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1、GSI Japan-21st of June 1999,第八章 GPS接收机,8.1GPS接收机及其分类1.GPS接收机的基本概念GPS用户设备主要包括GPS接收机及其天线、微处理机及其终端设备以及电源等。其中接收机和天线是核心部分，习惯上统称为GPS接收机。主要功能是接收GPS卫星发射的信号，并进行处理，获取导航电文和必要的观测量。,GPS接收机的结构如图所示,GPS接收机的主要结构组成：天线（带前置放大器）信号处理器：用于信号识别与处理微处理器：用于接收机的控制、数据采集和导航计算用户信息传输：包括操作板、显示板等精密震荡器：产生标准频率电源,GPS接收机按构成部分的性质和功能划分：硬件部
2、分：上述的各种设备。软件部分：支持接收机硬件实现其功能，并完成各种导航和测量任务的程序。包括内软件和外软件。所谓内软件是指诸如控制接收机信号通道，按时序对各卫星信号进行量测的软件，以及固化在中央处理器中自动操作程序等。此类软件已与接收机融为一体。外软件是指处理观测数据的软件系统，一般以磁盘方式提供。无特别说明，通常所指的软件均指外软件。,2.接收机类型（1）按工作原理划分：码相关型接收机：能够产生与所测卫星测距码结构完全相同的复制码。利用的是C/A码或P码，条件是掌握测距码结构，也称有码接收机。平方型接收机：利用载波信号的平方技术去掉调制码，获得载波相位测量所必需的载波信号。该机只利用卫星信号
3、，无需解码，不必掌握测距码结构，称无码接收机。混合型接收机：综合利用了码相关技术和平方技术的优点，同时获得码相位和精密载波相位观测量。目前广泛使用。,（2）根据接收机信号通道类型划分：多通道接收机：具有多个卫星信号通道，每个通道只连续跟踪一个卫星信号。也称连续跟踪型接收机。序贯通道接收机：只有1-2个信号通道，为了跟踪多个卫星，在相应软件控制下按时序依次对各卫星信号进行跟踪量测。依次量测一个循环所需时间较长（大于20ms），对卫星信号的跟踪是不连续的。多路复用通道接收机：与序贯通道接收机相似，也只有1-2个信号通道，在相应软件控制下按时序依次对各卫星信号进行跟踪量测。依次量测一个循环所需时间较
4、短（小于20ms），可保持对卫星信号的连续跟踪。,（3）根据所接收的卫星信号频率划分：单频接收机（L1）：只接收调制的L1信号，虽然可利用导航电文提供的参数，对观测量进行电离层影响修正，但由于修正模型尚不完善，精度较差，主要用于小于20km的短基线精密定位。双频接收机（L1+L2）：同时接受L1、L2两种信号，利用双频技术，可消除或减弱电离层折射对观测量的影响，定位精度较高。,（4）按接收机用途划分：导航型：用于确定船舶、车辆、飞机等运载体的实时位置和速度，保障按预定路线航行或选择最佳路线。一般采用测码伪距为观测量的单点实时定位或差分GPS（RTDGPS）定位，精度低，结构简单，价格便宜，应用
5、广泛。测量型接收机：采用载波相位观测量进行相对定位，精度高。观测数据可测后处理或实时处理（RTK），需配备功能完善的数据处理软件。与导航型相比，结构复杂，价格昂贵。授时型接收机：主要用于天文台或地面监控站，进行时频同步测定。,8.2GPS接收机通道的概念接收机信号通道可理解为GPS卫星发射的信号经由天线进入接收机的路径。当接收机的全向天线接收到所有来自天线水平面以上的卫星信号之后，必须首先将这些信号隔离开来，以便进行处理和量测通过接收机内若干分离信号的通道来实现。通道是由硬件和相应的软件组成。每个通道在某一时刻只能跟踪一颗卫星的一种频率信号，当接收机需同时跟踪多个卫星信号时，原则上可采用两种跟
6、踪方式：,一是接收机具有多个分离的硬件通道，每个通道都可连续的跟踪一个卫星信号；二是一个信号通道在相应软件的作用下，跟踪多个卫星信号。根据跟踪卫星信号的方式不同，通道的类型分为：序贯通道（sequencing channel）多路复用通道（multiplexing channel）多通道（multi-channel）,根据通道的工作原理，即对信号处理和量测的不同方法，分为：码相关型通道（correlation channel）平方型通道（squaring channel）码相位型通道（code phase channel）8.3 接收机天线1.天线的作用与要求天线的基本作用是把来自于卫星信号的
7、能量转化为相应的电流，并经前置放大器进行频率变换，以便对信号进行跟踪、处理和量测。,天线的基本要求：天线与前置放大器应密封为一体，保障在恶劣气象环境下正常工作。天线应呈全圆极化：要求天线的作用范围为整个上半球，天顶处不产生死角，保障能接收来自天空任何方向的卫星信号。天线必须采取适当的防护与屏蔽措施：例如加一块基板，尽可能地减弱信号的多路径效应，防止信号干扰。天线的相位中心与其几何中心的偏差应尽量小，且保持稳定。,2.天线的类型：接收机天线有多种类型，其基本类型如下,（1）单极或偶极天线：属于单频天线，结构简单，体积小，通常安装在一块基板上，减弱多路径影响。（2）四线螺旋形或螺旋形结构天线：属于
8、单频天线，结构较单极天线复杂，生产中难以调整，但增益性好，一般不需底板。（3）微波传输带型天线：简称微带天线。结构最为简单和坚固，即可用于单频，也可用于双频，天线高度低，是安装在飞机上的理想天线。缺点是增益性低，但可采用低噪声前置放大器加以弥补。,（4）锥形天线：也称盘旋螺线型天线。可同时在两个频道上工作，优点是增益性好，但天线较高，螺旋线在水平方向上不完全对称，天线的相位中心和几何中心不完全重合。（5）带扼流圈的振子天线：简称扼流圈天线。1987年由美国航空航天局（NASA）研制。主要特点是可有效地抑制多路径误差的影响。缺点是体积大，重量重。,天线的品质对于减少信号损失，防止信号干扰和提高定
9、位精度具有重要意义。为不断完善天线性能，当前天线设计的主要任务是：改善天线对不同GPS定位工作的适应性。提高相位中心的稳定性。加强抗干扰能力，减弱多路径影响。进一步小型化、轻型化。改进天线生产工艺。,几种测量型双频GPS接收机的主要参数,8.4 GPS测量系统的软件功能及其发展GPS测量技术的软件系统是支持接收机实现各种测量任务的基本条件，功能强大、品质良好的数据处理软件系统，对改善定位精度，提高作业效率和开拓GPS应用新领域都具有重要意义。测量型GPS接收机的数据处理软件系统由如下重要模块组成；1.观测计划编制软件：该软件可产生天空卫星分布图，显示卫星高度和方位角，给出表征卫星几何配置的精度
10、因子PDOP，以便选择最好的卫星配置和最佳的观测时段。,2.观测数据预处理软件：主要功能是对原始观测数据进行编辑、加工和整理，分流出各种专用信息文件，为进一步平差做准备。数据传输：将GPS接收机记录的观测数据传输到磁盘或其它介质上，以便进行处理和保存。数据分流：根据原始记录，通过解码将各项数据分类整理，剔除无效观测值和冗余信息，形成各种数据文件，如星历文件、观测文件和测站信息文件等，以供进一步处理。观测数据的平滑、滤波：剔除粗差并进一步删除无效观测值。,统一数据文件格式：将不同类型接收机的数据记录格式、项目和采样间隔，生成标准的文件格式（通过RINEX），以便统一处理。卫星轨道的标准化：统一不
11、同来源卫星轨道信息的表达方式、平滑GPS卫星每小时发送的轨道参数，使观测时段的卫星轨道标准化。自动探测周跳，修复载波相位观测值。对观测值进行必要的改正。基线向量的定义。,3.基线向量处理软件：处理多台仪器的同步观测数据，给出载波相位观测值差分的固定解和浮动解。同步边观测数据的质量检核，包括观测数据的剔除率、观测值的残差分析和不同时段重复观测边的精度检核等。应用广播星历或精密后处理星历处理观测数据。精密相对定位数据处理的轨道改进法。采用测码伪距或测相伪距，测定和精化起始站坐标的初始值。,处理结果的输出值为测站点的空间直角坐标和大地坐标、基线向量的坐标差、基线的长度、方位角和大地高差，以及输出量的
12、方差和协方差。处理不同定位模式的观测数据，如静态、快速静态、准动态和动态等定位模式。支持整周未知数的静态快速解算方法。支持以载波相位观测量为根据的实时动态定位技术（RTK或RTDGPS）。4.GPS网平差软件：网的质量检核，主要包括网中图形（三角形和多边形）闭合差的计算和检核。将基线向量的平差结果作为相关观测量进行GPS网的整体平差。,平差结果给出在WGS-84和用户要求的坐标系统中的空间直角坐标、大地坐标和高斯平面坐标及其方差和协方差。能根据用户要求选用不同的平差方法。5.GPS网与经典地面网的联合平差软件两网之间转换模型的选择。确定网的方差与协方差模型及网的基准。三维联合平差及精度评定。在
13、大地坐标系或平面坐标系中的两维联合平差及精度评定。平差结果应给出在不同坐标系中网点的坐标值、两网之间的转换参数及其方差与协方差。测区内似大地水准面的拟合及正常高的计算。,6.数据库的管理软件：主要功能包括数据存储与检索、测量成果的归档以及与国家控制网或其它系统软件（如GIS）的接口等。软件系统的研究与开发有力地推动了GPS测量技术的发展，提高了GPS测量技术的现代化水平，显示了巨大的技术潜力，目前发展趋势主要是：进一步增强数据的综合处理功能，支持多种测量模式，满足不同用户要求。加强网平差、坐标系统转换以及成果的分析功能。GPS网及其与经典地面网联合平差方法的优化，提高数据处理的速度和改善平差结果的精度。,增强绘图功能，开发控制测量、地形地物测量与绘图一体化的软件系统。提高自动诊断和修复周跳的能力。发展快速解算整周未知数技术，缩短观测时间，提高作业效率。开发和完善动态确定整周未知数技术，进一步发展精密实时相对定位技术。完善数据处理的数学模型和技术，进一步改善定位结果的精度。发展数据处理的轨道改进技术，提高长距离的测量精度。差分GPS（如DGPS、LADGPS、WADGPS等）修正量算法的最优化和数据传输格式的标准化。提高数据处理的自动化水平。,
