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GPS接收機的靈敏度分析

作者: 時間:2013-11-01 來源:網(wǎng)絡 收藏
1 定義

隨著 應用范圍的不斷擴展,業(yè)界對 要求也越來越高,高的接收性能可以令在室內或其它衛(wèi)星信號較弱的場景下仍然能夠實現(xiàn)定位和跟蹤,大大拓展了GPS 的使用范圍。

作為GPS 接收機最為重要的性能指標之一,高靈敏度一直是各個GPS 接收模塊孜孜以求的目標。對于GPS 接收系統(tǒng)而言,靈敏度指標包括多個場景下的指標,分別為:跟蹤靈敏度、捕獲靈敏度、初始啟動靈敏度。目前業(yè)界已經(jīng)可以實現(xiàn)跟蹤靈敏度在-160dBm 以下的接收機,同時,初始啟動的靈敏度和捕獲靈敏度也分別可以達到-142dBm 和-148dBm 以下。GPS 接收機首先需要完成對衛(wèi)星信號的捕獲,完成捕獲所需要的最低信號強度為捕獲靈敏度;在捕獲之后能夠維持對衛(wèi)星信號跟蹤所需要的最低信號強度為跟蹤靈敏度。為了實現(xiàn)定位,GPS 接收機還需要解調GPS 衛(wèi)星發(fā)送的導航電文,相應的,解調導航電文所需要的最低信號強度為初始啟動靈敏度。根據(jù)上述定義可知,跟蹤靈敏度最高,捕獲靈敏度次之,初始啟動靈敏度最差。

2 GPS 接收模塊的靈敏度性能分析

從系統(tǒng)級的觀點來看,GPS 接收機的靈敏度主要由兩個方面決定:一是接收機前端整個信號通路的增益及噪聲性能,二是基帶部分的算法性能。其中,接收機前端決定了接收信號到達基帶部分時的信噪比,而基帶算法則決定了解調、捕獲、跟蹤過程所能容忍的最小信噪比。

2.1 接收機前端電路性能對靈敏度的影響

GPS 信號是從距地面20000km 的LEO(Low Earth Orbit,低軌道衛(wèi)星)衛(wèi)星上發(fā)送到地面上來的,其L1 頻段(fL1=1575.42MHz)自由空間衰減為:

佳工機電網(wǎng)

按照GPS 系統(tǒng)設計指標,L1 頻段的C/A 碼信號的發(fā)射EIRP(Effective Isotropic Radiated
Power,有效通量密度)為P=478.63W(26.8dBw)([1][2]),若大氣層衰減為A=2.0dB,則
GPS 系統(tǒng)L1 頻段C/A 碼信號到達地面的強度為:

佳工機電網(wǎng)

GPS ICD(Interface Control Document,接口控制文檔)文件([3])中給出的GPS 系統(tǒng)
L1 頻段C/A 碼信號強度最小值為-160dBw,和上述結果一致。在實際場景中,由于衛(wèi)星仰角的不同、以及受樹木、建筑物等的遮擋,L1 頻段C/A 信號到達地面的強度可能會低于-160dBw。

一般GPS 接收機的結構如下圖所示:

佳工機電網(wǎng)
圖 1 GPS 接收模塊的一般結構

GPS 信號被天線接收下來后,如果天線有源,則經(jīng)過濾波器和低噪放,再通過電纜接到接收機部分,接收機內同樣經(jīng)過一級低噪放和一級濾波器,再進入射頻前端模塊進行下變頻和模數(shù)轉換處理。

上圖中,天線后直接接濾波器進行前置濾波,其作用在于防止寬帶干擾阻塞低噪放,但會增大前級的噪聲系數(shù),因此在選用器件時需要考慮采用插損盡量小的濾波器。

天線的有源部分主要是用來補償從天線到接收模塊之間的電纜損耗,如果天線和接收模塊之間的插損極小,則可以使用無源天線。

GPS 接收機前端的特性可以由整個接收機的G/T 值來表征。設GPS 接收機的射頻前端可以分為n 級,第i 級的增益、噪聲系數(shù)、等效噪聲溫度分別為Gi、NFi、Tei,則GPS 接收機的總的等效噪聲溫度為:

佳工機電網(wǎng)

其中,Ga 為天線增益,Ta 為天線噪聲溫度。天線的噪聲溫度和天線大小、信號頻率、
天線方向圖、擺放位置等都有關系,一般認為GPS 天線噪聲溫度為Ta=100K。

根據(jù)系統(tǒng)的G/T 值即可以得到在一定輸入信號功率下的接收載噪比:

佳工機電網(wǎng)

其中,k=1.38e-23,為Bolzmann 常數(shù)。

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關鍵詞: GPS 接收機 靈敏度

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