如何实现GPS接收机的电路设计？

GPS是全球定位系统,主要实现在全球范围内为不限数量的用户提供全天候并且连续精确的速度、位置和时间信息。随着GPS市场的不断开拓,最初只应用在军事上的技术逐渐向民用方向发展,生产技术的大规模化和元件的微型化趋势带来了低成本的接收机元器件。本文首先提出了GPS接收机方案及其性能指标要求,接收机主要由天线部分、射频前端部分和基带处理部分组成,具体分析了放大器的噪声系数、增益及接收机的灵敏度。其次,运用ADS 2009进行低噪声放大器的设计,并针对其功能进行匹配电路的设计,增益大于30dB,噪声系数小于1dB。选择合适的射频前端芯片ATR0601,以及与其相对应的基带处理芯片ATR0625P,根据所需功能完成外围电路的设计。再次,运用Cadence 16.2进行电路原理图及印制电路板(PCB)的设计,并运用CAM350进行光绘文件的检查。

全球定位系统(GPS, Global Positioning System)是美国国防部建立的新一代卫星导航定位系统。由于其高精度、全天候、全球覆盖、方便灵活和质优价廉等特点,目前已广泛应用在全世界几乎所有需要导航、定位的军用和民用系统中。但是,由于天线接收的GPS卫星信号频率很高、功率很弱,因此需要对其进行相应处理才能使得GPS系统正常工作。射频前端电路位于接收机天线与基带信号处理单元之间,主要作用是将接收到的GPS信号进行信号调整和降频处理。其中,信号调整主要是利用前级带通滤波器和低噪声放大器将L1波段以外的噪声和干扰滤除,同时对其功率进行放大。

市的飞速发展，一栋栋的高楼在施工，街道也在扩张或者是收缩，使得人们在出行的时候常常要运用到GPS定位来确定自己的位置，以及对目的地进行导航，以此来防止迷路以及清楚路线。今天小编要讲的是一种跟GPS有关的装置，叫做GPS接收机。

一、GPS接收机的工作原理

GSP在人们的日常生活中广泛被应用，操作也简单，其主要由三个单元组成，分别是接收机天线单元、接收机的主机单元以及电源三部分组合而成。

天线的作用主要是把GPS微弱的微信信号转换为电流信号，而且能将信号在原来的基础之上放大，更利于接收机对信号的捕捉以及处理，同时天线也分为单板天线、四螺旋形天线、微带天线以及锥形天线。

接收机主机的作用，接收机对于微弱的卫星信号，为了提高信息接受的精度以及使信号稳定，通常都要经过变频，使得信号被放大，通过不同的通道，对信息进行存储、管理以及分析。

电源是GPS接收机的核心部分，主要维持接收机的正常使用，供应于RAM贮存器功能，可分为内置电源与外置电源。

二、GPS接收机的分类

根据GPS接收机不同的用途以及功能。接受的信号也是有差异的，因此按不同背景可分为多种的接收机。

导航型接收机：这种接收机主要是对运动载体的跟踪以及导航，并精确地给出运载物体的位置以及速度等实时信息，大多数用于车辆、船舶、飞机等的航程导航，而且因速度不同所使用的不同卫星追踪。

测地型接收机：这类接收机精度很高，而且价格相对较贵，主要是对于大地和工程等的精密测量。

单频接收机：这种接收机只能选择性地接收L1的载波信号，对物体进行定位，但是有电离层延迟的影响，所以只适合于在短基线上进行紧密的定位。

双频接收机：这种接收机可以同时接收来自L1、L2通道的载波信号，没有选择性，而且利用双频的电离层不同从而消除单频接收机的误差。

GPS接收机是接收全球定位系统卫星信号并确定地面空间位置的仪器。GPS卫星发送的导航定位信号，是一种可供无数用户共享的信息资源。对于陆地、 海洋和空间的广大用户，只要拥有能够接收、跟踪、变换和测量GPS信号的接收设备， 即GPS信号接收机。

GPS接收机主要是由GPS接收机天线单元、GPS接收机主机单元和电源单元三部分组成的。接收机主机由变频器、信号通道、微处理器、存储器及显示器组成，基本结构如图所示。

1. 接收机天线

接收机天线部分由天线和前置放大器组成。天线的作用是将GPS卫星信号的极微弱的电磁波转化为相应的电流;前置放大器的作用则是将微弱的GPS信号电流进行相应放大。通常对天线部分有如下要求。

(1)天线与前置放大器密封为一体，保障天线部分能够正常工作，减少信号损失。

(2)能够接收来自任何方向的卫星信号，不产生接收死角。

(3)拥有防护和屏蔽多路径效应的措施。

(4)天线的相位中心可保持高度的稳定，并与其几何中心尽量保持一致。

2.接收机主机

)变频器

经过GPS前置放大器的信号仍然很微弱，为了使接收机通道得到稳定的高增益，并且使L频段的射频信号变成低频信号，必须采用变频器。

信号通道：信号通道是GPS接收机的核心部分，GPS信号通道是硬软件结合的电路，不同类型的接收机其通道是不同的。GPS信号通道具有以下作用。

(1)搜索卫星，牵引并跟踪卫星。

(2)对广播电文数据信号实行解扩，解调出广播电文。

(3)进行伪距测量、载波相位测量及多普勒频移测量。

由于接收机接收到的信号是扩频的调制信号，所以要经过解扩、解调才能得到导航电文，因此在相关通道电路中设有伪码相位跟踪环和载波相位跟踪环。

2)存储器

接收机内设有存储器或存储卡，以存储卫星星历、卫星历书、接收机采集到的码相位伪距观测值、载波相位观测值及多普勒频移。目前GPS接收机都装有半导体存储器(简称内存)，接收机内存数据可以通过数据口传到微机上，以便进行数据处理和数据保存。在存储器内还装有多种工作软件，如自测试软件、卫星预报软件、导航电文解码软件、GPS单点定位软件等。

3)微处理器CPU

微处理是GPS接收机工作的灵魂，GPS接收机工作都是在微机指令统一协同下进行的，其主要工作步骤为如下。

(1)接收机开机后，立即指示各个通道进行自检，实时地在视屏显示窗内展示各自的自检结果，并测定、校正和存储各个通道的时延值。

(2)接收机对卫星进行捕捉跟踪后，根据跟踪环路所输出的数据码，解译出GPS卫星星历。当同时锁定4颗卫星时，将C/A码伪距观测值连同星历一起计算出测站的三维位置，并按照预置的位置数据更新率，不断地更新(计算)点的坐标。

(3)用已测得的点位坐标和GPS卫星历书，计算所有在轨卫星的升降时间、方位和高度角，并为作业人员提供在视卫星数量及其工作状况，以便选用"健康”的且分布适宜的定位卫星，达到提高点位精度的目的。

(4)接收用户输入的信号，如测站名、测站号、天线高和气象参数等。

电源：GPS接收机的电源包括内电源和外接电源。内电源采用锂电池，主要用于RAM存储器供电，以防止数据丢失。外接电源一般采用汽车电瓶或者随机配备的专用电源适配器。当用交流电时，要经过稳定电源或专用电流交换器。

综上所述，GPS信号接收机的任务：接收GPS卫星发射的信号，能够捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星的信号，并跟踪这些卫星的运行，获得必要的导航和定位信息及观测量;对所接收到的GPS信号进行变换、放大和处理，以便测量出GPS信号从卫星到接收机天线的传播时间，解译出GPS卫星所发送的导航电文，实时地计算出测站的三维位置，基至三维速度和时间。