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GSIJapan-21stofJune1999,第八章GPS接收機(jī),8.1GPS接收機(jī)及其分類1.GPS接收機(jī)的基本概念GPS用戶設(shè)備主要包括GPS接收機(jī)及其天線、微處理機(jī)及其終端設(shè)備以及電源等。其中接收機(jī)和天線是核心部分，習(xí)慣上統(tǒng)稱為GPS接收機(jī)。主要功能是接收GPS衛(wèi)星發(fā)射的信號(hào)，并進(jìn)行處理，獲取導(dǎo)航電文和必要的觀測(cè)量。,GPS接收機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖所示,GPS接收機(jī)的主要結(jié)構(gòu)組成：?天線（帶前置放大器）?信號(hào)處理器：用于信號(hào)識(shí)別與處理?微處理器：用于接收機(jī)的控制、數(shù)據(jù)采集和導(dǎo)航計(jì)算?用戶信息傳輸：包括操作板、顯示板等?精密震蕩器：產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)頻率?電源,GPS接收機(jī)按構(gòu)成部分的性質(zhì)和功能劃分：?硬件部分：上述的各種設(shè)備。?軟件部分：支持接收機(jī)硬件實(shí)現(xiàn)其功能，并完成各種導(dǎo)航和測(cè)量任務(wù)的程序。包括內(nèi)軟件和外軟件。所謂內(nèi)軟件是指諸如控制接收機(jī)信號(hào)通道，按時(shí)序?qū)Ω餍l(wèi)星信號(hào)進(jìn)行量測(cè)的軟件，以及固化在中央處理器中自動(dòng)操作程序等。此類軟件已與接收機(jī)融為一體。外軟件是指處理觀測(cè)數(shù)據(jù)的軟件系統(tǒng)，一般以磁盤方式提供。無(wú)特別說(shuō)明，通常所指的軟件均指外軟件。,2.接收機(jī)類型（1）按工作原理劃分：?碼相關(guān)型接收機(jī)：能夠產(chǎn)生與所測(cè)衛(wèi)星測(cè)距碼結(jié)構(gòu)完全相同的復(fù)制碼。利用的是C/A碼或P碼，條件是掌握測(cè)距碼結(jié)構(gòu)，也稱有碼接收機(jī)。?平方型接收機(jī)：利用載波信號(hào)的平方技術(shù)去掉調(diào)制碼，獲得載波相位測(cè)量所必需的載波信號(hào)。該機(jī)只利用衛(wèi)星信號(hào)，無(wú)需解碼，不必掌握測(cè)距碼結(jié)構(gòu)，稱無(wú)碼接收機(jī)。?混合型接收機(jī)：綜合利用了碼相關(guān)技術(shù)和平方技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)獲得碼相位和精密載波相位觀測(cè)量。目前廣泛使用。,（2）根據(jù)接收機(jī)信號(hào)通道類型劃分：?多通道接收機(jī)：具有多個(gè)衛(wèi)星信號(hào)通道，每個(gè)通道只連續(xù)跟蹤一個(gè)衛(wèi)星信號(hào)。也稱連續(xù)跟蹤型接收機(jī)。?序貫通道接收機(jī)：只有1-2個(gè)信號(hào)通道，為了跟蹤多個(gè)衛(wèi)星，在相應(yīng)軟件控制下按時(shí)序依次對(duì)各衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行跟蹤量測(cè)。依次量測(cè)一個(gè)循環(huán)所需時(shí)間較長(zhǎng)（大于20ms），對(duì)衛(wèi)星信號(hào)的跟蹤是不連續(xù)的。?多路復(fù)用通道接收機(jī)：與序貫通道接收機(jī)相似，也只有1-2個(gè)信號(hào)通道，在相應(yīng)軟件控制下按時(shí)序依次對(duì)各衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行跟蹤量測(cè)。依次量測(cè)一個(gè)循環(huán)所需時(shí)間較短（小于20ms），可保持對(duì)衛(wèi)星信號(hào)的連續(xù)跟蹤。,（3）根據(jù)所接收的衛(wèi)星信號(hào)頻率劃分：?單頻接收機(jī)（L1）：只接收調(diào)制的L1信號(hào)，雖然可利用導(dǎo)航電文提供的參數(shù)，對(duì)觀測(cè)量進(jìn)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(jī)（L1+L2）：同時(shí)接受L1、L2兩種信號(hào)，利用雙頻技術(shù)，可消除或減弱電離層折射對(duì)觀測(cè)量的影響，定位精度較高。,（4）按接收機(jī)用途劃分：?導(dǎo)航型：用于確定船舶、車輛、飛機(jī)等運(yùn)載體的實(shí)時(shí)位置和速度，保障按預(yù)定路線航行或選擇最佳路線。一般采用測(cè)碼偽距為觀測(cè)量的單點(diǎn)實(shí)時(shí)定位或差分GPS（RTDGPS）定位，精度低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，應(yīng)用廣泛。?測(cè)量型接收機(jī)：采用載波相位觀測(cè)量進(jìn)行相對(duì)定位，精度高。觀測(cè)數(shù)據(jù)可測(cè)后處理或?qū)崟r(shí)處理（RTK），需配備功能完善的數(shù)據(jù)處理軟件。與導(dǎo)航型相比，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格昂貴。?授時(shí)型接收機(jī)：主要用于天文臺(tái)或地面監(jiān)控站，進(jìn)行時(shí)頻同步測(cè)定。,8.2GPS接收機(jī)通道的概念接收機(jī)信號(hào)通道可理解為GPS衛(wèi)星發(fā)射的信號(hào)經(jīng)由天線進(jìn)入接收機(jī)的路徑。當(dāng)接收機(jī)的全向天線接收到所有來(lái)自天線水平面以上的衛(wèi)星信號(hào)之后，必須首先將這些信號(hào)隔離開(kāi)來(lái)，以便進(jìn)行處理和量測(cè)——通過(guò)接收機(jī)內(nèi)若干分離信號(hào)的通道來(lái)實(shí)現(xiàn)。通道是由硬件和相應(yīng)的軟件組成。每個(gè)通道在某一時(shí)刻只能跟蹤一顆衛(wèi)星的一種頻率信號(hào)，當(dāng)接收機(jī)需同時(shí)跟蹤多個(gè)衛(wèi)星信號(hào)時(shí)，原則上可采用兩種跟蹤方式：,一是接收機(jī)具有多個(gè)分離的硬件通道，每個(gè)通道都可連續(xù)的跟蹤一個(gè)衛(wèi)星信號(hào)；二是一個(gè)信號(hào)通道在相應(yīng)軟件的作用下，跟蹤多個(gè)衛(wèi)星信號(hào)。根據(jù)跟蹤衛(wèi)星信號(hào)的方式不同，通道的類型分為：?序貫通道（sequencingchannel）?多路復(fù)用通道（multiplexingchannel）?多通道（multi-channel）,根據(jù)通道的工作原理，即對(duì)信號(hào)處理和量測(cè)的不同方法，分為：?碼相關(guān)型通道（correlationchannel）?平方型通道（squaringchannel）?碼相位型通道（codephasechannel）8.3接收機(jī)天線1.天線的作用與要求天線的基本作用是把來(lái)自于衛(wèi)星信號(hào)的能量轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電流，并經(jīng)前置放大器進(jìn)行頻率變換，以便對(duì)信號(hào)進(jìn)行跟蹤、處理和量測(cè)。,天線的基本要求：?天線與前置放大器應(yīng)密封為一體，保障在惡劣氣象環(huán)境下正常工作。?天線應(yīng)呈全圓極化：要求天線的作用范圍為整個(gè)上半球，天頂處不產(chǎn)生死角，保障能接收來(lái)自天空任何方向的衛(wèi)星信號(hào)。?天線必須采取適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)與屏蔽措施：例如加一塊基板，盡可能地減弱信號(hào)的多路徑效應(yīng)，防止信號(hào)干擾。?天線的相位中心與其幾何中心的偏差應(yīng)盡量小，且保持穩(wěn)定。,2.天線的類型：接收機(jī)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(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(jié)構(gòu)天線：屬于單頻天線，結(jié)構(gòu)較單極天線復(fù)雜，生產(chǎn)中難以調(diào)整，但增益性好，一般不需底板。（3）微波傳輸帶型天線：簡(jiǎn)稱微帶天線。結(jié)構(gòu)最為簡(jiǎn)單和堅(jiān)固，即可用于單頻，也可用于雙頻，天線高度低，是安裝在飛機(jī)上的理想天線。缺點(diǎn)是增益性低，但可采用低噪聲前置放大器加以彌補(bǔ)。,（4）錐形天線：也稱盤旋螺線型天線?？赏瑫r(shí)在兩個(gè)頻道上工作，優(yōu)點(diǎn)是增益性好，但天線較高，螺旋線在水平方向上不完全對(duì)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(jiǎn)稱扼流圈天線。1987年由美國(guó)航空航天局（NASA）研制。主要特點(diǎn)是可有效地抑制多路徑誤差的影響。缺點(diǎn)是體積大，重量重。,天線的品質(zhì)對(duì)于減少信號(hào)損失，防止信號(hào)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(dāng)前天線設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是：?改善天線對(duì)不同GPS定位工作的適應(yīng)性。?提高相位中心的穩(wěn)定性。?加強(qiáng)抗干擾能力，減弱多路徑影響。?進(jìn)一步小型化、輕型化。?改進(jìn)天線生產(chǎn)工藝。,幾種測(cè)量型雙頻GPS接收機(jī)的主要參數(shù),8.4GPS測(cè)量系統(tǒng)的軟件功能及其發(fā)展GPS測(cè)量技術(shù)的軟件系統(tǒng)是支持接收機(jī)實(shí)現(xiàn)各種測(cè)量任務(wù)的基本條件，功能強(qiáng)大、品質(zhì)良好的數(shù)據(jù)處理軟件系統(tǒng)，對(duì)改善定位精度，提高作業(yè)效率和開(kāi)拓GPS應(yīng)用新領(lǐng)域都具有重要意義。測(cè)量型GPS接收機(jī)的數(shù)據(jù)處理軟件系統(tǒng)由如下重要模塊組成；1.觀測(cè)計(jì)劃編制軟件：該軟件可產(chǎn)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(cè)時(shí)段。,2.觀測(cè)數(shù)據(jù)預(yù)處理軟件：主要功能是對(duì)原始觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯、加工和整理，分流出各種專用信息文件，為進(jìn)一步平差做準(zhǔn)備。?數(shù)據(jù)傳輸：將GPS接收機(jī)記錄的觀測(cè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)酱疟P或其它介質(zhì)上，以便進(jìn)行處理和保存。?數(shù)據(jù)分流：根據(jù)原始記錄，通過(guò)解碼將各項(xiàng)數(shù)據(jù)分類整理，剔除無(wú)效觀測(cè)值和冗余信息，形成各種數(shù)據(jù)文件，如星歷文件、觀測(cè)文件和測(cè)站信息文件等，以供進(jìn)一步處理。?觀測(cè)數(shù)據(jù)的平滑、濾波：剔除粗差并進(jìn)一步刪除無(wú)效觀測(cè)值。,?統(tǒng)一數(shù)據(jù)文件格式：將不同類型接收機(jī)的數(shù)據(jù)記錄格式、項(xiàng)目和采樣間隔，生成標(biāo)準(zhǔn)的文件格式（通過(guò)RINEX），以便統(tǒng)一處理。?衛(wèi)星軌道的標(biāo)準(zhǔn)化：統(tǒng)一不同來(lái)源衛(wèi)星軌道信息的表達(dá)方式、平滑GPS衛(wèi)星每小時(shí)發(fā)送的軌道參數(shù)，使觀測(cè)時(shí)段的衛(wèi)星軌道標(biāo)準(zhǔn)化。?自動(dòng)探測(cè)周跳，修復(fù)載波相位觀測(cè)值。?對(duì)觀測(cè)值進(jìn)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(tái)儀器的同步觀測(cè)數(shù)據(jù)，給出載波相位觀測(cè)值差分的固定解和浮動(dòng)解。?同步邊觀測(cè)數(shù)據(jù)的質(zhì)量檢核，包括觀測(cè)數(shù)據(jù)的剔除率、觀測(cè)值的殘差分析和不同時(shí)段重復(fù)觀測(cè)邊的精度檢核等。?應(yīng)用廣播星歷或精密后處理星歷處理觀測(cè)數(shù)據(jù)。?精密相對(duì)定位數(shù)據(jù)處理的軌道改進(jìn)法。?采用測(cè)碼偽距或測(cè)相偽距，測(cè)定和精化起始站坐標(biāo)的初始值。,?處理結(jié)果的輸出值為測(cè)站點(diǎn)的空間直角坐標(biāo)和大地坐標(biāo)、基線向量的坐標(biāo)差、基線的長(zhǎng)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(cè)數(shù)據(jù)，如靜態(tài)、快速靜態(tài)、準(zhǔn)動(dòng)態(tài)和動(dòng)態(tài)等定位模式。?支持整周未知數(shù)的靜態(tài)快速解算方法。?支持以載波相位觀測(cè)量為根據(jù)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位技術(shù)（RTK或RTDGPS）。4.GPS網(wǎng)平差軟件：?網(wǎng)的質(zhì)量檢核，主要包括網(wǎng)中圖形（三角形和多邊形）閉合差的計(jì)算和檢核。?將基線向量的平差結(jié)果作為相關(guān)觀測(cè)量進(jìn)行GPS網(wǎng)的整體平差。,?平差結(jié)果給出在WGS-84和用戶要求的坐標(biāo)系統(tǒng)中的空間直角坐標(biāo)、大地坐標(biāo)和高斯平面坐標(biāo)及其方差和協(xié)方差。?能根據(jù)用戶要求選用不同的平差方法。5.GPS網(wǎng)與經(jīng)典地面網(wǎng)的聯(lián)合平差軟件?兩網(wǎng)之間轉(zhuǎn)換模型的選擇。?確定網(wǎng)的方差與協(xié)方差模型及網(wǎng)的基準(zhǔn)。?三維聯(lián)合平差及精度評(píng)定。?在大地坐標(biāo)系或平面坐標(biāo)系中的兩維聯(lián)合平差及精度評(píng)定。?平差結(jié)果應(yīng)給出在不同坐標(biāo)系中網(wǎng)點(diǎn)的坐標(biāo)值、兩網(wǎng)之間的轉(zhuǎn)換參數(shù)及其方差與協(xié)方差。?測(cè)區(qū)內(nèi)似大地水準(zhǔn)面的擬合及正常高的計(jì)算。,6.數(shù)據(jù)庫(kù)的管理軟件：主要功能包括數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與檢索、測(cè)量成果的歸檔以及與國(guó)家控制網(wǎng)或其它系統(tǒng)軟件（如GIS）的接口等。軟件系統(tǒng)的研究與開(kāi)發(fā)有力地推動(dòng)了GPS測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，提高了GPS測(cè)量技術(shù)的現(xiàn)代化水平，顯示了巨大的技術(shù)潛力，目前發(fā)展趨勢(shì)主要是：?進(jìn)一步增強(qiáng)數(shù)據(jù)的綜合處理功能，支持多種測(cè)量模式，滿足不同用戶要求。?加強(qiáng)網(wǎng)平差、坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換以及成果的分析功能。?GPS網(wǎng)及其與經(jīng)典地面網(wǎng)聯(lián)合平差方法的優(yōu)化，提高數(shù)據(jù)處理的速度和改善平差結(jié)果的精度。,?增強(qiáng)繪圖功能，開(kāi)發(fā)控制測(cè)量、地形地物測(cè)量與繪圖一體化的軟件系統(tǒng)。?提高自動(dòng)診斷和修復(fù)周跳的能力。?發(fā)展快速解算整周未知數(shù)技術(shù)，縮短觀測(cè)時(shí)間，提高作業(yè)效率。?開(kāi)發(fā)和完善動(dòng)態(tài)確定整周未知數(shù)技術(shù)，進(jìn)一步發(fā)展精密實(shí)時(shí)相對(duì)定位技術(shù)。?完善數(shù)據(jù)處理的數(shù)學(xué)模型和技術(shù)，進(jìn)一步改善定位結(jié)果的精度。?發(fā)展數(shù)據(jù)處理的軌道改進(jìn)技術(shù)，提高長(zhǎng)距離的測(cè)量精度。?差分GPS（如DGPS、LADGPS、WADGPS等）修正量算法的最優(yōu)化和數(shù)據(jù)傳輸格式的標(biāo)準(zhǔn)化。?提高數(shù)據(jù)處理的自動(dòng)化水平。,