1、第五章第五章 GPS接收機的基本工作原理接收機的基本工作原理一、接收機的分類一、接收機的分類GPS接收機是接收機是GPS三大系統之用戶系統，三大系統之用戶系統，是是GPS系統直接產生效益的部分。系統直接產生效益的部分。A、按用途分類、按用途分類導航型接收機導航型接收機1.主要用于運動載體的導航，它可以實主要用于運動載體的導航，它可以實時給出載體的位置和速度。早期的此類時給出載體的位置和速度。早期的此類接收機一般采用接收機一般采用CA碼偽距測量，當前碼偽距測量，當前也有載波測距式，定位方式為絕對式定也有載波測距式，定位方式為絕對式定位。單點實時定位精度較低，相對于位。單點實時定位精度較低，相對于

2、WGS84坐標系原點，精度一般為坐標系原點，精度一般為25m或或 10m，一般機的價格便宜，應用廣，一般機的價格便宜，應用廣泛。泛。根據應用領域的不同，此類接收機還可根據應用領域的不同，此類接收機還可以進一步分為：以進一步分為： 車載型車載型用于車輛導航定位；用于車輛導航定位；航海型航海型用于船舶導航定位；用于船舶導航定位；航空型航空型用于飛機導航定位。用于飛機導航定位。星載型星載型用于衛星的導航定位。衛星用于衛星的導航定位。衛星的運動速度高達的運動速度高達7kms 以上，因此對以上，因此對接收機性能要求很高。接收機性能要求很高。2. 測地型接收機測地型接收機測地型接收機主要用于精密大地測量測

3、地型接收機主要用于精密大地測量和精密工程測量。這類儀器主要采用和精密工程測量。這類儀器主要采用載波相位進行距離測量，以相對定位載波相位進行距離測量，以相對定位為模式，定位精度高。儀器結構復雜，為模式，定位精度高。儀器結構復雜，價格較高。價格較高。授時型接收機授時型接收機 這類接收機主要利用這類接收機主要利用GPS衛星提供衛星提供的高精度時間標準進行授時，常用的高精度時間標準進行授時，常用 與天文臺及無線電通訊中時間同步。與天文臺及無線電通訊中時間同步。 B、按接收機的載波頻率分類、按接收機的載波頻率分類單頻接收機單頻接收機指僅能接收指僅能接收L1載波信號的接收機。載波信號的接收機。定位時以測定

4、定位時以測定L1載波相位觀測值方式測載波相位觀測值方式測定星地距進行定位。由采用單頻技術，不定星地距進行定位。由采用單頻技術，不能有效消除電離層延遲對載波測距的影響能有效消除電離層延遲對載波測距的影響只適用于只適用于15km以下短基線的精密定位。以下短基線的精密定位。雙頻接收機雙頻接收機1.可同時接收可同時接收L1，L2載波的接收機載波的接收機雙頻接收機可利用雙頻對電離層延遲的雙頻接收機可利用雙頻對電離層延遲的規律，實現對電離層影響的大幅消減，規律，實現對電離層影響的大幅消減，極大地提高星地距的測量精度，進而提極大地提高星地距的測量精度，進而提高定位精度，因此雙頻接收機可用于長高定位精度，因此

5、雙頻接收機可用于長達幾千公里的精密定位。達幾千公里的精密定位。C、按接收機通道數分類、按接收機通道數分類接收機的一個通道能接收一顆衛星的信接收機的一個通道能接收一顆衛星的信號，為了分離接收到的不同衛星的信號號，為了分離接收到的不同衛星的信號以實現對衛星信號的跟蹤、處理和量測以實現對衛星信號的跟蹤、處理和量測接收機需設多個通道，據此接收機有：接收機需設多個通道，據此接收機有：1、多通道接收機、多通道接收機 多通道接收機能同時接收多顆衛星的信多通道接收機能同時接收多顆衛星的信號，接收機的通道數最小為號，接收機的通道數最小為4，多者為，多者為48，可同時接收，可同時接收GPS、GLONASS全部全部

6、工作衛星的信號。優點是不會丟失衛星工作衛星的信號。優點是不會丟失衛星數據。據點是技術復雜、造價高。數據。據點是技術復雜、造價高。2 序貫通道接收機序貫通道接收機僅一個通道，為同時接收多顆衛星，采僅一個通道，為同時接收多顆衛星，采用控制軟件，按一定時序依次對不同衛用控制軟件，按一定時序依次對不同衛星進行跟蹤與測量。星進行跟蹤與測量。優點是造價低，缺點是在對不同衛星做優點是造價低，缺點是在對不同衛星做輪流轉換跟蹤時，容易丟失數據。輪流轉換跟蹤時，容易丟失數據。3 多路多用通道接收機多路多用通道接收機不只一個通道，每個通道的功能與序不只一個通道，每個通道的功能與序貫通道接收機的工作程序類似。但軟件貫

7、通道接收機的工作程序類似。但軟件功能強，可克服貫通道接收機的不足。功能強，可克服貫通道接收機的不足。D、按接收機工作原理分類、按接收機工作原理分類1、碼相關型接收機、碼相關型接收機 碼相關型接收機是利用碼相關型接收機是利用PRN測距碼相測距碼相關技術進行偽距觀測，獲得偽距值定位關技術進行偽距觀測，獲得偽距值定位2、平方型接收機：、平方型接收機： 平方型接收機是利用載波信號的平方平方型接收機是利用載波信號的平方技術去掉調制信號，來恢復完整的載波技術去掉調制信號，來恢復完整的載波信號，通過相位計測定接收機內產生的信號，通過相位計測定接收機內產生的載波信號與接收到的載波信號之間的相載波信號與接收到的

8、載波信號之間的相位差，測定偽距觀測值。位差，測定偽距觀測值。3、混合型接收機、混合型接收機綜合上述兩種接收機的優點，既可以得綜合上述兩種接收機的優點，既可以得到碼相位偽距，也可以得到載波相位觀到碼相位偽距，也可以得到載波相位觀測值的接收機。測值的接收機。4、干涉型接收機、干涉型接收機這類接收機將這類接收機將GPS衛星作為射電源，衛星作為射電源，采用類似采用類似VLBI原理進行干涉測量，即原理進行干涉測量，即測定衛星信號到達兩個測站的時間差測定衛星信號到達兩個測站的時間差或載波的相位差進行星地距離的測量或載波的相位差進行星地距離的測量實現定位。實現定位。二、接收機工作原理簡述二、接收機工作原理簡

9、述vGPS接收機主要由接收機天線單元接收機主要由接收機天線單元、接收機主機單元和電源、接收機主機單元和電源3部分組成部分組成1、主機單元：、主機單元：由變頻及中頻放大器、信號通道、微由變頻及中頻放大器、信號通道、微處理器、存貯器及顯示器組成。處理器、存貯器及顯示器組成。2、接收機天線單元：、接收機天線單元：由接收機天線和前置放大器兩部分所由接收機天線和前置放大器兩部分所組成。天線的作用是將組成。天線的作用是將GPS信號的極信號的極微弱的電磁波能轉化為相應的電流，微弱的電磁波能轉化為相應的電流，而前置放大器則是將信號電流予以而前置放大器則是將信號電流予以放大。為便于接收機對信號跟蹤、處理放大。為

10、便于接收機對信號跟蹤、處理和量測，對天線部分有以下要求：和量測，對天線部分有以下要求： 天線與前置放大器應密封一體，保障天線與前置放大器應密封一體，保障其正常工作，減少信號損失；其正常工作，減少信號損失； 能夠接收來自任何方向的衛星信號，能夠接收來自任何方向的衛星信號，不產生死角；不產生死角； 有防護與屏蔽多路徑效應的措施；有防護與屏蔽多路徑效應的措施； 天線的相位中心保持高度的穩定，并天線的相位中心保持高度的穩定，并與其幾何中心盡量一致與其幾何中心盡量一致GPS接收機天線有下列幾種類型接收機天線有下列幾種類型 1）單板天線）單板天線安裝在一塊基板上，結構簡單、體積安裝在一塊基板上，結構簡單、

11、體積較小，使用于單頻機中。較小，使用于單頻機中。2）四螺旋形天線）四螺旋形天線 四螺旋形天線是由四條金屬管線繞四螺旋形天線是由四條金屬管線繞制而成，底部有一塊金屬抑制板，該制而成，底部有一塊金屬抑制板，該型天線頻帶寬，全圓極化性能好，可型天線頻帶寬，全圓極化性能好，可捕捉低高度角衛星。缺點是不能進行捕捉低高度角衛星。缺點是不能進行雙頻接收，抗震性差，常用作導航型雙頻接收，抗震性差，常用作導航型接收機天線。接收機天線。3）微帶天線）微帶天線微帶天線也稱為貼片天線。是在厚度微帶天線也稱為貼片天線。是在厚度為為h的介質板兩邊貼以金屬片。一邊為的介質板兩邊貼以金屬片。一邊為金屬底板，一邊做成矩形或圓形

12、等金屬底板，一邊做成矩形或圓形等規則形狀。微帶天線的特點是高度低，規則形狀。微帶天線的特點是高度低，重量輕，結構簡單、堅固，易于制造；重量輕，結構簡單、堅固，易于制造；既可用于單頻機，又可用于雙頻機。缺既可用于單頻機，又可用于雙頻機。缺點是增益較低。目前大部分測地型接收點是增益較低。目前大部分測地型接收機天線都是微帶天線。這種天線更適用機天線都是微帶天線。這種天線更適用于飛機、火箭等高速飛行物上。于飛機、火箭等高速飛行物上。4）錐形天線）錐形天線錐形天線是在介質錐體上，利用印刷電錐形天線是在介質錐體上，利用印刷電路技術在其上制成導電圓錐螺旋表面，路技術在其上制成導電圓錐螺旋表面，也稱盤旋螺線型

13、天線。這種天線可以同也稱盤旋螺線型天線。這種天線可以同時在兩個頻率上工作。錐形天線的特點時在兩個頻率上工作。錐形天線的特點是增益好。但是由于其天線較高，并且是增益好。但是由于其天線較高，并且在水平方向上不對稱，天線相位中心與在水平方向上不對稱，天線相位中心與幾何中心不完全一致。因此，在安置天幾何中心不完全一致。因此，在安置天線時要仔細定向并且要給予補償。線時要仔細定向并且要給予補償。 3電源電源GPS接收機有兩種電源：接收機有兩種電源：內電源：采用鋰電池，用于內電源：采用鋰電池，用于RAM存貯器存貯器供電，以防止數據丟失，目前大部分接收供電，以防止數據丟失，目前大部分接收機采用內置電池方式。機采用內置電池方式。外接電源主要在外接電源主要在RTK GPS基站采用，一基站采用，一般為可充電的般為可充電的12V直流鎘鎳電池組、汽車直流鎘鎳電池組、汽車電瓶。也可將交流電經穩壓電源或專用電電瓶。也可將交流電經穩壓電源或專用電流交換器處理后供給流交換器處理后供給GPS接收機。接收機。三、接收機主要功能三、接收機主要功能GPS衛星在用戶視界時，捕獲到按一定衛星在用戶視界時，捕獲到按一定衛星高度截止角所選擇的待測衛星，并衛星高度截止角所選擇的待測衛星，并跟蹤這些衛星的運行；跟蹤這些衛星的運行；對所接收到的對所接收到的GPS信號，進行變換、