GPS天線自激干擾導致車載導航失效的分析與處理

孫青 丁永

關鍵詞：導航技術；車載導航；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)濟產業(yè)結構中，汽車產業(yè)一直是戰(zhàn)略性、支柱性的產業(yè)，在推動工業(yè)發(fā)展，加快現(xiàn)代化建設進程方面，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技術配合電子地圖來進行行車定位、導航，能讓駕駛員隨時隨地知曉本車的確切位置，方便準確地知道去往目的地最短或者最快的路線。

本文以實例介紹了GPS在車載導航系統(tǒng)應用中出現(xiàn)GPS信號失效故障的分析過程，對車載導航的實際應用及GPS天線及主機的系統(tǒng)有極大的設計及分析參考意義。

1全球定位系統(tǒng)

全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)（GlobalNavigationSatelliteSystem，GNSS）是一種利用導航衛(wèi)星進行實時定位的系統(tǒng)[1]。而GPS則能夠依靠衛(wèi)星來對于時間和距離進行測量，從而在全球范圍內完成定位，它具有非常強的保密性和抗干擾性。

1.1車載GPS導航儀系統(tǒng)的組成

GPS導航系統(tǒng)的組成包括GPS天線和汽車導航系統(tǒng)。其中，汽車導航系統(tǒng)包含GPS信號接收模組、處理器、顯示屏、音頻處理及揚聲器、按鍵和觸摸屏、存儲芯片以及地圖導航軟件等多個部分。隨著我國城市間交通越來越發(fā)達，人們對車載導航的需求越來越多。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車載導航系統(tǒng)，不僅解決了以上問題，同時還能為人們出行提供便捷的服務，是現(xiàn)代每個車主必不可少的出行工具。

1.2GPS衛(wèi)星導航系統(tǒng)的四大要素

GPS衛(wèi)星導航系統(tǒng)的四大要素包括衛(wèi)星信號、信號傳播、信號處理和地圖數(shù)據(jù)庫。衛(wèi)星信號是由環(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、對流層然后被GPS接收機接收。接收機根據(jù)已編好的程序對信號的各種誤差進行消除與減弱處理，并計算汽車位置坐標與行駛速度等數(shù)據(jù)，最后與存儲在系統(tǒng)中的地圖數(shù)據(jù)庫相匹配，進行查詢未知地點，選擇最佳路徑等，從而指導汽車行駛[2]。

1.3本實例車載導航系統(tǒng)的應用

本文中的車載導航系統(tǒng)，以Linux嵌入式系統(tǒng)為基礎，利用基于ARM核的A7作為開發(fā)的硬件平臺，設計了系統(tǒng)各個功能模塊的電路圖，包括GPS定位模塊、顯示模塊、陀螺模塊以及存儲模塊、MCU模塊、CAN網(wǎng)絡模塊、WIFI模塊和BT模塊、音頻處理模塊、功放模塊及各個接口模塊等[3]。同時，該導航系統(tǒng)將電子地圖存儲在系統(tǒng)的閃存中，可以自動下載地圖并對地圖進行更新。本車載導航系統(tǒng)的一個重要功能，即實現(xiàn)導航、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導航系統(tǒng)主機不搜星，經(jīng)工程師現(xiàn)場及實驗室測量排查，得出結論為車載GPS自激振蕩，導致GPS導航系統(tǒng)主機搜星異常。

2.1自激振蕩的定義

自激振蕩是指不外加激勵信號，即沒有外部信號的情況下，而自行產生的恒穩(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，輸出端仍有一定的幅值和頻率的輸出信號，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。當振蕩元件產生了一個振蕩信號，放大器會將這個信號放大，而濾波器會將放大后的信號進行頻帶限制，放大和頻帶限制后的信號會反饋到振蕩元件上，從而形成一個正反相互作用的閉環(huán)，使得電路能夠產生自激振蕩[5]。

3GPS搜星失效故障的分析與處理

3.1GPS失效故障的現(xiàn)象

車載導航GPS整車檢查時，發(fā)生車載導航主機GPS不搜星。

實車上嘗試做以下排查確認。

第一步：直接用電腦在車上測試故障A天線，結果搜星正常。

第二步：將故障天線和主機與正常產品進行ABA交叉測試，結果搜星正常。

第三步：將故障主機與故障天線拆下后放檢測臺上測試，結果搜星正常。

第四步：在故障車上用手去觸摸故障天線，結果觸摸后搜星恢復正常。

第五步：用頻譜分析儀在實車上測量故障天線及導航儀，發(fā)現(xiàn)在搜不到星車機上GPS天線的1575.00MHz頻段范圍測量到-45.0dBm的干擾。而在故障消失時測試，此時環(huán)境的干擾強度在-80.0dBm。因干擾導致車機GPS功能失效，會使搜星失敗，無法捕獲到4顆以上（含4顆）衛(wèi)星進入導航模式為車載導航系統(tǒng)提供位置信息。該故障車機在實驗室中臺架測試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］。無源接收天線不會發(fā)生自激振蕩干擾，但有源接收天線，因內部有一個前置放大器及濾波器等電路，可能發(fā)生自激振蕩干擾。該實例中的車載導航儀使用的即有源集成天線。

因GPS天線內部增益過大，天線產生自激干擾，導致的典型故障現(xiàn)象為車載導航儀定位失效。有源接收天線發(fā)生自激振蕩干擾的具體過程，當前置放大器的反饋電路（自動增益控制AGC電路）不能正常控制增益且濾波器性能下降不能有效濾除雜波，使得信號被一直放大直到放大器阻塞，致使有用的信號也不能通過放大器，所以GPS天線無法正常工作。

3.2.1天線增益測試

通過排查的現(xiàn)象和結果，將不搜星天線與搜星天線的增益參數(shù)在實驗室進行測量搜集并對比：3根搜星天線的增益測量數(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準可知，GPS模組芯片輸入端增益標準＜44.0dB，根據(jù)GPS天線廠家提供的增益標準是（28.0±2.0）dB，車機天線輸入芯片LNA電路（信號放大濾波器）手冊提供的增益標準為18.5dB。由此可得出（GPS天線+LNA）增益最小增益為46.0dB，大于GPS芯片輸入增益標準（＜44.0dB），至少偏大2.0dB。因此，天線增益過大是導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，對天線增益的誤差起關鍵作用。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。

3.2.3原因復現(xiàn)驗證

驗證條件：GPS信號發(fā)生器一臺，發(fā)射GPS信號頻率為1575.42MHz，發(fā)射功率為-85.0～20.0dBm，車載導航系統(tǒng)主機供電電源為12V。

用不搜星“天線+主機”進行測試。發(fā)射功率為-81.7dBm時，導航搜星正常；當發(fā)射功率加大至-23.4dBm時，導航不搜星。用手遮擋發(fā)射天線（相當于用手觸摸天線安裝位置的儀表臺上方），搜星變?yōu)檎?。移動GPS天線線束位置后，搜星又變?yōu)檎！?/p>

進行自激不良再現(xiàn)驗證。將信號發(fā)生器連接器并接入車載導航主機，使用信號發(fā)生器發(fā)射出1575.42MHz的信號，調整發(fā)射功率，直至車載導航系統(tǒng)搜星異常。系統(tǒng)模擬自激時，頻譜探測條件：center為1600.00MHz，帶寬Span為30.00MHz。異常時，探測干擾信號中包含1600.00MHz。

通過驗證可知，當信號過大時，會導致GPS天線不搜星；故障天線增益過大，天線產生自激干擾，導致現(xiàn)場不搜星故障發(fā)生。當系統(tǒng)在接收過強信號時，天線內部的放大器處于飽和狀態(tài)，導致導航系統(tǒng)自激。此時的天線回路由原來的正反饋變成負反饋，導航系統(tǒng)會出現(xiàn)無法搜星的異常故障。

進一步分析可得，干擾信號1600.00MHz的信號強度大，且在GPS信號頻段1575.42MHz附近，天線濾波器電路不能將干擾信號濾除，而有用的GPS頻點信號不能通過放大器電路。這就導致系統(tǒng)產生了一個1600.00MHz的振蕩信號，放大器電路同時將這個信號放大，而濾波器會將放大后的信號進行頻帶限制。放大和頻帶限制后的信號會反饋到振蕩電路中的元件上，從而形成一個正反相互作用的閉環(huán)，使得天線電路產生自激振蕩。有用的GPS頻點1575.42MHz則未進入到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天線自激干擾導致導航系統(tǒng)無法搜星而失效的故障時，可以采取一些臨時措施：請?zhí)炀€廠家在產品性能測試環(huán)節(jié)增加判定天線增益指標標準，由（28.0±2.0）dB的指標修改為26.0～28.0dB。

如果要永久排除上述問題，需要進行如下措施：天線供應商修改設計，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計上，采用誤差精度為1%的電阻；對GPS天線中LNA電路進行降增益處理，將接收到的GPS信號進行放大，并自動調整其增益，以達到理想的信號接收質量，達到系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3.4優(yōu)化測量天線增益對比

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，天線對低頻和高頻的帶外抑制水平提高，天線的抗干擾能力增強。

4結束語

如本文所述，如果車載導航系統(tǒng)中發(fā)生搜星定位失效，我們在分析該類問題時，GPS天線自激振蕩干擾導致的可能性較大。遇到此種情況，在設計中常用的方法為：增加源極負反饋穩(wěn)定電路；改進偏置去耦電路；確保搭鐵良好；調整電路整體布局；以及對電路不匹配采用微調直流工作點等。而本文實例中，則是對電路增益不匹配采用微調增益性能指標，以及調整天線前置放大器電路中的電阻精度，并對GPS天線中LNA電路進行降增益處理，達到系統(tǒng)的穩(wěn)定性。而且通過驗證，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。