第四章GPS信號(hào)接收機(jī)20111102

第4章GPS信號(hào)接收機(jī)4.1GPS信號(hào)接收機(jī)的類型與發(fā)展4.2GPS信號(hào)接收機(jī)的基本結(jié)構(gòu)4.3GPS信號(hào)接收機(jī)的工作原理4.4GPS信號(hào)接收機(jī)的基本性能檢驗(yàn)4.1GPS信號(hào)接收機(jī)的發(fā)展與類型GPS信號(hào)接收機(jī)，是GPS導(dǎo)航衛(wèi)星的用戶設(shè)備，是實(shí)現(xiàn)GPS衛(wèi)星導(dǎo)航定位的終端儀器。它是一種能夠接收、跟蹤、變換和測量GPS衛(wèi)星導(dǎo)航定位信號(hào)的無線電接收設(shè)備。1964.TRANSIT衛(wèi)星信號(hào)接收機(jī)；1980.第一臺(tái)商品GPS信號(hào)接收機(jī)；1994.GPS和GLONASS信號(hào)集成接收機(jī)。4.1.1GPS信號(hào)接收機(jī)的發(fā)展國內(nèi)測地型接收機(jī)的型號(hào)性能、用途

接收機(jī)概念一種能夠接收、跟蹤、變換和測量GPS衛(wèi)星導(dǎo)航定位信號(hào)的無線電接收設(shè)備，既具有無線電接收設(shè)備的共性，又具有捕獲、跟蹤和處理微弱的GPS衛(wèi)星信號(hào)的特性。GPS衛(wèi)星載波L1，L2偽噪聲碼C/A碼，P碼導(dǎo)航電文D碼GPS信號(hào)L1，C/A，DL1，P，DL2，P，DGPS信號(hào)接收機(jī)載波L1，L2偽噪聲碼C/A碼，P碼導(dǎo)航電文D碼GPS信號(hào)的處理流程GPS信號(hào)接收機(jī)的類型一、按用途分類：導(dǎo)航型接收機(jī)測地型接收機(jī)授時(shí)型接收機(jī)四、GPS接收機(jī)基本工作原理按接收機(jī)的用途分類:

（1）導(dǎo)航型接收機(jī)（附圖）

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)的導(dǎo)航定位。

用途：運(yùn)動(dòng)載體的導(dǎo)航，可實(shí)時(shí)給出載體的位置和速度

原理：采用C/A碼偽距測量，單點(diǎn)實(shí)時(shí)定位精度較低，一般為±25m左右，GPS接收機(jī)的分類類四、GPS接收機(jī)基本工作原理導(dǎo)航型接收機(jī)的用途四、GPS接收機(jī)基本工作原理（2）測地型接收機(jī)原理：主要采用載波相位觀測值進(jìn)行相對定位，相對定位精度高。但其儀器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格較貴用途：精密大地測量和精密工程測量

（3）授時(shí)型接收機(jī)原理：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)及無線電通訊中的時(shí)間同步。

GPS接收機(jī)基本工作原理按接收機(jī)的載波頻率分類:（1）單頻接收機(jī)只接收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。（2）雙頻接收機(jī)可同時(shí)接收L1、L2載波信號(hào)。可消除電離層對電磁波信號(hào)延遲的影響?？捎糜陂L達(dá)幾千公里的精密定位。

單頻GPS信號(hào)接收機(jī)的基本性能生產(chǎn)廠家GARMINLeicaTrimble型號(hào)GPS35LPSR510AgGPS114首產(chǎn)年代199919992000體積2.2*3.8*1.05(in)205*165*72(mm)6*5*1(in)重量3.88oz1.1kg1.38lb波道數(shù)121212觀測量C/A偽距C/A偽距C/A偽距定時(shí)精度1000ns<100ns1000ns冷啟動(dòng)時(shí)間45s<3min2.5min熱啟動(dòng)時(shí)間5s<45s<30s作業(yè)溫度-30~85-20~55-30~65功耗/W1.15.33.1天線類型微帶微帶微帶定位精度5m10+1PPM<1m注：1in=2.54cm，1lb=0.453592kg，1oz=28.349523g。雙頻GPS信號(hào)接收機(jī)的基本性能生產(chǎn)廠家AshtechLeicaTrimble型號(hào)Z-XtremeSR5305700首產(chǎn)年代200020012001體積7.75*3*8.75(in)205*165*72(mm)4.7*2.6*8.2(in)重量3.5lb1.65kg1.2kg波道數(shù)242418定時(shí)精度335ns100ns100ns冷啟動(dòng)時(shí)間150s<3min<90s熱啟動(dòng)時(shí)間15s<45s<30s作業(yè)溫度-30~55-20~55-40~65功耗/W676天線類型微帶微帶微帶定位精度5mm+1PPM5mm+1PPM5mm+1PPMGPS接收機(jī)基本工作原理按接收機(jī)通道數(shù)分類：

（1）多通道接收機(jī)（2）序貫通道接收機(jī)（3）多路多用通道接收機(jī)

按接收機(jī)工作原理分類：

（1）碼相關(guān)型接收機(jī)

（2）平方型接收機(jī)

（3）混合型接收機(jī)

（4）干涉型接收機(jī)

三、按通道數(shù)分信號(hào)通道：不同衛(wèi)星的信號(hào)的經(jīng)由天線進(jìn)入接收機(jī)的“路徑”，實(shí)現(xiàn)對衛(wèi)星信號(hào)的跟蹤、處理和測量。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)（1）多通道接收機(jī)具有多個(gè)信號(hào)接收通道,每個(gè)通道只跟蹤測量一顆衛(wèi)星信號(hào),所以可同時(shí)接收測量多顆衛(wèi)星信號(hào)。具有四個(gè)及以上信號(hào)通道，1個(gè)通道跟蹤1顆衛(wèi)星的信號(hào)優(yōu)點(diǎn)-能夠不間斷跟蹤每個(gè)衛(wèi)星信號(hào)，從而可連續(xù)地量測測距碼和載波-較高的信噪比缺點(diǎn)-各通道間存在信號(hào)延遲的偏差，須進(jìn)行比對和改正-結(jié)構(gòu)復(fù)雜（2）序貫通道接收機(jī)僅具有一個(gè)信號(hào)接收通道,無法同時(shí)對多顆衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行跟蹤測量。只能按時(shí)序順次對各顆衛(wèi)星的信號(hào)進(jìn)行跟蹤測量。但一個(gè)循環(huán)時(shí)間較長(數(shù)秒鐘),無法對衛(wèi)星的信號(hào)進(jìn)行連續(xù)跟蹤測量。1個(gè)通道跟蹤多顆衛(wèi)星的信號(hào)1個(gè)跟蹤周期大于20ms優(yōu)點(diǎn)-結(jié)構(gòu)簡單，利于減少接收機(jī)的體積和重量；-由于采用單通道，各衛(wèi)星信號(hào)在通道中的延遲相同，不存在信號(hào)間的路徑偏差缺點(diǎn)

-不能同時(shí)接收導(dǎo)航電文 -控制軟件較為復(fù)雜-難于保持載波信號(hào)的連續(xù)跟蹤-對L1、L2信號(hào)的測量不同步，會(huì)降低電離層折射改正的精度（3）多路復(fù)用通道接收機(jī)

只設(shè)一個(gè)或兩個(gè)信號(hào)接收通道,但在相應(yīng)軟件控制下,依次對多顆衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行跟蹤測量時(shí)其一個(gè)循環(huán)時(shí)間很短(一般不超過20ms),所以可對各顆衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行連續(xù)跟蹤測量。但其信噪比低于多通道接收機(jī)。1個(gè)通道跟蹤多顆衛(wèi)星的信號(hào)1個(gè)跟蹤周期小于或等于20ms優(yōu)點(diǎn)-量測周期短；-能在不同的衛(wèi)星信號(hào)之間，以及L1和L2信號(hào)之間進(jìn)行高速轉(zhuǎn)換，不僅能獲得導(dǎo)航電文，而且可以連續(xù)跟蹤載波信號(hào)缺點(diǎn)-控制軟件較為復(fù)雜-信噪比較多通道接收機(jī)為低四、按工作原理分碼相關(guān)型接收機(jī)平方型接收機(jī)混合型接收機(jī)干涉型接收機(jī)

（1）碼相關(guān)型接收機(jī)利用碼相關(guān)技術(shù)將載波上的測距碼去掉重新獲得載波信號(hào),這類接收機(jī)必須知道測距碼的結(jié)構(gòu)(P碼或C/A碼)。（2）平方型接收機(jī)將接收到的衛(wèi)星載波信號(hào)進(jìn)行平方去掉測距碼和導(dǎo)航電文重新獲得載波信號(hào),這類接收機(jī)不必知道測距碼的結(jié)構(gòu)(P碼或C/A碼)。稱為無碼接收機(jī)。（3）混合型接收機(jī)這類接收機(jī)綜合了以上兩種接收機(jī)的優(yōu)點(diǎn),目前常用的接收機(jī)均為此類。（4）干涉型接收機(jī)此類接收機(jī)用于衛(wèi)星射電干涉測量。4.1.3GPS/GLONASS集成接收機(jī)能同時(shí)接收和測量GPS和GLONASS兩種衛(wèi)星信號(hào)。已成為研制熱點(diǎn)-美國3S導(dǎo)航公司1994年推出了R-100GPS/GLONASS商品集成接收機(jī)；1995年推出了改進(jìn)的GNSS-200GPS/GLONASS集成接收機(jī)。美國Ashetech等幾家公司正在積極研制。-中國航天工業(yè)總公司第704研究所于1995年研制成功樣機(jī)。GPS/GLONASS集成接收機(jī)的優(yōu)越性能夠?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；能夠在繁雜的地形和地物環(huán)境下補(bǔ)償被中斷的衛(wèi)星信號(hào)；能夠在一個(gè)星座因故不能使用時(shí)，而采用另一個(gè)星座。單一GPS星座和GPS/GLONASS混合星座的位置測量精度比較單一GPS星座和GPS/GLONASS混合星座的二維位置差分測量精度的比較GPS接收機(jī)的主要任務(wù)當(dāng)GPS衛(wèi)星在用戶視界升起時(shí)，捕獲到待測衛(wèi)星，并能夠跟蹤這些衛(wèi)星的運(yùn)行；對所接收到的GPS信號(hào)，具有變換、放大和處理的功能，測量出信號(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。4.2GPS接收機(jī)的基本結(jié)構(gòu)GPS接收機(jī)基本工作原理天線前置放大器電源部分射電部分微處理器數(shù)據(jù)存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GPS接收機(jī)基本工作原理GPS接收機(jī)的組成及工作原理GPS接收機(jī)天線單元主機(jī)單元電源變頻器信號(hào)通道微處理器存貯器顯示器GPS接收機(jī)基本工作原理顯示器存儲(chǔ)器頻率變換頻率綜合基準(zhǔn)頻率信號(hào)解擴(kuò)解調(diào)C/A碼發(fā)生器P碼發(fā)生器D（t）偽碼測量載波相位測量CPU控制信號(hào)變換器信號(hào)通道數(shù)據(jù)輸出前致放大器電源

天線線GPS接收機(jī)基本工作原理1）GPS接收機(jī)天線接收機(jī)天線——作用：將衛(wèi)星信號(hào)的電磁波能轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電流。

前置放大器——作用：將微弱的GPS信號(hào)電流予以放大。設(shè)計(jì)要求：天線與前置放大器應(yīng)密封一體，以保障其正常工作，減少信號(hào)損失；能夠接收來自任何方向的衛(wèi)星信號(hào)，不產(chǎn)生死角；有防護(hù)與屏蔽多路徑效應(yīng)的措施；相位中心保持高度穩(wěn)定，并與其幾何中心盡量一致。天線單元：天線和LNA接收單元◆變頻器和中頻放大器◆信號(hào)波道◆存儲(chǔ)器◆計(jì)算和顯示控制單元電源天線類型：

（1）單板天線（2）四臂螺旋形天線（3）微帶天線（4）錐形天線4.2.1天線單元天線種類◆單板天線（振子天線）安裝在一塊基板上，屬單頻天線?！羲谋勐菪翁炀€由四條金屬管線繞制而成，底部有一塊金屬抑制板?？刹蹲降透叨冉切l(wèi)星；缺點(diǎn)是不能雙頻接收，常用于導(dǎo)航。◆微帶天線介質(zhì)板兩邊貼以金屬片。結(jié)構(gòu)簡單、堅(jiān)固，易于制造?？捎糜趩晤l機(jī)和雙頻機(jī)。為今后的主要發(fā)展方向?！翦F形天線 利用印刷電路技術(shù)在介質(zhì)錐體上制成導(dǎo)電螺旋表面。可用于單頻機(jī)和雙頻機(jī)。相位中心于幾何中心不完全一致。可貼式GPS接收天線錐形天線微帶天線船用天線天線單元的作用◆接收天線，是無線電波進(jìn)入接收設(shè)備的入口，是將電磁波還原為高頻電流的能量變換器。◆將到達(dá)GPS信號(hào)接收天線的功率較小的電磁波變換成微波

電信號(hào)，并將如此微弱的GPS電信號(hào)予以放大。天線基本概念：天線方向圖：是輻射能量在空間分布狀態(tài)的三維立體圖形。極化：是無線電波的電場矢量所指的最大輻射方向；圓極化：當(dāng)電場的垂直分量和水平分量大小相等，而相位差90度（或270度）時(shí)，則其合成電場的矢端，將以該電波的角做圓周旋轉(zhuǎn)。對天線部分的要求天線與前置放大器應(yīng)密封一體，以保障其正常工作，減少信號(hào)損失；能夠接收來自任何方向的衛(wèi)星信號(hào)，不產(chǎn)生死角；有防護(hù)與屏蔽多路徑效應(yīng)的措施；天線的相位中心保持高度的穩(wěn)定，并與其幾何中心盡量一致。天線波束半帶寬大于70度的半球狀方向圖；電波右旋圓極化。目前大部分測量型接收機(jī)都用微帶天線。這是因?yàn)槲炀€體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單、性能優(yōu)良,既適用于單頻接收機(jī),亦適用于雙頻接收機(jī)。其缺點(diǎn)是增益較低,但這可利用低噪聲前置放大器（將信號(hào)電流放大）彌補(bǔ)。微帶天線：微帶貼片天線：介質(zhì)基片、輻射貼片和接地板組成微帶陣列天線：介質(zhì)基片、接地板和一連串輻射片組成微帶槽天線：微帶饋線和開設(shè)在接地板上狹縫（槽）組成（1）變頻器和中頻放大器前置放大器頻率變換器1~24信號(hào)波道存儲(chǔ)器顯控器微處理機(jī)數(shù)控接口電源PC機(jī)頻率合成器標(biāo)頻器天線單元接收單元主要對衛(wèi)星的射頻信號(hào)進(jìn)行變頻。經(jīng)過GPS前置放大器的信號(hào)仍很微弱，為了使接收機(jī)通道得到穩(wěn)定的高增益，并且使L頻段的信號(hào)變成低頻信號(hào)，必須采用變頻器。4.2.2接收單元（2）信號(hào)波道GPS衛(wèi)星接收機(jī)可同時(shí)接收多顆衛(wèi)星信號(hào)，為了分離接收到的不同衛(wèi)星的信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)對衛(wèi)星信號(hào)的跟蹤，處理和測量，具有這種功能的器件稱為信號(hào)波道。軟硬件結(jié)合的電路，是接收機(jī)的核心。不是一種簡單的信號(hào)通道，以“波道”名稱予以區(qū)別

不同的接收機(jī)其波道是不一樣的,其主要的功能為:搜索衛(wèi)星。解調(diào)導(dǎo)航電文。對信號(hào)進(jìn)行偽距測量、載波相位測量和多普勒測量。第1波道：第2波道：第3波道：第4波道：4個(gè)波道各測1顆衛(wèi)星平行跟蹤式跟蹤模式序貫跟蹤式秒(s)1個(gè)波道測量4顆衛(wèi)星多重跟蹤式20ms1個(gè)波道測量4顆衛(wèi)星4.2.3存儲(chǔ)器將所獲得的導(dǎo)航電文、各種觀測值等信息進(jìn)行存儲(chǔ),以便進(jìn)行數(shù)據(jù)處理或數(shù)據(jù)保存。存儲(chǔ)器能夠存儲(chǔ)導(dǎo)航定位現(xiàn)場所采集的偽距、載波相位測量和人工測量的數(shù)據(jù)，所解譯的GPS衛(wèi)星星歷等。存儲(chǔ)器的容量隨著數(shù)據(jù)率和被測衛(wèi)星數(shù)的不同而不同。4.2.4計(jì)算和顯控顯控單元包括視屏顯示窗和控制鍵盤。計(jì)算由微處理機(jī)完成。其中的處理軟件，是實(shí)現(xiàn)GPS導(dǎo)航定位數(shù)據(jù)采集和波道自校檢測自動(dòng)化的重要部分，主要作用是信號(hào)捕獲，環(huán)路跟蹤和點(diǎn)位計(jì)算。對整個(gè)GPS接收機(jī)進(jìn)行控制和管理。用于顯示與導(dǎo)航或測量定位相關(guān)的信息。一體化雙頻接收機(jī)藍(lán)牙GPS接收機(jī)4.2.5頻率合成器

頻率合成器：用一個(gè)獨(dú)立的基準(zhǔn)頻率源（如晶體振蕩器），在壓控振蕩器的支撐下，運(yùn)用信號(hào)的分頻和倍頻功能，獲得一系列與基準(zhǔn)頻率穩(wěn)定度相同的信號(hào)輸出。頻率合成器的基本結(jié)構(gòu)4.2.6電源GPS信號(hào)接收機(jī)一般以蓄電池作電源?？煞譃闄C(jī)內(nèi)和機(jī)外兩種電源。一種為內(nèi)電源,主要用于為RAM存儲(chǔ)器供電,以防止關(guān)機(jī)后數(shù)據(jù)丟失。另一種為外接電源,用于供接收機(jī)正常工作。通常為可充電的12V直流鎘鎳電池,也可用普通汽車電瓶。4.4GPS信號(hào)接收機(jī)的工作原理

GPS接收機(jī)主要工作程序：校驗(yàn)接收機(jī)的自身性能；捕獲和跟蹤在視待測衛(wèi)星；校正接收機(jī)時(shí)鐘；采集和記錄導(dǎo)航定位數(shù)據(jù)；不斷選用適宜的定位星座；實(shí)時(shí)計(jì)算用戶位置和速度。接收機(jī)信號(hào)處理過程接收機(jī)主要工作程序：

接收機(jī)主要的兩個(gè)過程：捕獲和跟蹤。

捕獲過程完成對信號(hào)載波頻率及PRN碼碼相位的粗略估計(jì)，為跟蹤過程提供初始值，跟蹤算法則完成對兩者的精確估計(jì)。GPS接收機(jī)必須捕獲和跟蹤多個(gè)導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)中的偽隨機(jī)碼和載波，才能完成定位、測速和授時(shí)的功能。

GPS信號(hào)的捕獲和跟蹤處理是GPS接收機(jī)的關(guān)鍵部分。假設(shè)跟蹤和測量來自第a顆衛(wèi)星的GPS信號(hào)，則必須抑制和排斥來自其他各顆衛(wèi)星的GPS信號(hào)。其方法是，依據(jù)不同的GPS衛(wèi)星具有不同的偽噪聲碼，通過捕獲和跟蹤到第a顆衛(wèi)星的偽噪聲碼，而實(shí)現(xiàn)GPS信號(hào)的識(shí)別。P碼是一個(gè)具有個(gè)碼元的長碼，即使截短成了周期為7d的截短P碼，其碼元共有如果以每秒50個(gè)碼元（50bit/s）的速率搜索P碼，需要1432200d才能完成一個(gè)周期內(nèi)的截短P碼的搜索，這個(gè)無法實(shí)現(xiàn)的。而在C/A碼1ms的時(shí)間周期共有1023個(gè)碼片，若以50bit/s的速率搜索C/A碼，只需20.46s就能夠完成一個(gè)周期C/A碼的搜索。因此，GPS信號(hào)接收機(jī)均采用先捕獲和跟蹤C(jī)/A碼，利用C/A的信息輔助P碼的捕獲和跟蹤。1.捕獲C/A碼

捕獲的目的就是確定可見衛(wèi)星及衛(wèi)星信號(hào)的載波頻率、碼相位的粗略值。

GPS衛(wèi)星信號(hào)采用碼分多址（CDMA）技術(shù)，采用不同的偽隨機(jī)碼對不同衛(wèi)星的導(dǎo)航數(shù)據(jù)進(jìn)行擴(kuò)頻調(diào)制。為接收某一衛(wèi)星的導(dǎo)航數(shù)據(jù)，就必須復(fù)現(xiàn)調(diào)制該導(dǎo)航數(shù)據(jù)的偽隨機(jī)碼，將復(fù)現(xiàn)的偽碼同輸入偽碼在不同相位誤差上做相關(guān)運(yùn)算，使二者同步，從而完成解擴(kuò)；由于GPS衛(wèi)星在高速運(yùn)動(dòng)，其與接收機(jī)之間存在徑向移動(dòng)，會(huì)產(chǎn)生多普勒頻移，因此為完成對某一顆衛(wèi)星導(dǎo)航數(shù)據(jù)的解調(diào)，必須搜索到相應(yīng)衛(wèi)星所產(chǎn)生的多普勒頻移的數(shù)值。因此，GPS衛(wèi)星信號(hào)的捕獲是一個(gè)二維捕獲過程。對準(zhǔn)C/A碼的搜索區(qū)間（1）串行捕獲方法：串行搜索算法要完成兩維掃描：以500Hz的步長對IF所有載波頻率進(jìn)行頻率掃描，對所有的1023不同的碼相位進(jìn)行相位掃描?？偟膾呙璐螖?shù)為：串行捕獲方法原理圖（2）并行碼相位搜索捕獲方法：并行碼捕獲方法（3）捕獲結(jié)果捕獲的三維圖捕獲的二維圖2.跟蹤前面的偽噪聲碼搜索，只能解決本地碼和本地載波基本上分別對準(zhǔn)接收碼和接收載波的問題。兩者的一一精確對齊，還需依靠偽噪聲碼跟蹤環(huán)路和載波跟蹤環(huán)路（Costas環(huán)）。DLL和PLL組合跟蹤環(huán)結(jié)構(gòu)圖2.1偽噪聲碼跟蹤環(huán)路碼跟蹤環(huán)的目標(biāo)是保持對信號(hào)中特定碼相位的跟蹤，其輸出是對信號(hào)中碼的精確幅值。GPS接收機(jī)中的碼跟蹤環(huán)是稱為超前-滯后跟蹤環(huán)的延遲鎖定環(huán)（DLL）。三路本地碼：對準(zhǔn)碼（P）、超前碼（E）、滯后碼（L）。接收碼G(t)分別送到P、E、L路乘法器，對應(yīng)的本地碼分別為則E、L兩路的互相關(guān)系數(shù)分別為對于時(shí)元tk的離散采樣的互相關(guān)系數(shù)分別為通過碼環(huán)路鑒別器來調(diào)整本地的PRN碼發(fā)生器，直到本地碼和接收碼同步為止。此時(shí)，P路的輸出為因此，P路所輸出的信號(hào)是較純凈的數(shù)據(jù)碼和中頻載波，亦即解擴(kuò)信號(hào)至此，偽噪聲碼跟蹤環(huán)路便達(dá)到了跟蹤偽噪聲碼的目的。其跟蹤精度可達(dá)到十分之一碼元寬度或更高。圖6－10

C/A碼的相關(guān)輸出

2.2載波跟蹤環(huán)路GPS接收機(jī)采用Costas環(huán)衛(wèi)載波跟蹤環(huán)的原因：Costas環(huán)對180°相位不敏感，即對導(dǎo)航數(shù)據(jù)引起的相位翻轉(zhuǎn)不敏感。正交支路Q路的相乘結(jié)果為：相乘后的結(jié)果在經(jīng)過低通濾波器，那么信號(hào)中頻率為2倍中頻的分項(xiàng)將被濾除，信號(hào)變?yōu)椋喝绻麍D中的本地碼相位精確對齊，則I路的相乘結(jié)果為：為得到反饋給載波相位振蕩器的表達(dá)式，本地載波的相位誤差可由下式得到：如果正交支路的相關(guān)結(jié)果為零，而同相支路的相關(guān)值對大，那么此時(shí)的相位誤差最小，即這稱為載波跟蹤環(huán)路的相位鎖定，達(dá)到了跟蹤載波的目的。只有在這種情況下，同相乘法器經(jīng)過低通濾波器輸出的信號(hào)，才是一個(gè)純凈的數(shù)據(jù)碼D(t)，進(jìn)而解譯得第a顆GPS衛(wèi)星所發(fā)送的導(dǎo)航電文。鑒別器對輸出的描述各種類型的Costas鎖相環(huán)鑒別器表中列出了不同鑒別器的算法和特點(diǎn)。當(dāng)實(shí)際相位誤差為0或±180°時(shí)，鑒別器輸出均為0。這就是Costas環(huán)對由導(dǎo)航數(shù)據(jù)符號(hào)變化引起的180°相移不敏感的原因。衛(wèi)星跟蹤結(jié)果4.5GPS觀測量及其測量1GPS觀測量如果忽略某些附加滯后相位，GPS信號(hào)接收機(jī)所接收到的GPS信號(hào)可表述為（4.5.1a）（4.5.1b）——分別為1575042MHz載波L1和1227.60MHz載波L2的振幅；——GPS信號(hào)從第j顆GPS衛(wèi)星到達(dá)GPS接收天線的傳播時(shí)間，它正比于站星瞬時(shí)距離；——第j顆GPS衛(wèi)星的P碼；——第j顆GPS衛(wèi)星的C/A碼；——第j顆GPS衛(wèi)星的D碼,亦即衛(wèi)星導(dǎo)航電文；——第一載波L1的角頻率；——第二載波L2的角頻率；——第j顆GPS衛(wèi)星載波L1的初相；——第j顆GPS衛(wèi)星載波L2的初相；——第j顆GPS衛(wèi)星載波L1的多普勒角頻率；——第j顆GPS衛(wèi)星載波L2的多普勒角頻率；

從式（4.5.1）可見，第j顆GPS衛(wèi)星發(fā)送的導(dǎo)航定位信號(hào)，能夠提供下列觀測量而測定同一站星距離：（1）C/A碼、調(diào)制于載波L1的P碼（簡稱為L1-P碼）、調(diào)制于載波L2的P碼（簡稱為L2-P碼）的偽距測量；（2）被C/A碼調(diào)制的載波L1[即式（4.5.1a）的第二項(xiàng)，C/A-L1]，被P碼調(diào)制的載波L1[即式（4.5.1a）的第一項(xiàng)，P-L1]，被P碼調(diào)制的載波L2（亦即P-L2載波）的載波相位測量；

（3）L1-P碼和L2-P碼的群時(shí)延差動(dòng)測量；（4）P-L1載波和P-L2載波的相位差動(dòng)測量。上述觀測量隨著GPS信號(hào)接收機(jī)的類型不同而異。GPS信號(hào)接收機(jī)，是在C/A碼步入跟蹤區(qū)間后，依靠延時(shí)鎖定環(huán)路（DLL）實(shí)現(xiàn)對C/A碼的同步和跟蹤。若要求DLL環(huán)路步入穩(wěn)定的跟蹤調(diào)節(jié)狀態(tài)，必須有（4.5.2）——C/A碼自GPS信號(hào)接收天線的延遲時(shí)間；——時(shí)延的估計(jì)值；——DLL環(huán)路的穩(wěn)定調(diào)節(jié)區(qū)間，或簡稱為相關(guān)區(qū)間；現(xiàn)行的GPS信號(hào)接收機(jī)，所采用的相關(guān)區(qū)間絕大多數(shù)是一個(gè)C/A碼碼元（0.9775μs）。早晚差冪相關(guān)式最小的相關(guān)區(qū)間可達(dá)0.05個(gè)C/A碼碼元。早晚差冪相關(guān)器的C/A碼測距誤差為——C/A碼碼元寬度的相應(yīng)長度（293.025m）；（4.5.3）——DLL環(huán)路的噪聲頻帶寬度；

d

——相應(yīng)于相關(guān)區(qū)間△T的C/A碼碼元數(shù)目（常用0.05≤d≤

1）；——DLL環(huán)路的信號(hào)噪聲比；——預(yù)探測頻帶寬度（常用50Hz）的相應(yīng)時(shí)間（以秒計(jì)）；從式（4.5.3）可見，在用同一個(gè)相關(guān)器的條件下，若采用寬相關(guān)區(qū)間（如d=1），C/A碼的測距誤差大，若采用窄相關(guān)區(qū)間（如d=0.1），C/A碼的測距誤差小。衛(wèi)星編號(hào)

窄區(qū)相關(guān)

寬區(qū)相關(guān)

max/m

min/m

RMS/m

max/m

min/m

RMS/m

17

2.2

-2.4

0.7

5.2

-5.2

1.623

0.9

-1.4

0.4

2.9

-2.5

0.8

26

1.7

-2.7

0.6

7.1

-5.2

1.6

28

1.7

-2.0

0.7

4.1

-5.3

1.5

平均值

0.6

平均值

1.4衛(wèi)星編號(hào)

窄區(qū)相關(guān)

寬區(qū)相關(guān)

max/m

min/m

RMS/m

max/m

min/m

RMS/m

17

0.7

-0.6

0.2

2.8

-2.1

0.823

0.5

-0.7

0.1

1.2

-1.7

0.4

26

0.9

-1.5

0.3

3.5

-4.0

1.0

28

0.8

-0.7

0.2

3.2

-2.7

0.9

平均值

0.2

平均值0.8

C/A碼偽距測量誤差的實(shí)測數(shù)據(jù)分析（天線不用抑徑圈）

C/A碼偽距測量誤差的實(shí)測數(shù)據(jù)分析（天線使用抑徑圈）測量偽距

偽距，是帶有距離偏差的測點(diǎn)和衛(wèi)星之間的距離，它是解算用戶點(diǎn)位坐標(biāo)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。從GPS衛(wèi)星偽距是采用下述“分布”測量的方法：（1）用導(dǎo)航電文6s子幀的同步碼（遙測碼的第1~8bit——10001001）測量1.8×106km以內(nèi)的站星距離，稱之為同步粗測值；或者，用P碼子碼X1的1.5s時(shí)間周期測量4.5×105km以內(nèi)的站星距離，稱之為P碼粗測值；（2）用C/A碼的1ms時(shí)間周期測量300km以內(nèi)的站星距離分量稱之為C/A碼粗測值；（3）用C/A碼的碼元相位測量300m以內(nèi)的站星距離分量，稱之為C/A碼精測值；（4）用P碼的碼元相位測量30m以內(nèi)的站星距離分量，稱之為P碼精測值。上述測量方法，都是用于測量同一時(shí)元的同一個(gè)站星距離，它們也像用尺長分別為1.8×106km、4.5×105km、300km、300m和30m的5把“電尺”，同時(shí)分別去量測同一站星距離，只不過同步粗測值和P碼粗測值，是為了解決所測站星距離（其最大值約為26500km）的多值性（模糊度），因此，兩種粗測值只需采用其中之一。但是，無論采用P碼粗測值還是同步粗測值，其測量誤差必須小于150km（0.5ms），以確保300km整倍數(shù)值的正確性。

電尺名稱

尺長

被要求的測距誤差

同步粗測尺1.8×106km

<±150km

P碼粗測尺

4.5×105km

<±150km

C/A碼粗測尺

300km

<±150m

C/A碼精測尺

300m

<±15m

P碼精測尺

30m

<±0.43m

偽距測量電尺及其要求的測距精度4.4GPS接收機(jī)的基本性能檢驗(yàn)1.觀測量大GPS基本觀測量C/A碼、L1-P碼和L2-P碼的偽距測量值C/A-L1載波、P-L1載波P-L2載波的相位測量值多普勒頻移測量值（載波相位變化率的瞬時(shí)觀測值）4.4.1GPS接收機(jī)的理想性能2.具有同時(shí)跟蹤和測量4顆以上GPS衛(wèi)星的能力GPS信號(hào)接收機(jī)能否跟蹤和測量多顆GPS衛(wèi)星，取決于其具有的通道數(shù)通道數(shù)最小不能低于8個(gè)，最佳者為24個(gè)，甚至48個(gè)3.具有雙頻甚至三頻（對于GPSⅡF衛(wèi)星而言）的接收能力單頻接收機(jī)不適宜用于過長距離和厘米級精度的DGPS測量4.內(nèi)存容量大現(xiàn)有的接收機(jī)內(nèi)存容量一般為0.5~80MB；存儲(chǔ)時(shí)間長短，既取決于定位數(shù)據(jù)的更新率，又取決于被測衛(wèi)星的多少

-例：當(dāng)被測衛(wèi)星為5顆，數(shù)據(jù)更新率為15s，內(nèi)存為1MB時(shí)，可存儲(chǔ)14h的GPS數(shù)據(jù)5.無故障時(shí)間長平均無故障時(shí)間（MTBF，meantimebetweenwithoutfailure）表征接收機(jī)的耐用性

-美國軍用標(biāo)準(zhǔn)為MTBF≥13000h。現(xiàn)有接收機(jī)為5000~60000h。6.測量精度高