GPS接收机简介

7.5.1.1　接收机概况

GPS接收机通过感应GPS卫星信号,利用码相关运算来测得码相位和伪距,并从卫星信号中解调出导航电文,进而获取用于计算卫星位置和速度的星历参数,最后得到GPS卫星相对于接收机本身的距离以及卫星信号的多普勒频移。GPS接收机的内部结构及其工作流程如图7.16所示。

可见范围内的GPS射频(RF)信号由天线接收之后,经低噪声前置放大器放大,然后与本地振荡器(LO)产生的正弦波本振信号进行混频,从而下变频到中频信号(IF),最后经A/D转换器将中频信号转变成离散的数字中频信号,为在N个数字接收机通道中处理做好准备。这一部分通常称为GPS接收机的射频前端处理模块。下变频混频的意思就是利用混频器将低噪声放大器输出的射频信号与本机振荡器产生的本振信号相乘后,滤除乘积中的高频成分,载波信号频率就从射频下降到中频。

图7.16　GPS接收机的内部结构及其工作流程

接收机处理部分可以分成两个模块：基带数字信号处理模块；定位导航运算模块。与卫星信号发射时的调制过程对应,GPS接收机需要首先对卫星信号进行载波解调,使其中心频率变为0；然后,基带数字信号处理模块通过复制出与卫星信号一致的本地载波和本地伪码信号,与解调后的卫星信号做自相关运算,得到只包括数据码的基带信号,从而实现对GPS信号的捕获与跟踪。该模块在剥离载波和伪码的过程中可以计算出GPS伪距、载波相位以及解调出导航电文,这些值由不同的数字接收机通道分别输出。本地载波和本地伪码信号通过接收机内部的载波跟踪环路(简称“载波环”)和码跟踪环路(简称“码环”)来实现与数字中频信号中的载波频率、C/A码完全一致。

7.5.1.2　I/Q解调原理

利用本地产生的测距码和载波信号,与接收机接收到的信号进行相关,可实现对该信号的解调,如图7.17所示。

图7.17　I/Q解调过程

假设输入信号ui(t)为

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式中,a——信号的幅度；

n——均值为零的高斯白噪声。

解调即需要把调制在载波上的数据码D(t)剥离出来。

GPS接收机主要利用了I/Q解调原理,分别复制一份正弦载波信号uos(t)和余弦载波信号uoc(t),将其与输入信号相乘后实现载波剥离,将输入信号与正弦载波复制信号相乘的支路称为同相支路(In-phase Branch,I支路),将输入信号与余弦载波复制信号相乘的支路称为正交支路(Quadra-phase Branch,Q支路)。假设正弦、余弦载波信号为

混频结果经低通滤波器滤除之后,可得结果如下：

写成复数形式为

则复数形式rP(t)的幅值中包含数据码信息,相位角反映输入信号与复制信号之间的相位差异。

同时,为了将C/A码剥离出来,混频结果需要与本地复制产生的C/A码相乘。只有当本地产生的C/A码与接收到的C/A码完全一致时,相乘运算才能彻底剥离出C/A码,并且相关结果达到最大值。