1、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,（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
2、：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12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12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25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GPS 65通道GPS
3、 USB Dongle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： 码相关型接收机利用码相关技术得到载波
4、伪距观测值 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。 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 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-100 GPS/GLONASS商品集成接收机；1995年推出了改进的GNSS-200 GPS/ 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
5、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
6、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1224颗）
7、，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
8、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,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：
9、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L
10、1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
11、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
12、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,码相关技
13、术 平方技术 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
14、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
15、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,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
16、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GPS F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0.580MB；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，mean time between without failure）表征接
17、收机的耐用性- 美国军用标准为MTBF13 000h。现有接收机为500060 000h。,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不作过高要求。接收机内部最好安设有锂电池，以供野外作业。,GPS信号接收机的理想性能,9. 数据处理软
18、件功能强,内置软件：既能解算用户的位置、速度和时间，又能作数据编辑、数据压缩、数据管理、周跳探测、仪器自诊断等。 测后数据处理软件：观测数据的的初加工、预处理、基线向量解、网平差计算、坐标变换等。,GPS信号接收机基本性能检验的必要性,内部时延：GPS信号在接收机内部从一个电路到另一个电路的行进中，所产生的时间延迟。 监控内部时延的稳定性的需要,GPS信号接收机基本性能检验的必要性,接收机测得的用户在时元t 至第j 颗卫星的距离,Xj(t), Yj(t), Zj(t) 第j 颗卫星在时元t 的在轨位置 Xu(t), Yu(t), Zu(t) 用户天线在时元t 的在途位置 du(t) 接收机时钟
19、偏差等因素引起的站星距离偏差,至少观测4颗卫星，列出4个方程式,GPS定位精度取决于下列因素： 站星距离的测量误差 卫星的实时在轨位置误差 所测卫星在空间的几何分布,GPS信号接收机基本性能检验的必要性,适时检验GPS接收机的基本性能，是确保导航定位成果高精度的必需。,GPS信号接收机基本性能检验的方法,零基线检验 超短基线检验,零基线检验,零基线：两个接收单元共用一副天线单元而测定的距离，其值应为零。 目的：检验接收机内部时延的大小和稳定性 方法：零基线测量成果与其真值（X = Y = Z =0）比较，可鉴别内部时延的相对值。,零基线检验的优点,能够消除相位中心漂移对接收天线的影响 能够消除
20、大气传播对GPS信号的不良影响 能够消除卫星的星历误差 能够消除多路径效应的不良影响,超短基线检验,武汉测绘科技大学刘基余教授1991年提出 目的：便于野外作业者在GPS测量现场进行接收机的基本性能检验,超短基线检验方法,在一个地势开阔的检验场地上，依据被检测的GPS接收机的台数，测设一个边长为几米的几何图形（如三角形或四边形），并用钢卷尺精确测定边的实际长度，作为检测的真值。 将受检接收机安设在检验图形的各个节点上，进而作多个时段的定位测量。 处理和分析各接收机对的双差定位成果。这些成果与基线真值的差，便能客观反映各接收机对的仪器误差及其稳定性。,超短基线检验的优点,在几米长的超短基线上作双
21、差定位测量时，既可不顾及对流层和电离层时延改正的残差影响，又可消除星历误差和星钟误差，以及两台接收机的时钟误差。,几个概念,冷启动：初次使用时；电池耗尽导致星历信息丢失时；关机状态下将接收机移动1000公里以上距离。 热启动：距离上次定位的时间小于两个小时的启动。 温启动：距离上次定位的时间超过两个小时的启动。 对于20通道接收器，如果你在最后一次定位位置的附近，冷启动时的定位时间一般为35分钟，热启动时为1530秒。,A-GPS技术,1 什么是A-GPS？ A-GPS是相对于自主GPS而言的，自主GPS指的是通过直接接收卫星信号(仅仅接收卫星信号)完成定位、导航等操作。在现在电子设备的飞速发
22、展过程中，为了改善GPS的定位精度、加快定位时间、简化终端设计等出现了不同的辅助方案，这些统称为A-GPS。比如：为了加快GPS设备的定位时间以及改善弱信号条件的定位精度，通过辅助设备将计算的星历文件注入导航设备；为了简化终端设计，有些A-GPS方案通过辅助服务器实现定位，类似于移动通过基站提供的定位。,A-GPS技术,2 GPS芯片和A-GPS芯片有什么区别？GPS芯片和A-GPS芯片是从芯片RF部分的灵敏度和输出的数据类型加以区分的。从灵敏度角度，对于GPS芯片，本身的设计灵敏度非常高，通过天线直接可以接收卫星信号，不受环境噪声的影响，而A-GPS芯片则RF部分本身灵敏度比较低，需要辅助设备才能实现GPS功能；从输出的数据类型看，GPS芯片直接可以输出标准的NEMA格式数据，而A-GPS芯片则本身没有运算处理能力，只能完成GPS信号的解调，将解调后的卫星信号输出给处理器，通过处理器计算处理实现位置信息的输出。,软件GPS接收机,将软件无线电技术应用与卫星导航定位接收机上，达到目前硬件卫星导航定位接收机的技术水平。,软件GPS接收机,有利于提高精度 便于GPS信号的更新换代 便于多种算法集成于一台接收机 便于接收机低功耗、小型化目前尚处于开发试验阶段 难点在于将信号波道进行软件化及高效的信号处理算法,（完）,
