衛星如何與GPS系統通訊？看看GPS天線

瑪麗·克里斯蒂

天線提供任何基於衛星的系統所需的無線連結。以下是GPS的眾多天線。

天線

是GPS的連結。

在本文中，我們將介紹工作GPS天線的三個部分：

該

空間段

傳送位置，導航和定時（PNT）訊號，以及衛星狀態。

該

控制段

處理所需更正的遙測，跟蹤和控制（TTC）的訊號。

該

使用者段

接收PNT訊號，並提供我們已經越來越依賴於GPS資料。

此外，還可以控制衛星星座本身，提供不間斷的連續GPS覆蓋。

讓我們開始吧。

空間部分：衛星上的天線

天線一直是衛星的一部分，用於傳輸跟蹤訊號，因為視覺跟蹤的用途有限。現在在軌道上達到目前的GPS星座需要幾十年的時間。每代（塊）衛星都帶來了擴充套件功能和天線設計的改進。

GPS衛星塊

Block I

衛星，

1978-1985

在1978年至1985年間發射的Block I衛星，傳輸L1和L2訊號。它們有八個獨立定位的天線：兩個 用於GPS訊號的L波段天線，四個用於處理衛星和地面站之間TTC資料的S波段天線，以及兩個UHF天線，用於允許衛星車輛（SV）之間的通訊。

Block II

衛星，

1989-1997

Block II於1989年至1997年間啟動。第II組（IIA，IIR，IIR-M和IIF）內的每組SV都具有附加功能。Block II SV使用多元素陣列作為L波段訊號。

目前的12元陣列天線佈置在兩個同心環中，外環中有八個元件，內環中有四個元件。螺旋纏繞螺旋天線提供全地面覆蓋併產生右旋圓極化（RHCP）訊號。S波段天線處理TTC訊號，UHF天線允許SV互通。

圖1。 Block II / IIA衛星天線面板。來

圖2。 Block IIR衛星天線面板。來自GPS。

Block IIR在天線面板上集成了一個多元L波段天線陣列和一個UHF天線元件。包括S波段天線和高低頻帶W感測器天線。在準備IIR-M（現代化）SV時，更新了天線面板，增加了L1和L2訊號的增益。

圖3。 Block IIR-M衛星天線面板。來自GP

塊IIR-M傳送傳統訊號L1和L2。它還在L1和L2頻率上傳送新的軍用M程式碼訊號，在頻率L2上傳送新的民用訊號（稱為L2C）。

圖4。 Block IIF衛星天線面板。來自GPS。

Block IIF傳送IIR-M塊衛星的所有訊號，以及第3民用訊號L5，即生命安全訊號，還包括輔助接收天線。

Block III

衛星，

2018

年

最初的Block III衛星計劃於2018年底發射，並將在L1（L1C）上包括第4個民用訊號。隨著Block III SV的釋出，除了全地球天線陣列之外，還將包括點波束天線。

圖5。 Block III衛星天線面板。來自GPS。

當前的GPS星座

目前的GPS星座由31塊Block II衛星組成，混合了IIR，IIR-M和IIF。每個傳送的PNT訊號是L波段載波，資料，其唯一空間車輛號和用於直接序列擴頻（DSSS）調製的偽隨機噪聲數（PRN）測距碼的組合。

控制段：操作控制系統

操作控制系統（OCS）負責為GPS系統提供控制。它跟蹤軌道，同步定時和上傳資料訊息。

子系統包括AEP（架構演進計劃），其命令和控制可操作的GPS衛星星座和處理非執行衛星的LADO（發射/早期軌道，異常解析度和處置操作）系統。OCS由位於科羅拉多州施裡弗空軍基地的主控制站（MCS），備用MCS，專用地面天線和監測站組成。

監控站上的GPS接收器被動跟蹤所有SV上的導航訊號。MCS從監控站接收資料，對其進行處理，並使用S波段訊號透過地面天線將更新的導航資訊傳送到SV。地面天線還用於傳輸命令和接收健康狀況資料（遙測）。

使用的頻率是：

上行鏈路：1783。74 MHz

下行鏈路：2227。50 MHz

卡納維拉爾角，阿森松島，迪戈加西亞和誇賈林環礁共有四個專用的GPS地面天線。除此之外，控制部分還透過世界各地的地面站進行擴充，包括美國空軍衛星控制網（AFSCN）和國家地理空間情報局（NGA）。圖6顯示了天線位置。

圖6。控制段天線位置。來自GPS。gov的圖

對於Block III衛星，需要一個新的控制段。OSC計劃由下一代操作控制系統（OSX）取代，目前正在驗證初始硬體。

使用者段：GPS接收器

使用者部分包括所有民用，商用和軍用GPS接收器，每個接收器配備有內部或外部天線，用於捕獲從多個SV傳送的PNT訊號。GPS天線將高頻RHCP擴頻訊號轉換為中頻。天線需要相當小的頻寬，儘管設計用於從其他定位系統（如GLONASS或Galileo）獲取訊號的接收器已經擴充套件了頻率要求。最佳接待需要晴朗的天空訪問。

對於任何支援GPS的裝置，無論是行動電話，車輛，農場裝置，生命監控系統還是可穿戴裝置，都需要天線。有人認為天線是接收器中最重要的部分。一旦接收和翻譯，電子形式的訊號被髮送以進行進一步處理到對映程式，跟蹤應用或用於定時。

GPS的在多個裝置上可用性已依賴於微帶天線的發展，製造印刷電路板（PCB）的一部分，並且透過SnapTrack（現在的谷歌的一部分）開發的，與無線網路相齧合GPS資料擴充套件GPS技術。

透過將GPS訊號與從無線網路和地面/衛星增強系統等來源接收的訊號進行整合，GPS資料變得足夠精確，可以定位911手機並幫助飛行員安全降落飛機。要使用這些增強系統，接收器必須包括額外的天線和處理軟體以與GPS整合。

兩種型別的天線在GPS接收器，貼片天線和四線螺旋（四螺旋）中變得流行。

貼片天線

“貼片”天線的名稱源於它的構造方式 - 帶有饋線的陶瓷基板上的金屬片。貼片天線最初是外部天線，如圖7a所示，有5“和2”尺寸可供選擇。

圖7a。外貼片天線。照片來源：Robinson

圖7b顯示了襯底上的銅。能夠直接從頭頂接收來自衛星的訊號，它們在與天空平行時表現最佳； 衛星必須在地平線上方才能被拾取。

用作諧振腔的貼片天線現在被製造為微帶天線。微帶線重量輕，成本低，並整合到PCB中； 它們足夠小，可以設計成接收器，它們提供穩定且可重複的相位中心和出色的單頻特性。

圖7b。貼片天線在基板上。照片來源：Ro

另一種天線設計是四線螺旋（四螺旋）。這些天線是矩形的，由四個螺旋線組成，具有1/4或1/2轉相位。它們通常在接收器外部，並且可以用作遠端天線（即，與接收器物理分離並透過電纜連線到其上的天線）。

圖8顯示了Garmin GPS II，帶有可拆卸的四螺旋天線。透過在天線和接收器之間連線電纜，可以定位天線以獲得更好的接收效果。四螺旋天線檢測地平線上的衛星，但不直接在頭頂上拾取衛星。

圖8a。Garmin GPS II帶外接螺旋天線。

圖8b。遠端使用的外部連線。照片來源：

兩個天線的方向不同。貼片天線最好水平放置； 四螺旋天線最好垂直工作。兩者都提供全向增益。

天線可以是被動的或主動的。無源天線不對接收訊號提供額外的訊號處理； 它們使用更少的電力並且電纜長度有限。有源天線在將GPS訊號傳送到接收器之前放大GPS訊號，以補償電纜中的訊號損失。大多數都包含

低噪聲放大器（LNA）

，可能還有濾波器和線路驅動器。有源天線通常可以改善鎖定所需的時間。兩者都可用作微帶天線（在有源天線的情況下還有附加電路）。

對於可能難以獲得GPS訊號的環境，有時使用重新輻射天線。這些單元由電源，有源天線，發射天線和通訊鏈路組成，可以拾取GPS訊號並重新發送。一種用途是在室外使用再輻射天線，將訊號傳送到室內單元。

摘要

位於衛星上的GPS天線遍佈全球，整合到應用接收器中，使我們的系統能夠按時和正常執行。