關(guān)鍵詞：導(dǎo)航技術(shù)；車載導(dǎo)航；天線增益；天線自激振蕩；有源集成天線

0引言

我國國民經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)中，汽車產(chǎn)業(yè)一直是戰(zhàn)略性、支柱性的產(chǎn)業(yè)，在推動(dòng)工業(yè)發(fā)展，加快現(xiàn)代化建設(shè)進(jìn)程方面，發(fā)揮著不可替代的重要作用。而全球定位系統(tǒng)（GlobalPositioningSystem，GPS）的出現(xiàn)和不斷成熟，也給汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展帶來了極大的便利。GPS的作用是為了利用GPS技術(shù)配合電子地圖來進(jìn)行行車定位、導(dǎo)航，能讓駕駛員隨時(shí)隨地知曉本車的確切位置，方便準(zhǔn)確地知道去往目的地最短或者最快的路線。

本文以實(shí)例介紹了GPS在車載導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用中出現(xiàn)GPS信號(hào)失效故障的分析過程，對(duì)車載導(dǎo)航的實(shí)際應(yīng)用及GPS天線及主機(jī)的系統(tǒng)有極大的設(shè)計(jì)及分析參考意義。

1全球定位系統(tǒng)

全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GlobalNavigationSatelliteSystem，GNSS）是一種利用導(dǎo)航衛(wèi)星進(jìn)行實(shí)時(shí)定位的系統(tǒng)[1]。而GPS則能夠依靠衛(wèi)星來對(duì)于時(shí)間和距離進(jìn)行測(cè)量，從而在全球范圍內(nèi)完成定位，它具有非常強(qiáng)的保密性和抗干擾性。

1.1車載GPS導(dǎo)航儀系統(tǒng)的組成

GPS導(dǎo)航系統(tǒng)的組成包括GPS天線和汽車導(dǎo)航系統(tǒng)。其中，汽車導(dǎo)航系統(tǒng)包含GPS信號(hào)接收模組、處理器、顯示屏、音頻處理及揚(yáng)聲器、按鍵和觸摸屏、存儲(chǔ)芯片以及地圖導(dǎo)航軟件等多個(gè)部分。隨著我國城市間交通越來越發(fā)達(dá)，人們對(duì)車載導(dǎo)航的需求越來越多。于是，越來越多的問題出現(xiàn)，如找不到目的地、交通阻塞和路線規(guī)劃不滿足車主需求等。GPS車載導(dǎo)航系統(tǒng)，不僅解決了以上問題，同時(shí)還能為人們出行提供便捷的服務(wù)，是現(xiàn)代每個(gè)車主必不可少的出行工具。

1.2GPS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的四大要素

GPS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的四大要素包括衛(wèi)星信號(hào)、信號(hào)傳播、信號(hào)處理和地圖數(shù)據(jù)庫。衛(wèi)星信號(hào)是由環(huán)繞地球的24顆衛(wèi)星以一定的格式發(fā)射，在傳播過程中經(jīng)過電離層、對(duì)流層然后被GPS接收機(jī)接收。接收機(jī)根據(jù)已編好的程序?qū)π盘?hào)的各種誤差進(jìn)行消除與減弱處理，并計(jì)算汽車位置坐標(biāo)與行駛速度等數(shù)據(jù)，最后與存儲(chǔ)在系統(tǒng)中的地圖數(shù)據(jù)庫相匹配，進(jìn)行查詢未知地點(diǎn)，選擇最佳路徑等，從而指導(dǎo)汽車行駛[2]。

1.3本實(shí)例車載導(dǎo)航系統(tǒng)的應(yīng)用

本文中的車載導(dǎo)航系統(tǒng)，以Linux嵌入式系統(tǒng)為基礎(chǔ)，利用基于ARM核的A7作為開發(fā)的硬件平臺(tái)，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)各個(gè)功能模塊的電路圖，包括GPS定位模塊、顯示模塊、陀螺模塊以及存儲(chǔ)模塊、MCU模塊、CAN網(wǎng)絡(luò)模塊、WIFI模塊和BT模塊、音頻處理模塊、功放模塊及各個(gè)接口模塊等[3]。同時(shí)，該導(dǎo)航系統(tǒng)將電子地圖存儲(chǔ)在系統(tǒng)的閃存中，可以自動(dòng)下載地圖并對(duì)地圖進(jìn)行更新。本車載導(dǎo)航系統(tǒng)的一個(gè)重要功能，即實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航、定位以及線路規(guī)劃的功能。

2車載GPS自激振蕩

本系統(tǒng)中故障現(xiàn)象為GPS導(dǎo)航系統(tǒng)主機(jī)不搜星，經(jīng)工程師現(xiàn)場(chǎng)及實(shí)驗(yàn)室測(cè)量排查，得出結(jié)論為車載GPS自激振蕩，導(dǎo)致GPS導(dǎo)航系統(tǒng)主機(jī)搜星異常。

2.1自激振蕩的定義

自激振蕩是指不外加激勵(lì)信號(hào)，即沒有外部信號(hào)的情況下，而自行產(chǎn)生的恒穩(wěn)而持續(xù)的振蕩。通俗來說，就是在放大器的輸入端不施加輸入信號(hào)，輸出端仍有一定的幅值和頻率的輸出信號(hào)，這種現(xiàn)象就是自激振蕩[4]。

2.2車載GPS自激振蕩的原理

自激振蕩電路通常由電源、放大器、濾波器和振蕩元件組成。其中，振蕩元件如振蕩管或晶體管提供了正反相互作用的反饋電路，使得電路能夠自我振蕩。當(dāng)振蕩元件產(chǎn)生了一個(gè)振蕩信號(hào)，放大器會(huì)將這個(gè)信號(hào)放大，而濾波器會(huì)將放大后的信號(hào)進(jìn)行頻帶限制，放大和頻帶限制后的信號(hào)會(huì)反饋到振蕩元件上，從而形成一個(gè)正反相互作用的閉環(huán)，使得電路能夠產(chǎn)生自激振蕩[5]。

3GPS搜星失效故障的分析與處理

3.1GPS失效故障的現(xiàn)象

車載導(dǎo)航GPS整車檢查時(shí)，發(fā)生車載導(dǎo)航主機(jī)GPS不搜星。

實(shí)車上嘗試做以下排查確認(rèn)。

第一步：直接用電腦在車上測(cè)試故障A天線，結(jié)果搜星正常。

第二步：將故障天線和主機(jī)與正常產(chǎn)品進(jìn)行ABA交叉測(cè)試，結(jié)果搜星正常。

第三步：將故障主機(jī)與故障天線拆下后放檢測(cè)臺(tái)上測(cè)試，結(jié)果搜星正常。

第四步：在故障車上用手去觸摸故障天線，結(jié)果觸摸后搜星恢復(fù)正常。

第五步：用頻譜分析儀在實(shí)車上測(cè)量故障天線及導(dǎo)航儀，發(fā)現(xiàn)在搜不到星車機(jī)上GPS天線的1575.00MHz頻段范圍測(cè)量到-45.0dBm的干擾。而在故障消失時(shí)測(cè)試，此時(shí)環(huán)境的干擾強(qiáng)度在-80.0dBm。因干擾導(dǎo)致車機(jī)GPS功能失效，會(huì)使搜星失敗，無法捕獲到4顆以上（含4顆）衛(wèi)星進(jìn)入導(dǎo)航模式為車載導(dǎo)航系統(tǒng)提供位置信息。該故障車機(jī)在實(shí)驗(yàn)室中臺(tái)架測(cè)試GPS搜星正常，GPS定位功能正常。

3.2GPS失效故障的分析

天線分為接收、發(fā)射兩種類型。接收天線分為有源（電源）和無源（電源）兩種［5］。無源接收天線不會(huì)發(fā)生自激振蕩干擾，但有源接收天線，因內(nèi)部有一個(gè)前置放大器及濾波器等電路，可能發(fā)生自激振蕩干擾。該實(shí)例中的車載導(dǎo)航儀使用的即有源集成天線。

因GPS天線內(nèi)部增益過大，天線產(chǎn)生自激干擾，導(dǎo)致的典型故障現(xiàn)象為車載導(dǎo)航儀定位失效。有源接收天線發(fā)生自激振蕩干擾的具體過程，當(dāng)前置放大器的反饋電路（自動(dòng)增益控制AGC電路）不能正?？刂圃鲆媲覟V波器性能下降不能有效濾除雜波，使得信號(hào)被一直放大直到放大器阻塞，致使有用的信號(hào)也不能通過放大器，所以GPS天線無法正常工作。

3.2.1天線增益測(cè)試

通過排查的現(xiàn)象和結(jié)果，將不搜星天線與搜星天線的增益參數(shù)在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測(cè)量搜集并對(duì)比：3根搜星天線的增益測(cè)量數(shù)據(jù)分別為：28.1dB、27.9dB和28.3dB；3根不搜星天線的增益測(cè)量數(shù)據(jù)為29.9dB、30.0dB和30.1dB。

根據(jù)GPS模組芯片提供的增益標(biāo)準(zhǔn)可知，GPS模組芯片輸入端增益標(biāo)準(zhǔn)＜44.0dB，根據(jù)GPS天線廠家提供的增益標(biāo)準(zhǔn)是（28.0±2.0）dB，車機(jī)天線輸入芯片LNA電路（信號(hào)放大濾波器）手冊(cè)提供的增益標(biāo)準(zhǔn)為18.5dB。由此可得出（GPS天線+LNA）增益最小增益為46.0dB，大于GPS芯片輸入增益標(biāo)準(zhǔn)（＜44.0dB），至少偏大2.0dB。因此，天線增益過大是導(dǎo)致自激振蕩干擾的主要原因。

3.2.2增益誤差分析

GPS天線前置放大器電路（圖1）中R5、R6位置的阻值誤差，對(duì)天線增益的誤差起關(guān)鍵作用。R5阻值為470Ω（誤差±5%），R6阻值為22Ω（誤差±5%），增益為28.0dB，因此總增益誤差為R5誤差和R6誤差之和，即±5%。由此得出總增益為（28.0±2.8）dB。該增益的誤差范圍較大，增益上限為30.8dB。圖1中前置放大電路中的AGC電路不能正?？刂圃鲆?，該濾波器電路不能有效去除干擾雜波信號(hào)。

3.2.3原因復(fù)現(xiàn)驗(yàn)證

驗(yàn)證條件：GPS信號(hào)發(fā)生器一臺(tái)，發(fā)射GPS信號(hào)頻率為1575.42MHz，發(fā)射功率為-85.0～20.0dBm，車載導(dǎo)航系統(tǒng)主機(jī)供電電源為12V。

用不搜星“天線+主機(jī)”進(jìn)行測(cè)試。發(fā)射功率為-81.7dBm時(shí)，導(dǎo)航搜星正常；當(dāng)發(fā)射功率加大至-23.4dBm時(shí)，導(dǎo)航不搜星。用手遮擋發(fā)射天線（相當(dāng)于用手觸摸天線安裝位置的儀表臺(tái)上方），搜星變?yōu)檎?。移?dòng)GPS天線線束位置后，搜星又變?yōu)檎！?/p>

進(jìn)行自激不良再現(xiàn)驗(yàn)證。將信號(hào)發(fā)生器連接器并接入車載導(dǎo)航主機(jī)，使用信號(hào)發(fā)生器發(fā)射出1575.42MHz的信號(hào)，調(diào)整發(fā)射功率，直至車載導(dǎo)航系統(tǒng)搜星異常。系統(tǒng)模擬自激時(shí)，頻譜探測(cè)條件：center為1600.00MHz，帶寬Span為30.00MHz。異常時(shí)，探測(cè)干擾信號(hào)中包含1600.00MHz。

通過驗(yàn)證可知，當(dāng)信號(hào)過大時(shí)，會(huì)導(dǎo)致GPS天線不搜星；故障天線增益過大，天線產(chǎn)生自激干擾，導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)不搜星故障發(fā)生。當(dāng)系統(tǒng)在接收過強(qiáng)信號(hào)時(shí)，天線內(nèi)部的放大器處于飽和狀態(tài)，導(dǎo)致導(dǎo)航系統(tǒng)自激。此時(shí)的天線回路由原來的正反饋?zhàn)兂韶?fù)反饋，導(dǎo)航系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)無法搜星的異常故障。

進(jìn)一步分析可得，干擾信號(hào)1600.00MHz的信號(hào)強(qiáng)度大，且在GPS信號(hào)頻段1575.42MHz附近，天線濾波器電路不能將干擾信號(hào)濾除，而有用的GPS頻點(diǎn)信號(hào)不能通過放大器電路。這就導(dǎo)致系統(tǒng)產(chǎn)生了一個(gè)1600.00MHz的振蕩信號(hào)，放大器電路同時(shí)將這個(gè)信號(hào)放大，而濾波器會(huì)將放大后的信號(hào)進(jìn)行頻帶限制。放大和頻帶限制后的信號(hào)會(huì)反饋到振蕩電路中的元件上，從而形成一個(gè)正反相互作用的閉環(huán)，使得天線電路產(chǎn)生自激振蕩。有用的GPS頻點(diǎn)1575.42MHz則未進(jìn)入到GPS模塊電路中。通俗地說，就是GPS天線給自己發(fā)送信號(hào)放大后再接收，無窮循環(huán)。

3.3GPS失效故障的處理方法

遇到這種因GPS天線自激干擾導(dǎo)致導(dǎo)航系統(tǒng)無法搜星而失效的故障時(shí)，可以采取一些臨時(shí)措施：請(qǐng)?zhí)炀€廠家在產(chǎn)品性能測(cè)試環(huán)節(jié)增加判定天線增益指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)，由（28.0±2.0）dB的指標(biāo)修改為26.0～28.0dB。

如果要永久排除上述問題，需要進(jìn)行如下措施：天線供應(yīng)商修改設(shè)計(jì)，在天線的LNA輸入端增加前置濾波器，更好地抑制外界干擾；在GPS天線前置放大器電路設(shè)計(jì)上，采用誤差精度為1%的電阻；對(duì)GPS天線中LNA電路進(jìn)行降增益處理，將接收到的GPS信號(hào)進(jìn)行放大，并自動(dòng)調(diào)整其增益，以達(dá)到理想的信號(hào)接收質(zhì)量，達(dá)到系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3.4優(yōu)化測(cè)量天線增益對(duì)比

在天線的LNA輸入端電路增加前置濾波器，能更好地抑制外界干擾。圖2所示為未增加前置濾波器的天線增益，圖3所示為增加前置濾波器的天線增益，可以看出，增加前置濾波后，天線對(duì)低頻和高頻的帶外抑制水平提高，天線的抗干擾能力增強(qiáng)。

4結(jié)束語

如本文所述，如果車載導(dǎo)航系統(tǒng)中發(fā)生搜星定位失效，我們?cè)诜治鲈擃悊栴}時(shí)，GPS天線自激振蕩干擾導(dǎo)致的可能性較大。遇到此種情況，在設(shè)計(jì)中常用的方法為：增加源極負(fù)反饋穩(wěn)定電路；改進(jìn)偏置去耦電路；確保搭鐵良好；調(diào)整電路整體布局；以及對(duì)電路不匹配采用微調(diào)直流工作點(diǎn)等。而本文實(shí)例中，則是對(duì)電路增益不匹配采用微調(diào)增益性能指標(biāo)，以及調(diào)整天線前置放大器電路中的電阻精度，并對(duì)GPS天線中LNA電路進(jìn)行降增益處理，達(dá)到系統(tǒng)的穩(wěn)定性。而且通過驗(yàn)證，在天線的LNA輸入端增加前置濾波器，可更好地抑制外界干擾。