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GSIJapan-21stofJune1999,第八章GPS接收機,8.1GPS接收機及其分類1.GPS接收機的基本概念GPS用戶設備主要包括GPS接收機及其天線、微處理機及其終端設備以及電源等。其中接收機和天線是核心部分，習慣上統(tǒng)稱為GPS接收機。主要功能是接收GPS衛(wèi)星發(fā)射的信號，并進行處理，獲取導航電文和必要的觀測量。,GPS接收機的結構如圖所示,GPS接收機的主要結構組成：?天線（帶前置放大器）?信號處理器：用于信號識別與處理?微處理器：用于接收機的控制、數據采集和導航計算?用戶信息傳輸：包括操作板、顯示板等?精密震蕩器：產生標準頻率?電源,GPS接收機按構成部分的性質和功能劃分：?硬件部分：上述的各種設備。?軟件部分：支持接收機硬件實現(xiàn)其功能，并完成各種導航和測量任務的程序。包括內軟件和外軟件。所謂內軟件是指諸如控制接收機信號通道，按時序對各衛(wèi)星信號進行量測的軟件，以及固化在中央處理器中自動操作程序等。此類軟件已與接收機融為一體。外軟件是指處理觀測數據的軟件系統(tǒng)，一般以磁盤方式提供。無特別說明，通常所指的軟件均指外軟件。,2.接收機類型（1）按工作原理劃分：?碼相關型接收機：能夠產生與所測衛(wèi)星測距碼結構完全相同的復制碼。利用的是C/A碼或P碼，條件是掌握測距碼結構，也稱有碼接收機。?平方型接收機：利用載波信號的平方技術去掉調制碼，獲得載波相位測量所必需的載波信號。該機只利用衛(wèi)星信號，無需解碼，不必掌握測距碼結構，稱無碼接收機。?混合型接收機：綜合利用了碼相關技術和平方技術的優(yōu)點，同時獲得碼相位和精密載波相位觀測量。目前廣泛使用。,（2）根據接收機信號通道類型劃分：?多通道接收機：具有多個衛(wèi)星信號通道，每個通道只連續(xù)跟蹤一個衛(wèi)星信號。也稱連續(xù)跟蹤型接收機。?序貫通道接收機：只有1-2個信號通道，為了跟蹤多個衛(wèi)星，在相應軟件控制下按時序依次對各衛(wèi)星信號進行跟蹤量測。依次量測一個循環(huán)所需時間較長（大于20ms），對衛(wèi)星信號的跟蹤是不連續(xù)的。?多路復用通道接收機：與序貫通道接收機相似，也只有1-2個信號通道，在相應軟件控制下按時序依次對各衛(wèi)星信號進行跟蹤量測。依次量測一個循環(huán)所需時間較短（小于20ms），可保持對衛(wèi)星信號的連續(xù)跟蹤。,（3）根據所接收的衛(wèi)星信號頻率劃分：?單頻接收機（L1）：只接收調制的L1信號，雖然可利用導航電文提供的參數，對觀測量進行電離層影響修正，但由于修正模型尚不完善，精度較差，主要用于小于20km的短基線精密定位。?雙頻接收機（L1+L2）：同時接受L1、L2兩種信號，利用雙頻技術，可消除或減弱電離層折射對觀測量的影響，定位精度較高。,（4）按接收機用途劃分：?導航型：用于確定船舶、車輛、飛機等運載體的實時位置和速度，保障按預定路線航行或選擇最佳路線。一般采用測碼偽距為觀測量的單點實時定位或差分GPS（RTDGPS）定位，精度低，結構簡單，價格便宜，應用廣泛。?測量型接收機：采用載波相位觀測量進行相對定位，精度高。觀測數據可測后處理或實時處理（RTK），需配備功能完善的數據處理軟件。與導航型相比，結構復雜，價格昂貴。?授時型接收機：主要用于天文臺或地面監(jiān)控站，進行時頻同步測定。,8.2GPS接收機通道的概念接收機信號通道可理解為GPS衛(wèi)星發(fā)射的信號經由天線進入接收機的路徑。當接收機的全向天線接收到所有來自天線水平面以上的衛(wèi)星信號之后，必須首先將這些信號隔離開來，以便進行處理和量測——通過接收機內若干分離信號的通道來實現(xiàn)。通道是由硬件和相應的軟件組成。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，當接收機需同時跟蹤多個衛(wèi)星信號時，原則上可采用兩種跟蹤方式：,一是接收機具有多個分離的硬件通道，每個通道都可連續(xù)的跟蹤一個衛(wèi)星信號；二是一個信號通道在相應軟件的作用下，跟蹤多個衛(wèi)星信號。根據跟蹤衛(wèi)星信號的方式不同，通道的類型分為：?序貫通道（sequencingchannel）?多路復用通道（multiplexingchannel）?多通道（multi-channel）,根據通道的工作原理，即對信號處理和量測的不同方法，分為：?碼相關型通道（correlationchannel）?平方型通道（squaringchannel）?碼相位型通道（codephasechannel）8.3接收機天線1.天線的作用與要求天線的基本作用是把來自于衛(wèi)星信號的能量轉化為相應的電流，并經前置放大器進行頻率變換，以便對信號進行跟蹤、處理和量測。,天線的基本要求：?天線與前置放大器應密封為一體，保障在惡劣氣象環(huán)境下正常工作。?天線應呈全圓極化：要求天線的作用范圍為整個上半球，天頂處不產生死角，保障能接收來自天空任何方向的衛(wèi)星信號。?天線必須采取適當的防護與屏蔽措施：例如加一塊基板，盡可能地減弱信號的多路徑效應，防止信號干擾。?天線的相位中心與其幾何中心的偏差應盡量小，且保持穩(wěn)定。,2.天線的類型：接收機天線有多種類型，其基本類型如下,（1）單極或偶極天線：屬于單頻天線，結構簡單，體積小，通常安裝在一塊基板上，減弱多路徑影響。（2）四線螺旋形或螺旋形結構天線：屬于單頻天線，結構較單極天線復雜，生產中難以調整，但增益性好，一般不需底板。（3）微波傳輸帶型天線：簡稱微帶天線。結構最為簡單和堅固，即可用于單頻，也可用于雙頻，天線高度低，是安裝在飛機上的理想天線。缺點是增益性低，但可采用低噪聲前置放大器加以彌補。,（4）錐形天線：也稱盤旋螺線型天線?？赏瑫r在兩個頻道上工作，優(yōu)點是增益性好，但天線較高，螺旋線在水平方向上不完全對稱，天線的相位中心和幾何中心不完全重合。（5）帶扼流圈的振子天線：簡稱扼流圈天線。1987年由美國航空航天局（NASA）研制。主要特點是可有效地抑制多路徑誤差的影響。缺點是體積大，重量重。,天線的品質對于減少信號損失，防止信號干擾和提高定位精度具有重要意義。為不斷完善天線性能，當前天線設計的主要任務是：?改善天線對不同GPS定位工作的適應性。?提高相位中心的穩(wěn)定性。?加強抗干擾能力，減弱多路徑影響。?進一步小型化、輕型化。?改進天線生產工藝。,幾種測量型雙頻GPS接收機的主要參數,8.4GPS測量系統(tǒng)的軟件功能及其發(fā)展GPS測量技術的軟件系統(tǒng)是支持接收機實現(xiàn)各種測量任務的基本條件，功能強大、品質良好的數據處理軟件系統(tǒng)，對改善定位精度，提高作業(yè)效率和開拓GPS應用新領域都具有重要意義。測量型GPS接收機的數據處理軟件系統(tǒng)由如下重要模塊組成；1.觀測計劃編制軟件：該軟件可產生天空衛(wèi)星分布圖，顯示衛(wèi)星高度和方位角，給出表征衛(wèi)星幾何配置的精度因子PDOP，以便選擇最好的衛(wèi)星配置和最佳的觀測時段。,2.觀測數據預處理軟件：主要功能是對原始觀測數據進行編輯、加工和整理，分流出各種專用信息文件，為進一步平差做準備。?數據傳輸：將GPS接收機記錄的觀測數據傳輸到磁盤或其它介質上，以便進行處理和保存。?數據分流：根據原始記錄，通過解碼將各項數據分類整理，剔除無效觀測值和冗余信息，形成各種數據文件，如星歷文件、觀測文件和測站信息文件等，以供進一步處理。?觀測數據的平滑、濾波：剔除粗差并進一步刪除無效觀測值。,?統(tǒng)一數據文件格式：將不同類型接收機的數據記錄格式、項目和采樣間隔，生成標準的文件格式（通過RINEX），以便統(tǒng)一處理。?衛(wèi)星軌道的標準化：統(tǒng)一不同來源衛(wèi)星軌道信息的表達方式、平滑GPS衛(wèi)星每小時發(fā)送的軌道參數，使觀測時段的衛(wèi)星軌道標準化。?自動探測周跳，修復載波相位觀測值。?對觀測值進行必要的改正。?基線向量的定義。,3.基線向量處理軟件：?處理多臺儀器的同步觀測數據，給出載波相位觀測值差分的固定解和浮動解。?同步邊觀測數據的質量檢核，包括觀測數據的剔除率、觀測值的殘差分析和不同時段重復觀測邊的精度檢核等。?應用廣播星歷或精密后處理星歷處理觀測數據。?精密相對定位數據處理的軌道改進法。?采用測碼偽距或測相偽距，測定和精化起始站坐標的初始值。,?處理結果的輸出值為測站點的空間直角坐標和大地坐標、基線向量的坐標差、基線的長度、方位角和大地高差，以及輸出量的方差和協(xié)方差。?處理不同定位模式的觀測數據，如靜態(tài)、快速靜態(tài)、準動態(tài)和動態(tài)等定位模式。?支持整周未知數的靜態(tài)快速解算方法。?支持以載波相位觀測量為根據的實時動態(tài)定位技術（RTK或RTDGPS）。4.GPS網平差軟件：?網的質量檢核，主要包括網中圖形（三角形和多邊形）閉合差的計算和檢核。?將基線向量的平差結果作為相關觀測量進行GPS網的整體平差。,?平差結果給出在WGS-84和用戶要求的坐標系統(tǒng)中的空間直角坐標、大地坐標和高斯平面坐標及其方差和協(xié)方差。?能根據用戶要求選用不同的平差方法。5.GPS網與經典地面網的聯(lián)合平差軟件?兩網之間轉換模型的選擇。?確定網的方差與協(xié)方差模型及網的基準。?三維聯(lián)合平差及精度評定。?在大地坐標系或平面坐標系中的兩維聯(lián)合平差及精度評定。?平差結果應給出在不同坐標系中網點的坐標值、兩網之間的轉換參數及其方差與協(xié)方差。?測區(qū)內似大地水準面的擬合及正常高的計算。,6.數據庫的管理軟件：主要功能包括數據存儲與檢索、測量成果的歸檔以及與國家控制網或其它系統(tǒng)軟件（如GIS）的接口等。軟件系統(tǒng)的研究與開發(fā)有力地推動了GPS測量技術的發(fā)展，提高了GPS測量技術的現(xiàn)代化水平，顯示了巨大的技術潛力，目前發(fā)展趨勢主要是：?進一步增強數據的綜合處理功能，支持多種測量模式，滿足不同用戶要求。?加強網平差、坐標系統(tǒng)轉換以及成果的分析功能。?GPS網及其與經典地面網聯(lián)合平差方法的優(yōu)化，提高數據處理的速度和改善平差結果的精度。,?增強繪圖功能，開發(fā)控制測量、地形地物測量與繪圖一體化的軟件系統(tǒng)。?提高自動診斷和修復周跳的能力。?發(fā)展快速解算整周未知數技術，縮短觀測時間，提高作業(yè)效率。?開發(fā)和完善動態(tài)確定整周未知數技術，進一步發(fā)展精密實時相對定位技術。?完善數據處理的數學模型和技術，進一步改善定位結果的精度。?發(fā)展數據處理的軌道改進技術，提高長距離的測量精度。?差分GPS（如DGPS、LADGPS、WADGPS等）修正量算法的最優(yōu)化和數據傳輸格式的標準化。?提高數據處理的自動化水平。,