GPS接收機及其實現(xiàn)電路課件

第7章GPS接收機及其電路7.1GPS接收機

7.2基于RF8009的GPS接收機電路

7.3基于嵌入式系統(tǒng)的GPS7.1GPS接收機

7.1.1GPS接收機的基本構(gòu)成GPS接收機的基本構(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接收機的基本構(gòu)成框圖

選擇天線時需要考慮的參數(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。某些軍用飛機使用波束控制或自適應調(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信號的接收和處理，均視為干擾源）方向上建立零點。

接收單元包括信號通道單元、存儲單元、計算和顯示單元以及電源四部分。其中核心部分是信號通道單元，通常由硬件和軟件組成。每一通道在某一時刻只能跟蹤一顆衛(wèi)星，當此衛(wèi)星被鎖定后便占據(jù)該通道，直到失鎖為止。目前GPS接收機廣泛應用并行多通道技術(shù)，即一個GPS接收機可同時跟蹤多顆衛(wèi)星，同時鎖定多顆衛(wèi)星，大大縮短了確定衛(wèi)星的PVT時間。在接收單元，GPS射頻信號被下變頻到中頻（IF），利用模/數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換器對IF信號采樣和數(shù)字化?；鶐幚砥鲗邮諜C進行控制，包括信號的截獲、信號跟蹤和數(shù)據(jù)采集。此外，基帶處理器也可以由接收機測量值形成PVT解。在一些應用中，也可用專門的微處理器同時完成PVT計算和相關(guān)聯(lián)的導航功能。大多數(shù)處理器在1Hz速率的基礎上提供獨立的PVT解。然而，用做飛機自動著陸和其他寬動態(tài)應用的接收機，至少需要以5Hz的速率計算獨立的PVT解。

格式化了的PVT解和其他與導航有關(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。在整裝或自備實現(xiàn)方式（比如手持式移動設備）中，一般使用電池供電。而在集成方式的應用中（比如裝在個人計算機的接收機板上的電源）一般用已有的電源。機載、車載和船載GPS設備一般用平臺電源，然而GPS接收機一般都具有內(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。接收機內(nèi)置電池用以在平臺電源斷電時維持存儲在RAM中的數(shù)據(jù)和運行內(nèi)置的實時時鐘。常用的一些GPS接收機類型如表7-1所列。

表7-1常用GPS接收機類型

7.1.2GPS接收機的分類GPS接收機可分為兩種基本類型：同時跟蹤P（Y）碼和C/A碼的PPS接收機以及僅跟蹤C/A碼的SPS接收機。PPS接收機同時在L1和L2波段上跟蹤P（Y）碼。PPS接收機初始工作時在L1上跟蹤C/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接收機只跟蹤L1上的C/A碼。在這兩種基本接收機類型中，還有其他一些變形，比如無碼L2跟蹤接收機，這種接收機跟蹤L1上的C/A碼，并同時跟蹤L1和L2頻率上的載波相位。利用載波相位作為測量點，測量精度能夠達到厘米級甚至毫米級。多數(shù)接收機有多個通道，每個通道跟蹤來自一顆衛(wèi)星的發(fā)射信號。

一個多通道GPS接收機的組成框圖如圖7-2所示。通常采用一個無源的帶通濾波器對所接收到的射頻衛(wèi)星信號進行濾波，以減小帶外射頻干擾。通過前置低噪聲放大器(LNA)放大后，射頻信號下變頻到中頻（IF）。模/數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換器對IF信號進行采樣，A/D采樣速率典型情況下為PRN基碼速率的8～12倍（對于L1C/A碼PRN速率為1.023MHz，對于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。對于只接收L1C/A碼的接收機，截止帶寬大于2MHz，而對于接收P（Y）碼的接收機，截止帶寬大于20MHz。過采樣會降低接收機對于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)字信號處理器（DSP）中。DSP包含N個并行通道，以同時跟蹤來自多達N(5<N<12)顆衛(wèi)星的載頻碼。每個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，以及導航電文數(shù)據(jù)的解調(diào)。通道可以計算三種不同的測量值：偽距、Δ距離（有時稱做Δ偽距）和積分多普勒頻移。所希望的測量值和解調(diào)后的導航消息數(shù)據(jù)送至基帶處理器?；鶐幚砥鲗邮諜C信號的截獲、跟蹤和數(shù)據(jù)采集進行控制，并處理接收機的測量值形成PVT解。在一些應用中，

也可用專門的微處理器同時完成PVT的計算和相關(guān)聯(lián)的導航功能。

7.1.3數(shù)字GPS接收機一個數(shù)字GPS接收機的組成框圖如圖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，接收機的噪聲系數(shù)與LNA有關(guān)。通常在天線和LNA之間設置一個無源帶通濾波器，以降低帶外射頻干擾。這些被放大的射頻信號與來自本機振蕩器（LO）的信號混頻，下變頻到中頻（IF）。本地振蕩器頻率是根據(jù)接收機的頻率設計，由基準振蕩器經(jīng)頻率合成器產(chǎn)生的。每一級下變頻器需要一個本地振蕩器信號。下變頻有采用兩級下變頻形式、一級下變頻形式，或甚至直接在L頻段作數(shù)字采樣的。本地振蕩器信號在混頻過程會同時產(chǎn)生上邊帶和下邊帶信號，因此在混頻器之后，采用帶通濾波器選擇下邊帶信號，而濾去上邊帶信號，獲得下變頻到中頻（IF）的信號。模/數(shù)轉(zhuǎn)換（A/D）和自動增益控制（AGC）功能均在中頻上完成。圖7-3數(shù)字GPS接收機組成框圖

7.1.4GPS接收機的選擇對于每一種應用來說，一些與環(huán)境、使用和性能有關(guān)的參數(shù)必須仔細考慮，如：(1)滿足對沖擊、振動、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。

(3)需要多快的PVT更新率？飛機、汽車、行人對PVT更新率的要求是不同的。

(4)接收機將工作在什么類型的動態(tài)（如加速、勻速）條件下。例如，用于殲擊機的GPS接收機要求設計成在經(jīng)受多少個“g”的加速度時還可以維持完好的性能，而指定用于測繪的GPS接收機一般不要求能夠經(jīng)受嚴酷的動態(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)，它能提供比獨立的PPS或SPS更高的精度。)(6)應用中是否要求接受以地球靜止衛(wèi)星為基礎的重疊服務（比如國際海事衛(wèi)星（INMARSAT）），是否考慮所采用的GPS設備和/或GLONASS衛(wèi)星的完好性、測距和DGPS信息？7.2基于RF8009的GPS接收機電路

7.2.1RF8009簡介RFMD公司的RF8009GPS接收機是為OEM（原始設備制造商）使用的即插即用模塊，它具有12個并行信道，能夠完成GPS信號處理，產(chǎn)生精確的導航數(shù)據(jù)，實現(xiàn)高速精確地確定第一次定位時間（TTFF）及信號重新采集，支持2D和3D導航模式，采用38mm×38mm封裝，可廣泛地應用在GPS終端產(chǎn)品上，如艦隊導航、

汽車導航、遠程信息處理和物體（財產(chǎn)）跟蹤。

7.2.2RF8009的主要性能指標

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存儲器、管理器（Spervisor）、+2.5V基準電壓（+2.5VRef.）、43MHzGPS晶體振蕩器（GPSCrystal）和振蕩器（LO）、32kHz實時時鐘晶體振蕩器（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信號處理、靜態(tài)存儲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信號截獲模式

表7-5不同信號截獲模式的性能

2）導航模式GPS接收機支持3種導航模式：3D（threedimensional，三維）、2D（twodimensional，二維）和差分GPS（DifferentialGPS，DGPS）模式。當4顆或更多的衛(wèi)星有效時，接收機進入3D導航模式；當有效使用到的衛(wèi)星數(shù)少于4顆，且固定的海拔高度可使用時，GPS接收機進入2D導航模式，為了計算此時的定位值，接收機既可采用由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導航模式下，可用固定的海拔高度值和天線實際的海拔高度值之間的關(guān)系確定導航的精確度。當使用4顆或更多的衛(wèi)星，并且信號具有差分修正時，接收機進入差分GPS（DGPS）導航模式。精確定位是整個GPS系統(tǒng)中的重要功能，導航精確度如表7-6所列。

表7-6導

航

精

確

度

3）電源工作模式GPS接收機有表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，可達直流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信息中報告。

4．輸入/輸出信號輸入/輸出信號見表7-8～表7-11。所有的數(shù)字I/O信號為直流2.5VCMOS緩沖信號電平，允許使用3.3V電壓。

5．信息定義RFMDGPS接收機用戶手冊中提供表7-8～表7-12所定義的二進制信息和NMEA信息。

表7-8二進制輸出信息

表7-9二進制輸入信息

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應用設計

7.3.1嵌入式系統(tǒng)比較1.單片機單片機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,各種以通用微處理器構(gòu)成的計算機主板模塊，以通用微處理器為核心、片內(nèi)擴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機等,都實現(xiàn)了嵌入式應用,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,同時考慮到了掌上電腦自身的特點,對系統(tǒng)進行了精簡,既允許用戶在現(xiàn)有的操作系統(tǒng)上進行各種應用程序的開發(fā),用戶也可以通過開發(fā)工具進行各種驅(qū)動的開發(fā),將整個設備一體化。WindowsCE3.0是一個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)商建立各種需要動態(tài)應用程序和Internet服務的嵌入式系統(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)商研制和測試設備。

3.PalmOS操作系統(tǒng)PalmOS操作系統(tǒng)以事件為驅(qū)動,同時具有操作簡單、方便快捷的特點,是一個完整的電子產(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,比如提供對網(wǎng)絡TCP/IP的支持、對紅外線通信的支持、先進的聲音功能、擴大的動態(tài)內(nèi)存堆、動態(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。運用C++語言也可以進行Palm的應用程序開發(fā),但是用于開發(fā)Palm應用軟件還存在一個普遍問題——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是一個實時多任務操作系統(tǒng),它的界面可以采用X2Windows的GUI模式。經(jīng)過對Linux操作系統(tǒng)的小型化裁減,可以適用于各種需要人機交互的工控應用；同時，嵌入式Linux繼承了Linux的網(wǎng)絡和通信功能,在許多方面都能有很廣泛的應用。在應用方面,Linux對數(shù)據(jù)庫給以很強的支持,同時可以進行許多外設硬件的驅(qū)動開發(fā)。由于Linux的內(nèi)核包含進程調(diào)度、內(nèi)存管理、進程間通信虛擬文件系統(tǒng)和網(wǎng)絡接口五大部分，內(nèi)核的功能又被劃分為獨立的模塊。Linux提供的模塊機制可以根據(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,每個過程獨立編譯,然后用連接程序?qū)⑵溥B接在一起成為一個單獨目標,效率很高。

7.3.2GPS應用開發(fā)的要求1.系統(tǒng)運行速度單片機和PalmOS相似,二者在硬件上的配置不是很高,但是整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較簡單,尤其是單片機,由于使用匯編語言,運行速度比較快,PalmOS也繼承了這一特點,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)存上都遠遠優(yōu)于前兩者。利用嵌入式Linux進行開發(fā),用戶可以根據(jù)自己的需要進行配置?？偟恼f來,單片機和以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)絡通信方面占有一定的優(yōu)勢。用戶可以根據(jù)各自的需求選用不同的系統(tǒng)。

2.網(wǎng)絡資源在網(wǎng)絡發(fā)達的今天,上述四種嵌入式操作系統(tǒng)都有著很豐富的網(wǎng)絡資源。用戶可以從網(wǎng)絡上找到各系統(tǒng)相應的開發(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)帶來強大的技術(shù)支持。

3.通信利用嵌入式操作系統(tǒng)進行GPS的應用開發(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)進行數(shù)據(jù)通信；同時,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新的機型提供了擴展槽,用戶可以通過這些裝置解決通信、電源供應等問題。而對于單片機和嵌入式Linux用戶,則需要自行編寫相應的驅(qū)動程序和握手協(xié)議。

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

5.多線程支持進行GPS的應用開發(fā),用戶需要不間斷地進行數(shù)據(jù)讀取與存儲,同時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,提供多線程支持。而嵌入式Linux本身就是一個多線程實時的操作系統(tǒng),給多線程很強的支持。PalmOS和單片機開發(fā)目前不支持多線程操作。

6.持續(xù)性問題對于GPS野外使用的接收機，其待機時間問題是很重要的評價指標。PalmOS和單片機耗電量較小,待機時間較長。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,應該盡量減少功耗。