GPS 接收机设计

Posted 2021-07-23 haoming Hu

理论基础

GPS 系统的工作原理

空间星座的结构是一种网络结构，由多颗 GPS 导航卫星组成，它们不间断地发送卫星信号。地面监控部分通过 GPS 天线不断地接收各颗 GPS 卫星所发出的信号，通过对卫星信号的解调获取卫星的导航电文,从卫星的导航电文中可以提取出卫星运行轨道的参数，通过相关算法计算出卫星的运动轨迹，地面监控设备将计算出的轨道参数信息通过调制后发送给卫星，卫星在收到这些参数后通过调制电路，将它们调制到 L 波段后发送给用户。最后，用户设备部分在收到当前可见的 GPS 卫星的发射的信号后，通过计算出卫星到用户设备的距离（通过卫星信号从卫星上发生的时间和用户接收机接收到的卫星信号的时间差值乘以光速），并从卫星发射的 L 波段的调制信号中解调出当前卫星所在轨迹的基本参数，通过相关算法就可以计算出用户接收机在空间坐标系中的位置。

GPS信号结构

从卫星通信的结构和通信方式上进行分析，GPS 卫星所发射的信号分为三个层次：载波、伪码和数据码。数据码首先与伪码进行异或相加来实现扩频，然后它们的组合码再通过双相移位键控（BPSK）对载波进行调制，即将调制后的信号依附在具有正弦波特性的载波上，最后由 GPS 卫星将载波信号发射出去。

时钟基准

原子钟是以电磁波作为标准，通过校准电子振荡器来控制时钟的走动，原子钟具有非常高的精度。所以卫星的调制电路采用原子钟提供精准的时钟，其基准频率是 10.23MHz，用 f0 表示。GPS 系统采用直接序列扩频(DSSS)方式，它是通过调制伪码而实现扩频的机理。GPS 卫星信号使用的三种载波分别是 L1、L2 和 L5，它们都是由基本频率 f0 产生的，
L1 :154f0 = 1575.42MHz
L2 : 120f0 = 1227.6MHz
L5 : 115*f0 = 1176.45MHz

伪随机码

GPS信号有多颗卫星，因为要区分不同卫星，所以每颗卫星的伪随机码不是一样的，GPS用的是码分多址技术（CDMA），CDMA也是一种扩频通信的方式，在GPS中，用到的有BPSK（二进制相移键控）和DSSS（直接序列扩频）。二进制相移键控。是把模拟信号转换成数据值的转换方式之一，利用偏离相位的复数波浪组合来表现信息键控移相方式。BPSK使用了基准的正弦波和相位反转的波浪，使一方为0，另一方为1，从而可以同时传送接受2值(1比特)的信息。伪随机码是捕获卫星信号的关键，当接收机接收到卫星信号的时候，接收机将接收到的信号与本地产生的伪随机噪声码混合，如果本地伪随机码和卫星生成的伪随机码同步，那么表明接收到这可卫星的信号。

m序列

码序列仿真