第7部分GPS接收机及其电路.ppt
第7章 GPS接收机及其电路,7.1 GPS接收机 7.2 基于RF8009的GPS接收机电路 7.3 基于嵌入式系统的GPS应用设计,7.1 GPS接收机,7.1.1 GPS接收机的基本构成 GPS接收机的基本构成框图如图7-1所示， 它由天线单元（有源或者无源）和接收单元两大部分组成。,图7-1 GPS接收机的基本构成框图,卫星信号是通过天线接收到的，天线单元由接收天线和前置放大器组成。天线为右圆极化（RHCP）形式，典型的覆盖角是160°，其增益变化在天顶约为2.5 dBic，在仰角为10°时接近于1（RHCP天线的单位增益也可以用全向圆极天线表示为0 dBic=0 dB），在10°以下增益一般变为负的。由于卫星信号是RHCP形式，适合于用圆锥螺旋天线或其变形（如定向天线、 偶极子天线、微带天线、螺旋天线等）进行接收。同时在L1和L2波段上跟踪P（Y）码的GPS接收机需要同时在两个频率上具有20.46 MHz的带宽。如果GPS接收机只跟踪L1波段上的C/A码， 天线（和接收机）在飞机上倾向于使用薄剖面、低空气阻力的片状天线，而陆上运载体（如汽车）可使用较大外形的天线。,选择天线时需要考虑的参数有天线增益场形、可用的安装面积、空气动力性能、多径性能、无线电相位中心的稳定度和抗干扰性等。某些军用飞机使用波束控制或自适应调零天线以抵制干扰。波束控制技术采用电子的方法将天线增益集中在卫星的方向上以使链路的容量最大。而自适应调零天线是电子可调的，在天线方向图中，在干扰源（任何电子辐射，不管是来自朋友或敌方的，只要干扰了GPS信号的接收和处理，均视为干扰源）方向上建立零点。,接收单元包括信号通道单元、存储单元、计算和显示单元以及电源四部分。其中核心部分是信号通道单元，通常由硬件和软件组成。每一通道在某一时刻只能跟踪一颗卫星，当此卫星被锁定后便占据该通道，直到失锁为止。目前GPS接收机广泛应用并行多通道技术，即一个GPS接收机可同时跟踪多颗卫星，同时锁定多颗卫星，大大缩短了确定卫星的PVT时间。 ,在接收单元，GPS射频信号被下变频到中频（IF），利用模/数（A/D）转换器对IF信号采样和数字化。基带处理器对接收机进行控制，包括信号的截获、信号跟踪和数据采集。此外， 基带处理器也可以由接收机测量值形成PVT解。在一些应用中， 也可用专门的微处理器同时完成PVT计算和相关联的导航功能。 大多数处理器在1 Hz速率的基础上提供独立的PVT解。然而， 用做飞机自动着陆和其他宽动态应用的接收机， 至少需要以5 Hz的速率计算独立的PVT解。 格式化了的PVT解和其他与导航有关的数据送至I/O端口。,I/O端口是在GPS接收机和用户之间的接口。 I/O端口有两种基本类型：整装的和外置的。对于许多应用来说，I/O端口是一个CDU（控制显示单元）。CDU允许操作员进行数据输入，显示出工作状况和导航参数，还有许多导航功能，如输入航路点、待航时间等。大多数手持式设备有整装的CDU。 其他设备，比如某些机载或船载设备，有可能其I/O是集成在已有的仪器或控制面板上的。 除了到用户和操作员的接口之外， 在与其他传感器（例如惯导）组合使用时要求有数字数据接口以输入和输出数据。通用接口有ARINC429、 MIL-STD-1553B、 RS-232和RS-422。,电源可能是整装的、外接的，或者两者相结合。在整装或自备实现方式（比如手持式移动设备）中，一般使用电池供电。 而在集成方式的应用中（比如装在个人计算机的接收机板上的电源）一般用已有的电源。 机载、 车载和船载GPS设备一般用平台电源， 然而GPS接收机一般都具有内置的电源变换器（交流变直流或直流变交流）和电压调节器。 接收机内置电池用以在平台电源断电时维持存储在RAM中的数据和运行内置的实时时钟。 常用的一些GPS接收机类型如表7-1所列。,表7-1 常用GPS接收机类型,7.1.2 GPS接收机的分类 GPS接收机可分为两种基本类型：同时跟踪P（Y）码和C/A码的PPS接收机以及仅跟踪C/A码的SPS接收机。PPS接收机同时在L1和L2波段上跟踪P（Y）码。 PPS接收机初始工作时在L1上跟踪C/A码，然后转换到在L1和L2上跟踪P（Y）码。P(Y)码跟踪只有在加密单元的辅助下才能产生。SPS接收机只跟踪L1上的C/A码。 在这两种基本接收机类型中，还有其他一些变形，比如无码L2跟踪接收机，这种接收机跟踪L1上的C/A码，并同时跟踪L1和L2频率上的载波相位。利用载波相位作为测量点，测量精度能够达到厘米级甚至毫米级。多数接收机有多个通道，每个通道跟踪来自一颗卫星的发射信号。,图7-2 多通道GPS接收机组成框图,一个多通道GPS接收机的组成框图如图7-2所示。通常采用一个无源的带通滤波器对所接收到的射频卫星信号进行滤波， 以减小带外射频干扰。 通过前置低噪声放大器(LNA)放大后， 射频信号下变频到中频（IF）。模/数（A/D）转换器对IF信号进行采样，A/D采样速率典型情况下为PRN基码速率的812倍（对于L1 C/A码PRN速率为1.023 MHz，对于L1和L2 P（Y）码为10.23 MHz）。最小采样速率是码的截止带宽的2倍，以满足奈奎斯特判定的要求。对于只接收L1 C/A码的接收机，截止带宽大于2 MHz，而对于接收P（Y）码的接收机，截止带宽大于20 MHz。,过采样会降低接收机对于A/D量化噪声的敏感度，因而减少在A/D转换器中所需的位数。采样结果送到数字信号处理器（DSP）中。DSP包含N个并行通道，以同时跟踪来自多达N(5N12)颗卫星的载频码。每个通道中包含码和载波跟踪环， 以完成码和载波的相位测量，以及导航电文数据的解调。通道可以计算三种不同的测量值： 伪距、距离（有时称做伪距）和积分多普勒频移。所希望的测量值和解调后的导航消息数据送至基带处理器。基带处理器对接收机信号的截获、跟踪和数据采集进行控制，并处理接收机的测量值形成PVT解。在一些应用中， 也可用专门的微处理器同时完成PVT的计算和相关联的导航功能。,7.1.3 数字GPS接收机 一个数字GPS接收机的组成框图如图7-3所示。在视界中所有卫星的GPS射频（RF）信号被右圆极化（RHCP）天线接收， 经前置低噪声放大器（LNA）放大， 接收机的噪声系数与LNA有关。通常在天线和LNA之间设置一个无源带通滤波器， 以降低带外射频干扰。这些被放大的射频信号与来自本机振荡器（LO）的信号混频，下变频到中频（IF）。本地振荡器频率是根据接收机的频率设计，由基准振荡器经频率合成器产生的。 每一级下变频器需要一个本地振荡器信号。下变频有采用两级下变频形式、一级下变频形式，或甚至直接在L频段作数字采样的。本地振荡器信号在混频过程会同时产生上边带和下边带信号，因此在混频器之后，采用带通滤波器选择下边带信号，而滤去上边带信号，获得下变频到中频（IF）的信号。模/数转换（A/D）和自动增益控制（AGC）功能均在中频上完成。,通过模/数转换（A/D）数字化了的中频（IF）信号输入到N个数字接收机通道。这些数字接收机通道一般用一个或几个专用集成电路（ASIC）来组成， 完成环路鉴相和滤波、数据解调、测量、锁相和批示等功能。接收机处理器是一个高速微处理器，用来完成接收机基带控制与处理、 导航处理和用户接口等功能。,图7-3 数字GPS接收机组成框图,7.1.4 GPS接收机的选择 对于每一种应用来说，一些与环境、使用和性能有关的参数必须仔细考虑，如： (1) 满足对冲击、振动、温度、湿度、大气中盐的含量的基本要求和最大限制，是否需要工作在提高抗干扰能力的环境之中? (2) 是民用、军用或是其他用途？如需要PPS操作，一般必须选择带加密能力的双频GPS接收机。 (3) 需要多快的PVT更新率？飞机、汽车、行人对PVT更新率的要求是不同的。,(4) 接收机将工作在什么类型的动态（如加速、匀速）条件下。例如，用于歼击机的GPS接收机要求设计成在经受多少个“g”的加速度时还可以维持完好的性能，而指定用于测绘的GPS接收机一般不要求能够经受严酷的动态环境。 (5) 是否需要具有差分GPS（DGPS）能力？(DGPS是一种提高精度的技术，它能提供比独立的PPS或SPS更高的精度。) (6) 应用中是否要求接受以地球静止卫星为基础的重叠服务（比如国际海事卫星（INMARSAT），是否考虑所采用的GPS设备和/或GLONASS卫星的完好性、测距和DGPS信息？,(7) 航路点存储能力以及航路和支路数量为多大？ (8) 接收机是否必须和外部系统相连接？是否已经有合适的I/O硬件与软件？ (9) 对于数据输入和显示特性，接收机是需要外接的还是整装的CDU能力？是否要求当地坐标系数变换或者WGS-84已经够用了？ (10) 是否需要设计成便携式并考虑物理尺寸、 功耗、 成本等因素？,7.2 基于RF8009的GPS接收机电路,7.2.1 RF8009简介 RFMD公司的RF8009 GPS接收机是为OEM（原始设备制造商）使用的即插即用模块，它具有12个并行信道， 能够完成GPS信号处理，产生精确的导航数据，实现高速精确地确定第一次定位时间（TTFF）及信号重新采集，支持2D和3D导航模式， 采用38 mm×38 mm封装，可广泛地应用在GPS终端产品上，如舰队导航、 汽车导航、远程信息处理和物体（财产）跟踪。,7.2.2 RF8009的主要性能指标,表7-2 RF8009的主要电气特性,表7-2 RF8009的主要电气特性,7.2.3 RF8009模块封装与引脚功能,表7-3 RF8009的引脚功能,7.2.4 RF8009的内部结构 RF8009的内部结构框图如图7-4所示。模块内部包含数字ASIC（Digital ASIC）、L1带通滤波器（L1 BP Filter）、 低噪声放大器（LNA）、 增益放大器（AGC）、 滤波器（Filter）、模/数转换器（ADC）、温度传感器（TemP.Sensor）、FLASH存储器、 管理器（Spervisor）、 +2.5 V基准电压（+2.5 V Ref.）、43 MHz GPS晶体振荡器（GPS Crystal）和振荡器（LO）、32 kHz实时时钟晶体振荡器（RTC Crystal）和振荡器（OSC）等电路。数字ASIC中包含完整的微处理器，有Power PCR401、GPS信号处理、 静态存储器和寄存器测试电路等模块。,图7-4 RF8009的内部结构框图,7.2.5 RF8009电路应用 1 接收机体系结构 GPS接收机芯片组包括所有的射频直接采样和放大电路， 完成数据采样。到达专用集成电路（ASIC）的采样数据有符号和量级两个信号。 专用集成电路（ASIC）包含完整的微处理器（PowerPCR401）、GPS信号处理、SRAM和RTC电路。 要制造一个完整的导航系统，还需要存储器和其他支持器件。,2 接收机操作 接收机需要3.3 V直流电源和天线，接收足够的卫星信号， 提供导航数据。安装在室内或交通工具内部的天线，要能够有效地接收卫星信号。如果天线与卫星是隔离的，要花很多时间才能定位。如果可利用的卫星少于4颗， 接收机需要使用海拔高度的辅助，才能提供有效的2D定位处理。 1） 信号截获模式 GPS接收机支持表7-4所列的4种信号截获模式，不同模式的第一次定位时间（TTFF）等参数不同，如表7-5所列。,表7-4 信号截获模式,表7-5 不同信号截获模式的性能,2） 导航模式 GPS接收机支持3种导航模式：3D（threedimensional， 三维）、2D（twodimensional，二维）和差分GPS（Differential GPS， DGPS）模式。当4颗或更多的卫星有效时， 接收机进入3D导航模式；当有效使用到的卫星数少于4颗， 且固定的海拔高度可使用时，GPS接收机进入2D导航模式，为了计算此时的定位值，接收机既可采用由3D模式下决定的最后高度，也可使用用户提供的数据。在2D导航模式下，可用固定的海拔高度值和天线实际的海拔高度值之间的关系确定导航的精确度。当使用4颗或更多的卫星，并且信号具有差分修正时， 接收机进入差分GPS（DGPS）导航模式。精确定位是整个GPS系统中的重要功能，导航精确度如表7-6所列。,表7-6 导 航 精 确 度,3） 电源工作模式 GPS接收机有表7-7所列的3种电源工作模式。,表7-7 电源工作模式,3 天线电源 GPS接收机提供电源电压到I/O连接器中的V-ANT引脚，该引脚与射频连接器相连。连接到V-ANT引脚的电压可正可负，可达直流15 V。 天线检测电路功能用来确定GPS天线是否有效连接，可检查天线的过流和短路。该状态要使用IBIT信息， 结果在OBIT信息中报告。,4 输入/输出信号 输入/输出信号见表7-8表7-11。所有的数字I/O信号为直流2.5 V CMOS缓冲信号电平，允许使用3.3 V电压。 5 信息定义 RFMDGPS接收机用户手册中提供表7-8表7-12所定义的二进制信息和NMEA信息。,表7-8 二进制输出信息,表7-9 二进制输入信息,表7-10 NMEA输出信息,表7-11 NMEA输入信息,表7-12 RTCM SC-104信息,7.2.6 RF8009封装尺寸 RF8009模块采用38 mm×38 mm封装，外形如图7-5所示。 RF8009-1采用直角MCX射频连接器，RF8009-2采用直式MCX射频连接器， 其封装尺寸(单位为mm)如图7-6所示。,图7-5 RF8009模块外形,图7-6 RF8009模块封装尺寸(单位： mm) (a) 采用直角MCS射频连接器的封装尺寸；,7.3 基于嵌入式系统的GPS应用设计,7.3.1 嵌入式系统比较 1. 单片机 单片机是最早使用的嵌入式系统, 具有微小体积的单芯片和极低的成本,可广泛地嵌入到家用电器、机器人、汽车电子系统等产品中。近年来, 除了各种类型的工控机,各种以通用微处理器构成的计算机主板模块，以通用微处理器为核心、 片内扩展一些外围功能电路单元构成的嵌入式微处理器, 甚至单片形态的PC 机等,都实现了嵌入式应用, 形成了嵌入式系统的庞大家族。,2. Windows CE操作系统 Windows CE 操作系统是微软公司在嵌入式系统领域推出的产品,它一方面继承了微软其他操作系统的优点, 同时考虑到了掌上电脑自身的特点, 对系统进行了精简, 既允许用户在现有的操作系统上进行各种应用程序的开发,用户也可以通过开发工具进行各种驱动的开发, 将整个设备一体化。 Windows CE 3.0 是一个模块化的嵌入式操作系统, 适用于新一代互联式32 位设备。它提供了目前市场上最为丰富的技术, 允许开发商建立各种需要动态应用程序和Internet 服务的嵌入式系统。此外, 微软公司还将提供系统开发所需关键源代码的访问, 用于帮助嵌入式系统开发商研制和测试设备。,3. Palm OS 操作系统 Palm OS 操作系统以事件为驱动,同时具有操作简单、方便快捷的特点, 是一个完整的电子产品。它不仅具有普通嵌入式操作系统的特性, 而且系统本身也逐渐向高端发展, 比如提供对网络TCP/IP的支持、 对红外线通信的支持、 先进的声音功能、扩大的动态内存堆、动态菜单以及自定义控件等等。 Palm OS 是由C API 开发的, 所以最有效灵活的工具是C 语言。 运用C+语言也可以进行Palm 的应用程序开发, 但是用于开发Palm 应用软件还存在一个普遍问题C+需要一块不被重新分配的内存。,4. 嵌入式Linux 操作系统 Linux 是一个实时多任务操作系统, 它的界面可以采用X2Windows 的GUI 模式。经过对Linux 操作系统的小型化裁减, 可以适用于各种需要人机交互的工控应用； 同时， 嵌入式Linux 继承了Linux 的网络和通信功能, 在许多方面都能有很广泛的应用。在应用方面, Linux对数据库给以很强的支持, 同时可以进行许多外设硬件的驱动开发。由于Linux 的内核包含进程调度、内存管理、 进程间通信虚拟文件系统和网络接口五大部分，内核的功能又被划分为独立的模块。 Linux 提供的模块机制可以根据用户的需要, 将某些模块插入到内核或从内核中拿走, 所以系统内核可以裁减得很小。内核的组织结构是整体式结构, 由很多过程组成, 每个过程独立编译, 然后用连接程序将其连接在一起成为一个单独目标, 效率很高。,7.3.2 GPS应用开发的要求 1. 系统运行速度 单片机和Palm OS 相似,二者在硬件上的配置不是很高, 但是整个系统结构比较简单,尤其是单片机, 由于使用汇编语言, 运行速度比较快, Palm OS 也继承了这一特点, 简洁、 快速是它的特性。而Windows CE 操作系统在硬件配置、 主频和内存上都远远优于前两者。利用嵌入式Linux进行开发, 用户可以根据自己的需要进行配置。总的说来, 单片机和以Palm OS 作为操作系统的产品基本上属于低端产品, 而基于Windows CE 和嵌入式Linux 操作系统的产品则是向高端发展, 在图像处理和网络通信方面占有一定的优势。 用户可以根据各自的需求选用不同的系统。,2. 网络资源 在网络发达的今天, 上述四种嵌入式操作系统都有着很丰富的网络资源。 用户可以从网络上找到各系统相应的开发工具、技术文档以及相关软件, 这将给系统的开发带来强大的技术支持。,3. 通信 利用嵌入式操作系统进行GPS 的应用开发, 要做好系统和GPS OEM 板的数据通信问题。 这方面Palm OS 和Windows CE 为用户提供了较完善的API 函数, 用户可以通过直接调用这些函数进行数据通信； 同时, 一些公司在这方面也提供了相关的硬件支持, 比如Visor 公司为Palm 新的机型提供了扩展槽, 用户可以通过这些装置解决通信、电源供应等问题。而对于单片机和嵌入式Linux 用户, 则需要自行编写相应的驱动程序和握手协议。,4. 数据存储 数据存储对单片机来讲是比较困难的, 但Palm OS、 Windows CE 和嵌入式Linux 在这方面提供了强大的支持。 它们提供文件存储方式和数据库存储方式, 这样就有利于卫星数据的存储和地图数据的查询。,5. 多线程支持 进行GPS 的应用开发,用户需要不间断地进行数据读取与存储, 同时需要操作大量的地图数据。 Windows CE 继承了Windows 操作系统的特点, 提供多线程支持。 而嵌入式Linux 本身就是一个多线程实时的操作系统, 给多线程很强的支持。 Palm OS 和单片机开发目前不支持多线程操作。,6. 持续性问题 对于GPS 野外使用的接收机，其待机时间问题是很重要的评价指标。 Palm OS 和单片机耗电量较小, 待机时间较长。 Windows CE支持的功能比较多, 但耗电量较大。 用户在程序编写过程中, 应该尽量减少功耗。,7. 图形显示 上文提到, Windows CE 和嵌入式Linux 在图形显示方面占有优势, 它们具有较强的图形存储、 压缩和显示功能。 Palm OS 在这方面也提供了一定的支持, 但在和Windows 位图的结合方面还有一些不足之处。 而单片机在这方面则有很大的缺陷, 用户需要依靠点阵来自己计算坐标并绘制图形, 而不像前三者, 直接调用现成的API 函数就可以了。还有一点需要注意的是, 由于GPS 定位导航设备多在野外使用, 用户需要在强光下正常使用, Windows CE机型提供了相应的反光型显示屏, 可以保证在阳光下的正常使用。对于单片机和嵌入式Linux 设备用户，可以自行选定设备, 而Palm OS 的机型到目前为止还没有使用反光型显示屏的产品。,8. 中文显示 目前联想和其他一些公司所开发的Windows CE 中文操作系统, 都支持中文输入和中文图形显示。 Palm OS 和嵌入式Linux 装入相关汉化软件后也可以显示中文。 单片机的中文显示需要和图形一样绘制。 总的说来, Windows CE 操作系统的优势最大。,9. 温度影响 由于单片机自身结构简单, 优势较大, 它可以在温度非常低的情况下正常使用。 以上是在利用嵌入式操作系统开发GPS 定位导航设备时应该着重考虑的一些问题。 随着科技的发展, 计算机软、硬件水平的不断提高, 嵌入式操作系统的应用发展在整个国民经济中将起到越来越重要的作用, GPS 定位导航设备在这方面的应用也将越来越广泛；同时，随着GPS 导航精度的不断提高, 二者的结合也将更加紧密。 因此， 我们应该在这方面大力发展新产品, 以便于用户根据自己对产品的需要在不同的嵌入式平台上做出选择。,
