测量原理与应用第四章.pptx

每一子帧都是以一个遥测码每一子帧都是以一个遥测码(TLM)和一个转换和一个转换码码(HOW)开始。开始。如图如图，第一个字码主要是遥测，第一个字码主要是遥测码，其中第码，其中第18比特是同步码，作为识别电文比特是同步码，作为识别电文内容的序文；其余主要是供监测站使用的信息。内容的序文；其余主要是供监测站使用的信息。第二个字码为转换码，完成由第二个字码为转换码，完成由CA码至码至P码的码的转换，转换的作用是帮助用户从捕获的转换，转换的作用是帮助用户从捕获的CA码码转换到对转换到对P码的捕获；并以同步进行锁定。其码的捕获；并以同步进行锁定。其它第三到第十个字码部分为数据块和电文块，它第三到第十个字码部分为数据块和电文块，第一子帧内为数据块第一子帧内为数据块I，第二、三子帧为数据块，第二、三子帧为数据块，第四子帧为电文块，第五子帧为数据块，第四子帧为电文块，第五子帧为数据块。导航电文格式如图导航电文格式如图。GPS测测量量原原理理与与应应用用(一一)数据块数据块I I 数数据据块块I I主主要要是是卫卫星星时时钟钟校校正正和和电电离离层层校校正正信信息息，其其中中包包含含指指明明载载波波L2L2的的调调制制波波类类型型、卫卫星星序序号号、卫卫星星健健康康状状况况等等的的标标识识码码、数数据据龄期、卫星时钟改正系数等。龄期、卫星时钟改正系数等。(二二)数据块数据块 数数据据块块表表示示GPS卫卫星星的的星星历历，是是导导航航定定位位电电文文的的主主要要部部分分，它它分分三三种种共共17个个参参数数描描述述卫卫星星的的运运行行及及其其轨轨道道。具具体体参参数数的的含含义义和和符符号号已如前所述。已如前所述。如图如图GPS测测量量原原理理与与应应用用(三三)电文块电文块 电文块有电文块有25个页面，其分配状况如下：个页面，其分配状况如下：(1)(1)第第2 2、3 3、4 4、5 5、6 6、7 7、8 8、9 9、1010页页面面提提供第供第25322532颗卫星的历书；颗卫星的历书；(2)(2)第第1717页面提供专用电文；页面提供专用电文；(3)(3)第第1818页页面面提提供供电电离离层层改改正正模模型型和和协协调调时时UTCUTC数据；数据；(4)(4)第第2525页页面面提提供供船船颗颗卫卫星星的的防防电电子子对对抗抗特特征征符、卫星型号和第符、卫星型号和第25253232颗卫星的健康状况；颗卫星的健康状况；(5(5）第）第1313、1414、1515页面为空页；页面为空页；(6)(6)其余其余11个页面为备用页。个页面为备用页。GPS测测量量原原理理与与应应用用(四四)数据块数据块 (1)(1)第第1 12424页页面面提提供供第第，1 12424颗颗卫卫星星的的历书；历书；(2)第第25页面提供第页面提供第124颗卫星的健康状颗卫星的健康状况和星期编号。况和星期编号。GPS测测量量原原理理与与应应用用卫星电文基本构成图卫星电文基本构成图GPS测测量量原原理理与与应应用用GPS卫星轨道参数卫星轨道参数GPS测测量量原原理理与与应应用用电文一主帧结构图电文一主帧结构图GPS测测量量原原理理与与应应用用导航电文格式导航电文格式GPS测测量量原原理理与与应应用用4-2 GPS4-2 GPS卫星信号卫星信号 GPS卫星播发的信号，包括卫星播发的信号，包括载波信号、载波信号、测距码、数据码等多种信号分量测距码、数据码等多种信号分量，它能满足，它能满足多用户系统的导航、高精度定位及军事保密多用户系统的导航、高精度定位及军事保密的需要。的需要。GPS信号的产生信号的产生、构成和复制等，、构成和复制等，都涉及到现代数字通讯理论和技术方面的复都涉及到现代数字通讯理论和技术方面的复杂问题，这里不作深入研究，只扼要介绍有杂问题，这里不作深入研究，只扼要介绍有关信号的内容、作用及其特点。关信号的内容、作用及其特点。一、一、GPSGPS卫星信号的内容卫星信号的内容 GPS卫星信号包含载波信号、测距码卫星信号包含载波信号、测距码(包括包括P码、码、CA码码)、数据码、数据码(导航电文，或导航电文，或称称D码码)等等。GPS测测量量原原理理与与应应用用1 1GPSGPS载波信号载波信号 GPS卫星信号取无线电波中卫星信号取无线电波中L波段的两种不波段的两种不同频率的电磁波作为载波，它们的频率和波长分同频率的电磁波作为载波，它们的频率和波长分别为：别为：L L1 1=1575.42 MHZ=1575.42 MHZ，1=19.03 CM=19.03 CM L L2 2=1227.60 MHZ=1227.60 MHZ，2=24.42 CM=24.42 CM 在载波在载波L1上调制有上调制有CA码、码、P码和数据码码和数据码；在载在载波波L2上只调制有上只调制有P码和数据码码和数据码。GPS卫星的测距卫星的测距码和数据码是采用调相技术调制到载波上的，且码和数据码是采用调相技术调制到载波上的，且调制码的幅值只取调制码的幅值只取0或或1。GPS测测量量原原理理与与应应用用当码值取当码值取0时，对应的码状态为时，对应的码状态为+1+1，而码值，而码值取取1时，对应的码状态为时，对应的码状态为-1；在载波和相应；在载波和相应的码状态相乘后便实现了载波的调制，此的码状态相乘后便实现了载波的调制，此时码信号被加载到载波上，经过播发可供时码信号被加载到载波上，经过播发可供用户接收。用户接收。2.GPS2.GPS的测距码的测距码 现代数字通讯中，普遍使用二进制数现代数字通讯中，普遍使用二进制数(“0”和和“1”)及其组合来表示各种信息，及其组合来表示各种信息，我们称其为我们称其为码码。在二进制中，一位二进制在二进制中，一位二进制数叫做一个码元或一比特数叫做一个码元或一比特(bit)，每秒钟传，每秒钟传输的比特数称为数码率。输的比特数称为数码率。GPS测测量量原原理理与与应应用用 GPSGPS卫星所采用的两种测距码，即卫星所采用的两种测距码，即C/AC/A码和码和P P码码(或或Y Y码码)均属于均属于伪随机码伪随机码(PRN)(PRN)，这种二进制的数，这种二进制的数码序列不仅具有良好的自相关特性，而且又是一码序列不仅具有良好的自相关特性，而且又是一种结构确定；可以复制的周期性序列。种结构确定；可以复制的周期性序列。(1)C(1)CA A码码 C CA A码码的的码码长长较较短短，易易于于捕捕获获，但但码码元元宽宽度度较较大大，测测距距精精度度较较低低，所所以以C CA A码码又又称称为为捕捕获获码码或粗码或粗码。C CA A码的码长码的码长N Nu u2 21010-l-l1023 bit1023 bit；GPS测测量量原原理理与与应应用用码元宽度码元宽度t tu u0 097752 97752(相应距离相应距离为为2932931m)1m)；周期周期u u1 ms1 ms；数码率数码率u1023 Mbits 在在GPS导航和定位中，为了捕获导航和定位中，为了捕获CA码以测码以测定卫星信号传播时间，通常需要对定卫星信号传播时间，通常需要对CA码逐个进码逐个进行搜索。因为行搜索。因为CA码总共只有码总共只有1023个码元，若以个码元，若以每秒每秒50个码元的速度搜索，约需个码元的速度搜索，约需20.5s便可达到目便可达到目的。（初始化，锁定卫星信号的过程）的。（初始化，锁定卫星信号的过程）GPS测测量量原原理理与与应应用用(2)P(2)P码码 P P码码即即精精密密测测距距码码或或称称精精码码。它它是是由由两两个个伪伪随随机码机码PNPN1 1(t)(t)和和PNPN2 2(t)(t)的乘积得到的。它的特征是：的乘积得到的。它的特征是：P P码的码长码的码长Nu2.3514Nu2.351414 14 bitbit；码码元元宽宽度度t tu u00097752 097752(相相应应距距离离为为29293m)3m)；周期周期u u267 d267 d；数码率数码率u1023 Mbits 由由于于P码码的的码码长长为为6.191012bit，所所以以采采用用C/A码码的的搜搜索索方方式式是是无无法法实实现现的的。一一般般都都是是先先捕捕获获C/A码码，然然后后根根据据导导航航电电文文给给出出的的有有关关信信息息来来实实现现P码码捕获捕获。GPS测测量量原原理理与与应应用用实际上实际上P码的周期被分成码的周期被分成38部分，每一部分部分，每一部分为为7d(码长约码长约6191012bit)，其中，其中1部分闲部分闲置，置，5部分给地面监控站使用，部分给地面监控站使用，32部分分配部分分配给不同的卫星。这样，每颗卫星使用给不同的卫星。这样，每颗卫星使用P码的码的不同部分，码长和周期相同，但结构不同。不同部分，码长和周期相同，但结构不同。由于由于P P码的码元宽度为码的码元宽度为C CA A码的码的l l1010，如果，如果码元的对齐精度仍为码元宽度的码元的对齐精度仍为码元宽度的1 11010l l100100，则由此引起的距离误差约为，则由此引起的距离误差约为2 293930 029m29m，仅为，仅为C CA A码的码的1 11010，所以，所以P P码用于码用于精密的导航和定位。精密的导航和定位。GPS测测量量原原理理与与应应用用3 3数据码数据码(D(D码码)数据码即数据码即导航电文导航电文，它包含着卫星的星历、卫星工作它包含着卫星的星历、卫星工作状态、时间系统、卫星钟运行状态、轨道摄动改正、大气状态、时间系统、卫星钟运行状态、轨道摄动改正、大气折射改正、由折射改正、由C CA A码捕获码捕获P P码的信息等。码的信息等。导航电文亦是二导航电文亦是二进制数码，依规定的格式组成，按帧向外播送，每帧电文进制数码，依规定的格式组成，按帧向外播送，每帧电文的长度为的长度为1500bit1500bit，播送速率为，播送速率为50bit50bits s。二、卫星信号的结构二、卫星信号的结构 如如图是图是GPSGPS卫星信号的构成示意图。图中说明所有信卫星信号的构成示意图。图中说明所有信号分量都是根据同一基准频率号分量都是根据同一基准频率f f0 0(图中图中A A点点)产生的，其中包产生的，其中包括载波括载波L Ll l(B(B点点)，L L2 2(C(C点点)，调制在载波上的调相信号，调制在载波上的调相信号C CA A码码(D(D点点)，P P码码(F(F点点)和数据码和数据码(G(G点点)，经卫星发射天线经卫星发射天线(H(H点点)发射的信号分量包括：发射的信号分量包括：C CA A码信号码信号(J(J点点)，L Ll lP P码信号码信号(K(K点点)和和L L2 2P P码信号码信号(L(L点点)。GPS测测量量原原理理与与应应用用GPS卫星信号构成图卫星信号构成图GPS测测量量原原理理与与应应用用三、测距码的产生三、测距码的产生 P码由两个伪随机噪声码码由两个伪随机噪声码PNl(t)和和PN2(t)的乘的乘积构成。积构成。P码的码率为码的码率为1023MHz，PNl(t)的周期的周期为为15s，一周的码位数，一周的码位数Nl为为 Nl10231061515345106 位位P码的周期为码的周期为 T TN/F266N/F26640138 40138 星期星期 P码的产生原理如图所示。码的产生原理如图所示。GPS测测量量原原理理与与应应用用也就是有也就是有l023l023个不同个不同的的C CA A码。加上码。加上PNPNl l、PNPN2 2产生的两个产生的两个m m序序列，共有列，共有10251025个周期个周期为为1ms1ms、码元数为、码元数为10231023的不同结构的的不同结构的C CA A码。码。GPS测测量量原原理理与与应应用用C CA A码码率为码码率为1 1023MHz023MHz，周期为，周期为1ms1ms，一周期内有，一周期内有10231023个码位。个码位。C CA A码由两个码由两个1023bit1023bit的伪随机码的伪随机码PNPNl l(t)(t)和和PNPN2 2(t)(t)的乘积构成的的乘积构成的GoldGold码，即码，即C CA Ai i(t)(t)PNPNl l(t)PN(t)PN2 2(t(tn ni i(10)(10)式中，式中，n ni i为为PNPNl l和和PNPN2 2 间相位偏置的码元数，间相位偏置的码元数，其偏置量为其偏置量为n ni i10231023，四、四、GPSGPS信号的传播信号的传播 GPSGPS采采用用了了信信号号扩扩频频技技术术，即即将将窄窄带带的的数数据据码码D Di i(t)(t)用用卫卫星星地地址址码码P P码码或或C CA A码码进进行行扩扩频频调调制制，把把窄窄带带信信号号扩扩展展到到一一个个很很宽宽的的频频带带上上发发射射出出去去，以以达达到到抗抗干干扰扰、保保密密和和省省电电的的目目的的。因因为为卫卫星星是是靠靠太太阳阳能能蓄蓄电电池池工工作作的的，不不可可能能用用增增大大发发射射功功率率的的方方法法向向用用户户发发射射信信号号，而而扩扩频频技技术术解解决决了了这这一一问问题题。另另外外，采采用用扩扩频频技技术术后后，信信噪噪比比很很低低，信信号号被被深深深深埋埋在在噪噪声声之之中中，不不易易被被人人捕捕获获，具具有有很很好好的的保保密密性性。再再则则，由由于于接接收收机机接接收收信信号号后后，又又进进行行了了相相关关处处理理，将将宽宽带带大大大大变变窄窄了了，改改变变了了信信噪比。噪比。GPS测测量量原原理理与与应应用用GPS信号的产生信号的产生GPS测测量量原原理理与与应应用用4-3 GPS4-3 GPS卫星位置计算卫星位置计算 为了计算卫星在为了计算卫星在WGS84大地坐标系中大地坐标系中的位置，首先需要计算卫星在其轨道平面的位置，首先需要计算卫星在其轨道平面内的位置。此时定义：内的位置。此时定义：原点与地心原点与地心M相重相重合，合，x轴指向升交点，轴指向升交点，y轴在轨道平面内垂轴在轨道平面内垂直于直于x轴，我们称其为轨道平面直角坐标轴，我们称其为轨道平面直角坐标系，在卫星坐标计算中，它是一种过渡性系，在卫星坐标计算中，它是一种过渡性的坐标系。的坐标系。下面我们讨论观测瞬间下面我们讨论观测瞬间GPSGPS卫卫星在地固坐标系中坐标的计算方法：星在地固坐标系中坐标的计算方法：GPS测测量量原原理理与与应应用用1计算卫星运行的平均角速度计算卫星运行的平均角速度n a为卫星轨道的长半轴，为卫星轨道的长半轴，GM为地球引力为地球引力常数常数(含大气层含大气层)，其值为，其值为398600.510398600.5101414m m3 3/s/s2 2它们都有确定值。利用导航电文中给出的摄它们都有确定值。利用导航电文中给出的摄动改正数动改正数n,n,则可算出卫星运行的实际平均则可算出卫星运行的实际平均角速度角速度:n=n0+n GPS测测量量原原理理与与应应用用2计算归化时间计算归化时间tk tkt-t0e 3计算观测瞬间的卫星平近点角从计算观测瞬间的卫星平近点角从M Mk k M Mk kM M0 0+nt+ntk k 4.4.计算偏近点角计算偏近点角E Ek k Ek=Mk+esinEk(Ek,Mk 以弧度计)GPS测测量量原原理理与与应应用用从星期日子夜零时开始从星期日子夜零时开始度量的星历参考历元度量的星历参考历元参考时刻的平近点角参考时刻的平近点角此方程可用迭代解法此方程可用迭代解法进行解算进行解算 5计算真近点角计算真近点角Vk 6 6计算升交距角计算升交距角k kk k=V=Vk k+为卫星电文给出的近地点角距。为卫星电文给出的近地点角距。7 7摄动改正项的计算摄动改正项的计算 GPS测测量量原原理理与与应应用用近地点角距近地点角距8 8计计算算经经过过摄摄动动改改正正的的升升交交距距角角k k、卫卫星星的矢径的矢径r rk k和轨道倾角和轨道倾角i ik kk k=k k+r rk k=a(1-cosE=a(1-cosEk k)+)+r rik=i0+i+itk GPS测测量量原原理理与与应应用用9 9计算卫星在轨道平面直角坐标系的坐标计算卫星在轨道平面直角坐标系的坐标 xk=rk cosk yk=rk sink 10观测时刻升交点经度的计算观测时刻升交点经度的计算=7.2921156710-5rad/s,、toe 可从卫星电文中获取。GPS测测量量原原理理与与应应用用11计算卫星在地心固定坐标系中的直角坐标计算卫星在地心固定坐标系中的直角坐标 12卫星在协议地球坐标系中坐标的计算卫星在协议地球坐标系中坐标的计算 GPS测测量量原原理理与与应应用用4-4 GPS4-4 GPS接收机及工作原理接收机及工作原理一、一、GPSGPS接收机及其分类接收机及其分类（一）、（一）、GPS接收机的基本概念。接收机的基本概念。GPS用户设备主要包括：用户设备主要包括：GPS接收机及其天接收机及其天线线，微处理机及其终端设备以及电源等。而其中微处理机及其终端设备以及电源等。而其中接收机和天线，是用户设备的核心部分，一般习接收机和天线，是用户设备的核心部分，一般习惯上统称为惯上统称为GPS接收机。它的接收机。它的主要功能是接收主要功能是接收GPS卫星发射的信号，并进行处理和量测，以获卫星发射的信号，并进行处理和量测，以获取导航电文及必要的观测量。取导航电文及必要的观测量。GPS接收机的结构，接收机的结构，大体大体如图如图310所示，其主要组成部分包括：所示，其主要组成部分包括：GPS测测量量原原理理与与应应用用 天线天线(带前置放大器带前置放大器)；信号处理器，用于信号识别和处理；信号处理器，用于信号识别和处理；微微处处理理器器，用用于于接接收收机机的的控控制制、数数据据采采集集和导航计算；和导航计算；用户信息传输，包括操作板、显示板和数用户信息传输，包括操作板、显示板和数据存贮器；据存贮器；精密振荡器，用以产生标准频率；精密振荡器，用以产生标准频率；电源。电源。GPS测测量量原原理理与与应应用用如果把如果把GPS接收机作为一个用户测量系统，那接收机作为一个用户测量系统，那么按其构成部分的性质和功能可分为么按其构成部分的性质和功能可分为：硬件部分：主要系指上述接收机、天线硬件部分：主要系指上述接收机、天线和电源等硬件设备；和电源等硬件设备；软件部分：而软件部分，是支持接收机软件部分：而软件部分，是支持接收机硬件实现其功能，并完成各种导航与测量任务硬件实现其功能，并完成各种导航与测量任务的重要条件。一般来说，软件包括内软件和外的重要条件。一般来说，软件包括内软件和外软件。软件。GPS测测量量原原理理与与应应用用(二二)、GPSGPS接收机的类型接收机的类型根据不同的观点，根据不同的观点，GPS接收机可有多种不同接收机可有多种不同的分类，现将其主要分类加以介绍。的分类，现将其主要分类加以介绍。1根据接收机的工作原理，可分为根据接收机的工作原理，可分为 码相关型接收机：码相关型接收机：其其特特点点是是，能能够够产产生生与与所所测测卫卫星星的的测测距距码码结结构构完完全全相相同同的的复复制制码码。工工作作中中通通过过逐逐步步相相移移，使使接接收收码码与与复复制制码码达达到到最最大大相相关关，以以测测定定卫卫星星信号到达用户接收机天线的传播时间。信号到达用户接收机天线的传播时间。GPS测测量量原原理理与与应应用用码相关型接收机，可利用码相关型接收机，可利用CA码，也可利用码，也可利用P码，其工作的基本条件是必须掌握测距码的结码，其工作的基本条件是必须掌握测距码的结构。所以这种接收机也称为构。所以这种接收机也称为有码接收机有码接收机。平方型接收机：它平方型接收机：它是利用载波信号的平是利用载波信号的平方技术去掉调制码，从而获得载波相位测量所方技术去掉调制码，从而获得载波相位测量所必需的载波信号。这种接收机只利用卫星的信必需的载波信号。这种接收机只利用卫星的信号，无需解码，因而不必掌握测距码的结构，号，无需解码，因而不必掌握测距码的结构，所以通常也称为所以通常也称为无码接收机无码接收机。GPS测测量量原原理理与与应应用用 混合型接收机：它是综合利用了相关技混合型接收机：它是综合利用了相关技术和平方技术的优点；它可以同时获得码相位术和平方技术的优点；它可以同时获得码相位和精密的载波相位观测量，目前，在测量工作和精密的载波相位观测量，目前，在测量工作中广泛使用的接收机，多属这种类型。中广泛使用的接收机，多属这种类型。2 2根据接收机信号通道的类型。可分为根据接收机信号通道的类型。可分为 多通道接收机：多通道接收机：所谓多通道接收机，即所谓多通道接收机，即具有多个卫星信号通道，而每个通道只连续跟具有多个卫星信号通道，而每个通道只连续跟踪一个卫星信号的接收机。所以，这种接收机踪一个卫星信号的接收机。所以，这种接收机也称也称连续跟踪型接收机连续跟踪型接收机。GPS测测量量原原理理与与应应用用 序贯通道接收机：序贯通道接收机：序贯通道接收机，通序贯通道接收机，通常只具有常只具有1 12 2个信号通道。这时为了跟踪多个卫个信号通道。这时为了跟踪多个卫星信号，它在相应软件的控制下，按时序依次对星信号，它在相应软件的控制下，按时序依次对各个卫星信号进行跟踪和量测。由于对所测卫星各个卫星信号进行跟踪和量测。由于对所测卫星依次量测一个循环所需时间较长依次量测一个循环所需时间较长(20ms)20ms)，所以，所以其其对卫星信号的跟踪是不连续的。对卫星信号的跟踪是不连续的。多路复用通道接收机：多路复用通道接收多路复用通道接收机：多路复用通道接收机，与序贯通道接收机相似，一般也只具有机，与序贯通道接收机相似，一般也只具有12个信号通道，在相应软件的控制下，按时序依次个信号通道，在相应软件的控制下，按时序依次对所有观测卫星的信号进行量测。其与序贯通道对所有观测卫星的信号进行量测。其与序贯通道接收机的区别，主要是对所测卫星信号，量测一接收机的区别，主要是对所测卫星信号，量测一个循环的时间较短个循环的时间较短(20ms)，可以，可以保持对卫星信保持对卫星信号的连续跟踪号的连续跟踪。GPS测测量量原原理理与与应应用用3根据接收的卫星信号频率，可分为根据接收的卫星信号频率，可分为 单单频频接接收收机机(L(L1 1)：单单频频接接收收机机，只只能能接接收收经经调调制制的的L L1 1信信号号。这这时时虽虽然然可可以以利利用用导导航航电电文文提提供供的的参参数数，对对观观测测量量进进行行电电离离层层影影响响的的修修正正，但但由由于于修修正正模模型型尚尚不不完完善善，精精度度较较差差。所所以以单单频频接接收收机机主主要要用用于于基基线线较较短短(例例如如20km)的的精精密密定定位位工工作。作。双双频频接接收收机机(L(Ll l十十L L2 2):):双双频频接接收收机机，可可以以同同时时接接收收L Ll l和和L L2 2信信号号，因因而而利利用用双双频频技技术术，可可以以消消除除或或减减弱弱电电离离层层折折射射对对观观测测量量的的影影响响，定定位位的的精精度较高。度较高。GPS测测量量原原理理与与应应用用4 4根据接收机的用途，可分为根据接收机的用途，可分为 导导航航型型:导导航航型型接接收收机机，主主要要用用于于确确定定船船舶舶、车车辆辆和和飞飞机机等等运运载载体体的的实实时时位位贸贸和和速速度度，以以保保障障这这些些载载体体按按预预定定的的路路线线航航行行，或或选选择择最最佳佳航航行行路路线线。导导航航型型接接收收机机，一一般般采采用用以以测测码码伪伪距距为为观观测测量量的的单单点点实实时时定定位位，或或实实时时差差分分GPS(RTDGPS)定位，精度较低。定位，精度较低。测测量量型型:测测量量型型接接收收机机，主主要要是是指指适适于于进进行行各各种种测测量量工工作作的的接接收收机机。这这类类接接收收机机，般般均均采采用用载载波波相相位位观观测测量量进进行行相相对对定定位位，精精度度很很高高。观观测测数数据据可可测测后后处处理理或或实实时时处处理理(采采用用RTK技技术术)，因因此此需需配配有有功功能能完完善善的的数数据据处处理理软软件件。测测量量型型接接收收机机与与导导航航型型接接收收机机相相比比。其其结结构构复复杂杂，价价格较贵。格较贵。GPS测测量量原原理理与与应应用用 授时型授时型:所谓授时型接收机，主要用于天所谓授时型接收机，主要用于天文台或地面监控站，进行时频同步测定。文台或地面监控站，进行时频同步测定。二、二、GPSGPS接收机通道的概念接收机通道的概念 接收机的信号接收机的信号通道通道，可以理解为可以理解为GPSGPS卫星发卫星发射的信号，经由天线进入接收机的射的信号，经由天线进入接收机的“路径路径”。它的主要作用它的主要作用是跟踪、处理和量测各卫星，以是跟踪、处理和量测各卫星，以获得定位所需要的数据和信息。获得定位所需要的数据和信息。通道是由硬件通道是由硬件和相应的控制软件组成的。每个通道，在某一和相应的控制软件组成的。每个通道，在某一时刻只能跟踪一颗卫星的一种频率信号。时刻只能跟踪一颗卫星的一种频率信号。GPS测测量量原原理理与与应应用用 当接收机需同步跟踪多个卫星信号时，原则上当接收机需同步跟踪多个卫星信号时，原则上可能采用两种跟踪方式，其一是接收机具有多个可能采用两种跟踪方式，其一是接收机具有多个分离的硬件通道，每个通道都可连续地跟踪一个分离的硬件通道，每个通道都可连续地跟踪一个卫星信号；其二是一个信号通道，在相应软件的卫星信号；其二是一个信号通道，在相应软件的控制下，跟踪多个卫星信号。控制下，跟踪多个卫星信号。1 1、序贯通道、序贯通道 序序贯贯通通道道，可可对对进进入入该该通通道道的的卫卫星星信信号号，在在软软件件的的控控制制下下按按时时序序依依次次进进行行跟跟踪踪和和量量测测，其其对对所所测测卫卫星星信信号号量量测测一一个个循循环环，所所需需时时间间大于大于20ms20ms。GPS测测量量原原理理与与应应用用 根据量测的速度，这种通道又分为快速序贯通道和慢根据量测的速度，这种通道又分为快速序贯通道和慢速序贯通道。快速序贯通道对进入该通道的所有卫星信速序贯通道。快速序贯通道对进入该通道的所有卫星信号，依次量测一次所需时间为数秒钟。而慢速序贯通道号，依次量测一次所需时间为数秒钟。而慢速序贯通道则需数分钟。由于序贯通道在对多个卫星信号依次进行则需数分钟。由于序贯通道在对多个卫星信号依次进行量测时，其在不同信号之间的转换率，与导航电文的比量测时，其在不同信号之间的转换率，与导航电文的比特率（特率（50比特秒或比特秒或20ms)，是不同步的，所以序贯通，是不同步的，所以序贯通道在对一个卫星信号测量时，将要丢失其它一些卫星信道在对一个卫星信号测量时，将要丢失其它一些卫星信号的信息，无法获得卫星的完整导航电文。因此，一个号的信息，无法获得卫星的完整导航电文。因此，一个序贯通道接收机，一般都需要一个额外的通道来获取电序贯通道接收机，一般都需要一个额外的通道来获取电文。文。序贯通道的优点是序贯通道的优点是 硬硬件件通通道道数数少少。结结构构简简单单，因因而而有有利利于于减减小小接接收收机的体积和重量；机的体积和重量；由由于于采采用用单单通通道道，各各卫卫星星信信号号在在通通道道中中的的延延迟迟都都是相同的，不存在信号间的路径偏差。是相同的，不存在信号间的路径偏差。GPS测测量量原原理理与与应应用用序贯通道的缺点是序贯通道的缺点是 不能同时接收卫星导航电文；不能同时接收卫星导航电文；通道的控制软件较为复杂；通道的控制软件较为复杂；难于保持载波信号的连续跟踪；难于保持载波信号的连续跟踪；对对L1，L2信信号号的的测测量量不不同同步步，因因而而会会降降低低电离层折射改正的精度。电离层折射改正的精度。GPS测测量量原原理理与与应应用用2 2、多路复用通道、多路复用通道 与贯序通道相类似，多路复用通道，同样对进与贯序通道相类似，多路复用通道，同样对进入该通道的所有卫星信号，在相应软件内控制下，入该通道的所有卫星信号，在相应软件内控制下，按时序依次进行量测，但其量测一遍的总时间小按时序依次进行量测，但其量测一遍的总时间小于或等于于或等于20ms。由于多路复用通道，对卫星信号。由于多路复用通道，对卫星信号一次量测的时间很短，能在不同的卫星信号之间，一次量测的时间很短，能在不同的卫星信号之间，以及两个频率以及两个频率LlLl和和L2L2信号之间，进行高速的转换，信号之间，进行高速的转换，转换的速率同导航电文的比特率转换的速率同导航电文的比特率(20ms)(20ms)同步，所同步，所以这种通道，不仅能同时获得所跟踪卫星的完整以这种通道，不仅能同时获得所跟踪卫星的完整导航电文，而且可以连续地跟踪载波信号，实现导航电文，而且可以连续地跟踪载波信号，实现对载波相位的连续量测。其主要缺点是，信噪比对载波相位的连续量测。其主要缺点是，信噪比相对于以下将介绍的多通道接收机为低，通道的相对于以下将介绍的多通道接收机为低，通道的控制软件也比较复杂。控制软件也比较复杂。GPS测测量量原原理理与与应应用用 3 3、多通道、多通道 具有四个及四个以上信号通道，具有四个及四个以上信号通道，且每个通道只且每个通道只连续跟踪一个卫星信号的接收机，称为多通道接收连续跟踪一个卫星信号的接收机，称为多通道接收机机。这这种种多多通通道道接接收收机机的的主主要要优优点点是是，能能够够不不间间断断地地跟跟踪踪每每个个卫卫星星信信号号，从从而而可可连连续续地地对对卫卫星星信信号号的的测测距距码码和和载载波波进进行行量量测测，且且具具有有较较好好的的信信噪噪比比。其其主主要要缺缺点点是是，各各通通道道间间存存在在信信号号延延迟迟的的偏偏差差，必必须须进进行行比比对对和和改改正正；另另外外，由由于于通通道道数数较较多多，结结构构较较为为复复杂杂，不不利利于于减减轻轻接接收收机机的的重重量量和和体体积积。因因为为多多路路复复用用通通道道和和多多通通道道，可可以以不不间间断断地地跟跟踪踪各各卫卫星星信信号号，所所以以它它们们又又称称为为连连续续跟跟踪踪型型通通道道，而而序序贯贯通通道道则称为则称为非连续跟踪型通道非连续跟踪型通道。GPS测测量量原原理理与与应应用用三、三、GPSGPS接收机的组成及基本工作原理接收机的组成及基本工作原理 1、GPS接收机组成接收机组成 GPS接收机主要由：接收机主要由：接收机天线单元、接接收机天线单元、接收机主机单元和电源三部分组成收机主机单元和电源三部分组成，接收机主接收机主机由变频器、信号通道、微处理器、存储器机由变频器、信号通道、微处理器、存储器及显示器组成。及显示器组成。如图所示如图所示。2、GPS接收机天线接收机天线 对对GPS接收机天线的要求：接收机天线的要求：GPS测测量量原原理理与与应应用用 天天线线与与前前置置放放大大器器，一一般般应应密密封封为为一一体体，以以保保障障其其在在恶恶劣劣的的气气象象环环境境下下，能能正正常常工工作作，并并减少信号损失；减少信号损失；天天线线均均应应呈呈全全圆圆极极化化。要要求求天天线线的的作作用用范范围围为为整整个个上上半半球球，在在天天顶顶处处不不产产生生死死角角，以以保保障障能同样地接收来自天空任何方向的卫星信号；能同样地接收来自天空任何方向的卫星信号；天天线线必必须须采采取取适适当当的的防防护护与与屏屏蔽蔽措措施施(例例如如加加一一块块基基板板)，以以尽尽可可能能地地减减弱弱信信号号的的多多路路径径效应、防止信号的干扰效应、防止信号的干扰；GPS测测量量原原理理与与应应用用 天线的相位中心，与其几何中心之间的偏天线的相位中心，与其几何中心之间的偏差应尽量小，且保持稳定。由于差应尽量小，且保持稳定。由于GPS测量的观测测量的观测量，是以天线的相位中心为准的，而在作业中，量，是以天线的相位中心为准的，而在作业中，天线的安置却是以其几何中心为准，所以在天线天线的安置却是以其几何中心为准，所以在天线的设计中，应尽可能保持两个中心的一致性和相的设计中，应尽可能保持两个中心的一致性和相位中心的稳定性。位中心的稳定性。天线的类型天线的类型 GPSGPS接接收收机机的的天天线线有有多多种种类类型型，其其基基本本类类型型(见图见图3-153-15)如下：如下：单极或偶极天线单极或偶极天线GPS测测量量原原理理与与应应用用 这种天线属单频天线，具有结构简单，体积这种天线属单频天线，具有结构简单，体积小的优点。通常需要安装在一块基板上，以利于小的优点。通常需要安装在一块基板上，以利于减弱多路径的影响。减弱多路径的影响。四四线线螺螺旋旋形形或或螺螺旋旋形形结结构构天天线线：这这种种天天线线也也是是一一种种单单频频天天线线，其其结结构构较较上上述述单单极极或或偶偶极极天天线线复复杂杂，且且在在生生产产中中难难于于调调整整。但但其其增增益益性性良良好好，一般也不需要底板。一般也不需要底板。微微波波传传输输带带型型天天线线：微微波波传传输输带带型型天天线线，常常简简称称为为微微带带天天线线。这这种种天天线线结结构构最最为为简简单单和和坚坚固固，即即可可用用于于单单频频也也可可用用于于双双频频，天天线线的的高高度度很很低低，是是安安装装在在飞飞机机上上的的理理想想天天线线。这这种种天天线线的的主主要要缺缺点点是是增增益益较较低低。不不过过这这一一缺缺点点，可可采采用用低低噪噪声前置放大器加以弥补。声前置放大器加以弥补。GPS测测量量原原理理与与应应用用锥锥形形天天线线：锥锥形形天天线线也也有有的的称称为为盘盘旋旋螺螺线线型型天天线线。这这种种天天线线可可同同时时在在两两个个频频道道上上工工作作，其其主主要要优优点点是是增增益益性性好好。但但由由于于天天线线较较高高，而而且且螺螺旋旋线线在在水水平平方方向上不完全对称。向上不完全对称。天线是接收设备的重要部件之一，它的品质对天线是接收设备的重要部件之一，它的品质对于减少信号损失，防止信号干扰和提高定位的精度，于减少信号损失，防止信号干扰和提高定位的精度，具有重要意义。具有重要意义。GPS测测量量原原理理与与应应用用3、接收机工作原理、接收机工作原理 1）码相关型通道码相关型通道 以码相关技术为根据，处理和量测卫星信号的以码相关技术为根据，处理和量测卫星信号的通道，称为码相关型通道。通道，称为码相关型通道。该通道该通道主要由码跟踪回主要由码跟踪回路和载波跟踪回路组成路和载波跟踪回路组成(见图见图312)。其中码跟踪回。其中码跟踪回路，用于从路，用于从CA码或码或P码中提取伪距观测量，同时码中提取伪距观测量，同时对卫星信号进行解调，以获取导航电文和载波。该对卫星信号进行解调，以获取导航电文和载波。该回路中的伪随机噪声码回路中的伪随机噪声码(PRN)发生器，在接收机时发生器，在接收机时钟的控制下，可产生一个与卫星发射的测距码结构钟的控制下，可产生一个与卫星发射的测距码结构完全相同的码，即完全相同的码，即复制码复制码。在相关器中，对接收到。在相关器中，对接收到的卫星测距码和接收机的复制码进行相关分析，当的卫星测距码和接收机的复制码进行相关分析，当两信号之间达到最大相关时，便可测定出两信号间两信号之间达到最大相关时，便可测定出两信号间的时间延迟，即卫星发射的码信号到达接收机天线的时间延迟，即卫星发射的码信号到达接收机天线的传播时间。的传播时间。GPS测测量量原原理理与与应应用用 上述两信号达到最大相关时，一般叫做上述两信号达到最大相关时，一般叫做锁定信锁定信号号。这时如果把卫星信号和复制码混频，并将混。这时如果把卫星信号和复制码混频，并将混频后的信号，通过带通滤波器，消去卫星信号中频后的信号，通过带通滤波器，消去卫星信号中的的伪随机噪声码伪随机噪声码，便可获得仅具有数据码，便可获得仅具有数据码(导航电导航电文文)和载波的信号。和载波的信号。载波跟踪回路，利用压控振荡器，可使接收载波跟踪回路，利用压控振荡器，可使接收机振荡器所产生的参考载波相位，与接收的载波机振荡器所产生的参考载波相位，与接收的载波相位保