基于靈敏度設(shè)計GPS 接收機(jī)

     摘  要: 根據(jù)GPS 接收機(jī)的定位原理和GPS 接收機(jī)靈敏度分析接收機(jī)性能， 發(fā)現(xiàn)靈敏度主要與前端電路和基帶有著密切關(guān)系。據(jù)此對GPS 的天線前端電路設(shè)計濾波器和低噪聲放大器， 并對電路的其他方面提出要求， 考慮包含處理器和大量邏輯門電路的Cyclo ne 器件， 并通過配置嵌入式軟核處理設(shè)計GPS 接收機(jī)。

　　GPS 系統(tǒng)在海運(yùn)方面因能夠提供連續(xù)、高精度的船位， 在保證船舶安全經(jīng)濟(jì)方面和保證在計劃航線上航行有著極為重要的作用。高靈敏度的GPS 接收機(jī)要求接收機(jī)在衛(wèi)星信號較弱的場景下仍然能夠?qū)崿F(xiàn)定位和跟蹤。GPS 接收系統(tǒng)的靈敏度指標(biāo)包括跟蹤靈敏度、捕獲靈敏度和初始啟動靈敏度。目前GPS 接收機(jī)基本上可以實現(xiàn)跟蹤靈敏度在- 160 dBm 以下， 同時初始啟動的靈敏度和捕獲靈敏度也分別可以達(dá)到- 142dBm 和- 148 dBm 以下。

　　1   GPS 接收機(jī)靈敏度分析

　　GPS 接收機(jī)的靈敏度主要由兩個方面決定:

　　一是接收機(jī)前端信號通路的增益及噪聲性能， 二是基帶部分的算法性能。接收機(jī)前端決定了接收信號到達(dá)基帶部分時的信噪比; 基帶算法則決定了解調(diào)、捕獲、跟蹤過程需要最小信噪比。

　　GPS 衛(wèi)星的導(dǎo)航載波信號是L 頻段( L 1 : 19cm; L2 : 24 cm) 的電波信號， 現(xiàn)行GPS 工作衛(wèi)星采用L 波段的三種導(dǎo)航信號， 分別為L 1、L2、L3 ，其載波頻率分別為: 1 575  42、1 227  60 和1 381. 05 MHzGPS 信號是從距地面20 000 km 的衛(wèi)星發(fā)送到地面， 其L 1頻段( f L1 = 1 575. 42 MHz) 自由空間衰減為:

　　根據(jù)GPS 接口控制文檔( interface cONt ro ldocument ， ICD) 規(guī)定GPS 系統(tǒng)L 1頻段C/ A 碼信號強(qiáng)度的最小值為- 160 dBW， 而GPS 系統(tǒng)設(shè)計該頻段中C/ A 碼信號發(fā)射的有效通量密度( effect ive isot ro pic radiated pow er， EIRP) 為P=478. 63 W( 26. 8 dBW) [ 4] ， 若大氣層衰減為2. 0dBW， 那么GPS 系統(tǒng)L 1 頻段C/ A 碼信號到達(dá)地面的強(qiáng)度為:

　　實際上由于GPS 接收機(jī)所對應(yīng)的衛(wèi)星仰角、受障礙物遮擋的原因， L 1 頻段C/ A 信號到達(dá)接收機(jī)的強(qiáng)度可能會低于- 160 dBW。

　　2   GPS 接收機(jī)結(jié)構(gòu)

　　GPS 接收機(jī)電路結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1  GPS接收機(jī)電路結(jié)構(gòu)

　　提高GPS 接收機(jī)的靈敏度最重要是在接收前端減少最小可檢測信號功率， 降低接收機(jī)的總噪聲系數(shù)， 這樣才能從噪聲背景下提高信噪比。天線部分的第一級濾波器的作用是前置濾波， 是防止干擾影響低噪聲放大， 不過他也增大了前級的噪聲系數(shù)， 因此要選用小插損的濾波器， 如采用卡爾曼濾波技術(shù)可以極大地提高接收機(jī)精度。