第八章GPS接收機(jī)教材課件

GPS接收機(jī)的構(gòu)成及工作原理趙晶同濟(jì)大學(xué)海洋與地球科學(xué)學(xué)院2009.5.25GPS應(yīng)用GPS技術(shù)軍事海洋航運(yùn)航測遙感通迅交通運(yùn)輸GPS系統(tǒng)由三部分組成：空間衛(wèi)星星座：21顆工作衛(wèi)星，3顆備用衛(wèi)星。地面控制系統(tǒng)：1個(gè)主控站，3個(gè)注入站，5個(gè)監(jiān)測站。用戶設(shè)備部分：接收GPS衛(wèi)星信號(hào)，以獲得必要的信息，經(jīng)數(shù)據(jù)處理，完成相應(yīng)的工作。GPS接收機(jī)硬件一般由主機(jī)、天線和電源組成。GPS系統(tǒng)構(gòu)成GPS信號(hào)接收機(jī)定義結(jié)構(gòu)信號(hào)通道工作原理分類術(shù)語一、定義能夠接收、跟蹤、變換和測量GPS衛(wèi)星信號(hào)的專門設(shè)備。多數(shù)采用石英鐘。二、GPS接收機(jī)結(jié)構(gòu)GPS接收機(jī)主要由GPS接收機(jī)天線單元和GPS接收機(jī)接收單元組成。天線單元接收單元天線單元構(gòu)成：天線；前置放大器；天線單元主要功能：接收來自衛(wèi)星的電磁波信號(hào)；將電磁波信號(hào)轉(zhuǎn)化為電流；放大信號(hào)電流；對(duì)信號(hào)電流進(jìn)行頻率變換；天線特性：相位中心、增益方式、帶寬、極化天線的幾何中心與平均相位中心相位中心偏移——數(shù)毫米至數(shù)厘米天線高——標(biāo)志至平均相位中心所在平面的垂直距離相位中心變化：與信號(hào)的高度角有關(guān)與信號(hào)入射的方位角關(guān)系較小L2的平均相位中心

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2L1的平均相位中心r1r2天線類型：單極天線微帶天線螺旋天線四絲螺旋天線空間螺旋天線背腔平面盤旋天線天線特點(diǎn)：單極天線單頻或雙頻(雙極結(jié)構(gòu))、需要較大的底板、相位中心穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡單微帶天線結(jié)構(gòu)簡單、單頻或雙頻、側(cè)視角低(適合于機(jī)載應(yīng)用)、低增益、應(yīng)用最為廣泛螺旋天線

四絲螺旋天線——單頻、難以調(diào)整相位和極化方式、非方位對(duì)稱、增益特性好、不需要底板空間螺旋天線——雙頻、增益特性好、側(cè)視角高、非方位對(duì)稱背腔平面盤旋天線接收單元由信號(hào)通道、微處理器、存儲(chǔ)器、顯示器及電源組成。主要作用：記錄GPS信號(hào)并對(duì)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)和濾波處理，還原出GPS衛(wèi)星發(fā)送的導(dǎo)航電文，解求信號(hào)在站星間的傳播時(shí)間和載波相位差，實(shí)時(shí)地獲得導(dǎo)航定位數(shù)據(jù)或采用測后處理的方式，獲得定位、測速、定時(shí)等數(shù)據(jù)。

三、信號(hào)通道GPS衛(wèi)星信號(hào)經(jīng)由天線進(jìn)入接收機(jī)的路徑；由無線電元器件、數(shù)字電路等硬件和專用軟件所組成；跟蹤、分離、處理和量測衛(wèi)星信號(hào)，獲取工作所需的數(shù)據(jù)和信息；信號(hào)通道的類型：根據(jù)對(duì)信號(hào)的跟蹤方式：多通道；序貫通道；多路復(fù)用通道；根據(jù)工作原理：碼相關(guān)型(P71)通道；平方型(P192)通道；碼相位型通道(P193)；序貫通道、多路復(fù)用通道和多通道：碼相關(guān)型通道、平方型通道和碼相位型通道：接收機(jī)的主要任務(wù)是：捕獲到按一定衛(wèi)星高度的待測衛(wèi)星，跟蹤這些衛(wèi)星的運(yùn)行；對(duì)所接收到的GPS信號(hào)，進(jìn)行變換、放大和處理，并測量出GPS信號(hào)從衛(wèi)星到接收天線的傳播時(shí)間，解譯出GPS衛(wèi)星所發(fā)送的導(dǎo)航電文，實(shí)時(shí)地計(jì)算出測站的三維位置，甚至三維速度和時(shí)間。四、GPS接收機(jī)工作原理GPS信號(hào)接收機(jī)不僅需要功能較強(qiáng)的機(jī)內(nèi)軟件，而且需要一個(gè)多功能的GPS數(shù)據(jù)測后處理軟件包。接收機(jī)加處理軟件包，才是完整的GPS信號(hào)用戶設(shè)備！

天線前置放大器電源部分射電部分微處理器數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器顯示控制器供電信號(hào)信息命令數(shù)據(jù)供電，控制供電數(shù)據(jù)控制四、GPS接收機(jī)工作原理$GPAAM-WaypointArrivalAlarm$GPDCN-DeccaPosition$GPDPT-Depth$GPFSI-FrequencySetInformation$GPGGA-GlobalPositioningSystemFixData$GPGLC-GeographicPosition,Loran-C$GPGLL-GeographicPosition,Latitude/Longitude$GPGRS-GPSRangeResiduals$GPGSA-GPSDOPandActiveSatellites$GPGST-GPSPseudorangeNoiseStatistics$GPGSV-GPSSatellitesinView$GPGXA-TRANSITPosition$GPHDG-Heading,Deviation&Variation$GPHDT-Heading,True$GPHSC-HeadingSteeringCommand$GPOSD-OwnShipData$GPR00-Waypointactiveroute(notstandard)$GPRMA-RecommendedMinimumSpecificLoran-CData$GPRMB-RecommendedMinimumNavigationInformation$GPRMC-RecommendedMinimumSpecificGPS/TRANSITDataNMEA0183數(shù)據(jù)格式四、GPS接收機(jī)工作原理，104700，12530.3904，001.9CRLF..07，4388.1818，A＄GPRMC

，N，E，336.9，130405，013.6，E，A＄字符為所有GPS語句的起始標(biāo)志，GPRMC為地址域值，代表GPS推薦的最短數(shù)據(jù)。代表UTC_TIME24h（24小時(shí)）制的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間，格式為“，HHMMSS”，HH表示小時(shí)值，MM表示分鐘值，SS表示秒鐘值。表示通信狀態(tài)，值為A或者V，A表示數(shù)據(jù)“OK”，V表示一個(gè)警告。表示緯度值，精確到小數(shù)點(diǎn)前4位，后4位。格式為“，XXYY.YYYY,Z”XX表示度；YY.YYYY表示分?！癗”表示北緯，“S”表示南緯。

表示經(jīng)度值，精確到小數(shù)點(diǎn)前5位，后4位。格式為“，XXXYY.YYYY,Z”，XXX表示度；YY.YYYY表示分“W”表示西經(jīng)，“E”表示東經(jīng)。

表示速度值，精確到小數(shù)點(diǎn)前3位，后1位。格式為“,XXX.X”，XXX.X即為速度值，單位為海里/小時(shí)。

表示真實(shí)航向，格式為“，XXX.X”，XXX.X即為航向值，單位為度。

表示UTC_DATE標(biāo)準(zhǔn)日期，格式為“，DDMMYY”，YY表示年度，MM表示月份，DD表示天。年份應(yīng)該在1997-2040之間。表示磁偏移，格式為“,XXX.X,Y”，XXX.X即為磁偏移量，單位為度。表示偏轉(zhuǎn)方向，“W”表示西，“E”表示東。表示系統(tǒng)定位模式

表示校驗(yàn)和，格式為“..XX”，XX表示校驗(yàn)和

回車換行符，是語句的結(jié)束標(biāo)志?！鏕PRMC，104700，V，，，，，，，130405，，A，CRLFNMEA0183數(shù)據(jù)格式按接收機(jī)工作原理分類：

碼相關(guān)型接收機(jī)利用碼相關(guān)技術(shù)得到偽距觀測值。平方型接收機(jī)利用載波信號(hào)的平方技術(shù)去掉調(diào)制信號(hào),來恢復(fù)完整的載波信號(hào)，通過相位計(jì)測定接收機(jī)內(nèi)產(chǎn)生的載波信號(hào)與接收到的載波信號(hào)之間的相位差，測定偽距觀測值?；旌闲徒邮諜C(jī)綜合上述兩種接收機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，既可以得到碼相位偽距觀測量，也可以得到載波相位觀測值。干涉型接收機(jī)將GPS衛(wèi)星作為射電源，采用干涉測量方法，測定兩個(gè)測站間距離。五、GPS接收機(jī)分類五、GPS接收機(jī)分類按接收機(jī)的用途分類：

導(dǎo)航型接收機(jī)

此類型接收機(jī)主要用于運(yùn)動(dòng)載體的導(dǎo)航，它可以實(shí)時(shí)給出載體的位置和速度。根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域的不同，此類接收機(jī)還可以進(jìn)一步分為：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(jī)導(dǎo)航定位。星載型——用于衛(wèi)星的導(dǎo)航定位。測量型接收機(jī)

測量型接收機(jī)主要用于精密大地測量和精密工程測量，配備有功能完善的數(shù)據(jù)處理軟件，定位精度高，儀器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格昂貴。

授時(shí)型接收機(jī)

這類接收機(jī)主要利用GPS衛(wèi)星提供的高精度時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行授時(shí)，常用于天文臺(tái)及無線電通訊中時(shí)間同步。

按接收機(jī)的載波頻率分類：

單頻接收機(jī)只能接收L1載波信號(hào)，測定載波相位觀測值進(jìn)行定位，不能有效消除電離層延遲影響，只適用于短基線(<15km)的精密定位。雙頻接收機(jī)

可以同時(shí)接收L1，L2載波信號(hào)，可以消除電離層對(duì)電磁波信號(hào)的延遲的影響，可用于長達(dá)幾千公里的精密定位。五、GPS接收機(jī)分類單頻機(jī)雙頻機(jī)

按接收機(jī)信號(hào)通道類型分類：

根據(jù)接收機(jī)所具有的信號(hào)通道種類可分為：多通道接收機(jī)、序貫通道接收機(jī)、多路復(fù)用通道接收機(jī)。五、GPS接收機(jī)分類GPS手持機(jī)：GPS手持機(jī)是利用GPS基本原理設(shè)計(jì)而成的，體積小巧、攜帶方便、獨(dú)立使用的全天候?qū)崟r(shí)定位導(dǎo)航設(shè)備。好的手持機(jī)必備的條件是：靈敏度高，存貯量大，外部接口齊全。

GPS手持機(jī)按用途可分為陸用型、空用型、海用型。陸用型GPS手持機(jī)一般沒有內(nèi)置地圖，主要利用航路點(diǎn)記錄，選擇相應(yīng)航路點(diǎn)可自動(dòng)生成路線。內(nèi)置天線使得機(jī)型小巧，它是應(yīng)用最廣的GPS設(shè)備；空用型提供全球空域圖和地域圖，靈敏度極高，適用于在高速行進(jìn)的飛機(jī)中定位；海用型內(nèi)置全球海圖，超大屏幕，提供可固定在船體上的配套支架和天線。五、GPS接收機(jī)分類五、GPS接收機(jī)分類常見的GPS接收機(jī)品牌：Trimble，Ashtech，Thalas，Leica，Topcon，Novatel，Garmin，Motorola

坐標(biāo)(Coordinate)：當(dāng)GPS能夠收到4顆及以上衛(wèi)星的信號(hào)時(shí)，它能計(jì)算出本地的3維坐標(biāo)：經(jīng)度、緯度、高度，若只能收到3顆衛(wèi)星的信號(hào)，它只能計(jì)算出2維坐標(biāo)：經(jīng)度和緯度，這時(shí)它可能還會(huì)顯示高度數(shù)據(jù)，但這數(shù)據(jù)是無效的。上海地區(qū)緯在北緯31.2度左右，此地經(jīng)度一度合276公里，一分合1.42公里，一秒合23.69米，你可以選定某個(gè)顯示方式，并把各位數(shù)字改變一對(duì)應(yīng)地面移動(dòng)多少米記住，這樣能在經(jīng)緯度和實(shí)際里程間建立個(gè)大概的對(duì)應(yīng)。

航點(diǎn)(LandmarkorWaypoint)：接收機(jī)內(nèi)存中保存的一個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)值。航點(diǎn)是GPS接收機(jī)的數(shù)據(jù)核心，它是構(gòu)成“航線”的基礎(chǔ)。標(biāo)記航點(diǎn)是GPS主要功能之一，一般GPS能記錄3000個(gè)或以上的航點(diǎn)。六、術(shù)語

航線(Route)：是GPS內(nèi)存中存儲(chǔ)的一組數(shù)據(jù)，包括一個(gè)起點(diǎn)和一個(gè)終點(diǎn)的坐標(biāo)，還可以包括若干中間點(diǎn)的坐標(biāo)。GPS72能存儲(chǔ)50條航線，每條航線包含50個(gè)航點(diǎn)。

前進(jìn)方向(Heading)：GPS沒有指北針的功能，靜止不動(dòng)時(shí)它是不知道方向的。但是一旦動(dòng)了起來，它就能知道自己的運(yùn)動(dòng)方向。GPS每隔一秒更新一次當(dāng)前地點(diǎn)信息，每一點(diǎn)的坐標(biāo)和上一點(diǎn)的坐標(biāo)一比較，就可以知道前進(jìn)的方向。六、術(shù)語實(shí)驗(yàn)一GPS接收機(jī)的使用時(shí)間：2009.5.27地點(diǎn)：......實(shí)驗(yàn)?zāi)康模毫私釭PS接收機(jī)的工作原理；認(rèn)識(shí)GPS接收機(jī)的結(jié)構(gòu)；熟練使用GPS接收機(jī)進(jìn)行定位、導(dǎo)航與測量；實(shí)驗(yàn)一GPS接收機(jī)的使用要求：嚴(yán)肅認(rèn)真、實(shí)事求是、團(tuán)結(jié)協(xié)作；必須參加每一個(gè)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，協(xié)作完成實(shí)