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卫星如何与GPS系统通信?

Marie Christiano 2019-03-29

天线提供任何基于卫星的系统所需的无线链接。以下是GPS的众多天线。yVW电子头条

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天线是GPS的链接。yVW电子头条

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在本文中,我们将介绍工作GPS天线的三个部分:yVW电子头条

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•该空间段发送位置,导航和定时(PNT)信号,以及卫星状态。yVW电子头条

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•该控制段处理所需更正的遥测,跟踪和控制(TTC)的信号。yVW电子头条

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•该用户段接收PNT信号,并提供我们已经越来越依赖于GPS数据。yVW电子头条

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此外,还可以控制卫星星座本身,提供不间断的连续GPS覆盖。yVW电子头条

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让我们开始吧。yVW电子头条

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空间部分:卫星上的天线yVW电子头条

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天线一直是卫星的一部分,用于传输跟踪信号,因为视觉跟踪的用途有限。现在在轨道上达到目前的GPS星座需要几十年的时间。每代(块)卫星都带来了扩展功能和天线设计的改进。yVW电子头条

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GPS卫星块yVW电子头条

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Block I卫星,1978-1985yVW电子头条

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在1978年至1985年间发射的Block I卫星,传输L1和L2信号。它们有八个独立定位的天线:两个用于GPS信号的L波段天线,四个用于处理卫星和地面站之间TTC数据的S波段天线,以及两个UHF天线,用于允许卫星车辆(SV)之间的通信。yVW电子头条

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Block II卫星,1989-1997yVW电子头条

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Block II于1989年至1997年间启动。第II组(IIA,IIR,IIR-M和IIF)内的每组SV都具有附加功能。Block II SV使用多元素阵列作为L波段信号。yVW电子头条

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目前的12元阵列天线布置在两个同心环中,外环中有八个元件,内环中有四个元件。螺旋缠绕螺旋天线提供全地面覆盖并产生右旋圆极化(RHCP)信号。S波段天线处理TTC信号,UHF天线允许SV互通。yVW电子头条

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图1. Block II / IIA卫星天线面板。来自GPS.gov的图片yVW电子头条

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图2. Block IIR卫星天线面板。来自GPS.gov的图片yVW电子头条

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Block IIR在天线面板上集成了一个多元L波段天线阵列和一个UHF天线组件。包括S波段天线和高低频带W传感器天线。在准备IIR-M(现代化)SV时,更新了天线面板,增加了L1和L2信号的增益。yVW电子头条

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图3. Block IIR-M卫星天线面板。来自GPS.gov的图片yVW电子头条

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块IIR-M发送传统信号L1和L2。它还在L1和L2频率上发送新的军用M代码信号,在频率L2上发送新的民用信号(称为L2C)。yVW电子头条

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图4. Block IIF卫星天线面板。来自GPS.gov的图片yVW电子头条

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Block IIF发送IIR-M块卫星的所有信号,以及第3民用信号L5,即生命安全信号。还包括辅助接收天线。yVW电子头条

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Block III卫星,2018年yVW电子头条

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最初的Block III卫星计划于2018年底发射,并将在L1(L1C)上包括第4个民用信号。随着Block III SV的发布,除了全地球天线阵列之外,还将包括点波束天线。yVW电子头条

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图5. Block III卫星天线面板。来自GPS.gov的图片yVW电子头条

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当前的GPS星座yVW电子头条

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目前的GPS星座由31块Block II卫星组成,混合了IIR,IIR-M和IIF。每个发送的PNT信号是L波段载波,数据,其唯一空间车辆号和用于直接序列扩频(DSSS)调制的伪随机噪声数(PRN)测距码的组合。yVW电子头条

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控制段:操作控制系统yVW电子头条

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操作控制系统(OCS)负责为GPS系统提供控制。它跟踪轨道,同步定时和上传数据消息。yVW电子头条

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子系统包括AEP(架构演进计划),其命令和控制可操作的GPS卫星星座和处理非运行卫星的LADO(发射/早期轨道,异常分辨率和处置操作)系统。OCS由位于科罗拉多州施里弗空军基地的主控制站(MCS),备用MCS,专用地面天线和监测站组成。yVW电子头条

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监控站上的GPS接收器被动跟踪所有SV上的导航信号。MCS从监控站接收数据,对其进行处理,并使用S波段信号通过地面天线将更新的导航信息发送到SV。地面天线还用于传输命令和接收健康状况数据(遥测)。yVW电子头条

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使用的频率是:yVW电子头条

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•上行链路:1783.74 MHzyVW电子头条

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•下行链路:2227.50 MHzyVW电子头条

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卡纳维拉尔角,阿森松岛,迪戈加西亚和夸贾林环礁共有四个专用的GPS地面天线。除此之外,控制部分还通过世界各地的地面站进行扩充,包括美国空军卫星控制网(AFSCN)和国家地理空间情报局(NGA)。图6显示了天线位置。yVW电子头条

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图6.控制段天线位置。来自GPS.gov的图片 yVW电子头条

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对于Block III卫星,需要一个新的控制段。OSC计划由下一代操作控制系统(OSX)取代,目前正在验证初始硬件。yVW电子头条

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用户段:GPS接收器yVW电子头条

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用户部分包括所有民用,商用和军用GPS接收器,每个接收器配备有内部或外部天线,用于捕获从多个SV发送的PNT信号。GPS天线将高频RHCP扩频信号转换为中频。天线需要相当小的带宽,尽管设计用于从其他定位系统(如GLONASS或Galileo)获取信号的接收器已经扩展了频率要求。最佳接待需要晴朗的天空访问。yVW电子头条

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对于任何支持GPS的设备,无论是移动电话,车辆,农场设备,生命监控系统还是可穿戴设备,都需要天线。有人认为天线是接收器中最重要的部分。一旦接收和翻译,电子形式的信号被发送以进行进一步处理......到映射程序,跟踪应用或用于定时。yVW电子头条

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GPS的在多个设备上可用性已依赖于微带天线的发展,制造印刷电路板(PCB)的一部分,并且通过SnapTrack(现在的谷歌的一部分)开发的,与无线网络相啮合GPS数据扩展GPS技术。yVW电子头条

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通过将GPS信号与从无线网络和地面/卫星增强系统等来源接收的信号进行整合,GPS数据变得足够精确,可以定位911手机并帮助飞行员安全降落飞机。要使用这些增强系统,接收器必须包括额外的天线和处理软件以与GPS集成。yVW电子头条

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两种类型的天线在GPS接收器,贴片天线和四线螺旋(四螺旋)中变得流行。yVW电子头条

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贴片天线yVW电子头条

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“贴片”天线的名称源于它的构造方式 - 带有馈线的陶瓷基板上的金属片。贴片天线最初是外部天线,如图7a所示,有5“和2”尺寸可供选择。 yVW电子头条

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图7a。外贴片天线。照片来源:Robinson Cruz; 杰克斯凯利提供的设备。yVW电子头条

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图7b显示了衬底上的铜。能够直接从头顶接收来自卫星的信号,它们在与天空平行时表现最佳; 卫星必须在地平线上方才能被拾取。yVW电子头条

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用作谐振腔的贴片天线现在被制造为微带天线。微带线重量轻,成本低,并集成到PCB中; 它们足够小,可以设计成接收器,它们提供稳定且可重复的相位中心和出色的单频特性。yVW电子头条

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图7b。贴片天线在基板上。照片来源:Robinson Cruz; 杰克斯凯利提供的设备。yVW电子头条

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另一种天线设计是四线螺旋(四螺旋)。这些天线是矩形的,由四个螺旋线组成,具有1/4或1/2转相位。它们通常在接收器外部,并且可以用作远程天线(即,与接收器物理分离并通过电缆连接到其上的天线)。yVW电子头条

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图8显示了GARMin GPS II,带有可拆卸的四螺旋天线。通过在天线和接收器之间连接电缆,可以定位天线以获得更好的接收效果。四螺旋天线检测地平线上的卫星,但不直接在头顶上拾取卫星。yVW电子头条

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图8a。GARMin GPS II带外置螺旋天线。照片来源:Robinson Cruz; 杰克斯凯利提供的设备。yVW电子头条

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图8b。远程使用的外部连接。照片来源:Robinson Cruz; 杰克斯凯利提供的设备。yVW电子头条

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两个天线的方向不同。贴片天线最好水平放置; 四螺旋天线最好垂直工作。两者都提供全向增益。yVW电子头条

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天线可以是被动的或主动的。无源天线不对接收信号提供额外的信号处理; 它们使用更少的电力并且电缆长度有限。有源天线在将GPS信号发送到接收器之前放大GPS信号,以补偿电缆中的信号损失。大多数都包含低噪声放大器(LNA),可能还有滤波器和线路驱动器。有源天线通常可以改善锁定所需的时间。两者都可用作微带天线(在有源天线的情况下还有附加电路)。yVW电子头条

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对于可能难以获得GPS信号的环境,有时使用重新辐射天线。这些单元由电源,有源天线,发射天线和通信链路组成,可以拾取GPS信号并重新发送。一种用途是在室外使用再辐射天线,将信号发送到室内单元。yVW电子头条

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摘要yVW电子头条

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位于卫星上的GPS天线遍布全球,集成到应用接收器中,使我们的系统能够按时和正常运行。yVW电子头条