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1、GPS 接收机的构成及工作原理,赵晶同济大学海洋与地球科学学院2009.5.25,GPS应用,GPS技术,军事,海洋,航运,航测遥感,通迅,交通运输,GPS系统由三部分组成：空间卫星星座：21颗工作卫星，3颗备用卫星。地面控制系统：1个主控站，3个注入站，5个监测站。用户设备部分：接收GPS卫星信号，以获得必要的信息，经数据处理，完成相应的工作。GPS接收机硬件一般由主机、天线和电源组成。,GPS系统构成,GPS信号接收机,定义结构信号通道工作原理分类术语,一、定义,能够接收、跟踪、变换和测量GPS卫星信号的专门设备。多数采用石英钟。,二、GPS接收机结构,GPS接收机主要由GPS接收机天线单
2、元和GPS接收机接收单元组成。,天线单元构成：天线；前置放大器；天线单元主要功能：接收来自卫星的电磁波信号；将电磁波信号转化为电流；放大信号电流；对信号电流进行频率变换；,天线特性：相位中心、增益方式、带宽、极化天线的几何中心与平均相位中心相位中心偏移数毫米至数厘米天线高标志至平均相位中心所在平面的垂直距离相位中心变化：与信号的高度角有关与信号入射的方位角关系较小,天线类型：单极天线微带天线螺旋天线 四丝螺旋天线空间螺旋天线背腔平面盘旋天线,天线特点：单极天线单频或双频(双极结构)、需要较大的底板、相位中心稳定、结构简单微带天线结构简单、单频或双频、侧视角低(适合于机载应用)、低增益、应用最为
3、广泛螺旋天线 四丝螺旋天线单频、难以调整相位和极化方式、非方位对称、增益特性好、不需要底板空间螺旋天线双频、增益特性好、侧视角高、非方位对称背腔平面盘旋天线,接收单元由信号通道、微处理器、存储器、显示器及电源组成。主要作用：记录GPS信号并对信号进行解调和滤波处理，还原出GPS卫星发送的导航电文，解求信号在站星间的传播时间和载波相位差，实时地获得导航定位数据或采用测后处理的方式，获得定位、测速、定时等数据。,三、信号通道,GPS卫星信号经由天线进入接收机的路径；由无线电元器件、数字电路等硬件和专用软件所组成；跟踪、分离、处理和量测卫星信号，获取工作所需的数据和信息；,信号通道的类型：根据对信号
4、的跟踪方式：多通道；序贯通道；多路复用通道；根据工作原理：码相关型(P71)通道；平方型(P192)通道；码相位型通道(P193)；,序贯通道、多路复用通道和多通道：,码相关型通道、平方型通道和码相位型通道：,接收机的主要任务是：捕获到按一定卫星高度的待测卫星，跟踪这些卫星的运行；对所接收到的GPS信号，进行变换、放大和处理，并测量出GPS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。,四、GPS接收机工作原理,GPS信号接收机不仅需要功能较强的机内软件，而且需要一个多功能的GPS数据测后处理软件包。接收机加处理软件包，才是完
5、整的GPS信号用户设备！,四、GPS接收机工作原理,$GPAAM-Waypoint Arrival Alarm$GPDCN-Decca Position$GPDPT-Depth$GPFSI-Frequency Set Information$GPGGA-Global Positioning System Fix Data$GPGLC-Geographic Position,Loran-C$GPGLL-Geographic Position,Latitude/Longitude$GPGRS-GPS Range Residuals$GPGSA-GPS DOP and Active Satellit
6、es$GPGST-GPS Pseudorange Noise Statistics$GPGSV-GPS Satellites in View$GPGXA-TRANSIT Position$GPHDG-Heading,Deviation&Variation$GPHDT-Heading,True$GPHSC-Heading Steering Command$GPOSD-Own Ship Data$GPR00-Waypoint active route(not standard)$GPRMA-Recommended Minimum Specific Loran-C Data$GPRMB-Recomm
7、ended Minimum Navigation Information$GPRMC-Recommended Minimum Specific GPS/TRANSIT Data,NMEA 0183 数据格式,四、GPS接收机工作原理,，104700,，12530.3904,，001.9,C R L F,.07,，4388.1818,，A,GPRMC,，N,，E,，336.9,，130405,，013.6,，E,，A,字符为所有GPS语句的起始标志，GPRMC为地址域值，代表GPS推荐的最短数据。,代表UTC_TIME24h（24小时）制的标准时间，格式为“，HHMMSS”，HH表示小时值，MM
8、表示分钟值，SS表示秒钟值。,表示通信状态，值为A或者V，A表示数据“OK”，V表示一个警告。,表示纬度值，精确到小数点前4位，后4位。格式为“，XXYY.YYYY,Z”XX表示度；YY.YYYY表示分。,“N”表示北纬，“S”表示南纬。,表示经度值，精确到小数点前5位，后4位。格式为“，XXXYY.YYYY,Z”，XXX表示度；YY.YYYY表示分,“W”表示西经，“E”表示东经。,表示速度值，精确到小数点前3位，后1位。格式为“,XXX.X”，XXX.X即为速度值，单位为海里/小时。,表示真实航向，格式为“，XXX.X”，XXX.X即为航向值，单位为度。,表示UTC_DATE标准日期，格式
9、为“，DDMMYY”，YY表示年度，MM表示月份，DD表示天。年份应该在1997-2040之间。,表示磁偏移，格式为“,XXX.X,Y”，XXX.X即为磁偏移量，单位为度。,表示偏转方向，“W”表示西，“E”表示东。,表示系统定位模式,表示校验和，格式为“.XX”，XX表示校验和,回车换行符，是语句的结束标志。,GPRMC，104700，V，130405，A，CRLF,NMEA 0183 数据格式,按接收机工作原理分类：码相关型接收机 利用码相关技术得到伪距观测值。平方型接收机 利用载波信号的平方技术去掉调制信号,来恢复完整的载波信号，通过相位计测定接收机内产生的载波信号与接收到的载波信号之间
10、的相位差，测定伪距观测值。混合型接收机 综合上述两种接收机的优点，既可以得到码相位伪距观测量，也可以得到载波相位观测值。干涉型接收机 将GPS卫星作为射电源，采用干涉测量方法，测定两个测站间距离。,五、GPS接收机分类,五、GPS接收机分类,按接收机的用途分类：导航型接收机 此类型接收机主要用于运动载体的导航，它可以实时给出载体的位置和速度。根据应用领域的不同，此类接收机还可以进一步分为：车载型用于车辆导航定位；航海型用于船舶导航定位；航空型用于飞机导航定位。星载型用于卫星的导航定位。测量型接收机 测量型接收机主要用于精密大地测量和精密工程测量，配备有功能完善的数据处理软件，定位精度高，仪器结
11、构复杂，价格昂贵。授时型接收机 这类接收机主要利用GPS卫星提供的高精度时间标准进行授时，常用于天文台及无线电通讯中时间同步。,按接收机的载波频率分类：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，不能有效消除电离层延迟影响，只适用于短基线(15km)的精密定位。双频接收机 可以同时接收L1，L2载波信号，可以消除电离层 对电磁波信号的延迟的影响，可用于长达几千公里的精密定位。,五、GPS接收机分类,单频机,双频机,按接收机信号通道类型分类：根据接收机所具有的信号通道种类可分为：多通道接收机、序贯通道接收机、多路复用通道接收机。,五、GPS接收机分类,GPS手持机：GPS手持机
12、是利用GPS基本原理设计而成的，体积小巧、携带方便、独立使用的全天候实时定位导航设备。好的手持机必备的条件是：灵敏度高，存贮量大，外部接口齐全。GPS手持机按用途可分为陆用型、空用型、海用型。陆用型GPS手持机一般没有内置地图，主要利用航路点记录，选择相应航路点可自动生成路线。内置天线使得机型小巧，它是应用最广的GPS设备；空用型提供全球空域图和地域图，灵敏度极高，适用于在高速行进的飞机中定位；海用型内置全球海图，超大屏幕，提供可固定在船体上的配套支架和天线。,五、GPS接收机分类,五、GPS接收机分类,常见的GPS接收机品牌：Trimble，Ashtech，Thalas，Leica，Topc
13、on，Novatel，Garmin，Motorola,坐标(Coordinate)：当GPS能够收到4颗及以上卫星的信号时，它能计算出本地的3维坐标：经度、纬度、高度，若只能收到3颗卫星的信号，它只能计算出2维坐标：经度和纬度，这时它可能还会显示高度数据，但这数据是无效的。上海地区纬在北纬31.2度左右，此地经度一度合276公里，一分合1.42公里，一秒合23.69米，你可以选定某个显示方式，并把各位数字改变一对应地面移动多少米记住，这样能在经纬度和实际里程间建立个大概的对应。航点(Landmark or Waypoint)：接收机内存中保存的一个点的坐标值。航点是GPS接收机的数据核心，它是
14、构成“航线”的基础。标记航点是GPS主要功能之一，一般GPS能记录3000个或以上的航点。,六、术语,航线(Route)：是GPS内存中存储的一组数据，包括一个起点和一个终点的坐标，还可以包括若干中间点的坐标。GPS72能存储50条航线，每条航线包含50个航点。前进方向(Heading)：GPS没有指北针的功能，静止不动时它是不知道方向的。但是一旦动了起来，它就能知道自己的运动方向。GPS每隔一秒更新一次当前地点信息，每一点的坐标和上一点的坐标一比较，就可以知道前进的方向。,六、术语,实验一 GPS接收机的使用,时间：2009.5.27地点：.实验目的：了解GPS接收机的工作原理；认识GPS
15、接收机的结构；熟练使用GPS接收机进行定位、导航与测量；,实验一 GPS接收机的使用,要求：严肃认真、实事求是、团结协作；必须参加每一个实验环节，协作完成实验任务，独立完成实验报告。实验仪器设备：GARMIN GPS 72卫星信号接收机，Mio P350导航系统，记录板、记录纸；实验内容：定位；导航：沿着航迹或者航线导航；测量距离和面积：利用航迹测距离和面积；,实验一 GPS接收机的使用,GPS测量前注意事项：在 15 截止高度角以上不存在障碍物；周围没有反射面，不致引起多路径效应；安全避开过往行人和车辆；附近不应该有强辐射源(如无线电台、电视发射天线等)；可靠的电源供应；正确的配置参数；卫星几何强度因子GDOP8；,END,
