控制測量學_gps接收機

1、GSI Japan - 21st of June 1999第八章 GPS接收機東華理工學院控制測量學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。東華理工學院控制測量學GPS接收機的結構如圖所示天線前置放大器信號處理器微處理器導航計算機震蕩器用戶信息傳輸數(shù)據(jù)存儲器外部傳輸電源東華理工學院控制測量學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

2、于接收機的控制、數(shù)據(jù)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：產生標準頻率電源東華理工學院控制測量學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(shù)據(jù)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。東華理工學院控制測量學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

3、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?；旌闲徒邮諜C：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。東華理工學院控制測量學（2）根據(jù)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

4、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。東華理工學院控制測量學（3）根據(jù)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(shù)，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

5、。東華理工學院控制測量學（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(shù)據(jù)可測后處理或實時處理（RTK），需配備功能完善的數(shù)據(jù)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。東華理工學院控制測量學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

6、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：東華理工學院控制測量學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(jù)跟蹤衛(wèi)星信號的方式不同，通道的類型分為：序貫通道（sequencing channel） 多路復用通道（multiplexing channel）多通道（multi-channe

7、l）東華理工學院控制測量學根據(jù)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（correlation channel）平方型通道（squaring channel）碼相位型通道（code phase channel）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。東華理工學院控制測量學天線的基本要求：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

8、采取適當?shù)姆雷o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。東華理工學院控制測量學2. 天線的類型：接收機天線有多種類型，其基本類型如下東華理工學院控制測量學（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

9、大器加以彌補。東華理工學院控制測量學（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。東華理工學院控制測量學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

10、工藝。東華理工學院控制測量學幾種測量型雙頻GPS接收機的主要參數(shù)Wild200STrimble4000SEAshtech DimensionNovAtelRPK-3151產地瑞士美國美國加拿大首產年代1994199219911995通道數(shù)691212體積cm31000478418811085重量kg1.62.51.61.0天線類型微帶微帶微帶扼流圈，微帶功耗W1054.15工作溫度 0C-20-50-20-55-20-60-40-65標稱精度5-10mm+2ppmD10mm+2ppmD10mm+2ppmD5mm+2ppmD東華理工學院控制測量學8.4 GPS測量系統(tǒng)的軟件功能及其發(fā)展GPS測量

11、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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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。東華理工學院控制測量學2.觀測數(shù)據(jù)預處理軟件：主要功能是對原始觀測數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)傳輸：將GPS接收機記錄的觀測數(shù)據(jù)傳輸?shù)酱疟P或其它介質上，以便進行處理和保存。數(shù)據(jù)分流：根據(jù)原

12、始記錄，通過解碼將各項數(shù)據(jù)分類整理，剔除無效觀測值和冗余信息，形成各種數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)的平滑、濾波：剔除粗差并進一步刪除無效觀測值。東華理工學院控制測量學統(tǒng)一數(shù)據(jù)文件格式：將不同類型接收機的數(shù)據(jù)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(shù)，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?；€向量的定義。東華理工學院控制測量學3.基線向量處理軟件：處理多臺儀器的同步觀測數(shù)據(jù)，給出載波

13、相位觀測值差分的固定解和浮動解。同步邊觀測數(shù)據(jù)的質量檢核，包括觀測數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)。精密相對定位數(shù)據(jù)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。東華理工學院控制測量學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(shù)據(jù)，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(shù)的靜態(tài)快速解算方法。支持以載波相位觀測量為根據(jù)的實時動態(tài)定位技術（RTK或RTDGPS）。4.GPS網(wǎng)平差軟件

14、：網(wǎng)的質量檢核，主要包括網(wǎng)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(wǎng)的整體平差。東華理工學院控制測量學平差結果給出在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(jù)用戶要求選用不同的平差方法。5.GPS網(wǎng)與經典地面網(wǎng)的聯(lián)合平差軟件兩網(wǎng)之間轉換模型的選擇。確定網(wǎng)的方差與協(xié)方差模型及網(wǎng)的基準。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(wǎng)點的坐標值、兩網(wǎng)之間的轉換參數(shù)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。東華理工學院控制測量學6.數(shù)據(jù)庫的管理軟件：主要功能包括數(shù)據(jù)存儲與檢索、測量成果的歸檔以及與國家控制網(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(shù)據(jù)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(wǎng)平差、坐標系統(tǒng)轉換以及成果的分析功能。GPS網(wǎng)及其與經典地面網(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果的精度。東