隨著科學(xué)的發(fā)展，GPS天線應(yīng)用越來越廣泛，GPS天線的作用是將衛(wèi)星來的無線電信號(hào)的電磁波能量變換成接收機(jī)電子器件可攝取應(yīng)用的電流，GPS天線的大小和形狀十分重要，因?yàn)檫@些特征影響天線能接收微弱的GPS信號(hào)的能力。但這些都要按照GPS天線的原理來設(shè)計(jì)，下面就讓我們來學(xué)習(xí)一下GPS天線原理。

1.GPS天線簡(jiǎn)介

GPS就是通過接受衛(wèi)星信號(hào)，進(jìn)行定位或者導(dǎo)航的終端。而接受信號(hào)就需要用到天線。GPS天線分為內(nèi)置天線和外置天線。早期GPS手持機(jī)多采用外翻式天線，此時(shí)天線與整機(jī)內(nèi)部基本隔離，EMI幾乎不對(duì)其造成影響，收星效果很好。GPS天線有增益、駐波、噪聲系數(shù)、軸比四個(gè)重要參數(shù)。絕大部分GPS天線為右旋極化陶瓷介質(zhì)，其組成部分為陶瓷天線、低噪音信號(hào)模塊、線纜、接頭。

2.GPS天線構(gòu)造

GPS主要由三部分組成，包括GPS衛(wèi)星星座、地面監(jiān)控系統(tǒng)以及GPS信號(hào)接收機(jī)。

空間部分——GPS衛(wèi)星星座。目前共有32顆衛(wèi)星分布于6個(gè)軌道面，高度約為20183公里。軌道高，信號(hào)差、飛得慢、誤差大，但是單星覆蓋廣、壽命長(zhǎng)、所需衛(wèi)星少。軌道低，信號(hào)好、飛得快、誤差小，但是單星覆蓋小、壽命短、所需衛(wèi)星多。從理論上可以確保地面上任意時(shí)間任意地點(diǎn)至少收到4顆衛(wèi)星信號(hào)。

地面控制部分——地面監(jiān)控系統(tǒng)。地面監(jiān)控系統(tǒng)由均勻分布在美國(guó)本土和三大洋的美軍基地上的5個(gè)監(jiān)測(cè)站、一個(gè)主控站和三個(gè)注入站構(gòu)成。該系統(tǒng)的功能是：追蹤及預(yù)測(cè)GPS衛(wèi)星軌道，控制GPS衛(wèi)星狀態(tài)及軌道偏差。

用戶設(shè)備部分——GPS信號(hào)接收機(jī)。GPS信號(hào)接收機(jī)的任務(wù)是：能夠捕獲到按一定衛(wèi)星高度截止角所選擇的待測(cè)衛(wèi)星的信號(hào)，并跟蹤這些衛(wèi)星的運(yùn)行，對(duì)所接收到的GPS信號(hào)進(jìn)行變換、放大和處理，以便測(cè)量出GPS信號(hào)從衛(wèi)星到接收機(jī)天線的傳播時(shí)間，解譯出GPS衛(wèi)星所發(fā)送的導(dǎo)航電文，實(shí)時(shí)地計(jì)算出測(cè)站的三維位置，甚至三維速度和時(shí)間。GPS信號(hào)接收機(jī)的核心部件是GPS芯片，GPS芯片可以集成在手機(jī)中、專業(yè)GPS導(dǎo)航設(shè)備中。

3.GPS天線原理

在GPS天線單元設(shè)計(jì)中采用了高頻、低噪聲放大器，以減弱GPS天線熱噪聲及前面幾級(jí)單元電路對(duì)接收機(jī)性能的影響;在GPS天線原理中利用GPS衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航定位時(shí)，用戶接收機(jī)的主要任務(wù)是提取衛(wèi)星信號(hào)中的偽隨機(jī)噪聲碼和數(shù)據(jù)碼，以進(jìn)一步解算得到接收機(jī)載體的位置、速度和時(shí)間(PVT)等導(dǎo)航信息。信號(hào)載波處于L波段，兩載波的中心頻率分別記作L1和L2。衛(wèi)星信號(hào)參考時(shí)鐘頻率f0為10.23MHz，信號(hào)載波L1的中心頻率為f0的154倍頻，即：

　　fL1=154×f0=1575.42MHz (1)

　　其波長(zhǎng)λ1=475.75px;信號(hào)載波L2的中心頻率為f0的120倍頻，即：

　　fL2=120×f0=1227.60MHz (2)

　　其波長(zhǎng)λ2=610.5px。

兩載波的頻率差為347.82MHz，大約是L2的28.3%，這樣選擇載波頻率便于測(cè)得或消除導(dǎo)航信號(hào)從GPS衛(wèi)星傳播至接收機(jī)時(shí)由于電離層效應(yīng)而引起的傳播延遲誤差。偽隨機(jī)噪聲碼(PRN)即測(cè)距碼主要有精測(cè)距碼(P碼)和粗測(cè)距碼(C/A碼)兩種。其中P碼的碼率為10.23MHz、C/A碼的碼率為1.023MHz。數(shù)據(jù)碼是GPS衛(wèi)星以二進(jìn)制形式發(fā)送給用戶接收機(jī)的導(dǎo)航定位數(shù)據(jù)，又叫導(dǎo)航電文或D碼，它主要包括衛(wèi)星歷、衛(wèi)星鐘校正、電離層延遲校正、工作狀態(tài)信息、C/A碼轉(zhuǎn)換到捕獲P碼的信息和全部衛(wèi)星的概略星歷;總電文由1500位組成，分為5個(gè)子幀，每個(gè)子幀在6s內(nèi)發(fā)射10個(gè)字，每個(gè)字30位，共計(jì)300位，因此數(shù)據(jù)碼的波特率為50bps。

4、GPS天線選購(gòu)及GPS安裝注意事項(xiàng)

針對(duì)不同的應(yīng)用領(lǐng)域，應(yīng)該選擇不同類型的GPS天線，對(duì)一般的GPS用戶應(yīng)該考慮一下因素。一方面考慮天線類型，既是考慮所選擇的天線是否滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)中電波覆蓋的要求，從全向和定向天線等天線中選擇所需要的天線。另一方面考慮天線的電氣性能，選擇天線電氣性能的要求是：選擇天線的頻率帶寬、增益、額定功率等電氣指標(biāo)是否符合系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

安裝時(shí)，GPS天線安裝位置應(yīng)盡量避開山坡、樹林、高層建筑物、鐵塔、高壓輸電線等以防阻擋。天線主波束方向上應(yīng)有足夠的視界，天線正前方應(yīng)有盡可能寬的視角。一般要求以天線基點(diǎn)為參考，對(duì)障礙物最高點(diǎn)所成的夾角小于10度。GPS天線的架設(shè)位置應(yīng)避開風(fēng)口，以減小天線的風(fēng)載。在多雷雨地區(qū)，天線的架設(shè)位置應(yīng)避開雷擊多發(fā)地點(diǎn)，天線頭應(yīng)放在架有避雷針避雷范圍內(nèi)。