GSIJapan-21stofJune1999第八章GPS接收機§8.1GPS接收機及其分類1.GPS接收機的基本概念GPS用戶設備主要包括GPS接收機及其天線、微處理機及其終端設備以及電源等。其中接收機和天線是核心部分，習慣上統稱為GPS接收機。主要功能是接收GPS衛星發射的信號，并進行處理，獲取導航電文和必要的觀測量。GPS接收機的結構如圖所示天線前置放大器信號處理器微處理器導航計算機震蕩器用戶信息傳輸數據存儲器外部傳輸電源GPS接收機的主要結構組成：?天線（帶前置放大器）?信號處理器：用于信號識別與處理?微處理器：用于接收機的控制、數據采集和導航計算?用戶信息傳輸：包括操作板、顯示板等?精密震蕩器：產生標準頻率?電源GPS接收機按構成部分的性質和功能劃分：?硬件部分：上述的各種設備。?軟件部分：支持接收機硬件實現其功能，并完成各種導航和測量任務的程序。包括內軟件和外軟件。所謂內軟件是指諸如控制接收機信號通道，按時序對各衛星信號進行量測的軟件，以及固化在中央處理器中自動操作程序等。此類軟件已與接收機融為一體。外軟件是指處理觀測數據的軟件系統，一般以磁盤方式提供。無特別說明，通常所指的軟件均指外軟件。2.接收機類型（1）按工作原理劃分：?碼相關型接收機：能夠產生與所測衛星測距碼結構完全相同的復制碼。利用的是C/A碼或P碼，條件是掌握測距碼結構，也稱有碼接收機。?平方型接收機：利用載波信號的平方技術去掉調制碼，獲得載波相位測量所必需的載波信號。該機只利用衛星信號，無需解碼，不必掌握測距碼結構，稱無碼接收機。?混合型接收機：綜合利用了碼相關技術和平方技術的優點，同時獲得碼相位和精密載波相位觀測量。目前廣泛使用。（2）根據接收機信號通道類型劃分：?多通道接收機：具有多個衛星信號通道，每個通道只連續跟蹤一個衛星信號。也稱連續跟蹤型接收機。?序貫通道接收機：只有1-2個信號通道，為了跟蹤多個衛星，在相應軟件控制下按時序依次對各衛星信號進行跟蹤量測。依次量測一個循環所需時間較長（大于20ms），對衛星信號的跟蹤是不連續的。?多路復用通道接收機：與序貫通道接收機相似，也只有1-2個信號通道，在相應軟件控制下按時序依次對各衛星信號進行跟蹤量測。依次量測一個循環所需時間較短（小于20ms），可保持對衛星信號的連續跟蹤。（3）根據所接收的衛星信號頻率劃分：?單頻接收機（L1）：只接收調制的L1信號，雖然可利用導航電文提供的參數，對觀測量進行電離層影響修正，但由于修正模型尚不完善，精度較差，主要用于小于20km的短基線精密定位。?雙頻接收機（L1+L2）：同時接受L1、L2兩種信號，利用雙頻技術，可消除或減弱電離層折射對觀測量的影響，定位精度較高。（4）按接收機用途劃分：?導航型：用于確定船舶、車輛、飛機等運載體的實時位置和速度，保障按預定路線航行或選擇最佳路線。一般采用測碼偽距為觀測量的單點實時定位或差分GPS（RTDGPS）定位，精度低，結構簡單，價格便宜，應用廣泛。?測量型接收機：采用載波相位觀測量進行相對定位，精度高。觀測數據可測后處理或實時處理（RTK），需配備功能完善的數據處理軟件。與導航型相比，結構復雜，價格昂貴。?授時型接收機：主要用于天文臺或地面監控站，進行時頻同步測定?！?.2GPS接收機通道的概念接收機信號通道可理解為GPS衛星發射的信號經由天線進入接收機的路徑。當接收機的全向天線接收到所有來自天線水平面以上的衛星信號之后，必須首先將這些信號隔離開來，以便進行處理和量測——通過接收機內若干分離信號的通道來實現。通道是由硬件和相應的軟件組成。每個通道在某一時刻只能跟蹤一顆衛星的一種頻率信號，當接收機需同時跟蹤多個衛星信號時，原則上可采用兩種跟蹤方式：一是接收機具有多個分離的硬件通道，每個通道都可連續的跟蹤一個衛星信號；二是一個信號通道在相應軟件的作用下，跟蹤多個衛星信號。根據跟蹤衛星信號的方式不同，通道的類型分為：?序貫通道（sequencingchannel）?多路復用通道（multiplexingchannel）?多通道（multi-channel）根據通道的工作原理，即對信號處理和量測的不同方法，分為：?碼相關型通道（correlationchannel）?平方型通道（squaringchannel）?碼相位型通道（codephasechannel）§8.3接收機天線1.天線的作用與要求天線的基本作用是把來自于衛星信號的能量轉化為相應的電流，并經前置放大器進行頻率變換，以便對信號進行跟蹤、處理和量測。天線的基本要求：?天線與前置放大器應密封為一體，保障在惡劣氣象環境下正常工作。?天線應呈全圓極化：要求天線的作用范圍為整個上半球，天頂處不產生死角，保障能接收來自天空任何方向的衛星信號。?天線必須采取適當的防護與屏蔽措施：例如加一塊基板，盡可能地減弱信號的多路徑效應，防止信號干擾。?天線的相位中心與其幾何中心的偏差應盡量小，且保持穩定。2.天線的類型：接收機天線有多種類型，其基本類型如下（1）單極或偶極天線：屬于單頻天線，結構簡單，體積小，通常安裝在一塊基板上，減弱多路徑影響。（2）四線螺旋形或螺旋形結構天線：屬于單頻天線，結構較單極天線復雜，生產中難以調整，但增益性好，一般不需底板。（3）微波傳輸帶型天線：簡稱微帶天線。結構最為簡單和堅固，即可用于單頻，也可用于雙頻，天線高度低，是安裝在飛機上的理想天線。缺點是增益性低，但可采用低噪聲前置放大器加以彌補。（4）錐柿形天解線：困也稱東盤旋偏螺線見型天靠線。肥可同拉時在斑兩個蒼頻道戒上工衛作，臺優點裂是增溉益性械好，再但天越線較章高，構螺旋銷線在槳水平季方向厲上不掌完全賞對稱串，天馳線的孝相位茶中心擇和幾轎何中間心不熔完全爐重合彩。（5）帶燒扼流半圈的貍振子扯天線刑：簡娃稱扼州流圈包天線揮。19攜87年由腰美國吳航空身航天修局（NA剃SA）研鍋制。抓主要消特點每是可茫有效析地抑經制多期路徑黃誤差鍵的影敘響。臂缺點載是體沈積大朱，重騎量重朵。天線獲的品略質對司于減著少信遣號損征失，儀防止計信號概干擾溜和提翁高定錢位精博度具犧有重佩要意綠義。功為不宇斷完社善天裁線性享能，趨當前代天線阿設計大的主歉要任蝦務是各：?改善爸天線侍對不酷同GP憐S定位暢工作走的適聰應性挽。?提高證相位介中心絞的穩資定性桃。?加強拐抗干祝擾能遮力，眉減弱書多路息徑影擁響。?進一受步小賤型化據、輕稈型化里。?改進謀天線藏生產準工藝襪。幾種晨測量循型雙臟頻GP你S接收體機的穴主要潤參數Wild200STrimble4000SEAshtechDimensionNovAtelRPK-3151產地瑞士美國美國加拿大首產年代1994199219911995通道數691212體積cm31000478418811085重量kg1.62.51.61.0天線類型微帶微帶微帶扼流圈，微帶功耗W1054.15工作溫度0C-20-50-20-55-20-60-40-65標稱精度5-10mm+2ppmD10mm+2ppmD10mm+2ppmD5mm+2ppmD§8.朋4鋪GP壟S測量諒系統墻的軟歉件功爐能及合其發飽展GP柿S測量綁技術巾的軟丟件系阻統是深支持尺接收返機實歪現各箭種測籌量任尚務的孩基本苦條件采，功蹄能強僑大、拾品質鋒良好繁的數答據處就理軟潑件系們統，萬對改銳善定絡位精狂度，擾提高顧作業唱效率櫻和開注拓GP彈S應用借新領襪域都借具有勿重要也意義倉。測量憲型GP繁S接收吧機的澆數據擠處理爺軟件族系統撥由如貢下重坡要模艙塊組妨成；1.觀測丹計劃粗編制聾軟件：該儲軟件需可產肝生天雞空衛擁星分哥布圖嫁，顯柿示衛言星高枯度和東方位呼角，笑給出監表征古衛星坡幾何孩配置舍的精鬧度因滲子PD斧OP，以牽便選狐擇最聞好的斜衛星垃配置蒸和最知佳的凱觀測鞠時段獨。2.觀測謙數據競預處湯理軟歷件：主壞要功計能是劉對原繭始觀股測數躲據進州行編葉輯、輛加工快和整艘理，鍵分流協出各練種專鋤用信缸息文驗件，街為進頓一步污平差鹽做準遭備。?數據留傳輸牲：將GP渠S接收己機記般錄的揉觀測蘋數據促傳輸弱到磁哨盤或沃其它扎介質得上，軌以便拳進行離處理慮和保嗎存。?數據蕩分流堵：根藝據原件始記柴錄，應通過旬解碼院將各曉項數懸據分傷類整臘理，徹剔除殼無效附觀測慢值和沙冗余方信息計，形團成各獸種數蹈據文強件，系如星兄歷文洋件、怕觀測白文件冷和測伴站信蜻息文何件等醫，以儉供進立一步壟處理洗。?觀測徑數據高的平狠滑、椒濾波先：剔腥除粗生差并般進一竹步刪走除無紋效觀陸測值閃。?統一也數據等文件華格式塊：將擋不同趁類型良接收賄機的縮慧數據撿記錄煙格式慰、項虎目和笛采樣戶間隔換，生鉗成標細準的討文件是格式習（通臥過RI鵝NE跟X），蛋以便猾統一疑處理旺。?衛星角軌道嘆的標湖準化膚：統短一不規同來省源衛序星軌述道信支息的涼表達躬方式公、平筐滑GP布S衛星設每小籃時發骨送的辮軌道搞參數駁，使密觀測膨時段赤的衛倉星軌新道標瓣準化渡。?自動拘探測郵周跳禮，修陸復載穿波相劣位觀林測值仰。?對觀第測值恩進行昨必要漆的改泥正。?基線資向量穿的定逆義。3.基線吵向量晚處理甜軟件：?處理淹多臺爐儀器猛的同占步觀網測數柳據，且給出墳載波快相位刑觀測膏值差就分的希固定耽解和研浮動盤解。?同步勻邊觀封測數廟據的傳質量葛檢核腹，包同括觀秤測數盈據的鋒剔除營率、甚觀測疾值的趴殘差臨分析獎和不霧同時玻段重剃復觀攜測邊腹的精欣度檢跳核等賀。?應用牲廣播殖星歷室或精默密后剃處理旱星歷緞處理榜觀測軟數據能。?精密渣相對突定位虎數據麗處理介的軌耕道改求進法佛。?采用熄測碼植偽距艇或測妖相偽毫距，盾測定皺和精永化起史始站摘坐標愈的初肥始值怖。?處理蜜結果肺的輸足出值穴為測諒站點迎的空貼間直扛角坐枕標和丘大地證坐標揀、基捆線向怨量的池坐標首差、把基線侍的長輪度、喇方位自角和惠大地破高差伏，以畫及輸姻出量烏的方財差和庭協方葉差。?處理頃不同譜定位庫模式仿的觀迷測數由據，雄如靜芬態、療快速品靜態赤、準備動態筍和動欺態等來定位抹模式浮。?支持匠整周船未知史數的汽靜態申快速弊解算弄方法再。?支持麥以載詞波相禍位觀勻測量每為根以據的丟實時兔動態義定位蜻技術以（RT隊K或RT乳DG像PS）。4.贊GP瀉S網平野差軟雹件：?網的濃質量悉檢核縫，主搞要包蜓括網鉛中圖晴形（掌三角爺形和療多邊醒形）晴閉合流差的絕計算甚和檢驕核。?將基湊線向匠量的聲平差笑結果塑作為聞相關令觀測池量進帖行GP麗S網的蠻整體疏平差融。?平差敢結果膨給出其在WG蔑S-另84和用多戶要閥求的予坐標經系統處中的曬空間驕直角益坐標虹、大猜地坐脊標和總高斯吊平面男坐標寶及其登方差疫和協撒方差米。?能根螞據用啦戶要眼求選篇用不照同的辦平差漿方法息。5.導GP岡S網與餅經典蜓地面族網的第聯合忠平差勤軟件?兩網木之間肌轉換遭模型慮的選燃擇。?確定短網的驅方差態與協曉方差腸模型帥及網希的基俗準。?三維殘聯合環平差井及精忘度評廚定。?在大洽地坐肢標系濟或平箭面坐追標系修中的投兩維化聯合援平差距及精找度評親定。?平差華結果橫應給焰出在墻不同萄坐標掠系中敲網點償的坐戒標值護、兩衰網之志間的麗轉換喪參數吐及其依方差疊與協煎方差昌。?測區分內似桿大地濁水準嘩面的源擬合婚及正襪常高線的計再算。6.數據幣庫的勝管理脂軟件：主砍要功參能包膽括數岸據存費儲與詳檢索袍、測趕量成史果的賢歸檔乳以及數與國岡家控也制網奪或其學它系滅統軟陽件（攀如GI醋S）的籌接口尚等。軟件隆系統濕的研飲究與欄開發勵有力坐地推會動了GP晝S測量問技術芳的發幼展，研提高輝了GP壟S測量小技術水的現體代化咳水平敵，顯賊示了餅巨大拆的技諒術潛著力，印目前發展田趨勢主要殼是：?進一董步增否強數干據的病綜合葬處理兔功能門，支容持多寧種測陶