1、 GPS技术概要目录：1、GPS 工作原理2、GPS 系统组成3、GPS 接收机性能指标4、影响 GPS接收机性能的因素一、GPS 工作原理GPS定位系统的工作原理是由地面主控站收集各监测站的观测资料和气象信息,计算各卫星的星历表及卫星钟改正数,按规定的格式编辑导航电文,通过地面上的 注入站向 GPS卫星注入这些信息。测量定位时,用户可以利用接收机的储存星历或者接收卫星发布的星历数据得到各个卫星的粗略位置。根据这些数据和自身位置,由计算机选择卫星与用户联 线之间张角较大的四颗卫星作为观测对象。观测时,接收机利用码发生器生成的信息与卫星接收的信号进行相关处理,并根据导航电文的时间标和子帧计数测量
2、用户 和卫星之间的伪距。将修正后的伪距及输入的初始数据及四颗卫星的观测值列出 3个观测方程式,即可解出接收机的位置,并转换所需要的坐标系统,以达到定位目 的。二、GPS 系统组成1、GPS 的空间部分是由 24颗卫星组成(GPS 在轨工作卫星目前有 27颗工作卫星，整个星座的卫星序号为 1-32，现在空缺的为 2号、12 号、16 号、30 号和 32号。实际使用 24颗，其它是备用星。），它位于距地表 20200km的上空,均匀分布在 6 个轨道面上(每个轨道面 4 颗) ,轨道倾角为 55。GPS 卫星每隔12小时绕地球一周，卫星的分布使得在全球任何地方、任何时间都可观测到 4 颗以上的卫
3、星,并能在卫星中预存的导航信息。2. 地面控制系统地面控制系统由监测站(Monitor Station)、主控制站(Master Monitor Station)、地面天线(Ground Antenna)所组成,主控制站位于美国科罗拉多州春田市(Colorado Spring)。地面控制站负责收集由卫星传回之讯息,并计算卫星星历、相对距离,大气校正等数据。3.用户设备部分用户设备部分即 GPS 信号接收机。其主要功能是能够捕获到按一定卫星截止角所选择的待测卫星，并跟踪这些卫星的运行。当接收机捕获到跟踪的卫星信号后，就可测量出接收天线至卫星的伪距离和距离的变化率,解调出卫星轨道参数等数据。根据这
4、些数据，接收机中的微处理计算机就可按定位解算方法进行定位计算，计算出用户所在地理位置的经纬度、高度、速度、时间等信息。接收机硬件和机内软件以及 GPS 数据的后处理软件包构成完整的 GPS 用户设备。GPS 接收机的结构分为天线单元和接收单元两部分。接收机一般采用机内和机外两种直流电源。设置机内电源的目的在于更换外电源时不中断连续观测。在用机外电源时机内电池自动充电。关机后，机内电池为 RAM存储器供电，以防止数据丢失。目前各种类型的接受机体积越来越小，重量越来越轻，便于野外观测使用。其次则为使用者接收器,现有单频与双频两种,但由于价格因素,一般使用者所购买的多为单频接收器三、GPS 接收机性
5、能指标1、搜星数量GPS接收机接收到的卫星数量，分为可见卫星数量和实际使用数量。可见卫星数量在一定程度上能说明 GPS接收机的接收性能，一般在地球上任何一个开阔的区域，可以接收到 12-13颗卫星。有时候，在接收机上能看到编号错误的卫星，不能计入接收到的卫星数量。(GPS 在轨工作卫星目前有 27 颗工作卫星，整个星座的卫星序号为 1-32，现在空缺的为 2 号、12 号、16 号、30 号和 32 号，最新的卫星编号待确认）。2、灵敏度与载噪比GPS接收机接收到 GPS卫星信号分为 L1和 L2，频率分别为 1575.42MHZ和 1228MHZ，其中 L1为开放的民用信号，信号为圆形极化。
6、先从 GPS 发射功率看，以 GPS L1 信号分析。如果 GPS 卫星位于接收者/接收器天顶，其距离约数 20200Km，GPS 波长 19cm，路径损耗达到184.4dB。根据 GPS 界面控制文件（ ICD）规定，以 L1 C/A 码（粗码）接收端的最小功率应该至少为-160.0dBm。如果考虑如下因素：3.0dB 使用者天线增益；184.4dB 路径损耗；2.0dB 大气损耗；3.4dB 偏极化匹配损耗，则 GPS 发射端有效全向发射功率至少为：EIRP = -160-3+184.4+2+3.4 = 26.8 dBm假如卫星天线增益为 13.4dB，则至少应该发射率为 13.4dBm。
7、按照上面一般条件假设，接收机需要接收到很弱的信号，目前主流的GPS接收机（模块）灵敏度大致范围为：对于普通用用户，所能看到的 GPS接收机灵敏度是以载噪比（CN0）来衡量的，也就是接收模块通过 NMEA的 GSV语句输出的信噪比的值，大概在 40多左右。这个单位不是 dB，而是 dBHz。我们做如下假设：a、输入信号强度为-160dBm，b、从射频信号输入到 基带信号处理之间一共引入的噪声系数为 0（实际上 不可能，仅 AD转换部分就会有 13dB 损失，但不影响后续推导计算）c环 境噪声为-174dBm/Hz那么-160dBm 的输入对应到 CN0的值就是 14dBHz（=(-160) -
8、(-174)）。而这个 14dBHz（当然，实际比这个低得多），就是接收机本身所能跟踪到的最低要求的载噪比（对于接收机基带而言，其只看载噪比，而不关心信号强度）。3、位置误差与漂移不同方案接收机因性能差异误差有所不同，特别是在信号比较弱而且天线性能不好的时候，有的误差会达到百米级，偶尔可能达到千米级。一般民用级别的接收机精度可以做到 5米以内（天线性能好，环境干扰小，开阔区域）。漂移是接收机实测的另一项指标，特别是在接收机静止的时候，从解析出来的数据看，指示的位置会在一个范围内来回移动，来回移动的距离、移动范围与真实位置的误差反应了接收机在位置静止状态下的定位准确性。4、启动时间接收机的启动时
9、间是指从开启 GPS接收机到定位成功的时间，分为冷启动、热启动、温启动，一般通过发送命令的方式测试这三个时间。以 Ublox 6M模块为例（开阔区域，天线性能良好）：四、GPS 性能的影响因素1、GPS 天线GPS天线首先从极化方式上 GPS 天线分为垂直极化和圆形极化。以目前的技术，接收天线的极化方式有两类：一种是线极化，一种是圆极化。因为线极化的信号接收效果比不上圆极化，所以大部分 GPS 天线都会采用圆形极化。如果从放置位置分，可以分为内置天线和外置天线。GPS 车载导航仪多采用外置式天线，此时天 线与整机内部基本隔离，电磁干扰几乎不对其造成影响，卫星信号接收效果很好。手持式终端设备多采
10、用内置天线，此时接收机主板必须屏蔽良好，确保天线远离电磁干扰源，比如 CPU、内存、SD 卡、晶振等内部器件。目前比较常见的天线有陶瓷天线、FPC 天线、LDS 天线。如果空间允许，陶瓷天线以大且方形为佳，陶瓷材料的优劣、天线上增益电路性能差异都是天线性能的影响要素。在无源条件下，一般测试天线的 VSWR、回波损耗驻波比全称为电压驻波比，又名 VSWR和 SWR，为英文 Voltage Standing Wave Ratio的简写。在入射波和反射波相位相同的地方，电压振幅相加为最大电压振幅 Vmax ，形成波腹；在入射波和反射波相位相反的地方电压振幅相减为最小电压振幅Vmin ，形成波节。其它
11、各点的振幅值则介于波腹与波节之间。这种合成波称为行驻波。驻波比是驻波波腹处的电压幅值 Vmax与波节处的电压幅值 Vmin之比。在无线电通信中，天线与馈线的阻抗不匹配或天线与发射机的阻抗不匹配，高频能量就会产生反射折回，并与前进的部分干扰汇合发生驻波。为了表征和测量天线系统中的驻波特性，也就是天线中正向波与反射波的情况，人们建立了“驻波比”这一概念，SWR=R/r=(1+|K|)/(1-|K|)反射系数 K=(R-r)/(R+r)(K为负值时表明相位相反)式中 R和 r分别是输出阻抗和输入阻抗。当两个阻抗数值一样时，即达到完全匹配，反射系数 K等于 0，驻波比为 1。这是一种理想的状况，实际上
12、总存在反射，所以驻波比总是大于 1的，一般要求驻波比介于 1和 1.5之间。回波损耗：return loss。回波损耗是表示信号反射性能的参数。回波损耗说明入射功率的一部分被反射回到信号源。例如，如果注入 1mW (0dBm)功率给放大器，其中 10%被反射(反弹)回来，回波损耗就是 10dB。从数学角度看，回波损耗为-10 log (反射功率)/(入射功率)。回波损耗通常在输入和输出都进行规定。进行天线设计的时候，一般用网络分析仪测试 S11特性来表示回波损耗特性，值越大，反射波越强，天线的性能越差。3、IC 方案接收机 IC方案在一定程度上对接收机性能有影响，比较直观的主要表现在误差、漂移
13、、接收灵敏度这几个方面。比如，我们实测发现 Ublox IC的接收机在弱信号的时候偶尔会有比较大的漂移，中科微 IC方案的接收机在漂移和误差性能方面会略好一些。4、线路特性 接收机从天线到接收机方案 IC这部分线路的特性对接收机性能影响明显。这部分线路主要包括 SAW、LNA、匹配从参数等。LNA 的电源如果不理想，很容易造成可见卫星但是长时间无法定位；匹配参数设置不对，接收灵敏度打折扣；线路处理不当，特别是过孔、线宽、线距异常，将导致信号损耗。 5、天线环境天线的环境包括是否存在干扰源、是否存在金属、磁性材料遮挡等。GPS 信号属于极弱信号，如果天线周边有干扰源，需要对干扰源进行处理。比如摄像头、LCD 线缆、其他天线、机壳等，需要良好接地。天线尽量远离金属、磁性材料，这在设计结构初期就要进行详细评估，如果忽略这一项，很可能造成天线本身性能没有问题，但效果始终无法体现。
