第七章 GPS接收机选择与检验

144信号通道变频器电源频率综合基准频率前置放大器频率变换器信号解扩解调D(t)伪码测量载波相位测量显示器C/A码发生器P码发生器控制信号GPS天线存储器CPU数据输出第七章GPS接收机选择与检验GPS卫星信号接收机，是GPS导航卫星的用户关键设备，是实现GPS卫星导航定位的终端仪器。它是一种能够接收、跟踪、变换和测量GPS卫星导航定位信号的无线电接收设备，既具有常用无线电接收设备的共性，又具有捕获、跟踪和处理卫星微弱信号的特性。本章针对GPS信号接收机的特性，论述了GPS信号接收机的基本结构原理和GPS卫星接收机的选用与基本性能检验。同时、简要介绍了依据当前国际上GPS接收机的发展现状和我国拥有GPS接收机的实际情况，GPS卫星信号接收机类型的测量型与GPS接收机选择。第一节GPS接收机的结构原理1GPS接收机的基本结构GPS接收机主要由GPS接收机天线单元、GPS接收机主机单元和电源三部组成。天线单元的主要功能是将GPS卫星信号非常微弱的电磁波转化为电流，并对这种信号电流进行放大和变频处理。而接收机单元的主要功能是对经过放大和变频处理的信号电源进行跟踪、处理和测量，图7—1描述了GPS信号接收机的基本结构。图7-1GPS接收机的基本结构如果把GPS接收机作为用户测量系统，那么按其构成部分的性质和功能，可分为硬件部分和软件部分。硬件部分，主要系指上述天线单元、接收单元的硬件设备。而软件部分是支持接收机硬件实现其功能，并完成各种导航与定位任务的重要条件。一般来说，软件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内存或固化在中央处理器中的自动操作程序等。这类软件已和接收机融为一体。而外软件主要是指观测数据后处理的软件系统，这种软件一般以磁盘方式提供。如果无特别说明，通常所说接收设备的软件均指后处理软件系统。软件部分是构成现代GPS测量系统的重要组成部分之一。一个功能齐全、品质良好的软件，不仅能方便用户使用，满足用户的各方面要求，而且对于改善定位精度，提高作业效率和开拓新的应用145领域都具有重要意义。所以，软件的质量与功能已成为反映现代GPS测量系统先进水平的一个重要标志。2天线单元天线单元由接收天线和前置放大器两个部件组成，如图7-2所示。其基本功能，是接收GPS卫星信号，并把卫星信号的能量转化为相应的电流量，经过前置放大器，将微弱的GPS信号电流予以放大，图7-2天线单元基本结构2.1对天线的要求(1)天线与前置放大器一般应密封为一体。以保障其在恶劣的气象环境中能正常工作，并减少信号损失。(2)天线均应成全圆极化。使天线的作用范围为整个上半球，在天顶处不产生死角，以保证能接收来自天空任何方向的卫星信号。(3)天线必须采取适当的防护和屏蔽措施。以最大限度地减弱信号的多路径效应，防止信号被干扰。(4)天线的相位中心与几何中心之间的偏差应尽量小，且保持稳定。由于GPS测量的观测量，是以天线的相位中心为准的，而在作业过程中，应尽可能保持两个中心的一致性和相位中心的稳定。2.2天线的类型目前，GPS接收机的天线有多种类型，其基本类型见图7-3所示。图7-3天线类型(1)单极天线。这种天线属单频天线，具有结构简单，体积小的优点。需要安装在一块基板上，以利于减弱多路径的影响。(2)螺旋形天线。这种天线频带宽，全圆极化性能好，可接收来自任何方向的卫星信号。但也属于单金属反射器滤滤波波放放大大器器金属底板介介质质接口连接器单极天线146(3)微带天线。微带天线是在一块介质板的两面贴以金属片，其结构简单且坚固，重量轻，高度低。既可用于单频机，也可用于双频机，目前大部分测量型天线都是微带天线。这种天线更适用于飞机、(4)锥形天线。这种天线是在介质锥体上，利用印刷电路技术在其上制成导电圆锥螺旋表面，也称盘旋螺线型天线。这种天线可同时在两个频道上工作，主要优点是增益性好。但由于天线较高，而且螺旋线在水平方向上不完全对称，因此天线的相位中心与几何中心不完全一致。所以，在安装天线时要仔细定向，使之得以补偿。(5)带扼流圈的振子天线，也称扼流圈天线。这种天线的主要优点是，可以有效地抑制多路径误差的影响。但目前这种天线体积较大且重，应用不普遍。图7-4锥形天线与带扼流圈天线3接收单元GPS信号接收机的接收单元主要由信号通道单元、存储单元、计算和显示控制单元、电源等4个部分组成。图7-1绘出了接收单元的主要结构3.1信号通道信号通道是接收单元的核心部件，它不是一种简单的信号通道，而是一种由硬件和相应的控制软件相结合的有机体。它的主要功能是跟踪、处理和量测卫星信号，以获得导航定位所需要的数据和信息。随着接收机的类型不同，接收机所具有的通道数目不等。每个通道，在某一时刻只能跟踪一颗卫星的一种频率信号，当某一颗卫星被锁定后，该卫星占据这一通道直到信号失锁为止。当接收机需同步跟踪多个卫星信号时，原则上可能采用两种跟踪方式：一种是接收机具有多个分离的硬件通道，每个通道都可连续地跟踪一个卫星信号；另一种是接收机只有一个信号通道，在相应软件的控制下，可跟踪多个卫星信号。因此，目前大部分接收均采用并行多通道技术，可同时接收多颗卫星信号。对于不同类型的接收机，信号通道的数目也由1到12不等。现在一些厂家已推出可同时接收GPS卫星和GLONASS卫星信号的接收机，其信号通道多达24个。当前信号通道的类型有多种，若根据通道的工作原理，即对信号处理和量测的不同方式，则可分为码相关型通道、平方型通道和码相位型通道，它们分别采用不同的解调技术，三者的基本特点如下：(1)相关型波道：用伪噪声码互相关电路，实现对扩频信号的解扩，解译出卫星导航电文。(2)平方型波道：用GPS信号自乘电路，仅能获取二倍于原载频的重建载波，抑制了数据码，无法获取卫星导航电文。(3)码相位波道：用GPS信号时延电路和自乘电路相结合的方法，获取P码或C/A码的码率正弦波，仅能测量码相位，而无法获取卫星导航电文。若根据跟踪卫星信号的不同方式，则可分为序贯通道、多路复用通道和多通道。3.2存储器接收机内设有存储器，以存储一小时一次的卫星星历、卫星历书，接收机采集到的码相位伪距观测值、载波相位观测值及人工测量数据。目前，GPS接收机都采用PC卡或内存作为存储设备。在接锥形天线带扼流圈天线带扼流圈天线锥形天线147收机内还装有多种工作软件，如自测试软件；天空卫星预报软件；导航电文解码软件；GPS单点定位为了防止数据的溢出，当存储设备达到饱和容量的95%时，便会发出“嘀嘀”的报警声，以提醒作3.3计算与显控图7-1中的显控器，通常包括一个视屏显示窗和一组控制键盘，它们有的安设在接收单元的面板上，有的作为一个独立的终端设备。它是人机对话的窗口，通过它，可对接收机进行配置，让接收设备按照配置的要求去工作。通过它可输入一些必要的信息，如测站名、天线高、点的坐标等。当然也可以通过它调用存储在接收机里的数据信息和功能，它是RTK作业流动站的必不可少的工具。接收机内的处理软件是实现GPS定位数据采集和通道自校检测自动化的重要组成部分，它主要用于信号捕获、环路跟（1）接收机开机后，立即指令各个通道进行自检，适时地在视屏显示窗内展示各自的自检结果，并测定、校正和存储各个通道的时延值。（2）接收机对卫星进行捕捉跟踪后，根据跟踪环路所输出的数据码，解译出GPS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出测站的三维位置，并按照预置的位置数据更新率，不断更新(计算)点的坐标。（3）用已测得的点位坐标和GPS卫星历书，计算所有在轨卫星的升降时间、方位和高度角，并为作业人员提供在视卫星数量及其工作状况，以便选用“健康”的且分布适宜的定位卫星，达到提高点位精（4）3.4电源GPS接收机的电源有两种：一种是内电源，一般采用锂电池，主要用于为RAM存储器供电，以防止数据丢失；另一种为外接电源，这种电源常采用可充电的12V直流镉镍电池组或锂电池，有的也可采用汽车电瓶。当用交流电时，需经过稳压电源或专用电流交换器。当机外电池下降到11.5V时，便自动接通内电池。当机内电池低于10V时，若没有连接上新的机外电池，接收机便自动关机，停止工作，以免缩短使用寿命。在用机外电池作业过程中，机内电池能够自动地被充电。第二节GPS接收机的类型GPS导航与定位技术的迅速发展和应用领域的不断开拓，使得世界各国对GPS接收机的研制与生产极为重视。目前世界上GPS接收机的生产厂家约有数十家，而接收机的型号超过上百种。根据不同的观测点，GPS接收机有多种不同的分类，现将其常见分类介绍如下：1、接收机的用途分类根据接收机的用途，可分为导航型、测量型和授时型接收机。（1）导航型接收机，主要用于确定船舶、车辆、飞机和导弹等运载体的实时位置和速度，以保障这些载体按预定的路线航行。导航型接收机，一般采用以测码伪距为观测量的单点实时定位，或实时差分定位，精度较低。这类接收机的结构较为简单，价格便宜，其应用极为广泛。（2）测量型接收机，主要是指适于进行各种测量工作的接收机。这类接收机，一般均采用载波相位观测量进行相对定位，精度很高。测量型接收机与导航型接收机相比，其结构较复杂，价格较（3）授时型接收机，结构简单，主要用于天文台或地面监控站，进行时频同步测定。2、按接收机接收的卫星信号分类接收机所接收的卫星信号的频率，可分为码相位接收机、单频接收机(L1)、双频接收机(L1,L2)和信标接收机。148（1）码相位接收机：采用C/A码、P码作测距信号，虽然可能利用导航电文提供的参数，对观测量进行电离层折射影响的修正，但由于C/A码、P码测距精度较差，所以，码相位接收机主要用于导航型和手持型低精度接收机。（2）单频接收机：能接收经调制的L1载波信号。这时虽然可能利用导航电文提供的参数，对观测量进行电离层折射影响的修正，但由于修正模型尚不完善，精度较差。所以，单频接收机主要用于基线较短(不超过20km)的精密定位和导航。（3）双频接收机:可以同时接收L1载波和L2载波信号。利用双频技术可以消除或大大减弱电离层（4）信标接收机：同时接收GPS卫星测距码信号和无线电指向标-差分全球定位系统信号。因而在300Km2范围内仍然可以获得1~3米实时定位结果。信标接收机主要用于沿海地区无线电指向标覆盖区域海上船只导航定位。3、按接收机的通道数分类根据接收机信号通道的类型，可分为多通道接收机、序贯通道接收机和多路复用通道接收机。GPS接收机在导航和定位工作中，需要跟踪多颗卫星。对于来自不同卫星的信号，必须首先把它们分离开来，以便进行处理，量测获得不同卫星信号的观测量。而GPS接收机的通道，主要作用就是将接收到的不同卫星信号加以分离，以实现对各卫星信号的跟踪、处理和量测。(1)多通道接收机，即具有多个卫星信号通道，而每个通道只连续跟踪一个卫星信号的接收机。所以，这种接收机也称为连续跟踪型接收机，一般设置4—12个通道。(2)序贯通道接收机，通常只具有1—2个通道。为了跟踪多个卫星信号，它在相应软件的控制下，能按时序依次对各个卫星信号进行跟踪和量测。由于对所测卫星依次量测一个循环所需要时间较长（20ms）,所以其对卫星信号的跟踪是不连续的。(3)多路复用通道接收机，与序贯通道接收机相似，一般也只具有1-2个通道，在相应软件的控制下，按时序依次对所有观测量卫星的信号进行量测，其与序贯通道接收机的区别，主要是对所测卫星信号量测一个循环的时间较短（≤20ms）可以保持对卫星信号的连续跟踪。4、按接收卫星系统分类（1）单星系统：通常只具有跟踪1个卫星导航定位系统能力的卫星信号接收机。目前主要有GPS接收机、GLONASS接收机、北斗接收机等。（2）双星系统：同时具有跟踪2个卫星导航定位系统能力的卫星信号接收机。目前主要有GPS\GLONASS集成接收机。（3）多星系统：同时具有跟踪2个以上卫星导航定位系统能力的卫星信号接收机。目前主要有GPS\GLONASS\EGNOS集成接收机。5、按接收机的作业模式分类（1）静态接收机：具有标准静态、快速