第六章-GPS接收机

1第二章GPS接收机主要内容GPS接收机的功能GPS接收机的分类GPS接收机的天线GPS接收机的信号处理GPS接收机的前端GPS信号的捕获与跟踪GPS接收机的应用21GPS接收机的功能GPS接收机:GPS导航卫星的用户设备，实现GPS卫星导航定位的终端仪器。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，主要功能: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接收机与常用无线电接收设备的差异:具有共性，又具有捕获、跟踪和处理卫星微弱信号的特性。31GPS接收机的分类工作原理分类：码相关型、平方型、混合型；用途分类：导航型、测量型、授时型；载波频率分类：单频（L1）、双频（L1+L2）；通道数：多通道、序贯通道、多路复用通道。4三种GPS通道数接收机多通道：具有多个信号通道，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。（multi-channel）序贯通道：一个通道对卫星的跟踪不连续，但结构简单、体积小、重量轻。（sequencingchannel）多路复用通道：一两个通道，一个循环所需的时间短，信噪比低于多通道。（multiplexingchannel）5测量型GPS接收机测量、测绘6测量型GPS接收机的应用7测量型GPS接收机的应用8GPS接收机户外探险GIS采集9导航型GPS接收机汽车导航10导航型GPS接收机航空导航11导航型GPS接收机海上导航12GPS的军事应用13未来的智能汽车14GPS系统、无线射频与物联网15GPS接收机的系统框图前置放大器下变频器A/D转换器自动增益控制（AGC）N21数字接收机通道微处理器存储器频率合成器基准振荡器用户接口电源直流稳压电源射频单元有源或无源天线模拟中频数字中频基带单元RF天线（含前置放大器）射频单元基带信号处理显示控制单元电源16GPS接收机的信号处理捕获和跟踪卫星信号；对收到的GPS信号具有变换、放大和处理的功能；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，速度和时间。17传统GPS接收机的硬件结构GPS信号处理主要通过硬件来实现。18传统GPS接收机的特点优点：速度快，实时性好缺点：缺乏灵活性相当于黑匣子，无法控制内部信号处理，也无法查找信号失锁原因。当导航卫星信号结构发生变化时，必须更换硬件才能捕获或跟踪新的导航信号。软件替代硬件实现信号处理，是当前软件无线电的发展方向。19GPS软件接收机的结构GPS软件接收机利用软件来实现捕获与跟踪。20GPS软件接收机的特点优点：灵活性高当需要捕获新的卫星导航信号时，只需要更改软件，无需更换硬件。当GPS信号失锁或无法捕获时，可设置不同捕获或跟踪参数，分析原因。对于高动态情况，可以改变多普勒频移的搜索范围等参数，使接收机能够捕获和跟踪高动态信号。GPS软件接收机，保证实时性是难点。21GPS接收机的技术指标miniS接收机的通道数：可以同时并行接收、处理GPS卫星信号的能力；GPS接收机通常有1~12个通道。接收跟踪信号的种类：仅接收L1载波上的C/A码；接收跟踪L1载波上的C/A码和P码、L2载波上的P码。灵敏度：灵敏度表征接收机接收微弱信号的能力，接收机能接收的信号越微弱，则其灵敏度越高。灵敏度常用最小可检测信号功率。22GPS接收机的技术指标测量定位精度：水平位置精度和垂直高度精度。时间同步精度：GPS接收机输出的时间同步秒脉冲信号与GPS时同步精度，如GPS标准定位服务的时间同步精度为340ns。位置数据更新率：一般为1次/秒~10次/秒，通常高动态GPS接收机的更新率要求更高。首次定位时间：GPS接收机从开始加电到首次得到满足定位精度要求的定位结果所需的时间。23GPS接收机的技术指标输入输出接口：GPS接收机应有一个或两个数据输入输出接口。工作电源要求：电压种类、范围、功率损耗。环境要求：工作温度、湿度，存储温度，冲击、振动条件。可靠性指标：常以设备平均故障间隔时间（MTBF）最低可接受值表示。维修性指标：常以设备平均故障修复时间（MTTR）表示。24GIS数据采集GPS指标GPS性能接收机：50通道（L1C/A码），支持SBAS天线：内置GPS天线定位时间：热启动3秒，冷启动38秒定位精度①：单点定位2.5米（2DRMS），SBAS2米（2DRMS）数据更新：1Hz屏幕特性显示屏：2.8英寸（43.2mm×57.6mm）TFT彩色触摸屏幕240×320像素操作面板：触摸屏，电源键、菜单键、方向键（4个方向）25GIS数据采集GPS指标数据通讯与存储数据接口：USB数据通讯：NMEA0183输出存储：64MB内存支持MicroSD卡扩展存储空间，最大至2G电源特性电源：使用二节或三节AA电池工作时间：使用三节AA电池并联，典型工作状态下可工作12小时以物理指标尺寸：155.5mm×78.8mm×42.7mm（长×宽×厚）重量：265克（不含电池）26GIS数据采集GPS指标环境特性工作温度：-10℃~+60℃存储温度：-20℃~+70℃防尘防水：IP67抗跌落：1.5米高度自然跌落至地面实际定位精度与卫星状态、差分信号质量和野外工作环境有关。典型工作状态：开阔环境下，GPS接收机正常工作，GPS、背光（中等）开启的情况。27测量测绘型GPS指标跟踪特性通道数：220通道多星多系统接收信号：-GPS：L1C/A,L2E,L2C,L5-GLONASS：L1C/A,L1P,L2C/A(仅GLONASSM),L2P-SBAS:L1C/A,L5-GIOVE-A:L1BOC,E5A,E5B,E5AltBOC-GIOVE-B:L1CBOC,E5A,E5B,E5AltBOC-预留伽利略、北斗系统升级28测量测绘型GPS指标性能指标静态测量：H2.5cm+1ppmV5cm+1ppmRTK测量：H10cm+1ppmV20cm+1ppmDGPS测量：25cm（RMS）单机定位精度：1.2m(RMS)初始化时间10s初始化可靠性99.9%GPS天线特性GPS天线：内部集成天线类型：微带天线相位中心：四馈点天线，零相位中心多路径抑制：内置多路径抑制板29测量测绘型GPS指标无线通讯蓝牙：内置，V2.0Class2UHF电台：-内置接收-内置发射：0.5W/1W-外置发射：5W/35W-工作频率：410~470MHz网络通讯：内置GPRS或CDMA物理及电源特性尺寸：H96mm，Φ184mm重量：1.2kg（含电池及内置全模块）电池：2块可拆卸锂电池，7.4V，2.5Ah使用时间：5小时（单块电池，内置电台发射）8小时（单块电池，内置电台接收）外接电源：9至18V直流30测量测绘型GPS指标物理及电源特性按键：两个，多功能组合按键显示：3个LED状态显示OLED显示屏128*64分辨率接口：-5PIN：电源接口+RS232-7PIN：RS232+USB-2个TNC数据链天线接口内存及数据内置存储：板载256MBMicroSD卡扩展、最大支持8G差分输出：CMR2.0,CMR+,RTCM2.1,RTCM2.3,RTCM3.0,RTCM3.1ASCII输出：NMEA0183,TrimbleGSOF输出速率：标配50Hz31典型的GPS接收机框图32GPS接收机的前端位于天线与基带信号处理之间；接收到的卫星信号功率放大100dB以上；将信号下变频到容易处理的频段；将模拟信号转换为数字信号；尽量保持信号的形状，减小信号失真。33GPS接收机前端（L1）34GPS接收机的信号强度GPS卫星高度超过20,000km，接收机天线收到的信号很弱，信号功率只有-130dBm左右，GPS接收机输入功率信噪比为-20dB，即信号淹没在噪声中；对于L1频率C/A码，通常要求信号电平大于-130dBm。为了提高信号强度，一般在天线后端设有前置放大器。大部分GPS天线都与前置放大器结合在一起，也有些接收机为减少天线重量而将天线和前置放大器分开。35最小信号功率电平36GPS卫星的发射功率对于L1载波的C/A码发射功率大约27W当卫星向空间所有方面均匀发射信号时，在距离为R处的信号功率密度为：,10log2714.3TdBPdBW22/4TDPPWmR2,,2,10log(4)20log/l120log/DdBTdBTdBPPRdBWmPRdBWm37卫星与接收机距离222sin(sin1)EESVESVRRelRelRRRel是地球半径，卫星与地心距离是卫星相对于用户所在水平面的仰角38卫星在用户头顶（仰角为90°）时：卫星在地平线方向（仰角为5°）时：GPS卫星信号的路径损耗10log10log1120logDTLPPR22(/)4TDPPWmR20190,157.1RkmLdB发射功率密度：路径损耗25240,159RkmLdB39GPS卫星波束40GPS发射天线增益YZX卫星SVPr地心r41GPS接收机天线有效面积322.87210m25.4effeffAAdB或对L1信号，λ=0.19m，有对各向同性天线,1RG42GPS接收信号功率卫星发射天线增益天线路径损耗以及大气损耗-159.5dB接收天线有效面积-25.4dBLNA增益27dB噪声系数＜1.5输出电压驻波比＜2.0收到的功率：-156dBW混频A/D射频滤波滤波器和板上线路衰减发射功率滤波2714.3TPWdBW14.7TGdB14.314.7159.525.4156PdBW43GPS发射天线增益修正GPS发射天线实际增益：10.2dB~12.9dB天线本身的损耗天线增益经过精心设计，以补偿在地球边沿用户的远距离（从卫星往地球看）44L1接收天线增益图仰角90°方向：+4dBic仰角5°方向：-4dBicdBic：相对于全向天线的增益45接收功率密度46C/A码信号的接收功率47接收功率总结48输入端信噪比热噪声功率对C/A码，带宽2MHz，噪声基底：输入端信噪比231.3810/()(/)174/(/)114/iiiNkTBkJKTNdBmHzdBmHzNdBmMHzdBmMHz波尔兹曼常量290K(常温)或11410lg2111iNdBm/13011119iSNdBmdBmdBm49噪声系数噪声系数是接收机的重要参数：对于级联系统的总噪声系数为：前置放大器的噪声系数将对系统的噪声系数起决定作用，必须采用LNA。SNRFF1SNR输入，输出3N2111212N1111GGGGGGFFFFF50GPS信号功率与热噪声功率信号功率比环境噪声功率还要低。51扩频增益GPS扩频增益(C/A码的特性)完成解扩之后信噪比信号能量分配在一个比较宽的频带内，通过相关处理，从噪声中检测信号！61.0231043.150HzGdBHz2043.123.1SNRdB52放大倍数A/D输入电压100mV，阻抗50Ω，则输入功率：放大链路的总增益2(0.1)10250iPdBm10(111)101AGdBdBdB