第4章 GPS衛(wèi)星信號和GPS信號接收機2

第4章GPS衛(wèi)星信號和GPS信號接收機§4.1GPS衛(wèi)星信號§4.2GPS信號接收機概述復(fù)習(xí)思考題§4.2GPS信號接收機概述一、GPS接收機的基本概念（一）定義

（二）GPS接收機的組成

二、GPS接收機的信號通道三、GPS接收機的分類四、GPS接收機的工作原理

（一）定義“能夠接收、跟蹤、變換和測量GPS衛(wèi)星導(dǎo)航定位信號的無線電接收設(shè)備?！保ǘ〨PS接收機的組成GPS接收機天線單元GPS接收機主機單元變頻器及中頻放大器信號通道

存儲器微處理器顯示器

電源

（二）GPS接收機的組成把GPS接收機作為一個用戶測量系統(tǒng)：硬件部分接收機天線、主機和電源等硬件設(shè)備；軟件部分支持接收機硬件實現(xiàn)其功能，并完成各種導(dǎo)航和測量任務(wù)的軟件機內(nèi)軟件：控制接收機對衛(wèi)星信號的跟蹤、處理和量測的軟件，以及固化在中央處理器中的自動操作程序等GPS數(shù)據(jù)測后處理軟件包三、GPS接收機的分類工作原理：

碼相關(guān)型接收機

平方型接收機

混合型接收機

集成接收機

軟件接收機信號通道類型：多通道接收機序貫通道接收機多路復(fù)用通道接收機接收信號的頻率：

單頻接收機

雙頻接收機測距碼的類型：

C/A碼接收機

P碼接收機能否從信號中提取導(dǎo)航電文：

有碼接收機

無碼接收機用途：

導(dǎo)航型接收機

測地型接收機

授時型接收機導(dǎo)航型接收機

用于運動載體的導(dǎo)航特點：可以實時給出載體的位置和速度一般采用C/A碼偽距測量，單點實時定位精度較低，一般為士25m價格便宜，應(yīng)用廣泛

根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域的不同：車載型—用于車輛導(dǎo)航定位

航海型—用于船舶導(dǎo)航定位

航空型—用于飛機導(dǎo)航定位

星載型—用于衛(wèi)星的導(dǎo)航定位

其他類型測地型接收機

主要用于精密大地測量和精密工程測量特點：主要采用載波相位觀測值進行相對定位，定位精度高儀器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價格較貴單頻接收機

只能接收L1載波信號；因此，只能利用L1載波相位觀測值以及調(diào)制在L1載波上的C/A碼、P（Y）碼進行定位；由于單頻接收機不能有效消除電離層延遲影響，因此單點定位的精度較差；在靜態(tài)相對定位中，一般只適用于短基線（小于15km）的精密相對定位。

雙頻接收機

可以同時接收L1、L2載波信號；因此，可以利用L1、L2載波相位觀測值以及調(diào)制在L1、L2載波上的C/A碼、P1（Y）碼、P2（Y）碼進行定位；利用雙頻觀測值可以很好地消除電離層延遲的一階項影響。因此雙頻接收機可用于長達幾千公里的精密定位。碼相關(guān)型接收機――有碼接收機

通過產(chǎn)生與所測衛(wèi)星的測距碼結(jié)構(gòu)完全相同的復(fù)制碼，實現(xiàn)接收碼與復(fù)制碼的最大相關(guān)，來測定衛(wèi)星信號到達信號接收機天線的傳播時間，進而獲得偽距觀測值。C/A碼接收機P碼接收機平方型接收機――無碼接收機

利用平方技術(shù)去掉調(diào)制碼，來恢復(fù)載波（半波），然后，通過測定接收機內(nèi)產(chǎn)生的參考載波信號與接收到的衛(wèi)星載波信號之間的相位差，來獲取載波相位觀測值。

平方型接收機無需解碼，因而不必掌握測距碼的結(jié)構(gòu)，故也稱為無碼接收機。

混合型接收機

綜合利用碼相關(guān)技術(shù)和平方技術(shù)的優(yōu)點，既可以得到碼相位觀測值，也可以得到精密的載波相位觀測值。目前，在測量工作中使用的測地型接收機多屬這種類型。

二、GPS接收機的信號通道1、GPS接收機信號通道的概念2、信號通道的類型根據(jù)跟蹤衛(wèi)星信號的方式不同序貫通道多路復(fù)用通道多通道根據(jù)通道的工作原理碼相關(guān)型通道平方型通道碼相位型通道1、GPS接收機信號通道的概念可理解為：GPS衛(wèi)星信號經(jīng)由天線進入接收機的“路徑”。信號通道由硬件和相應(yīng)的控制軟件組成。每個通道，在某一時刻只能跟蹤一顆衛(wèi)星的一種頻率信號。當(dāng)接收機需要同步跟蹤多個衛(wèi)星信號時，原則上可采取兩種跟蹤方式：①接收機具有多個分離的通道②接收機只有一個信號通道

序貫通道“對進入該通道的所有衛(wèi)星信號，在軟件的控制下，按時序依次進行跟蹤和量測”對所測衛(wèi)星信號量測一個循環(huán)，所需時間大于20ms，一般為數(shù)秒～數(shù)分鐘。優(yōu)點：①硬件通道數(shù)少，結(jié)構(gòu)簡單，有利于減小接收機的體積和重量；②各衛(wèi)星信號在通道中的延遲相同，因此不存在信號間的通道延遲誤差。

缺點：①不能同時接收衛(wèi)星的導(dǎo)航電文，需要一個額外的通道來獲取導(dǎo)航電文②通道的控制軟件較為復(fù)雜③難以保持對載波信號的連續(xù)跟蹤

多路復(fù)用通道“對進入該通道的所有衛(wèi)星信號，在軟件的控制下，按時序依次進行跟蹤和量測”對衛(wèi)星信號量測一個循環(huán)，所需時間小于或等于20ms，比序貫通道的時間要短。

優(yōu)點：

①

②

③能同時接收衛(wèi)星的導(dǎo)航電文；

④可以連續(xù)地跟蹤載波信號，實現(xiàn)對載波相位的連續(xù)測量。

缺點：①通道的控制軟件較為復(fù)雜；②接收GPS衛(wèi)星信號的信躁比較低。

多通道“具有多個信號通道（4個以上），且每個通道只連續(xù)跟蹤一個衛(wèi)星信號”優(yōu)點：①可以連續(xù)地跟蹤衛(wèi)星信號，實現(xiàn)對衛(wèi)星信號的測距碼和載波相位的連續(xù)測量；②同時可接收衛(wèi)星的導(dǎo)航電文；③具有較好的信躁比。缺點：①各通道間存在信號延遲的偏差，必須進行比對和改正；②通道數(shù)較多，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，不利于減輕接收機的體積和重量。

碼相關(guān)型通道“以碼相關(guān)技術(shù)為依據(jù)，處理和量測GPS衛(wèi)星信號的通道”主要由碼跟蹤環(huán)路和載波跟蹤環(huán)路組成優(yōu)點：既可以進行偽距測量，又可進行載波相位測量，并能獲得導(dǎo)航電文，還具有良好的信躁比缺點：用戶必須掌握偽隨機碼的結(jié)構(gòu)，以便接收機能夠復(fù)制出復(fù)制碼。碼跟蹤環(huán)路作用：進行偽距測量，同時對衛(wèi)星信號進行解調(diào)以獲取導(dǎo)航電文和載波。

偽距測量把衛(wèi)星信號和復(fù)制碼混頻，并將混頻后的信號，通過帶通濾波器消去衛(wèi)星信號中的偽隨機噪聲碼，可獲得僅包含導(dǎo)航電文和載波的信號。

載波跟蹤環(huán)路作用：對通過碼跟蹤環(huán)路后（去掉了偽隨機噪聲碼）的衛(wèi)星信號（全波），進行載波相位測量，并解調(diào)出衛(wèi)星的導(dǎo)航電文。載波相位測量衛(wèi)星載波信號被鎖定后，再將其與參考載波信號混頻，并通過低通濾波器去掉高頻信號，就能獲得導(dǎo)航電文。

平方型通道“以平方技術(shù)為根據(jù)，處理和量測衛(wèi)星信號的通道”

基本工作原理

優(yōu)點：無需掌握測距碼(C／A碼、P碼)的結(jié)構(gòu)，便能獲得載波信號，進行載波相位測量。

缺點：無法獲得衛(wèi)星的導(dǎo)航電文和測距碼信息；信躁比降低。

平方型通道的基本工作原理平方技術(shù)的基本思想：將接收衛(wèi)星信號自乘，去掉載波上的調(diào)制碼，得到載波的二次諧波，用于載波相位測量。

在平方型通道中，本機振蕩器產(chǎn)生一個參考載波信號，經(jīng)倍頻后再與接收的衛(wèi)星信號混頻，即可得到一個頻率較低的信號。將該信號平方后，消去調(diào)制碼，而得到一個頻率為原載波頻率2倍的純載波信號（半波），然后利用該信號便可進行精密載波相位測量。

碼相位型通道在碼相位通道中，使用數(shù)字通信系統(tǒng)中的自相關(guān)技術(shù)或互相關(guān)技術(shù)，進行碼相位量測，獲得測距碼相位的量測值。優(yōu)點：無需掌握測距碼(C／A碼、P碼)的結(jié)構(gòu)，便能獲得載波信號，進行載波相位測量。

缺點：無法獲得衛(wèi)星的導(dǎo)航電文；觀測量的精度較低，定位的精度也較低。

四、GPS接收機的工作原理接收機的工作原理，主要是指其對所跟蹤衛(wèi)星信號的處理和量測方法。接收機對衛(wèi)星信號的處理、量測，都是在其信號通道內(nèi)實現(xiàn)的，所以接收機的工作原理與信號通道的工作原理是一致的。

GPS/GLONASS集成接收機

1．概念：所謂GPS/GLONASS集成接收機，就是用一臺接收機同時接收和測量GPS及GLONASS兩種衛(wèi)星信號，從而使世界上任意位置的陸、海、空用戶，能夠精確地測得其三維位置、三維速度和時間，甚至三維姿態(tài)參數(shù)，并確保它們達到穩(wěn)定可靠的高精度。如圖2．GPS/GLONASS集成接收機的優(yōu)越性3.GPS/GLONASS集成接收機的關(guān)健技術(shù)

2．GPS/GLONASS集成接收機的優(yōu)越性能夠消除“間隙時段”；能夠?qū)崿F(xiàn)真正的全球連續(xù)的精確導(dǎo)航；能夠以較短的數(shù)據(jù)采集時間獲得較高的導(dǎo)航定位精度；

試驗結(jié)果表明，用GPS/GLONASS混合星座作導(dǎo)航定位的二維位置精度比用單一GPS星座的二維位置精度高達70%能夠在繁雜的地形和地物環(huán)境下補償被中斷接收的衛(wèi)星信號，確保導(dǎo)航定位測量的正常進行；能夠在一個星座因故不能為我國用戶所用的情況下，而采用另一個星座，以此提高利用外國導(dǎo)航衛(wèi)星的可靠性。

3.GPS/GLONASS集成接收機的關(guān)健技術(shù)尋求接收機的公共頻率源；GPS衛(wèi)星均采用兩個相同的載波頻率（1575．42MHz和1227．60M1Iz），而GLONASS衛(wèi)星載波頻率是隨著衛(wèi)星編號不同而異的；必須具有一個聯(lián)系4種不同載波和4種不同偽噪聲碼的公共頻率源。

處理兩種坐標系統(tǒng)；GPS衛(wèi)星采用WGS-84坐標系GLONASS衛(wèi)星采用PZ-90坐標系

建立統(tǒng)一的時間尺度；①GPS信號發(fā)射時刻所用的GPS時系；

②GLONASS信號發(fā)射時刻所用的GLONASS時系；③接收機時鐘所在的時系

GPS軟件接收機

GPS軟件接收機是軟件無線電技術(shù)在GPS中的應(yīng)用；軟件無線電的概念：是指用可編程微處理器代替模擬或數(shù)字器件實現(xiàn)信號處理的大部分功能。軟件無線電接收機的結(jié)構(gòu)：如圖與傳統(tǒng)接收機的設(shè)計不同，軟件接收機中的所有處理在一片可編程的微處理器上用軟件實現(xiàn)，速度相對較慢。

GPS軟件接收機的優(yōu)點軟件無線電接收機的結(jié)構(gòu)圖：GPS軟件接收機的優(yōu)點（1）便于GPS接收機的升級適合新一代GPS衛(wèi)星的升級費用問題；GPS接收機接收其他衛(wèi)星定位系統(tǒng)信號的兼容問題。（2）可以實現(xiàn)直接P(Y)碼捕獲CPS軟件接收機，信號的相關(guān)運算可以通過FFT算法完成，可以減少信號的處理時間。（3）可以進行多種實時模擬GPS軟件接收機可以對信號進行實時處理，也可以將抽樣信號儲存在儲存器中。采用不同的算法后，用這些儲存數(shù)據(jù)對新的算法進行測試，從而準確地比較不同算法的有效性和精度。（4）具有較高的定位精度可以通過改進定位算法，提高GPS定位精度。導(dǎo)航型GPS接收機GP