基于AVR单片机的GPS信号模拟发射器的设计与实现(3)
（2）地面监控系统
地面监控系统包括地球上所有控制与监控卫星的设施。美国的GPS运行控制系统（OCS）包括监测站、主控站（MCS）以及上行线路天线。主控站设在美国Colorado州的Falcon空军基地，一天24小时从监测站接收数据，用以确定卫星是否有时钟或者年历变化以及检测设备功能是否正常。主控站根据监测信号的计算结果，每天向卫星发送1、2次新的导航与位置推算历信息。然后，卫星通过无线电信号将轨道的导航电文发送到GPS接收机。
（3）用户部分
GPS用户包括GPS接收机和用户受众。GPS接收机的体积虽然较小，仅使用几个集成电路，但是应用较广。GPS系统能够为GPS接收机提供可以处理的特殊编码卫星信号，被用来计算位置、速度和时间等信息。想要求得某点与卫星之间的距离，则需要测量无线电信号由卫星传播至该点的所用时间。假定卫星和接收机可同时生成相同的伪随机码，接收机本机代码与接收到卫星它随机代码的时间差即是信号的传播时间，该时间乘以光速就是该点至卫星的距离。根据三角测量法，计算位置（X、Y、Z）和时间需要用到四颗卫星。GPS接收机可提供导航、定位、定时和测量等功能。现在已有适用于飞机、轮船、地面交通工具和个人手提的导航接收机[1-5]。
GPS卫星已经发展了两代，目前最新的型号为GPS IIR-M和GPS IIF，分别由洛克希德•马丁公司和波音公司制造。
GPS IIR-M卫星已经成功发射了3颗。这种卫星采用了改进的天线，可以提供更大的信号功率，以便于地面接收机接收信号。另外，GPS IIR-M除了可以广播以前的军民用信号外，还增加了两种新的军用信号和第二种民用信号。新的两种军用信号提高了定位精度，并增强了抗干扰能力；第二种民用信号则采用了与第一种不同的频率，可以消除地球电离层引起的导航误差。美国波音公司完成 GPS IIF卫星的环境试验，该卫星是12颗GPS IIF卫星中的首颗。环境试验验证了卫星设备的完整性。GPS IIF将进一步提高定位精度和抗干扰能力，并增加第三种用于民航运输业的民用信号。
1.2.2 GPS接收机的工作原理及GPS天线
GPS由空间卫星星座、地面监控系统和用户接收设备三大部分组成。其中，用户接收设备通常成为“接收机”，它是实现GPS卫星导航定位的终端仪器。GPS接收机工作分为四步：首先，对卫星信号进行捕获；其次，跟踪卫星信号，保证能够连续测距；再者，解调导航电文，测量伪距、载波相位；最后，进行定位计算。
图1.2.2 GPS接收机工作原理图
接收天线部分完成射频信号的接收，即把卫星播发的电磁波转换成便于处理的电信号。具有优良指标的天线对提高整机的接收灵敏度、减小地形、地貌以及环境因素对设备的影响等方面有非常重要的作用。在天线单元的设计中，除保证宽波束、高增益、和宽轴比带宽外，天线单元在整个波束带宽内还应该提供均匀的幅度响应和均匀的相位响应。
1.2.3 国内外GPS信号模拟器的发展现状及趋势
卫星信号模拟器作为接收机特别是高端接收机的开发与验证的必备工具，其技术难点主要存在两个方面：由于模拟器仿真的信号是扩频、调幅、调频、调相的复杂信号，模拟器需要非常合理的软硬件构架和信号的生成方案。实际信号中存在多种延迟和干扰，模拟器中需要融入精确合理的误差模型，以实现信号的逼真模拟。今年来，国外涌现出一大批软件、硬件以及混合架构的模拟器，其功能强大、门类齐全，国内也成功研发了多款模拟器产品。