GPS接收机-从射频信号到定位解算

GNSS接收机-从特高频信号到定位解算

• GPS信号历险记

• 天线

• • 极化方式
  • 抗干扰处理

• 射频前端

• 基带处理

• • 信号搜索和捕获

  • 跟踪

  • • 载波环
    • • 锁相环

  • 锁频环

    • 码环（延迟锁定环路DLL）
    • 位同步
    • 帧同步

• 定位解算

• • 误差和精度
  • 单点定位
  • 差分定位

GPS信号历险记

分布在6个轨道面上的GPS卫星以11小时58分的周期运行着，这一周期也保证了每隔23小时56对于地面上的一个固定点来说卫星的运行和分布又重复了一次。以太阳能板作为唯一电能来源的GPS卫星从20200km的高空不断地向地面发射功率为26.8W的信号（对于调制C/A码的L1信号），经过70ms到达地球。经历了电离层，对流层和各种遮挡反射之后 ，GPS信号终于到达了地面被接收机天线接收到，此时它的功率至少在-160dBW（-130dBm（灵敏度））。

而这个信号此时是一个以1575.42MHz为中心频率的sinc2 函数，这样高频率的信号不适合被直接采样离散，且不仅信号功率很弱，还掺杂着噪声和干扰信号。这时就需要射频前端将接收到的模拟信号离散成包含GPS信号成分的、频率较低的数字中频信号。并在此过程中进行必要的滤波和增益控制。

随后包括全部卫星信号的中频信号进入到基带数字信号处理模块，由于不同的卫星多普勒频移、C/A码序列及其相位等信号参量各部相同，接收机基带数字信号采用信号通道的形式，每个通道各自处理、捕获、跟踪和测量不同可见星的信号，分别输出其所跟踪的那颗卫星的GPS测量值和导航电文。每个信号通道都包括硬件形式的数字信号处理和软件形式的信号跟踪环路控制部分，各个通道相互独立运行。

接下来就是在各个通道从中频信号中搜索、捕获GPS信号。获取所有可见卫星的载波频率和码相位的粗略估计值，方便后面的对信号的跟踪以及接收机复制载波和C/A码信号。搜索是对伪码、频率和时间（码相位值实际上是一种时间信息）的三维搜索。接收机借助获得的信息判断卫星可见的概率，按照一定的伪码的顺序对各颗卫星进行频率和时间的二维搜索。

天线

天线尺寸越大，接收效果越好。
增益x带宽÷体积=常数

极化方式

GPS载波信号是一种右旋圆极化波（RHCP）。为了使接收天线具有最高的信号接收功率，接收天线的极化形式必须与接收信号的极化形式一致。因此所有GPS接收天线大都以右旋圆极化的方式工作。

GPS信号的极化方式经过反射后会发生改变。经过偶数次反射后仍为右旋圆极化，但是其功率 要比经过奇数次反射后为左旋圆极化的信号弱，因此经过偶数次反射的多径信号危害相对小。可以通过信号的极化方式推断其反射次数，用于多径抑制方面。此外，左旋天线接收到的低仰角信号（包括反射信号）的功率较强，一个多径抑制性能较好的天线应该具有较强的抵制接收左旋圆极化信号的能力。

抗干扰处理

抗干扰包括

射频前端

基带处理

信号搜索和捕获

跟踪

载波环

锁相环

噪声带宽变化机制:信号从捕获阶段进入跟踪阶段后，先让锁相环采用牵引滤波器，运行30ms，使相位跟踪误差迅速减小，再采用噪声带宽窄的跟踪滤波器。

锁频环

码环（延迟锁定环路DLL）

位同步

帧同步

定位解算

误差和精度

单点定位

差分定位

参考
谢钢《GPS原理与接收机设计》