第4章 GPS衛(wèi)星信號(hào)和GPS信號(hào)接收機(jī)2

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

（二）GPS接收機(jī)的組成

二、GPS接收機(jī)的信號(hào)通道三、GPS接收機(jī)的分類四、GPS接收機(jī)的工作原理

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

存儲(chǔ)器微處理器顯示器

電源

（二）GPS接收機(jī)的組成把GPS接收機(jī)作為一個(gè)用戶測(cè)量系統(tǒng)：硬件部分接收機(jī)天線、主機(jī)和電源等硬件設(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)的軟件機(jī)內(nèi)軟件：控制接收機(jī)對(duì)衛(wèi)星信號(hào)的跟蹤、處理和量測(cè)的軟件，以及固化在中央處理器中的自動(dòng)操作程序等GPS數(shù)據(jù)測(cè)后處理軟件包三、GPS接收機(jī)的分類工作原理：

碼相關(guān)型接收機(jī)

平方型接收機(jī)

混合型接收機(jī)

集成接收機(jī)

軟件接收機(jī)信號(hào)通道類型：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)接收信號(hào)的頻率：

單頻接收機(jī)

雙頻接收機(jī)測(cè)距碼的類型：

C/A碼接收機(jī)

P碼接收機(jī)能否從信號(hào)中提取導(dǎo)航電文：

有碼接收機(jī)

無碼接收機(jī)用途：

導(dǎo)航型接收機(jī)

測(cè)地型接收機(jī)

授時(shí)型接收機(jī)導(dǎo)航型接收機(jī)

用于運(yùn)動(dòng)載體的導(dǎo)航特點(diǎn)：可以實(shí)時(shí)給出載體的位置和速度一般采用C/A碼偽距測(cè)量，單點(diǎn)實(shí)時(shí)定位精度較低，一般為士25m價(jià)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(jī)導(dǎo)航定位

星載型—用于衛(wèi)星的導(dǎo)航定位

其他類型測(cè)地型接收機(jī)

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

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

雙頻接收機(jī)

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

通過產(chǎn)生與所測(cè)衛(wèi)星的測(cè)距碼結(jié)構(gòu)完全相同的復(fù)制碼，實(shí)現(xiàn)接收碼與復(fù)制碼的最大相關(guān)，來測(cè)定衛(wèi)星信號(hào)到達(dá)信號(hào)接收機(jī)天線的傳播時(shí)間，進(jìn)而獲得偽距觀測(cè)值。C/A碼接收機(jī)P碼接收機(jī)平方型接收機(jī)――無碼接收機(jī)

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(cè)定接收機(jī)內(nèi)產(chǎn)生的參考載波信號(hào)與接收到的衛(wèi)星載波信號(hào)之間的相位差，來獲取載波相位觀測(cè)值。

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

混合型接收機(jī)

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

二、GPS接收機(jī)的信號(hào)通道1、GPS接收機(jī)信號(hào)通道的概念2、信號(hào)通道的類型根據(jù)跟蹤衛(wèi)星信號(hào)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(jī)信號(hào)通道的概念可理解為：GPS衛(wèi)星信號(hào)經(jīng)由天線進(jìn)入接收機(jī)的“路徑”。信號(hào)通道由硬件和相應(yīng)的控制軟件組成。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)需要同步跟蹤多個(gè)衛(wèi)星信號(hào)時(shí)，原則上可采取兩種跟蹤方式：①接收機(jī)具有多個(gè)分離的通道②接收機(jī)只有一個(gè)信號(hào)通道

序貫通道“對(duì)進(jìn)入該通道的所有衛(wèi)星信號(hào)，在軟件的控制下，按時(shí)序依次進(jìn)行跟蹤和量測(cè)”對(duì)所測(cè)衛(wèi)星信號(hào)量測(cè)一個(gè)循環(huán)，所需時(shí)間大于20ms，一般為數(shù)秒～數(shù)分鐘。優(yōu)點(diǎn)：①硬件通道數(shù)少，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，有利于減小接收機(jī)的體積和重量；②各衛(wèi)星信號(hào)在通道中的延遲相同，因此不存在信號(hào)間的通道延遲誤差。

缺點(diǎn)：①不能同時(shí)接收衛(wèi)星的導(dǎo)航電文，需要一個(gè)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(duì)載波信號(hào)的連續(xù)跟蹤

多路復(fù)用通道“對(duì)進(jìn)入該通道的所有衛(wèi)星信號(hào)，在軟件的控制下，按時(shí)序依次進(jìn)行跟蹤和量測(cè)”對(duì)衛(wèi)星信號(hào)量測(cè)一個(gè)循環(huán)，所需時(shí)間小于或等于20ms，比序貫通道的時(shí)間要短。

優(yōu)點(diǎn)：

①

②

③能同時(shí)接收衛(wèi)星的導(dǎo)航電文；

④可以連續(xù)地跟蹤載波信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)載波相位的連續(xù)測(cè)量。

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

多通道“具有多個(gè)信號(hào)通道（4個(gè)以上），且每個(gè)通道只連續(xù)跟蹤一個(gè)衛(wèi)星信號(hào)”優(yōu)點(diǎn)：①可以連續(xù)地跟蹤衛(wèi)星信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)衛(wèi)星信號(hào)的測(cè)距碼和載波相位的連續(xù)測(cè)量；②同時(shí)可接收衛(wèi)星的導(dǎo)航電文；③具有較好的信躁比。缺點(diǎn)：①各通道間存在信號(hào)延遲的偏差，必須進(jìn)行比對(duì)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(jī)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(cè)GPS衛(wèi)星信號(hào)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(diǎn)：既可以進(jìn)行偽距測(cè)量，又可進(jìn)行載波相位測(cè)量，并能獲得導(dǎo)航電文，還具有良好的信躁比缺點(diǎn)：用戶必須掌握偽隨機(jī)碼的結(jié)構(gòu)，以便接收機(jī)能夠復(fù)制出復(fù)制碼。碼跟蹤環(huán)路作用：進(jìn)行偽距測(cè)量，同時(shí)對(duì)衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行解調(diào)以獲取導(dǎo)航電文和載波。

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

載波跟蹤環(huán)路作用：對(duì)通過碼跟蹤環(huán)路后（去掉了偽隨機(jī)噪聲碼）的衛(wèi)星信號(hào)（全波），進(jìn)行載波相位測(cè)量，并解調(diào)出衛(wèi)星的導(dǎo)航電文。載波相位測(cè)量衛(wèi)星載波信號(hào)被鎖定后，再將其與參考載波信號(hào)混頻，并通過低通濾波器去掉高頻信號(hào)，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(cè)衛(wèi)星信號(hào)的通道”

基本工作原理

優(yōu)點(diǎn)：無需掌握測(cè)距碼(C／A碼、P碼)的結(jié)構(gòu)，便能獲得載波信號(hào)，進(jìn)行載波相位測(cè)量。

缺點(diǎn)：無法獲得衛(wèi)星的導(dǎo)航電文和測(cè)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(hào)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(cè)量。

在平方型通道中，本機(jī)振蕩器產(chǎn)生一個(gè)參考載波信號(hào)，經(jīng)倍頻后再與接收的衛(wèi)星信號(hào)混頻，即可得到一個(gè)頻率較低的信號(hào)。將該信號(hào)平方后，消去調(diào)制碼，而得到一個(gè)頻率為原載波頻率2倍的純載波信號(hào)（半波），然后利用該信號(hào)便可進(jìn)行精密載波相位測(cè)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(jìn)行碼相位量測(cè)，獲得測(cè)距碼相位的量測(cè)值。優(yōu)點(diǎn)：無需掌握測(cè)距碼(C／A碼、P碼)的結(jié)構(gòu)，便能獲得載波信號(hào)，進(jìn)行載波相位測(cè)量。

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

四、GPS接收機(jī)的工作原理接收機(jī)的工作原理，主要是指其對(duì)所跟蹤衛(wèi)星信號(hào)的處理和量測(cè)方法。接收機(jī)對(duì)衛(wèi)星信號(hào)的處理、量測(cè)，都是在其信號(hào)通道內(nèi)實(shí)現(xiàn)的，所以接收機(jī)的工作原理與信號(hào)通道的工作原理是一致的。

GPS/GLONASS集成接收機(jī)

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

2．GPS/GLONASS集成接收機(jī)的優(yōu)越性能夠消除“間隙時(shí)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(shí)間獲得較高的導(dǎo)航定位精度；

試驗(yàn)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(dá)70%能夠在繁雜的地形和地物環(huán)境下補(bǔ)償被中斷接收的衛(wèi)星信號(hào)，確保導(dǎo)航定位測(cè)量的正常進(jìn)行；能夠在一個(gè)星座因故不能為我國用戶所用的情況下，而采用另一個(gè)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(jī)的關(guān)健技術(shù)尋求接收機(jī)的公共頻率源；GPS衛(wèi)星均采用兩個(gè)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(hào)不同而異的；必須具有一個(gè)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(biāo)系統(tǒng)；GPS衛(wèi)星采用WGS-84坐標(biāo)系GLONASS衛(wèi)星采用PZ-90坐標(biāo)系

建立統(tǒng)一的時(shí)間尺度；①GPS信號(hào)發(fā)射時(shí)刻所用的GPS時(shí)系；

②GLONASS信號(hào)發(fā)射時(shí)刻所用的GLONASS時(shí)系；③接收機(jī)時(shí)鐘所在的時(shí)系

GPS軟件接收機(jī)

GPS軟件接收機(jī)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(shí)現(xiàn)信號(hào)處理的大部分功能。軟件無線電接收機(jī)的結(jié)構(gòu)：如圖與傳統(tǒng)接收機(jī)的設(shè)計(jì)不同，軟件接收機(jī)中的所有處理在一片可編程的微處理器上用軟件實(shí)現(xiàn)，速度相對(duì)較慢。

GPS軟件接收機(jī)的優(yōu)點(diǎn)軟件無線電接收機(jī)的結(jié)構(gòu)圖：GPS軟件接收機(jī)的優(yōu)點(diǎn)（1）便于GPS接收機(jī)的升級(jí)適合新一代GPS衛(wèi)星的升級(jí)費(fèi)用問題；GPS接收機(jī)接收其他衛(wèi)星定位系統(tǒng)信號(hào)的兼容問題。（2）可以實(shí)現(xiàn)直接P(Y)碼捕獲CPS軟件接收機(jī)，信號(hào)的相關(guān)運(yùn)算可以通過FFT算法完成，可以減少信號(hào)的處理時(shí)間。（3）可以進(jìn)行多種實(shí)時(shí)模擬GPS軟件接收機(jī)可以對(duì)信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，也可以將抽樣信號(hào)儲(chǔ)存在儲(chǔ)存器中。采用不同的算法后，用這些儲(chǔ)存數(shù)據(jù)對(duì)新的算法進(jìn)行測(cè)試，從而準(zhǔn)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(jìn)定位算法，提高GPS定位精度。導(dǎo)航型GPS接收機(jī)GP