GPS信号接收机

第六讲GPS信号接收机GPS接收机的类型GPS接收机的基本结构GPS接收机的工作原理GPS接收机的基本性能检验GPS信号接收机—概念一种能够接收、跟踪、变换和测量GPS卫星导航定位信号的无线电接收设备，既具有无线电接收设备的共性，又具有捕获、跟踪和处理微弱的GPS卫星信号的特性。GPS接收机分类一、按用途分：（1）导航型接收机米级精度，实时数据处理（2）测地型接收机厘米级精度，测后数据处理（3）授时型接收机专用于时间测定车载型航海型航空型星载型（北斗电力全网时间同步管理系统、TD网）二、按载波频率分：（1）单频接收机只能接收L1载波信号，测定载波相位观测值进行定位。只适用于短基线(小于15km)的精密定位。（2）双频接收机可以同时接收L1和L2载波信号。可用于长达几千公里的精密定位。GPS接收机分类三、按通道数分：多通道接收机具有多个信号通道，每个通道只能连续跟踪一个卫星信号序贯通道接收机通常只有1~2个通道，在软件控制下，按时序依次对卫星信号进行跟踪和量测。量测一个循环所需时间较长。多路多用通道接收机通常只有1~2个通道，在软件控制下，按时序依次对卫星信号进行跟踪和量测。量测一个循环所需时间较短。GPS接收机分类信号通道：不同卫星的信号的经由天线进入接收机的“路径”，实现对卫星信号的跟踪、处理和测量。通常情况下民用类GPS设备有2～5条并行通道接收卫星信号。市面上的GPS接收器大多数是12并行通道型以及20并行通道型，这允许它们连续追踪每一颗卫星的信息。USB口54通道多用GPS65通道GPSUSBDongle接收器/记录器是否通道越多越好？在地面上使用是11-12颗（因为天线160度夹角），全向天线也就12颗，到了天空飞行器（物体）可以多收几颗（一定全向或二个以上天线），但也是从中取3-4颗信号最强、距离最近的有效卫星进行运算定位不少军用GPS都是5个通道，只是用4个通道定位，1个通道快速搜索所有可视卫星，并与其中4颗有效星比较，高出其中一个就替换，这样就保持4颗最强信号卫星。因此不是通道越高越好，一般地面上12颗就够了，什么16、18、20、24……都是软通道，是体现最多可搜索可视卫星的颗数，没有什么实际意义。四、按工作原理分：1.码相关型接收机利用码相关技术得到载波伪距观测值2.平方型接收机利用平方技术去掉调制信号，恢复载波信号。通过比较机内产生的载波与接收到的载波信号的相位差测定伪距。3.混合型接收机综合上述两种机器优点，测量工作中广泛使用4.干涉型接收机将卫星作为射电源，采用干涉测量方法测定测站间距离GPS接收机分类GPS/GLONASS集成接收机能同时接收和测量GPS和GLONASS两种卫星信号。已成为研制热点-美国3S导航公司1994年推出了R-100GPS/GLONASS商品集成接收机；1995年推出了改进的GNSS-200GPS/GLONASS集成接收机。美国Ashetech等几家公司正在积极研制。-中国航天工业总公司第704研究所于1995年研制成功样机。GPS/GLONASS集成接收机的优越性能够消除间隙时段能够实现真正的全球连续的精确导航能够以较短的数据采集时间获得较高的导航定位精度能够在繁杂的地形和地物环境下补偿被中断的卫星信号能够在一个星座因故不能使用时，而采用另一个星座GPS/GLONASS集成接收机的优越性单一GPS星座和GPS/GLONASS混合星座的位置测量精度比较单一GPS星座和GPS/GLONASS混合星座的二维位置差分测量精度的比较GPS接收机基本结构天线主机电源关于“GPS芯片”1．GPS芯片：目前国际上常用（常见到的/较流行的）GPS模块（OEM板）上的主芯片主要有3种。（1）美国SIRF（Sirf）（2）SONY（索尼爱立信/索爱）芯片（3）瑞士NENEM公司NEMERIX芯片2．三代芯片的核心：芯片硬件大同小异，只是内部软件起主要作用。所谓三代的核心技术只是在2代的基础上提高改进了软件的算法。其次是硬件也提供了质量标准。关于“GPS芯片”3.三代芯片软件主要功能：3代芯片软件提高升级：（1）算法改进提高搜星/定位速度时间。（2）通过软件滤波器提高抗干扰性能、信噪比及接收有效星颗数。（3）有的芯片实现软件DR航迹（转迹）推算，提高抗高楼、树荫、桥下遮挡及隧道功能。（4）软通道搜索，搜索提高可视卫星的通道数（可以12—24颗），人员、车辆、上下坡、姿态发生变化时、飞机、船舶星历状态发生变化时仍能继续定位。4．三代芯片硬件改进：（1）芯片功耗降低，体积减少（与2代比）。（2）提高抗干扰能力，全屏蔽或双芯片分开。GPS接收机天线天线：将GPS卫星信号的极微弱的电磁波能转化为相应的电流。前置放大器：将信号电流放大。对天线部分的要求•天线与前置放大器应密封一体，以保障其正常工作，减少信号损失；•能够接收来自任何方向的卫星信号，不产生死角；•有防护与屏蔽多路径效应的措施；•天线的相位中心保持高度的稳定，并与其几何中心尽量一致。天线种类•单板天线安装在一块基板上，属单频天线。•四螺旋形天线由四条金属管线绕制而成，底部有一块金属抑制板。可捕捉低高度角卫星；缺点是不能双频接收，常用于导航。•锥形天线利用印刷电路技术在介质锥体上制成导电螺旋表面。可用于单频机和双频机。相位中心于几何中心不完全一致。•微带天线介质板两边贴以金属片。结构简单、坚固，易于制造。可用于单频机和双频机。为今后的主要发展方向。GPS接收机天线可贴式GPS接收天线锥形天线微带天线船用天线GPS接收机主机(1)变频器及中频放大器经过GPS前置放大器的信号仍很微弱，为了使接收机通道得到稳定的高增益，并且使L频段的信号变成低频信号，必须采用变频器。(2)信号通道软硬件结合的电路，是接收机的核心。GPS接收机主机作用：•搜索并跟踪卫星•对广播电文信号实行解扩，解调出广播电文•进行伪距测量、载波相位测量和多普勒频移测量信号通道的类型序贯通道多路复用通道多通道序贯通道1个通道跟踪多颗卫星的信号1个跟踪周期大于20ms优点-结构简单，利于减少接收机的体积和重量；-由于采用单通道，各卫星信号在通道中的延迟相同，不存在信号间的路径偏差缺点-不能同时接收导航电文-控制软件较为复杂-难于保持载波信号的连续跟踪-对L1、L2信号的测量不同步，会降低电离层折射改正的精度多路复用通道1个通道跟踪多颗卫星的信号1个跟踪周期小于或等于20ms优点-量测周期短；-能在不同的卫星信号之间，以及L1和L2信号之间进行高速转换，不仅能获得导航电文，而且可以连续跟踪载波信号缺点-控制软件较为复杂-信噪比较多通道接收机为低多通道具有四个及以上信号通道，1个通道跟踪1颗卫星的信号优点-能够不间断跟踪每个卫星信号，从而可连续地量测测距码和载波-较高的信噪比缺点-各通道间存在信号延迟的偏差，须进行比对和改正-结构复杂(3)存储器•半导体存储器（内存）•内置软件（自测试软件、卫星预报软件、导航电文解码软件等）GPS接收机主机(4)微处理器GPS接收机主机工作步骤：•接收机开机后首先进行自检，并测定、校正、存储各通道的时延值•接收机对卫星进行搜索，捕捉卫星。对捕捉到的卫星信号进行牵引和跟踪，译码得到卫星星历。当同时锁定4颗卫星时，将C/A码伪距观测值连同星历一起计算测站的三维坐标，并按预置位置更新率计算新的位置•根据机内存储的卫星历书和测站近似位置，计算所有在轨卫星升降时间、方位和高度角•计算导航的参数•接收用户输入信号：测站名、测站号、作业员姓名、天线高等。(5)显示器：提供接收机工作信息液晶显示屏控制键盘GPS接收机主机GPS接收机主机一体化双频接收机蓝牙GPS接收机内电源一般为锂电池，为RAM存储器供电。外接电源可充电的直流镉镍蓄电池组或汽车电瓶。GPS接收机电源GPS接收机的主要任务当GPS卫星在用户视界升起时，捕获到待测卫星，并能够跟踪这些卫星的运行；对所接收到的GPS信号，具有变换、放大和处理的功能，测量出信号从卫星到接收天线的传播时间；解译出GPS卫星所发送的导航电文，实时地计算出测站的三维位置，甚至三维速度和时间。GPS信号用户设备GPS接收机（包括机内软件）测后处理软件包GPS接收机的软件功能—以测量系统为例1.观测计划编制软件产生卫星分布图，显示卫星高度和方位角2.观测数据预处理软件数据传输、分流，观测数据的平滑、滤波，统一数据文件格式等3.基线向量处理软件4.GPS网平差软件5.GPS网与经典地面网的联合平差软件6.数据库管理软件GPS接收机的工作原理1.码相关技术2.平方技术3.综合型技术1.码相关技术码跟踪回路载波跟踪回路码跟踪回路该回路中的PRN发生器，产生一个与卫星发射的测距码结构完全相同的复制码。在相关器中，对测距码和复制码进行相关分析，当相关系数最大时，可测定出卫星信号到达接收机天线的传播时间。把卫星信号和复制码混频，将混频后的信号通过带通滤波器，消去卫星信号中的伪随机噪声码（C/A码或P码），获取仅具有导航电文和载波的信号。载波跟踪回路去掉伪随机噪声码的卫星信号进入回路后，进行载波相位测量，并解调出导航电文。码相关技术的特点优点-既可进行伪距测量，又可进行载波相位测量，并能获得导航电文-良好的信噪比缺点-用户须掌握伪随机码的结构。但由于美国的SA政策，一般用户无法采用码相关技术获得L2载波的观测值，因而不能通过双频技术来减弱电离层折射的影响2.平方技术为了克服SA政策的影响，1982年美国学者Counselman提出了平方技术基本思想：本机振荡器产生一个参考载波信号，经倍频后与卫星信号混频，得到一个频率较低的信号，将该信号平方后，产生一个消去调制码（测距码和数据码）的纯载波信号。平方技术的特点优点-无需掌握测距码的结构，便能获得载波信号。从而可通过双频技术减弱电离层折射的影响，提高定位的精度。缺点-无法获得导航电文和时间信息，需通过其它方法获得星历。同时在作业开始和结束时须进行时间对比。-卫星信号平方时使信噪比降低。3.综合型技术利用数字化通信中的自相关技术，无需掌握测距码的结构，而能获得测距码相位的量测值。优点-无需掌握测距码的结构缺点-无法获得导航电文和时间信息。-由于获得的是测距码的相位，所以观测量的精度较低。GPS信号接收机的理想性能1.观测量大GPS基本观测量•C/A码、L1-P码和L2-P码的伪距测量值•C/A-L1载波、P-L1载波P-L2载波的相位测量值•多普勒频移测量值（载波相位变化率的瞬时观测值）•站星距离粗测值GPS信号接收机的理想性能2.具有同时跟踪和测量4颗以上GPS卫星的能力GPS信号接收机能否跟踪和测量多颗GPS卫星，取决于其具有的通道数通道数最小不能低于8个，最佳者为24个，甚至48个GPS信号接收机的理想性能3.具有双频甚至三频（对于GPSⅡF卫星而言）的接收能力单频接收机不适宜用于过长距离和厘米级精度的DGPS测量GPS信号接收机的理想性能4.内存容量大现有的接收机内存容量一般为0.5~80MB；存储时间长短，既取决于定位数据的更新率，又取决于被测卫星的多少-例：当被测卫星为5颗，数据更新率为15s，内存为1MB时，可存储14h的GPS数据GPS信号接收机的理想性能5.无故障时间长平均无故障时间（MTBF，meantimebetweenwithoutfailure）表征接收机的耐用性-美国军用标准为MTBF≥13000h。现有接收机为5000~60000h。GPS信号接收机的理想性能6.测量精度高现有GPS信号接收机的C/A码测距精度最高可达±20cm，最低为几米。GPS信号接收机的理想性能7.作业适应性强一台较理想的接收机，既能作静态定位，又能作动态测量，同时具有极微弱信号的探测能力和抗干扰能力。-例如，能够在森林或街区正常作业GPS信号接收机的理想性能8.低功耗、小而轻非手持式接收机应具有交、直流电的适应能力，而且对电源的电压范围