GPS接收機工作原理

GPS接收機主要由 1、GPS接收機天線(xiàn)單元；2、GPS接收機主機單元；3、電源三部分組成。

接收機主機由變頻器、信號通道、微處理器、存貯器及顯示器組成（見(jiàn)圖4-8）。
1.GPS接收機天線(xiàn)

GPS接收機電路圖

天線(xiàn)由接收機天線(xiàn)和前置放大器兩部分所組成。天線(xiàn)的作用是將GPS衛星信號的極微弱的電磁波能轉化為相應的電流，而前置放大器則是將GPS信號電流予以放大。為便于接收機對信號進(jìn)行跟蹤、處理和量測，對天線(xiàn)部分有以下要求：

——天線(xiàn)與前置放大器應密封一體，以保障其正常工作，減少信號損失；

——能夠接收來(lái)自任何方向的衛星信號，不產(chǎn)生死角；

——有防護與屏蔽多路徑疚的措施；

——天線(xiàn)的相位中心保持高度的穩定，并與其幾何中心晝一致。

GPS接收機天線(xiàn)有下列幾種類(lèi)型：

(1)單板天線(xiàn)

這種天線(xiàn)結構簡(jiǎn)單、體積較小，需要安裝在一塊基板上，屬單頻天線(xiàn)。

(2)四螺旋形天線(xiàn)

四螺旋形天線(xiàn)是由四條金屬管線(xiàn)繞制而成，底部有一塊金屬掏板。這種天線(xiàn)頻帶寒風(fēng)，全圓極化性能好，可捕捉低高度角衛星。缺點(diǎn)是不能進(jìn)行雙頻接收，抗震性差，常用作導航型接收機天線(xiàn)。

(3)微帶天線(xiàn)

微帶天線(xiàn)圖

微帶天線(xiàn)是在厚度為h（h≤λ）的介質(zhì)板兩邊貼以金屬片。一邊為金屬底板，一邊做成矩形或圓形等規則形狀，見(jiàn)圖4-9。這種天線(xiàn)也稱(chēng)為貼片天線(xiàn)。微帶天線(xiàn)的特點(diǎn)是高度低，重輕，結構簡(jiǎn)單并且堅固，易于制造；既可用于單頻機，又可用于雙頻機。缺點(diǎn)是增益較低。目前大部分測地型天線(xiàn)都是微帶天線(xiàn)。這種天線(xiàn)更適用于飛機、火箭等高速飛行物上。

(4)錐形天線(xiàn)

錐形天線(xiàn)是在介質(zhì)錐體上，利用印刷電路技術(shù)在其上制成導電圓錐螺旋表面，也稱(chēng)盤(pán)旋螺線(xiàn)型天線(xiàn)。這種天線(xiàn)可以同進(jìn)出在兩個(gè)頻率上工作。錐形天線(xiàn)的特點(diǎn)是增益好。但是由于其天線(xiàn)較高，并且在水平方向上不對稱(chēng)，天線(xiàn)相位中心與幾何中心不完全一致。因此，在安置天線(xiàn)時(shí)要仔細定向并且要給于補償。

GPS天線(xiàn)接收來(lái)自20000km高空的衛星信號很弱，信號電平只有-50~-180dB;輸入功率信噪比為S/N=-30dB。即信號源淹沒(méi)在噪聲中。為了提高信號強度，一般在天線(xiàn)后端設有前置放大器。對于雙頻接收機設有兩路前置放大器以養活帶寬，控制外來(lái)信號干擾，也防止f1,f2信號干擾。大部分 GPS天線(xiàn)都與前置放大器結合在一起，但也有些導航型接收機為減少天線(xiàn)重量、便于安置、避免雷電事故，而將天線(xiàn)和前置放大器分開(kāi)。

2.接收機主機

(1)變頻器及中頻接收放大器

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

(2)信號通道

信號通道是接收機的核心部分，GPS信號通道是硬軟件結合的電路。不同類(lèi)型的接收機其通道是不同的。

GPS信號通道的作用有三：搜索衛星，索引并跟蹤衛星；對廣播電文數據信號衽解擴，解調出廣播電文；進(jìn)行偽距測量、載波相位測量及多普勒頻移測量。圖4-10為相關(guān)通道的電路原理圖。

通道的電路原理圖
從衛星接收到的信號是擴頻的調制信號，所以要經(jīng)過(guò)解擴、解調才能得到導航電文。為了達到此目的，在相關(guān)通道電路中設有偽碼相位跟蹤環(huán)和載波相位跟蹤環(huán)。

(3)存貯器

接收機內設有存貯器或存貯卡以存貯衛星星歷、衛星歷書(shū)、接收機采集到的碼相位偽距觀(guān)測值、載波相位觀(guān)測值及多普勒頻移。目前，GPS接收機都裝有半導體存貯器（簡(jiǎn)稱(chēng)內存），接收機內存數據可以通過(guò)數據口傳到微機上，以便進(jìn)行數據處理和數據保存。在存貯器內還裝有多種工作軟件，如：自測試軟件；衛星預報軟件；導航電文解碼軟件；GPS單點(diǎn)定位軟件等。

(4)微處理器

微處理器是GPS接收機工作的靈魂，GPS接收機工作都是在微機指令統一協(xié)同下進(jìn)行的。其離要工作步驟為：

①接收機開(kāi)機后首先對整個(gè)接收機工作善進(jìn)行自檢，并測定、校正、存貯各通道的時(shí)延值。

②接收機對衛星進(jìn)行搜索捕捉衛星。當捕捉到衛星后即對信號進(jìn)行牽引和跟蹤，并將基準信號譯碼得到GPS衛星星歷。當同時(shí)鎖定4顆衛星時(shí)，將C/A碼偽距觀(guān)測值連同星歷一起計算測站的三維坐標，并按預置位置更新率計算新的位置。

③根據機內存貯的衛星歷書(shū)和測站近似位置，計算所有在軌衛星衛星升降時(shí)間、方位和高度角。

④根據預先設置的航路點(diǎn)坐標和單點(diǎn)定位測站位置計算導航的參數航偏距、航偏角、航行速度等。

⑤接收用戶(hù)輸入信號，如：測站名，測站號，作業(yè)員姓名，天線(xiàn)高，氣象參數等。

(5)顯示器

GPS接收機都有液晶顯示屏以提供GPS接收機工作信息。并配有一個(gè)控制鍵盤(pán)。用戶(hù)可通過(guò)鍵盤(pán)控制接收機工作，對于導航接收機，有的還配有大顯示屏，在屏幕上直接顯示導航的信息甚至顯示數字地圖。

3.電源

GPS接收機電源有兩種，一種為內電源，一般采用鋰電池，主要用于RAM存貯器供電，以防止數據丟失。另一種為外接電源，這種電源常用可充電的12V直流鎘鎳電池組，或采用汽車(chē)電瓶。當用交流電時(shí)，要經(jīng)過(guò)穩壓電源或專(zhuān)用電流交換器。

綜上所述，接收機的主要任務(wù)是：當GPS衛星在用戶(hù)視界升起時(shí)，接收機能夠捕獲到按一不定期衛星高度截止角所選擇的待測衛星，并能夠跟蹤這些衛星的運行；對所接收到的GPS信號，具有變換、放大和處理的功能，以便測量出GPS信號從衛星到接收天線(xiàn)的傳播時(shí)間，解譯出GPS衛星所發(fā)送的導航電文，實(shí)時(shí)地計算出測站的三維位置，甚至三維速度和時(shí)間。GPS信號接收機不僅需要功能較強有力的機內軟件，而且需要一個(gè)多功能的GPS數據測后處理軟件包。接收機加處理軟件包，才是完整的GPS信號用戶(hù)設備。