GPS卫星信号发生器

2025-02-02

GPS卫星信号发生器（精选7篇）

GPS卫星信号发生器篇1

GPS卫星在椭圆轨道上绕地球运行, 由于卫星相对于地面的GPS接收机存在着相对运动, 导致用户接收机接收到的GPS卫星所发射的信号产生了频率变化, 叫做多普勒频移。多普勒频移是影响卫星导航定位接收机性能的关键因素之一, 对伪码捕获和载波锁定速度有很大的影响[1]。因此, 准确地估计多普勒频移对测试GPS用户接收机的捕获性能是很关键的。

1 多普勒效应

多普勒效应是1842年由奥地利物理学家多普勒首先发现的。可以表述为:由于波源或观察者的运动而出现观测频率与波源频率不同的现象[2]。波源相对于观测站运动所引起的多普勒频移效应可用下式表示:

式中:c——真空中的光速;

v——卫星相对于观测站的瞬时速度;

fs——波源发射频率;

fr——观测站接收到的频率;

α——波源瞬时速度方向与波源至观测站联线的夹角。

如果波源是卫星上已知发射频率的无线电信号发射源, 卫星到观测站的距离为r, 则称dr/dt=v cosα为卫星的径向速度。由上式整理可得:

观测站就可根据所测量的接收频率而得出多普勒频移Δf, 再经过技术处理, 算出卫星在某一瞬时与观测站的距离差, 从而确定观测站的地心坐标。

实际应用时, 为了精确地测量多普勒频移Δf, 通常在地面接收机内增加一个固定的频率, 即“本征频率”, 将接收到的频率与“本征频率”混频, 得出差拍频率, 最后用积分的方法导出多普勒频移[3]。

2 多普勒频移仿真系统的实现

多普勒频移测试系统的实现, 分两部分完成。首先, 在VC++6.0平台上, 通过编程完成计算机向FPGA传递多普勒频移控制信息, 有频偏、加速度、加加速度等;其次就是用FPGA技术将多普勒频移控制信息, 传递到码NCO和载波NCO, 以改变C/A码和载波频率。

2.1 多普勒频移相关公式推导

多普勒频移vc部分, 主要是完成多普勒频移控制信息向FPGA的传递。首先, 配置计算机串口传输参数并打开串口;其次, 输入多普勒频移控制信息。

在输入多普勒频移控制信息, 将控制信息即频偏和码偏、加速度和加加速度, 转换成其步进值, 并将这些步进值传递给FPGA。下面介绍一下, 频偏和码偏、加速度、加加速度等步进值的推导。

首先说明一下, fs为采样频率, 本课题值为60.0Mhz, N为寄存器的长度, 值为32, M为频偏步进值, 则有输出频率fout为

由上式, 可求出步进值M, 则

同理, 可求出加速度步进值Ma

同理, 加加速度步进值Ma赞

按照公式 (4) , (5) , (6) , 将计算结果取整后, 就得到多普勒频移控制信息的步进值, 然后通过串口传递给FPGA。

2.2 多普勒频移系统的实现

在完成了VC++部分的工作后, FPGA接收到多普勒频移控制信息的步进值;然后, 将步进值传递给载波NCO和码NCO, 这样就可以改变载波和C/A码的频率, 以便全面的测试用户接收机在不同码偏和频偏下的性能指标。

多普勒频移系统原理图, 如图1所示:

图1中, 为加加速度;a0为加速度初值;△f为频偏;f0为中心频率;z-1为单位延迟。首先, 加加速度累加到加速度上;其次, 加速度的初值加上加加速度的累加产生的加速度变量得到总的加速度;第三, 加速度进行累加;第四, 加速度累加产生的频偏改变量加上频偏初始值得到总的频偏;最后, 总的频偏加上中心频率的步进值累加上NCO累加寄存器上, 就得到改变原来载波或C/A码的频率。

多普勒频移测试系统在FPGA上编程实现。下面介绍一下其实现的大致过程。首先, 通过VC++编程实现的插件输入多普勒频移控制信息即加加速度、加速度、频偏、码偏等, 并将控制信息转换成相应的步进值传递给FPGA;其次, UART模块接收数据, 先判断是否收到帧同步头, 即“EF00”。若收到了, 则开始接收控制信息, 且每一个控制信息由32位的寄存器存储;第三, 要设定速度、加速度的最大步进值, 防止数据溢出, 判断速度和加速度是否溢出, 若速度溢出, 则速度置为最大值, 加速度和加加速度累加项均要置0, 若加速度溢出, 则加速度置为最大值, 加加速度置0;最后, 若加速度和加加速度都没溢出, 按照多普勒频移规则进行累加。

3 系统结果分析

由多普勒频移原理可知, 频偏加速度和频偏的关系如下:

式中:Δv——频偏加速度;

C——光速;

fc——中心频率。

由式 (7) 可求得Δf为:

由导航信号的性质可知, 导航信号中心频率约为1.2GHz, 由式 (8) 可求出频偏Δf=4.0×Δv。测试条件为: (1) 起始频率为13.46520Mhz; (2) 截至频率为13.49450Mhz。加速度影响频偏测试结果如表1所示:

由表1可知, 根据不同的加速度值, 可测试出从起始频率到截至频率所需要的时间。用频率差除以所用的时间差就得到了频偏率。由公式 (8) 可求出理论频偏差。由表1对比可知, 测试结果是正确的。

同样的, 由C/A码的性质可知, C/A码的中心频率约为10.23Mhz, 由公式 (8) 可求出频偏Δf=0.341×Δv。测试条件为: (1) 起始频率为6.2Mhz; (2) 截至频率为14.2Mhz。码加速度影响码偏测试结果如表2所示:

由表2可知, 根据不同的加速度值, 可测试出从起始频率到截至频率所需要的时间。用频率差除以所用的时间差就得到了码率。由公式 (8) 可求出理论码偏率。由表2对比可知, 在允许的误差范围内, 测试结果是正确的。

4 结束语

本文设计并实现了GPS信号多普勒频移模拟仿真。整个系统分两部分完成:首先, 在VC++6.0平台上, 通过编程完成计算机向FPGA传递多普勒频移控制信息, 有频偏、加速度等;其次就是用FPGA技术将多普勒频移控制信息改变码NCO和载波NCO的时钟频率, 以改变C/A码和载波频率。该系统对测试卫星导航接收机的捕获性能有一定的参考作用。

参考文献

[1]袁德宝, 崔希民, 郎博, 等.GPS卫星信号Doppler频移的计算与分析[J].测绘工程, 2009, 18 (3) :6-7.

[2]潘高峰, 陈军.GPS信号的多普勒频移和时移分析推算[J].2007, 18 (6) :14-18.

[3]曾庆喜, 王庆, 朱国良, 等.一种GPS信号多普勒频移的精确捕获算法[J].2009, 24 (2) :223-226.

GPS卫星信号发生器篇2

1 GPS卫星信号特点

GPS卫星发送的信号由三部分组成:载波信号 (L1和L2) 、扩频序列 (即测距码, C/A码、P码或Y码) 和导航数据 (D码, 亦称为导航电文) [2]。GPS信号是利用两个载波进行传输的, 即L1和L2。载波L1的频率为1575.42MHz, L2的频率为1227.60MHz。GPS卫星信号的结构如图1所示, GPS信号发射机产生的伪码 (C/A码和P码) 及相应的数据码 (导航电文) 一起通过L1和L2的载波调制, 然后卫星将调制后的载波信号播发出去。

2 基于Simulink的GPS信号模拟器设计

Simulink是Matlab中的一种可视化仿真工具, 用于对动态系统进行建模、仿真和分析[3]。本文利用Simulink工具包构建GPS信号发生器, 具有流程直观, 界面友好, 易于操作。

根据GPS信号结构特点, 基于Simulink的GPS信号模拟器的整体框架图如图2所示, C/A码与导航电文进行模2加后进行BPSK调制, 组成GPS信号的I路信号, P码与导航电文模2加后进行BPSK调制, 组成GPS信号的Q路信号, 最后I、Q两路信号与噪声叠加形成最终的GPS信号。

2.1 C/A码产生

可以利用反馈移位寄存器产生C/A码, 也可以把各个卫星的一个C/A周期数据存储于2位查找表中, 在仿真时根据时钟频率播发[4]。考虑到需要对C/A码的码流进行控制 (1.023MHZ) , 同时需要控制输出码的相位, 本文在最终的仿真的时候采用查找表发产生C/A码, 如图3所示, 给出了C/A码发生器仿真图及其时域波形, 利用二维查找表Lookup Table存储卫星产生的C/A码, 一号端口为卫星编号输入, 二号端口为计数器输入。计数器由1.023MHZ的方波驱动, 同时C/A phase shift模块产生一个常数和计数器相加后对1022取模, 保证寻找范围不超过1022, 这样实现了C/A码的相位控制。

2.2 P码产生

如图4所示, P码发生器由X1A, X1B, X2A, X2B分别由12级反馈移位寄存器构成。其中, X1A的生成多项式为:G (X) =1+X6+X8+X11+X12, 初始状态为:001001001000。X1B的生成多项式为:G (X) =1+X+X2+X5+X8+X9+X10+X11+X12, 初始状态为:010101010100。X2A的生成多项式为:G (X) =1+X+X3+X4+X5+X7+X8+X9+X10+X11+X12, 初始状态为:100100100101。X2B的生成多项式为:G (X) =1+X2+X3+X4+X8+X9+X12, 初始状态为:010101010100。X1A生成的伪码与X1B生成的伪码异或产生X1随机码, X2A生成的伪码与X2B生成的伪码异或产生X2随机码, X2随机码进过移位寄存器延迟后与X1异或生成最终的P码, 移位寄存器的延迟数与卫星编号相关。

2.3 导航电文数据码产生

GPS的导航数据码的播发速度是50HZ bit, 对于GPS接收的射频前端和数字中频, 该数据码可以用Bernoulli随机分布模型来模拟[5], 在Simulink仿真环境中可以直接调用Bernoulli模块直接产生随机序列。

2.4 BPSK调制

完成C/A码、P码和导航数据码等基带处理后需要对其进行BPSK调制。BPSK调制时将基带单极性码 (0, 1) 转换成双极性码 (-1, 1) , 然后将其乘上载波。二进制单极性码转为双极性码的转换原理为:将输入左移1位后减1。得到双极性码后乘上正弦波就得到调制波形。

3 GPS信号的基带等效仿真

由于GPS LI载波频率为1575.42MHz, 若在Simulink平台下直接进行频带BPSK调制, 由于lms内数据点数太多, 模块运行速度慢, 造成整个系统延迟严重, 所以一般采用基带等效模型, 将频带通信系统转化为基带等效通信系统进行仿真。图5是基带仿真频谱图。

4 小结

本文利用Simulink工具产生L1波段上的GPS信号, 给出了C/A码, P码, 数据码, BPSK等模块的仿真图, 主要针对基带信号仿真。对应1575.42MHz的L1波段。由于频率较高, 时域仿真不太现实, 因此将频带通信系统转化为基带等效通信系统进行仿真。

摘要：在GPS接收机设计仿真阶段, 为了测试接收机的各种性能, 需要在仿真环境中产生可用于测试的GPS模拟信号。首先从原理上分析了GPS信号结构, 重点讲述了C/A码的产生方法。接着分析了GPS信号的实现原理, 最后利用Simulink工具设计了GPS卫星信号发生器, 实现了L1波段上C/A码, P码, 导航电文的调制。对于民用GPS接收机, 主要捕获L1波段信号, 检测本地C/A码与接收码的相差以及解调相应的导航电文。

关键词：GPS接收机,C/A码,GPS卫星信号发生器,Simulink仿真

参考文献

[1]谢钢.GPS原理与接收机设计[M].电子工业出版社.

[2]邓炜, 杨东凯, 寇艳红.GPS中频信号处理的Simulink实现[J].遥测遥控, 2006, 11, 27 (6) .

[3]沈超, 裘正定.基于Mat Lab/Simulink的GPS系统仿真[J].系统仿真学报, 2006, 7, 18 (7) .

[4]涂凤琴.GPS中频卫星信号的仿真研究[D].南京:南京理工大学, 2010.

GPS卫星信号发生器篇3

由于变电站的设备非常多,运行程序比较复杂,因而对时间的同步性要求较高,任何一个节点出现时间不同步的情况,都对电力系统的整体运行造成影响,甚至是引起电力系统的瘫痪。所以,电力系统的时间同步系统成为了研究热点。目前,大多数的时间同步系统的同步时钟源都为GPS,它是当前技术最成熟和应用最广泛的授时定位系统,其授时应用的研究也很成熟。但是如果单一使用GPS授时也存在一定的问题。因为GPS是美国研制的,所以它受美国的国防部控制,在遇到干扰时,不能正常接收信号,导致其工作受阻,因此,如果单一使用GPS作为时间同步的标准,一旦出现上面的情况,不能实现系统的时间同步,所以,结合电力系统时间同步的技术规范,我们在电力系统的时间同步系统中引入了北斗星系统和IRIG-B信号,解决电力系统存在的时间同步问题。

1时间同步系统的整体设计

目前变电站和电力系统对时间同步系统的要求很高,所以为了提高时间同步系统的可靠性,本文设计了基于GPS/ 北斗卫星 /IRIG-B的多信号源的时间同步系统。以GPS和北斗卫星作为无线时间的基准信号输入,以IRIG-B作为有线时间的基准信号输入的冗余切换时间同步系统,这样可以在确保系统的可靠性和安全性的同时,实现了整个系统的时间同步。基于GPS/ 北斗卫星 /IRIG-B的多信号源的时间同步系统的整体结构图如图1所示。

如图1所示,GPS、北斗和IRIG-B都作为时间信号,并将它们进行解码,转换成标准的时间格式,然后将这些时间进行比较,选取最优的信号作为时间信号源,显示和输出系统中授时设备需要的时间信号。因此,在设计时,一定要确定系统的运行速度。GPS信号和北斗星信号的格式相差不多,其接收模块输出的信号为串行时间信号和脉冲信号。串行信号中的卫星状态标志和时间数据被设计的时间同步系统提取,然后根据设定的格式对时间数据进行相应处理,并输出到相应的设备上 ;外部按键设置及卫星状态标志均选择冗余信号源作为输入信号和报警信号。B码信号因为和以上两种信号的格式不同,所以,需要对其另外进行设计,采用单独的开关门信号及计数脉冲来提取脉冲信号、状态信号及时间数据。

当设备在无法获取某一个或多个时间信号时,能够按照事先确定的切换逻辑,选择一个可用的、当前最佳的时间信号作为基准时间源,当装置获取到质量更好的时间信号时,自动将基准时间源切换到质量好的时间信号上,从而保证设备始终工作于时间质量最好的信号源上,完成冗余授时的切换。

2系统硬件设计

2.1芯片与模块的选型

当前很多卫星同步钟的处理芯片为FPGA和单片机,处理信号源数据。因此在本系统中也选用FPGA作为主控芯片,可以同时分析三个信号输入的时间数据,并且还能提高响应速度,输出信号接口利于扩展。选用选用Altera公司Cyclone IIEP2C35F672C8型号的FPGA作为系统主控芯片。

2.2双模接收天线

由于本系统需要接收北斗信号和GPS信号,所以为了节约成本,减少工作量,所以采用北斗GPS双模接收天线,在一个天线罩内同时安装两个天线头,接收双频信号,接收的频率分别为1575.42MHz和2491.75MHz。信号合路之后通过馈线和设备相连,传输至FPGA芯片进行信号处理,确保授时精度。

2.3时间同步系统主时钟

本系统中的时间同步时钟选取西安骊天电子科技有限责任公司MH—200GPS/ 北斗 /B码标准同步时钟 . 其技术指标如下 :

电源 :直流 / 交流自适应(110 ~ 250V直流 ;95 ~ 265V交流)。

1“北斗”卫星特性 :首捕时间≤2s ;失锁重捕时间≤1s ; 定时准确度≤100ns ;“北斗”天线的馈线长30m(可定制到40 ~ 180m)。2 GPS卫星特性 :可同时跟踪12颗GPS卫星 ;数据重现时间 :冷启动≤40min,热启动≤20s ;接收频率1575.42MHZ ; 阻抗50欧 ; 天线射频灵敏度 -166dbw ;1PPS秒脉冲定时准确度≤50ns ;定位精度10m ; GPS天线的馈线长30m(可定制到40 ~ 180m)。IRIG B时间码:B(DC)码RS422接口;B(AC) 码,调制比3:1, 幅度0 ~ 10VP-P可调,阻抗600Ω, 典型值8VP-P, 平衡输出 :B(DC)码同步准确度小于1μS ;B(AC)码同步准确度小于8μS。

PTP校时 :主时钟 / 从时钟 :1微妙。NTP授时 : 城域网 :≤50m S ;局域网 :≤1-10m S。

3系统软件设计

3.1 GPS/ 北斗授时功能模块设计

主要实现GPS和北斗的授时功能,用VHDL语言在FPGA中实现各个功能模块的编写、测试。

1 UART串口模块

模块中输出的GPS和北斗信息主要是秒脉冲和串行信息两种。在使用FPGA时,需要编写一个串口通信的模块,将有用的时间数据提取出来。

2 GPS数据提取模块

GPS导航设备的行业内统一的RTCM标准协议。此协议使用ASCII码,其串行通信默认参数为 :数据位8bit,波特率4800bps,停止位1bit,开始位1bit,无奇偶校验。$GPRMC格式如下 :

$GPRMC,<1>,<2>,<3>,<4>,<5>,<6>,<7>,<8>,<9>,<10>,<11>,<12>*<13>。

其中,语句 <1>---- 为时分秒信息 ;语句 <2>---- 为定位的状态信息 ;语句<9>---- 为日月年等。以上信息为UTC时间,我国使用东八区时间,需加8小时才能成为北京时间。

3 GPS数据提取模块设计

根据上述分析,我们只需提取其中的<1><2><9> 即可,而其它数据无需关注。本模块输入为ASCII码,输出的数据为并口的二进制数。

4数据处理模块

数据处理主要包括三个方面 :时区转换处理、秒加1修正处理和PPM、PPH处理。首先时区处理 :在UTC时间上加8小时成为北京时间 ;秒 +1处理 :GPS接收机输出的时间是NMEA0183格式的UTC时间,而经串行接收处理的是前面时刻发生的数据,需要以此时间为基础进行 +1秒处理,得到下一个要输出的时刻 ;最后是1PPM、1PPS、1PPH处理 :电力系统脉冲校时是一个重要的手段,需要响应的同步处理。

3.2 IRIG-B授时相关功能模块设计

1 IRIG-B数据提取模块

对B码解码提取相应报文,其关键问题是如何识别对码元。首先是识别脉冲基准码元的识别,提供基准脉冲,然后再根据不同的码元宽度比如5ms或2ms,提取出相应的编码时间信息。

2 IRIG-B数据处理模块

B码授时对数据进行处理主要是将数据转换成年月日时分秒的格式。在B码中,没有直接给出月份,因此,只需时间修正和日期转换的处理。B码中时间修正和上述的GPS、北斗授时类似 ;此外,天数转换成日期后,数据将使用高低两个BCD码表示。

4时间同步系统的冗余配置

为了实现时间同步系统同步网冗余方案,需先对PTP网络进行配置。本系统定义了Master状态、Standby状态、Backup状态、Substitute状态的配置,方案如下 :(1)Master状态 :当时钟对时主机服务器的GPS/ 北斗 /B码接收机工作正常时,选择主机服务器作为PTP系统根时钟对全站进行精确时钟同步。(2)Standby状态 :如果根时钟的授时出现问题,监控中心就会迅速启动PTP时钟同步网冗余系统,切换到时间同步系统的备用根时钟,实现全网时间同步,根时钟恢复后,继续采用根时钟精密授时。(3)Backup状态 :该状态下,如果根时钟和冗余备用根时钟同时出现问题,监控系统发出警报。利用冗余网络实现电力系统的时间同步,直到恢复正常。(4)Substitute状态 :主通信网络不能正常工作,启动备用网络,也就是Substitute状态,利用备用网络实现电力系统的时钟同步,同时发出警报。

5结束语

和传统的时钟同步系统,本系统的稳定可靠性较高,本系统处于初步设计阶段,需要对系统不断进行维护,强化系统功能。

摘要：随着科学技术的发展,变电站也逐渐向智能化发展,开发时间同步系统,可以有效避免系统时钟偏差所造成的损失,提高了变电站运行的可靠性,从而促进了智能电网的发展。本文设计了基于GPS/北斗卫星/IRIG-B的多信号源的时间同步系统。

GPS卫星位置解算算法研究篇4

GPS全球卫星定位系统是美国国防部研制的新一代卫星导航定位系统, 向具有适当接收设备的全球范围内的用户提供精确、连续的三维位置和速度信息。GPS利用单向到达时间 (TOA) 测距, 卫星采用码分多址 (CDMA) 技术在广播测距码和导航数据。导航数据为接收机提供了确定卫星在信号发射时刻的位置的手段, 而测距码使用户接收机能够确定信号的传输延时, 从而确定卫星到用户的距离。GPS用户为了确定自己的位置, 必须得到GPS卫星的精确位置信息, 因此, GPS卫星位置计算是进行GPS导航定位的关键环节[1,2]。

由于GPS接收机大都来自国外, 因此国内关于GPS卫星位置解算的文章较少。本文介绍了一种利用广播星历并采用迭代法进行GPS卫星位置解算的算法。

1 GPS星历数据

GPS接收机给出的卫星星历包含卫星的位置信息, 但没有给出卫星的确切位置, 这就要根据卫星星历来计算卫星相对于地心坐标系和载体坐标系的位置, 直观反映出卫星与接收机之间的相对空间关系。表1给出了参与卫星位置计算的星历参数[3,4]。

2 位置解算算法

不同卫星的GPS信号到达接收机的时间不同, 因此卫星信号到达接收机的传输时间等于伪距除以光速:

Trelative transit time=Rpseudo rang/c (1)

式 (1) 中:Trelative transit time—卫星信号到达接收机的传输时间;

Rpseudo rang—伪距;

c—光速, 数值为2.99792458×108m/s。

由于不同卫星的GPS信号的传输时间不同, 故不同卫星GPS信号的发射时间也不同。经传输时间修正后的发射时间tc的求解方程如下:

tc=TOW-Trelative transit time (2)

式 (2) 中:TOW—星期时间;

用得到的星历数据计算出卫星平均角速度:

$n = \sqrt{\frac{μ}{a^{3}}} + Δ n (3)$

式 (3) 中:μ—地球万有引力常数, 数值为3.986 005×1014m3/s2;

a—卫星轨道的长半轴。应注意, 星历数据中是 $\sqrt{a}$ 。

首先, 对发射时刻tc的GPS时进行修正。若tc-toe>302 400, 则tc⇒tc-604 800;若tc-toe<-302 400, 则tc⇒tc+604 800。式中tc由式 (2) 获得。

接着, 求出平近点角M:

M=M0+n (tc-toe) (4)

式 (4) 中n由式 (3) 获得。

根据式 (4) , 求出偏近点角E:

E=M+esinE (5)

式 (5) 中M由式 (4) 获得。

由于式 (5) 是非线性的, 因此需要用迭代法求出E。迭代步骤如下:

1) 设置偏近点角E0初始值, 一般设为平近点角M;

2) 使用式 (5) 计算出结果, 然后计算结果和E0的均方差ε;

3) 将ε与门限比较, 如果大于门限, 将计算结果代入式 (5) , 继续重复步骤1) , 如果小于门限, 结束迭代。

此时就可以算出卫星到地球的距离:

$r = a (1 - e c o s E) (6)$

式 (6) 中E由式 (5) 获得。

接下来计算相对论修正项:

$Δ t_{r} = F e \sqrt{a} \sin E (7)$

式 (7) 中:F—常数, 数值为 $- 4.442 807 633 \times 10^{- 10} s / m^{\frac{1}{2}}$ ;

E由式 (5) 获得。

总的时间修正项由式 (8) 就可以得到:

$Δ t = a_{f_{0}} + a_{f_{1}} (t_{c} - t_{o c}) + a_{f_{2}} (t_{c} - t_{o c})^{2} + Δ t_{r} - Τ_{G D} (8)$

式 (8) 中tc由式 (2) 获得, Δtr由式 (7) 获得。

此时, 对发射时间的GPS时间进行再一次修正:

t=tc-Δt (9)

式 (9) 中tc由式 (2) 获得, Δt由式 (8) 获得。

真近点角可由式 (10) 求出:

$v_{1} = \cos^{- 1} (\frac{c o s E - e}{1 - e c o s E});$

$v_{2} = \sin^{- 1} (\frac{\sqrt{1 - e^{2}} s i n E}{1 - e c o s E});$

v=v1sign $(v_{2}) (10)$

式 (10) 中:sign (·) —决定·的符号, 等于+1或者-1。

由此可得角度φ:

φ=ν+ω (11)

式 (11) 中:ν—真近点角, 由式 (10) 计算得出。

需要的修正项如式 (12) 所示:

这三项修正项用于修正下列项:

式 (13) 中:r—卫星到地心的距离, 由式 (6) 计算出;

升交点和格林威治子午线之间的夹角Ωer可由下式给出:

$Ω_{e r} = Ω_{e} + \dot{Ω} (t - t_{o e}) - \dot{Ω}_{i e} t (14)$

式 (14) 中: $\dot{Ω}_{i e}$ —WGS-84坐标系中的地球自传速率, 数值为7.292 115 146 7×10-5 rad/s;

最后将参数计算结果待入以下方程, 求出卫星的位置:

$[\begin{array}{l} x \\ y \\ z \end{array}] = [\begin{array}{l} r c o s Ω_{e r} \cos φ - r s i n Ω_{e r} c o s i s i n φ \\ r s i n Ω_{e r} \cos φ - r c o s Ω_{e r} c o s i s i n φ \\ r s i n i s i n φ \end{array}] (15)$

3 算法验证

首先读取导航电文, 提取所需的广播星历, 再用广播星历中的参数计算卫星位置, 从而验证利用广播星历计算卫星位置的精度。

GPS接收机为JNS—100, 以2009年7月5日广播星历为例计算出的卫星位置。星历预报见表2,

利用以上广播星历计算卫星位置, 误差统计结果见表3。

从表3可以看出, 利用广播星历计算卫星位置可以精确到小数点后三位。

4 结论

本文研究了基于广播星历的GPS卫星位置解算方法, 该算法模型简单, 计算量小, 采用迭代方式进行具有承袭性, 程序灵活方便, 实验结果表明, 此算法是正确的、可行的, 为GPS接收机研究打下了基础。

摘要：GPS定位中需要计算出卫星位置信息来确定用户位置。为快速准确定位, 必须得到精确的卫星位置。分析了GPS广播星历, 提出了一种利用广播星历和迭代法计算GPS卫星位置的方法, 该方法解算速度快、准确度高。

关键词：GPS,广播星历,迭代法,卫星位置

参考文献

[1]　Kaplan.E D.GPS原理与应用.蔻艳红, 译.北京:电子工业出版社, 2007:23—31

[2]　Borre.K软件定义的GPS和伽利略接收机.杨东凯, 张飞丹, 张波译.北京:国防工业出版社, 2009:103—107

[3]　周红进, 许江宁, 李方能.GPS卫星位置计算及精度鉴定方法研究.计算机测量与控制, 2005;13 (11) :1177—1179

GPS卫星信号发生器篇5

GPS卫星广播的导航电文是用户赖以导航定位的基础, 每颗卫星发射的导航电文包括:卫星星历、卫星时钟改正参数、电离层延迟改正参数、卫星的工作状态信息和C/A码转换到捕获P码的信息、全部卫星的概略历书等。

GPS星历参数是由地面运行控制中心根据对卫星的观测, 并外推计算得到, 通过卫星转发给用户, 主要用于用户的实时定位[1]。而历书信息则主要用于求解各卫星的概略位置, 预报未来一段时间内, GPS卫星的分布情况, 以辅助接收机搜索卫星, 加快信号捕获, 因此也具有十分重要的作用。

现在的GPS接收机大都利用GPS历书加快信号捕获, 也有的把卫星预报模块作为辅助模块之一 [2]。本文介绍了基于MATLAB语言的GPS卫星预报软件设计, 可以与基于MATLAB的GPS软件接收机组合成完整的软件系统[3], 也可以单独使用, 预报任一时刻可见GPS卫星的分布情况。

1 GPS历书信息

GPS的导航电文采用主帧、子帧、字码和页码格式, 每主帧电文长度为1500bit, 传送速率为50bit/s, 所以播发一帧电文需要30s时间。每帧导航电文包括5个子帧, 共有300bit。第1、2、3子帧各有10个字码, 这3个子帧的内容每30s重复一次, 每一小时更新一次, 第4、5子帧各有25页, 共有15000bit。一帧完整的电文共有37500bit, 需要750s才能够传送完, 花费时间达12.5min。GPS卫星的历书包含在导航电文的第四和第五子帧中, 图1为GPS卫星导航电文的基本格式图[4]。

GPS历书每12.5分钟广播一次, 寿命为一周, 可延长至6个月, 实际应用中通常认为数据的有效龄期为一个月, 因此其有效时间较长, 可以用于计算任意时刻天空中任意卫星的概略位置。其主要用途有两个: (1) 使卫星的码搜索有的放矢, 避免“满天搜星”。如果预先知道任意时刻所有卫星的概略位置, 接收机就可以只对视野中存在卫星进行搜索, 使GPS接收机在搜索卫星时做到有的放矢, 提高接收机相关器通道效率。 (2) 根据卫星概略位置及其运动规律, 可以计算卫星的概略多普勒频移, 缩小捕获的频域搜索范围, 加快捕获卫星信号。GPS接收机的启动时间是衡量接收机性能好坏的重要参数之一, 而卫星信号的快速捕获, 缩短接收机的启动时间也是目前GNSS业界的热点问题之一[5,6]。

广播星历包括6个轨道参数 (轨道根数) 和星历参考时刻Toe、3个卫星钟差改正数、9个摄动改正参数。而历书只提供各卫星的轨道参数和2个钟差改正数, 不包括9个摄动改正参数。因此GPS历书是广播星历的概略形式, 也被称为预报星历。其精度一般在20m 到40m之间[7]。各参数的具体意义列于表1。

2 GPS可见星预报

GPS卫星预报, 是指预报任一时刻在观测地点 (概略位置 (Xp, Yp, Zp) ) 可见GPS卫星的分布情况, 即可见卫星相对观测地点的方位、仰角信息。其实现过程是:先计算卫星在ECFF坐标系的位置, 然后计算卫星在站心坐标系的方位、仰角。

(1) 根据历书, 计算某一时刻卫星在ECFF坐标系下的位置 (Xs, Ys, Zs) , 在大多数GPS相关文献中都有详细计算步骤[8]:

① 计算GPS卫星运行的平均角速度n;

② 计算观测时刻t的平近点角Mk;

③ 计算观测时刻的偏近点角Ek;

④ 计算真近点角fk;

⑤ 计算升角距角Φk;

⑥ 计算卫星在轨道坐标系中的坐标;

⑦ 计算观测时刻t的升交点经度Lk;

⑧ 计算卫星在WGS-84坐标系中的位置。

(2) 计算卫星在站心地平直角坐标系下的坐标 (Xdp, Xdp, Xdp) 。站心地平直角坐标系是以测站为原点的左手坐标系, 其X轴指向过该测站的子午线, 北向为正;Z轴重合于该点上的WGS-84椭球法线, 向外为正;Y轴也位于该点的切平面, 东向为正, 有[2]:

其中:

式 (2) 中, Bp、Lp分别为测站的大地纬度和大地经度。

(3) 依据卫星的站心地平直角坐标系坐标 (Xdp, Xdp, Xdp) , 计算卫星的方位角和仰角。

$α = \arctan \frac{Y_{d p}}{X_{d p}} e = \frac{Ζ_{d p}}{\sqrt{X_{d p}^{2} + Y_{d p}^{2}}}$ (3)

3 基于MATLAB的卫星预报软件设计

MATLAB 是一套高性能的数值计算软件, 它将矩阵运算、数值分析、图形处理、编程技术结合在一起, 成为计算机辅助分析、设计、仿真、教学等领域不可缺少的软件。MATLAB 提供了图形化界面设计向导 (GUIDE) 开发环境, 采用GUIDE 开发环境进行用户界面设计操作方便、效率高, 可以达到所见即所得的编程效果, 利用这个开发环境, 可以在很短时间内设计出一个GUI。利用这些用户界面, 用户可以和计算机之间进行信息交流, 并通过编写控件的回调函数 (Callback) , 完成特定的功能。

根据卫星预报任务, 软件设计思路如下:

(1) 首先要读取事先下载到计算机上的最新历书文件, 并读取相应的历书参数;

(2) 观测站的概略位置以及预报的时间信息等参数的确定;

(3) 根据第2小节卫星预报原理, 完成可见星的视角计算。

根据软件设计思路, 完成MATLAB的GUI设计如图2所示, 包括历书文件的选取部分、参数设置部分、最终卫星方位、仰角显示图形部分等控件设计, 在“确定”按钮的回调函数中完成所有参数读取以及卫星预报计算。

图3为利用设计的GPS卫星预报软件, 预测2008年5月29日下午14点-15点时段, 北京可见GPS卫星分布情况。图4为某卫星预报软件的同时段预报图。

4 结束语

基于MATLAB的图形用户界面设计方法, 设计实现了GPS可见卫星预报软件。该软件设计过程简便, 界面直观, 参数设置方便, 预报实例对比表明结果正确可靠, 可为GPS历书应用及软件GPS接收机设计提供参考。

参考文献

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[2]曾凡河, 周晓卫, 邓才华, 等.基于VB6.0的GPS卫星预报软件的设计与实现[J].河南理工大学学报, 2005, 24 (2) :148-151.

[3]孙希延, 纪元法, 施浒立.GPS软件基带信号处理与定位实现[J].系统仿真学报:2007, 19 (24) :5832-5836.

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[5]郑袆, 王解光.GPS卫星预报星历的解码及卫星预报[J].工程勘察, 2000 (3) :52-55.

[6]王梦丽, 陈华明, 王飞雪.GPS历书数据的有效龄期[J].遥测遥控, 2007, 28 (3) :31-35.

[7]汤均博.GPS卫星预报星历的适用性[J].四川测绘, 2006, 29 (4) :166-167.

GPS卫星信号发生器篇6

烟草运输是高价值、高科技行业。由于烟草运输过程存在漏洞，在运输过程极易发生被盗、中途掉包、异地倒卖等现象，给企业造成巨大损失。一车烟草的价值少则百万元，多则四五百万元，使得运烟车有“流动金库”之称，司乘人员及烟草往往成了不法分子觊觎的目标，盗抢运烟车的事件时有发生，司乘人员生命安全也受到极大威胁;甚至还有个别司乘人员监守自盗。此外，运烟车在公路上超速行驶或疲劳驾驶也可能引发交通事故。以上种种迫切需要用一个高科技手段来对烟草运输实施有效地监控。

各级烟草企业目前都应用各种科技手段来解决业务运营中遇到的实际问题，以提升管理水平。各企业虽然积累了实践经验，但由于车辆动态信息的实时监控一直未得到解决，企业无法准确知道运行车辆的具体位置，无法与司机随时随地保持联系，不能为其灵活配送;司机只能凭个人经验确定路线，有时不能找到最佳路径，不仅延误时机而且增加运行成本;另外，客户也不能及时了解烟草配送过程情况，不能和企业本部协调配合。这些信息反馈不及时、不精确等问题，导致了烟草运送不及时以及企业运作成本居高不下的局面。

利用GPS卫星定位系统对烟草运输车辆进行监控，可随时清楚地掌握车辆行驶情况，不管汽车开到省内还是省外，一切都在掌握之中。充分运用GPS监控界面对车辆进行监控、调度、即时定位等多项操作，实现了车辆实时动态信息的全程管理。

二、系统结构

（一）系统设计目标

通过对烟草运输车辆的研究，确定以下设计目标：

采用GSM通信技术的GPRS/SMS业务、GPS全球卫星定位技术、GIS技术、计算机网络和数据库等技术，建立一个以总公司为总控中心、以其它分公司为分控中心、可通过互联网接入总控中心的用户终端工作站的综合烟草运输车辆卫星定位系统。系统由控制中心系统、无线通信平台(GSM)、全球卫星定位系统(GPS)、车载设备四部分组成一个全天候、全范围的烟草运输车辆监管平台。入网车辆主要是烟草运输车辆，也可以是烟草企业的公务用车。系统采用分组管理，不同类型的车辆归入不同分组，也可以按照用户指定的任意分类方法和分层方法来分组，便于管理。系统可对注册车辆实施动态跟踪、监控、调度、管理，实时记录车辆冷藏门开启次数、开启时间等功能。对于监控车辆，可以在电子地图上显示出来，并保存车辆运行轨迹数据，实时监控车内温度，一旦异常就把信息发送到中心。保证系统安全的前提下采用国际通用的系统规范和传输协议，实现与其他系统的网络连接和数据共享以及系统扩容。

（二）设计原则

系统高可靠稳定性:为保证系统能良好运作，在满足各项功能的同时，车载设备、总监控中心软硬件等必须有很高的稳定性和数据的安全和可靠性，充分考虑GSM通信条件对本系统的支持状况。

经济高效性:技术方案设计充分考虑市场经济原则，既有利于车辆的安全方便管理，又有利于降低系统投资成本，特别是运营成本，充分考虑总控中心的市场化经营模式。

系统的开放性:系统设计遵循开放性原则，能够支持多种硬件设备和网络系统，并支持二次开发;系统计算机网络可适应将来广域网的扩展。车辆通信终端智能化多接口结构，适应业务发展需要;最大限度利用原有部分设备，充分利用已有硬件设备和网络资源。

系统的可扩展性:对系统终期容量及网络发展设想进行方案设计，实现平滑扩容。采用智能接口技术，能够满足将来系统向3G等不同无线通信系统平台的平滑过渡，建立一个跨平台的网控中心。对于不同的通信平台，只需要在总控制中心分别设置一台前置设备进行数据交换即可实现连接。降低系统维护升级的复杂程度，提高系统更新、维护、升级的效率。

系统安全性:在互联网络中，防止非法用户享受服务，防止计算机病毒入侵。总体方案中提出了对车辆智能调度系统的闭环检测及网管方案，实现对整个网络的实时监控。软件设计及数据调度中采用纠错冗余技术，保证系统安全及准确性。

（三）系统总体结构

烟草运输车全球卫星定位系统以互联网为骨架，将监控中心、远程监控工作站、数据服务器、无线移动通信网、GPS车载终端有机地结合在一起，以互联网服务器为核心实现分布式多级监控，具有“经济、实用、性能价格比高、可伸缩性强”的优点。系统总体结构如图1所示。

（四）监控中心总体结构

监控中心采用多级体系结构，即总公司总控中心、各分公司分控中心及专控中心、用户终端工作站以及GPS车载终端和电子铅封设备。总控中心是整个系统的总控制中心;分控中心是根据系统要求建设的各地市或车队控制中心，可管理自己分控入网的车辆;用户终端工作站是针对车辆数目较少、不必建设分控中心的单位可以通过建设终端操作平台，直接接入总控中心或分控中心;车辆是安装车载设备的移动台，与中心系统通信完成系统功能。

全省所有的移动台都是通过GSM网络与总控中心通信，通信方式采用GPRS数据通信，为提高系统可靠性利用短消息作为数据通信的备份。通信系统采用GSM网络。系统所有数据都是通过总控中心接收、处理和分发。系统与移动网络的唯一接口位于总控制中心，这样可以节约系统建设成本，有利于统一管理。整个系统与移动接口只有一个，也就是说只有一条专线用来做系统的收发，相对于各分中心分别接入当地网络的数据处理方式，可大大节约系统成本。总控制中心与移动公司的短信网关和GPRS网关间通过专线接入。安装监控调度终端软件通过互联网接入总控中心管理单位车辆。监控中心总体结构如图2所示。

（五）核心基础软件的选择

操作系统选择：数据库服务器和各种处理服务器选择Windows 2003 server操作系统，监控调度终端、车辆管理分析系统等操作终端选用的是Windows 2000 professional操作系统。

数据库选择：数据处理与应用服务器等选用Microsoft SQL Server 2000作为主数据库。该数据库支持分布式管理、数据同步、数据仓库等技术，能够多线程同步存取记录，业界得到广泛应用。数据处理较少的设备如各种类型终端日志等采用Microsoft Access 2000作为本地数据库。该数据库是基于单机处理的小型数据库，数据处理能力不是很强，但小巧、灵活，适合于数据量较少的场合。

GIS软件选择：实现具有GPS定位功能的监控工作站采用桌面地图化软件。选用MapInfo公司的MapInfo MapX4.5作为地图开发构件，该软件是通用ActiveX控件，支持各种开发语言，功能强大。选用MapXtreme Server 2.5作为WEB服务器的GIS开发软件，这是基于Internet/Intranet的地图服务器开发软件，应用该软件可以使用户通过Internet浏览器查看车辆。

三、系统监控中心

（一）监控中心网络结构

监控中心是整个系统的控制中心，可以控制本系统中任何中心注册的车辆，控制各分控中心的权限等。监控中心提供整个系统唯一对外的通信接口(通信网关)，连接短消息服务中心、GPRS接入网关等。监控中心拥有整个系统唯一的数据中心，统一管理整个系统的注册车辆。监控中心系统结构图如图3所示。

监控中心从功能上划分，可以分为4个主要组成部分：通信子系统、数据库管理子系统、终端操作平台、分控接入系统。为直观表示，现在每个软件分布在每台机器上，对于烟草运输车GPS监控管理系统，可以把数据中心、应用服务器、互联网关安装在一台服务器上，通信子系统安装在一台服务器上。通信子系统的主要设备包括通信服务器、通信网关、短信前置机和GPRS前置机。通信子系统负责整个系统与车载设备的通信，其中GPRS前置机通过GPRS网络直接与车载终端通过TCP/IP进行通信。短信前置机是在车载设备GPRS不在线的情况下，系统下行数据的备份数据通道。

系统短信接入短信中心, 与短信中心进行通信，实现数据收发。GPRS接入采用INTERNET接入GPRS网络的方式，如图4所示。

在系统建设时不用与当地移动公司协商，只要系统具备一个互联网IP地址即可，目前整个GPRS网络支持从移动GPRS终端与互联网的通信，此种方式接入比较简单。数据库管理部分是系统数据库的核心管理部分，并负责监控整个系统的接入和维护。分控接入部分是监控中心对子级控制中心的唯一接口，分控中心通过互联网网关转发到监控中心的数据，从而把监控中心内网的设备与分控等其它系统设备有效的隔离，保证了监控中心运行的稳定性。监控中心中通信子系统、数据库管理子系统与分控接入部分的设备建议设在专用机房内，与操作平台分开，设专人管理。终端平台可设在监控大厅内，可完成系统日常的一般车载设备管理和监控控制操作。

（二）监控中心组成

应用服务器：应用服务器对系统中所有设备进行登录验证，这些设备包括监控工作站、车辆管理分析系统、交换机等。设备登录时，需要验证设备ID和系统口令，系统禁止同一设备重复登录。应用服务器的数据处理包括对设备信息，操作员信息，车辆信息，轨迹数据，日志信息，以及其它信息的保存，查询和数据路由。同时还包括数据同步。监控中心要监控分控中心的移动台，必须取得分控中心的移动台信息。但是各分中心的网管数据库中只保存属于本中心的移动台信息，所以系统设计了数据中心，数据中心数据库保存了所有的移动台信息。分中心对移动台信息所作的修改必须同时反映到数据中心数据库中，这就是应用服务器与数据中心之间的数据库同步。

通讯服务器：通讯服务器通过TCP/IP与系统各中心设备和下层设备通信。中心设备包括应用服务器，监控工作站等;下层设备包括通信网关。通讯服务器是GPRS系统中协议层的核心设备，负责整个系统中心设备和车载终端的所有协议转换。具体包括下行数据协议转换和上行数据协议转换。中心设备向车载终端发送指令时，由于只有一个下层设备通信网关，通讯服务器把所有指令发送给通信网关。车载终端向中心发送数据时，由通讯服务器通过保存节点或是向应用服务器路由的方式确定把数据发送个哪个特定的上层设备。其中，通信网关是GPRS系统中通信层的核心设备，所有车载终端上行的数据和中心下行的数据都必须通过通信网关。

监控工作站：监控工作站是网络监控中心或监控分中心的组成部分，与网关、网管通过局域网通信，可实现对车辆的监控、查询、监听、报警自动显示、车辆轨迹回放、地理信息查询、车辆调度文本信息发送、车辆黑匣子数据查询等一系列功能。

四、GPS卫星定位系统在烟草行业中应用

针对烟草行业应用，烟草运输车辆管理系统是监控中心或分控中心以及用户中心的组成部分，它为应用服务器提供注册、修改、注销车载终端用户的操作界面。同时为配置报警路由信息、车载终端参数提供操作界面，也整合了大量的烟草行业专门的业务分析管理工具。

在烟草行业的应用有以下各项业务内容:

（一）车辆监控

控制中心可以通过监控工作站选择监控单车或按特定条件组合的多车，控制中心主动监控烟草运输车辆，可以根据需要选择监控时间、车辆回传数据时间间隔、距离间隔、压缩数据回传等。

（二）实时定位

控制中心可以选择配置烟草运输车载设备，使其满足特定条件时车载终端主动上报位置数据。

（三）车载设备上报数据

烟草运输车载设备根据初始参数配置，自动向控制中心发送GPRS数据(GPRS在线)。

（四）车辆报警、报告功能

实现车辆报警、报告功能主要有以下几项：

车门开/关报告。其目的是统计车门打开的时间长度，保证车门不会被非法打开，造成烟草的丢失。

越出区域/进入区域报警。当烟草运输车越出/进入该报警区域时，终端会主动上传区域报警信息，并支持多区域报警。

路线报警。当烟草运输车偏离规定行驶的路线时，终端会主动上传报警信息;控制中心就可以警示司机不要随意行使。

区域/路线超速报警。如果烟草运输车速度超过最高限速或者超过指定区域内设定的速度值，并将持续一定时间后，车载终端将向控制中心报告，并在主机内记录。控制中心就可以警示司机减速慢行。

行车报警。车辆报警包括防劫报警、防盗报警、开车门报警、主电源断电报警、超速报警、越界报警、进入离开区域报警，电瓶电压过低报警等。

（五）报警监听

监控中心在收到报警或求助信息后可以选择监听该车辆。监听可通过语音网关与车载设备的手机电话通话来实现。

（六）远程控制

监控中心可以选择对车辆进行远程控制，包括控制油路关闭和开启控制、点火电源关闭和开启控制。

（七）车辆调度

车辆调度包括车辆指示、信息发布、信息下载、修改标题等。总控中心和各分控中心都具有车辆调度的功能。各控制中心可以采用单车调度、分组调度、分控调度的形式下发调度信息。各中心还具有区域调度的功能。当只需要对一定范围内的车辆进行调度时，可以先在地图上设定好需要调度的范围，然后再发送调度信息，那么只有在该范围内的车辆才可以收到调度信息。

车辆求助包括医疗求助、道路指引、故障求助、纠纷求助。在监控工作站上显示求助信息的内容和车辆的位置以及车辆资料信息。中心可以根据需要做相应处理如监控、监听等。

（八）车辆轨迹数据保存和回放

控制中心保存车辆的所有监控和报警数据，可以选择任意时间查询任意车辆的轨迹回放数据。轨迹回放时可以选择回放速度、回放时间、是否显示轨迹等。车载设备终端保存一定时期的黑匣子数据，控制中心可以查询保存在车载设备终端中的数据。

五、结束语

通过GPS卫星定位系统在烟草行业中的应用，构建了一个智能化的烟草车辆运输调度管理平台，实现既满足数据和语音、无线和有线调度管理的需要，又提供防劫报警的监控手段。以建设一个高度信息化，满足智能化调度、车辆监控管理、防劫报警、紧急救助等需求的现代化的管理系统，从而有效地提高烟草车辆的运营效率和效益，大力提升烟草行业管理水平，实现烟草车辆调度管理的现代化、实时化和信息化。

参考文献

[1]丹尼斯·罗迪.卫星通信.人民邮电出版社, 2002.

[2]吕海寰等.卫星通信系统.人民邮电出版社, 1994.

[3]吴鑫金, 姚凯学.基于GPS/GPRS的车辆监控调度系统.学位论文, 2006.

GPS卫星信号发生器篇7

众所周知, 目前较为成熟的通讯授时系统大部分都是基于GPS系统设计, 为尽早摆脱受制于人的状况, 我国加紧自行研制属于自己的导航系统, 北斗卫星导航系统是我国正在实施的自主发展、独立运行的全球卫星导航系统。北斗二代卫星系统自2007年第一个组网卫星发射, 至今已经发射19颗卫星, 已经具备亚洲区域覆盖。

2 卫星授时系统简介

卫星授时系统, 是由有源天线和接收机两部分组成, 所谓有源天线是由无源天线和低噪声放大器两部分组成, 采用同轴馈电方式。由无源接收天线接收的卫星信号经过低噪声放大, 然后通过同轴电缆传输至授时接收机。

3 设计依据

由于GPSL1频率为1575.42±1.023MHz, , 而而北北斗斗系系统统BB33为为1561.098±2.046MHz, 因此要求无源天线和低噪声声放放大大器器的的频频率率范范围围满足该要求, 目前市面上天线厂家已经能设计出符合合指指标标要要求求的的无无源源天天线, 因此有源天线的设计关键点是低噪声放大器设计计。。

4 方案设计

4.1 功率增益

功率增益是表征器件放大能力的一个参数, 功功率率增增益益定定义义为为负负载载吸收功率与输入功率的比值, 即

根据指标要求可以确定, 采用三级放大链路路即即可可满满足足增增益益要要求求, , 采用三级放大的依据是因为在高频段, 因需要满足稳稳定定性性要要求求, , 单单级级增增益不易做的过高, 而在L频段根据经验参数以15dd BB左左右右最最为为合合适适。。

4.2噪声系数

噪声系数是信噪比下降的度量, 定义为输入信信噪噪比比与与输输出出信信噪噪比比的比值, 即

其中Si和Ni是输入信号和噪声功率, So和NNoo输输出出信信号号和和噪噪声声功率。而级联系统的噪声系数为

其中Fcas是总噪声系数, F1和G1是第一级放大器的噪声系数和功率增益, F2和G2是第二级放大器的噪声系数和功率增益, 以此类推, 从上式可以看出越是靠前的放大器噪声系数对系统噪声系数贡献越大, 因此对第一级放大器噪声系数要求较高。

4.3 输入输出驻波比

输入输出驻波比是衡量匹配程度的一个量, 如果匹配良好, 不产生反射, 只有入射波, 没有反射波, 电缆各处电信号的幅度相等。如果匹配不好, 将产生反射, 电缆中入射波和反射波迭加, 使得沿电缆中一定距离电压或电流幅度呈周期性变化, 幅度最大值和最小值之比就叫驻波比。

目前厂商已经设计出噪声系数小于1d B的低噪声放大器成品, 该方案采用SPF5043Z, 电气性能参数如图1所示:

5 仿真结果