gps工作原理

1、1GPS衛(wèi)星信號的組成衛(wèi)星信號的組成GPS衛(wèi)星信號采用典型的碼分多址（CDMA）調(diào)制技術(shù)進行合成（如圖2所示），其完整信號主要包括載波、偽隨機碼和數(shù)據(jù)碼等三種分量。信號載波處于L波段，兩載波的中心頻率分別記作L1和L2。衛(wèi)星信號參考時鐘頻率f0為10.23MHz，信號載波L1的中心頻率為f0的154倍頻，即：fL1=154f0=1575.42MHz(1)其波長λ1=19.03cm；信號載波L2的中心頻率為f0的120倍頻，即：fL2=1

2、20f0=1227.60MHz(2)其波長λ2=24.42cm。兩載波的頻率差為347.82MHz，大約是L2的28.3%，這樣選擇載波頻率便于測得或消除導(dǎo)航信號從GPS衛(wèi)星傳播至接收機時由于電離層效應(yīng)而引起的傳播延遲誤差。偽隨機噪聲碼（PRN）即測距碼主要有精測距碼（P碼）和粗測距碼（CA碼）兩種。其中P碼的碼率為10.23MHz、CA碼的碼率為1.023MHz。數(shù)據(jù)碼是GPS衛(wèi)星以二進制形式發(fā)送給用戶接收機的導(dǎo)航定位數(shù)據(jù)，又叫導(dǎo)航電

3、文或D碼，它主要包括衛(wèi)星歷、衛(wèi)星鐘校正、電離層延遲校正、工作狀態(tài)信息、CA碼轉(zhuǎn)換到捕獲P碼的信息和全部衛(wèi)星的概略星歷；總電文由1500位組成，分為5個子幀，每個子幀在6s內(nèi)發(fā)射10個字，每個字30位，共計300位，因此數(shù)據(jù)碼的波特率為50bps。數(shù)據(jù)碼和兩種偽隨機碼分別以同相和正交方式調(diào)制在L1載波上，而在L2載波上只用P碼進行雙相調(diào)制，因此L1和L2的完整衛(wèi)星信號分別為：SL1（t）=AcCi(t)Di(t)sin(ωL1tφc)(3

4、)ApPi(t)Di(t)cos(ωL1tφP1)SL2(t)=BpPi(t)Di(t)cos(ωL2tφp2)(4)式中，Ap、Bp、Ac分別為P碼和CA碼的振幅；Pi(t)、Ci(t)分別為對應(yīng)P碼和CA碼的偽隨機序列碼；Di(t)為衛(wèi)星導(dǎo)航電文數(shù)據(jù)碼ωL1、ωL2分別為L1和L2載波信號的角頻率；φC和φP1、φP2分別為CA碼和P碼對應(yīng)于載波的起始相位。合成的GPS信號向全球發(fā)射，隨時隨地供接收機解算導(dǎo)航定位信息使用。2GPS接

5、收機的靈敏度接收機的靈敏度GPS接收機對信號的檢測質(zhì)量取決于信噪比，當其為“理想接收機”時，接收機輸入端的信噪比SiNi與其輸出端的信噪比SoNo相同。由于實際GPS接收機存在內(nèi)部噪聲，使得（SoNo）(SiNi)；而噪聲越大，輸出信噪比越越小，則接收機的性能越差，此時接收機的噪聲系數(shù)為：=kToBnG1G2F1kToBnG2(F21)(14)化簡式（14），得到兩級單元電路級聯(lián)后的總噪聲系數(shù)為：Fo=F1(F21)G1(15)同理可得

6、，n級單元電路級聯(lián)時的總噪聲系數(shù)為：Fo=F1(F21)G1(F31)(G1G2)Λ（Fn1）(G1G2ΛGn1)(16)可見，GPS接收機中各級單元電路的內(nèi)部噪聲對級聯(lián)后總噪聲系數(shù)的響應(yīng)有所不同，級數(shù)越前的單元電路的噪聲系數(shù)對總噪聲系數(shù)的影響越大。因此，總噪聲系數(shù)主要取決于最前面幾級單元電路的噪聲系數(shù)，其中天線熱噪聲對接收機性能影響最大，故設(shè)計時采用接收天線、射頻頻段選擇帶通濾波器及高頻低噪放（LNA）等器件組成天線單元（如圖4所示）

7、。天線單元采用DC5V供電，其中LNA采用高增益、低噪聲、高頻放大器MAAM12021，其增益高達21dB、噪聲系數(shù)低于1.55dB，有利于降低GPS接收機的總噪聲系數(shù)；其工作頻段處于1.5～1.6GHz，適合于CA碼GPS接收機的頻帶需求，可滿足高增益和低噪聲系數(shù)的性能指標要求。4GPS接收機射頻單元接收機射頻單元噪聲總線伴隨著信號同時出現(xiàn)，盡可能提高噪聲背景下輸出端的信噪比是改善接收機靈敏度的重要措施。GPS接收機天線單元接收并提供

8、給射頻單元的信號頻率很高而信道帶寬又很窄，要直接濾出所需信道，則需Q值非常大的濾波器，至少目前的技術(shù)水平難以滿足這一指標；另外高頻電路在增益、精度和穩(wěn)定性等方面的問題，在高頻范圍直接對GPS衛(wèi)星信號進行解調(diào)很不現(xiàn)實。為此，在射頻單元設(shè)計中采用“超外差”式多級變頻配合區(qū)配濾波器的電路結(jié)構(gòu)，以消除噪聲干擾，解決高頻信號處理中所遇到的困難。適合這種電路結(jié)構(gòu)的芯片采用了第二代GPS接收機射頻前端GP2010。它采用44引腳、幀面方形封裝，主要集

9、成了頻率合成器、混頻器、自動增益控制（AGC）電路以及數(shù)字量化器等。GP2010接收的信號頻率與L1載波的衛(wèi)星信號頻率兼容，主要用于設(shè)計CA碼GPS接收機的射頻單元。微弱的GPS高頻信號通過超外差式三級混頻電路，去掉了其它信道干擾，獲得了足夠增益，解調(diào)并撮出所需的中頻信息。圖5給出了前兩級超外差式下變頻器和帶有自動增益控制（AGC）電路的第三級混頻器的工作原理圖，每經(jīng)過一次下變頻，輸出信號的頻率降低、幅度增大，而其它信道和頻段的干擾則被