天线提供任何基于卫星的系统所需的无线连接。这里有很多GPS天线。
天线是GPS的链接。
在本文中，我们将介绍一个工作中的GPS天线的三个部分:
- 的空间段发送位置、导航和定时(PNT)信号，以及卫星状态。
- 的控制部分处理校正所需的遥测、跟踪和控制(TTC)信号。
- 的用户组接收PNT信号并提供我们所依赖的GPS数据。
此外，还可以控制卫星星座本身，提供不间断、连续的GPS覆盖。
让我们开始吧。
空间部分:卫星天线
天线一直是卫星传输跟踪信号的一部分，因为视觉跟踪的用处有限。它花了几十年的时间才到达现在轨道上的GPS星座。每一代卫星都带来了功能的扩展和天线设计的改进。
GPS卫星块
第一组卫星，1978-1985
1978年至1985年发射的一号卫星，发射L1和L2信号。他们有八个分别定位的天线:两个l波段天线用于GPS信号，四个s波段天线用于处理卫星和地面站之间的TTC数据，以及两个超高频天线用于卫星车辆(svv)之间的通信。
Block II卫星，1989-1997
Block II在1989年至1997年之间启动。区块II (IIA、IIR、IIR- m和IIF)中的每一组sv都有额外的功能。块II sv使用多元素阵列用于l波段信号。
所述12单元阵列天线设置为两个同心环，其中8个单元位于外环，4个单元位于内环。螺旋缠绕的螺旋天线提供全地球覆盖并产生右圆极化(RHCP)信号。s波段天线处理TTC信号，超高频天线允许SV内部通信。
图1所示。II/IIA座卫星天线面板。从图片GPS.gov
图2。遮挡IIR卫星天线面板。从图片GPS.gov
块IIR在天线面板上包含一个多单元l波段天线阵列和一个UHF天线组件。包括s波段天线和高、低波段w传感器天线。在准备IIR-M(现代化)sv时，天线面板进行了更新，增加了L1和L2信号的增益。
图3。块IIR-M卫星天线面板。从图片GPS.gov
块IIR-M传输遗留信号L1和L2。它还在L1和L2频率上传输新的军用m码信号，在L2频率上传输新的民用信号(称为L2C)。
图4。屏蔽IIF卫星天线面板。从图片GPS.gov
Block IIF发射IIR-M块卫星的所有信号，以及第三个民用信号L5，生命安全信号。还包括一个辅助接收天线。
Block III卫星，2018
最初的Block III卫星计划在2018年底发射，L1 (L1C)上将包含第4个民用信号。随着Block III sv的推出，除了全地天线阵列之外，还将包括一个点波束天线。
图5。Block III卫星天线面板。从图片GPS.gov
目前的GPS星座
目前的GPS星座由31颗II块卫星组成，其中包括IIR、IIR- m和IIF。每一个传输的PNT信号是l波段载波、数据、其独特的空间运载器号和伪随机噪声数(PRN)测距代码的组合直接序列扩频(DSSS)调制。
控制部分:运行控制系统
操作控制系统(OCS)负责为GPS系统提供控制。它可以跟踪轨道，同步时间，上传数据信息。
子系统包括指挥和控制运行GPS卫星星座的AEP(体系结构演变计划)和处理非运行卫星的LADO(发射/早期轨道、异常解析和处置操作)系统。OCS由位于科罗拉多州施里弗空军基地的一个主控制站(MCS)、一个备用MCS、专用地面天线和监测站组成。
监测站上的GPS接收器被动地跟踪所有svv上的导航信号。MCS接收来自监测站的数据并进行处理，通过地面天线使用s波段信号向SVs发送更新的导航信息。地面天线还用于发送命令和接收健康状况数据(遥测)。
所用频率为:
- 上行:1783.74兆赫
- 下行:2227.50兆赫
有四个专用的GPS地面天线位于卡纳维拉尔角、阿森松岛、迭戈加西亚和夸贾林环礁。此外，控制部分由世界各地的地面站加强，包括美国空军卫星控制网络(AFSCN)和国家地理空间情报局(NGA)的地面站。图6显示了天线的位置。
图6。控制段天线位置。从图片GPS.gov
对于Block III卫星，需要一个新的控制部分。OSC计划由下一代操作控制系统(OSX)取代，初始硬件目前正在验证中。
用户段:GPS接收器
用户部分包括所有民用、商用和军用GPS接收器，每个接收器都配有内部或外部天线，用于捕捉多个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，尽管用于接收其他定位系统(如GLONASS或Galileo)信号的接收器已经扩展了对频率的要求。为了获得最好的接收效果，需要有晴朗的天空。
任何具有gps功能的设备，无论是移动电话、车辆、农场设备、生命监控系统或可穿戴设备，都需要天线。有些人认为天线是接收器最重要的部分。一旦接收并翻译，电信号就会被发送去做进一步的处理。到映射程序、跟踪应用程序或用于计时。
GPS在多个设备上的可用性依赖于微带天线(作为印刷电路板(PCB)的一部分制造)的发展，以及SnapTrack(现在谷歌的一部分)开发的扩展GPS技术，将GPS数据与无线网络连接起来。
通过将GPS信号与来自无线网络和地面/卫星增强系统等来源的信号整合，GPS数据变得足够精确，可以定位911使用的手机，并帮助飞行员安全着陆飞机。要使用这些增强系统，接收器必须包括额外的天线和与GPS集成的处理软件。
目前在GPS接收机中流行的天线有两种，一种是贴片天线，另一种是四股螺旋天线。
贴片天线
“贴片”天线的名字来源于它的构造方式——在带有馈线的陶瓷基板上的金属贴片。贴片天线最初是如图7a所示的外置天线，有5”和2”两种尺寸。
图7。外部贴片天线。图片来源:鲁宾逊·克鲁兹;杰克·斯凯利提供的设备
图7b显示了基材上的铜。它们能够直接接收来自头顶卫星的信号，当它们与天空平行时表现最好;卫星必须在地平线以上才能被接收到。
贴片天线是一种谐振腔，现在被制成微带天线。微带重量轻，成本低，集成到PCB中;小到可以设计成接收器，它们提供稳定和可重复的相位中心和优秀的单频特性。
图7 b。贴片天线上底物。图片来源:鲁宾逊·克鲁兹;杰克·斯凯利提供的设备
另一种天线设计是四螺旋(四螺旋)。这些天线是矩形的，并由四个螺旋与1/4或1/2转相位。它们通常位于接收器外部，可以用作远程天线(即，与接收器物理分离并通过电缆连接的天线)。
图8显示了一个带有可拆卸的四螺旋天线的Garmin GPS II。通过在天线和接收器之间连接一根电缆，可以定位天线以获得更好的接收。四螺旋天线能探测到地平线上的卫星，但不能探测到头顶上的卫星。
图8。带外螺旋天线的Garmin GPS II。图片来源:鲁宾逊·克鲁兹;杰克·斯凯利提供的设备
图8 b。用于远程使用的外部连接。图片来源:鲁宾逊·克鲁兹;杰克·斯凯利提供的设备
这两个天线的方向不同。贴片天线最好水平放置;四螺旋天线的工作最好保持垂直。两者都提供全向增益。
天线可以是被动的，也可以是主动的。无源天线不为接收信号提供额外的信号处理;它们耗电少，电缆长度有限。主动天线在将GPS信号发送到接收器之前会将其放大，以补偿电缆中的信号损失。大多数包含一个低噪声放大器，可能是一个滤波器和线路驱动器。主动天线通常可以提高锁定所需的时间。这两种天线都可以作为微带天线(在有源天线的情况下，还可以附加电路)。
对于很难获得GPS信号的环境，有时会使用重新辐射天线。这些单元由电源、有源天线、发射天线和通信链路组成，接收GPS信号并重新发射它们。一种用途是在室外安装一个再辐射天线，将信号发送到室内设备。
总结
GPS天线，位于卫星上，分布在全球各地，集成到应用接收器，使系统使我们准时和轨道。
