jī)。

GPS接收機(jī)主要是由GPS接收機(jī)天線單元、GPS接收機(jī)主機(jī)單元和電源單元三部分組成的。接收機(jī)主機(jī)由變頻器、信號(hào)通道、微處理器、存儲(chǔ)器及顯示器組成，基本結(jié)構(gòu)如圖所示。

1. 接收機(jī)天線

接收機(jī)天線部分由天線和前置放大器組成。天線的作用是將GPS衛(wèi)星信號(hào)的極微弱的電磁波轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電流;前置放大器的作用則是將微弱的GPS信號(hào)電流進(jìn)行相應(yīng)放大。通常對(duì)天線部分有如下要求。

(1)天線與前置放大器密封為一體，保障天線部分能夠正常工作，減少信號(hào)損失。

(2)能夠接收來(lái)自任何方向的衛(wèi)星信號(hào)，不產(chǎn)生接收死角。

(3)擁有防護(hù)和屏蔽多路徑效應(yīng)的措施。

(4)天線的相位中心可保持高度的穩(wěn)定，并與其幾何中心盡量保持一致。

2.接收機(jī)主機(jī)

)變頻器

經(jīng)過(guò)GPS前置放大器的信號(hào)仍然很微弱，為了使接收機(jī)通道得到穩(wěn)定的高增益，并且使L頻段的射頻信號(hào)變成低頻信號(hào)，必須采用變頻器。

信號(hào)通道：信號(hào)通道是GPS接收機(jī)的核心部分，GPS信號(hào)通道是硬軟件結(jié)合的電路，不同類型的接收機(jī)其通道是不同的。GPS信號(hào)通道具有以下作用。

(1)搜索衛(wèi)星，牽引并跟蹤衛(wèi)星。

(2)對(duì)廣播電文數(shù)據(jù)信號(hào)實(shí)行解擴(kuò)，解調(diào)出廣播電文。

(3)進(jìn)行偽距測(cè)量、載波相位測(cè)量及多普勒頻移測(cè)量。

由于接收機(jī)接收到的信號(hào)是擴(kuò)頻的調(diào)制信號(hào)，所以要經(jīng)過(guò)解擴(kuò)、解調(diào)才能得到導(dǎo)航電文，因此在相關(guān)通道電路中設(shè)有偽碼相位跟蹤環(huán)和載波相位跟蹤環(huán)。

2)存儲(chǔ)器

接收機(jī)內(nèi)設(shè)有存儲(chǔ)器或存儲(chǔ)卡，以存儲(chǔ)衛(wèi)星星歷、衛(wèi)星歷書(shū)、接收機(jī)采集到的碼相位偽距觀測(cè)值、載波相位觀測(cè)值及多普勒頻移。目前GPS接收機(jī)都裝有半導(dǎo)體存儲(chǔ)器(簡(jiǎn)稱內(nèi)存)，接收機(jī)內(nèi)存數(shù)據(jù)可以通過(guò)數(shù)據(jù)口傳到微機(jī)上，以便進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)保存。在存儲(chǔ)器內(nèi)還裝有多種工作軟件，如自測(cè)試軟件、衛(wèi)星預(yù)報(bào)軟件、導(dǎo)航電文解碼軟件、GPS單點(diǎn)定位軟件等。

3)微處理器CPU

微處理是GPS接收機(jī)工作的靈魂，GPS接收機(jī)工作都是在微機(jī)指令統(tǒng)一協(xié)同下進(jìn)行的，其主要工作步驟為如下。

(1)接收機(jī)開(kāi)機(jī)后，立即指示各個(gè)通道進(jìn)行自檢，實(shí)時(shí)地在視屏顯示窗內(nèi)展示各自的自檢結(jié)果，并測(cè)定、校正和存儲(chǔ)各個(gè)通道的時(shí)延值。

(2)接收機(jī)對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行捕捉跟蹤后，根據(jù)跟蹤環(huán)路所輸出的數(shù)據(jù)碼，解譯出GPS衛(wèi)星星歷。當(dāng)同時(shí)鎖定4顆衛(wèi)星時(shí)，將C/A碼偽距觀測(cè)值連同星歷一起計(jì)算出測(cè)站的三維位置，并按照預(yù)置的位置數(shù)據(jù)更新率，不斷地更新(計(jì)算)點(diǎn)的坐標(biāo)。

(3)用已測(cè)得的點(diǎn)位坐標(biāo)和GPS衛(wèi)星歷書(shū)，計(jì)算所有在軌衛(wèi)星的升降時(shí)間、方位和高度角，并為作業(yè)人員提供在視衛(wèi)星數(shù)量及其工作狀況，以便選用"健康”的且分布適宜的定位衛(wèi)星，達(dá)到提高點(diǎn)位精度的目的。

(4)接收用戶輸入的信號(hào)，如測(cè)站名、測(cè)站號(hào)、天線高和氣象參數(shù)等。

電源：GPS接收機(jī)的電源包括內(nèi)電源和外接電源。內(nèi)電源采用鋰電池，主要用于RAM存儲(chǔ)器供電，以防止數(shù)據(jù)丟失。外接電源一般采用汽車電瓶或者隨機(jī)配備的專用電源適配器。當(dāng)用交流電時(shí)，要經(jīng)過(guò)穩(wěn)定電源或?qū)Ｓ秒娏鹘粨Q器。

綜上所述，GPS信號(hào)接收機(jī)的任務(wù)：接收GPS衛(wèi)星發(fā)射的信號(hào)，能夠捕獲到按一定衛(wèi)星高度截止角所選擇的待測(cè)衛(wèi)星的信號(hào)，并跟蹤這些衛(wèi)星的運(yùn)行，獲得必要的導(dǎo)航和定位信息及觀測(cè)量;對(duì)所接收到的GPS信號(hào)進(jìn)行變換、放大和處理，以便測(cè)量出GPS信號(hào)從衛(wèi)星到接收機(jī)天線的傳播時(shí)間，解譯出GPS衛(wèi)星所發(fā)送的導(dǎo)航電文，實(shí)時(shí)地計(jì)算出測(cè)站的三維位置，基至三維速度和時(shí)間。