1 GPS 接收机灵敏度分析

GPS 接收机的灵敏度主要由两个方面决定:

一是接收机前端信号通路的增益及噪声性能， 二是基带部分的算法性能。接收机前端决定了接收信号到达基带部分时的信噪比; 基带算法则决定了解调、捕获、跟踪过程需要最小信噪比。

GPS 卫星的导航载波信号是L 频段( L 1 : 19cm; L2 : 24 cm) 的电波信号， 现行GPS 工作卫星采用L 波段的三种导航信号， 分别为L 1、L2、L3 ，其载波频率分别为: 1 575 42、1 227 60 和1 381. 05 MHzGPS 信号是从距地面20 000 km 的卫星发送到地面， 其L 1频段( f L1 = 1 575. 42 MHz) 自由空间衰减为:

根据GPS 接口控制文档( interface cONt ro ldocument ， ICD) 规定GPS 系统L 1频段C/ A 码信号强度的最小值为- 160 dBW， 而GPS 系统设计该频段中C/ A 码信号发射的有效通量密度( effect ive isot ro pic radiated pow er， EIRP) 为P=478. 63 W( 26. 8 dBW) [ 4] ， 若大气层衰减为2. 0dBW， 那么GPS 系统L 1 频段C/ A 码信号到达地面的强度为:

实际上由于GPS 接收机所对应的卫星仰角、受障碍物遮挡的原因， L 1 频段C/ A 信号到达接收机的强度可能会低于- 160 dBW。

2 GPS 接收机结构

GPS 接收机电路结构见图1。

提高GPS 接收机的灵敏度最重要是在接收前端减少最小可检测信号功率， 降低接收机的总噪声系数， 这样才能从噪声背景下提高信噪比。天线部分的第一级滤波器的作用是前置滤波， 是防止干扰影响低噪声放大， 不过他也增大了前级的噪声系数， 因此要选用小插损的滤波器， 如采用卡尔曼滤波技术可以极大地提高接收机精度。

在充分考虑信号之间的隔离之后,GPS接收机接收需要对GPS信号经过滤波器和低噪声放大后再送到后级处理,信号经过一级低噪放大和一级滤波器,才进入射频前端进行变频和模数转换处理。射频处理单元采用!超外差∀式多级变频区配滤波器的结构,便于解决高频电路在增益、精度和稳定性等方面的干扰问题。GPS接收机前端的特性由整个接收机的G/T值来表征。

设GPS接收机的射频前端可以分为n级,第i级的增益、噪声系数、等效噪声温度分别为Gi、NFi、Tei,GPS接收机总等效噪声温度Te为:

由上式可知,整个接收机的噪声温度受前

级影响最大,因此需要在前级采用较高增益、较低噪声系数的低噪声放大器。系统的G/T值为:

式中:Ga天线增益;

Ta天线噪声温度。

天线的噪声温度和天线尺寸大小、信号频率、天线方向图、摆放位置等都有关系,一般认为GPS天线噪声温度为Ta=100K。根据系统的G/T值即可以得到在一定输入信号功率下的接收信噪G/N0比:

式中:kBoltzmann常数,取1.38