gps卫星的导航电文和卫星信号.ppt

第四章 GPS卫星的导航电文和卫星信号,第一节 GPS卫星的导航电文 第二节 GPS卫星信号 第三节 GPS卫星位置的计算 第四节 GPS接收机基本工作原理,GPS测量原理及应用,第四章 GPS卫星的导航电文和卫星信号,第一节 GPS卫星的导航电文,GPS卫星的导航电文（简称卫星电文又叫数据码）：所谓导航电文，就是包含了有关卫星的星历、卫星工作状态、时间系统、卫星钟运行状态、轨道摄动改正、大气折射改正和由C/A码捕获码等导航信息的数据码(或D码)。它分为预报星历、和精密星历。是用户用来定位和导航的数据基础。,GPS测量原理及应用,第四章 GPS卫星的导航电文和卫星信号,第一节 GPS卫星的导航电文,它的基本单位是长1500bit的一个主帧（如图4-1所示），传输速率是50bit/s,30秒钟传送完毕一个主帧。一个主帧包括5个子帧，第1、2、3子帧每30秒钟重复一次，内容每小时更新一次。第4、5子帧的全部信息则需要750秒钟才能够传送完。即第4、5子帧是12.5分钟播完一次，然后再重复之，其内容仅在卫星注入新的导航数据后才得以更新。,GPS测量原理及应用,第四章 GPS卫星的导航电文和卫星信号,第一节 GPS卫星的导航电文,GPS测量原理及应用,第四章 GPS卫星的导航电文和卫星信号,第一节 GPS卫星的导航电文,一、遥测字(TLMTelemetry Word)，位于各子帧的开头，作为捕获导航电文的前导。其中所含的同步信号为各子帧提供了个同步的起点，使用户便于解释电文数据。 1-8bit是同步码（10001001）,为各子帧编码脉冲提供一个同步起点,接收机将从该起点开始顺序解译电文; 9-22bit为遥测电文,包括地面监控系统注入数据时的状态信息、诊断信息及其他信息； 23和24bit是连接码； 25-30bit为奇偶检查码，它用于发现和纠正错误。,GPS测量原理及应用,第四章 GPS卫星的导航电文和卫星信号,第一节 GPS卫星的导航电文,二、交接字(HOWHand Over Word），紧接着各子帧开头的遥测字，主要帮助用户从捕获的C/A码转换到P码的Z计数。所谓Z计数是从每星期六/星期日子夜零时起算的时间计数，它表示下一子帧开始瞬间的GPS时。但为了使用方便，Z计数一般表示为从每星期六/星期日子夜零时开始发播的子帧数。因为每一子帧播送延续的时间为6秒，所以，下一子帧开始的瞬时即为6xZ。通过交接字可以实时地了解观测瞬时在P码周期中所处的准确位置，以便迅速地捕获P码,GPS测量原理及应用,第四章 GPS卫星的导航电文和卫星信号,第一节 GPS卫星的导航电文,三、第一数据块：含有关于卫星钟改正参数及其数据龄期、星期的周数编号以及电离层改正参数和卫星工作状态等信息。现对其中的主要内容介绍如下： 1时延差改正Tgd 表示信号在卫星内部的时延差（Tp1-Tp2），即P1码与P2码从产生到发出的时间差异。 第7字码的第1724比特表示载波L1、L2的电离层时延差改正Tgd。当使用单频接收机时，用Tgd改正所观测的结果，以减小电离层效应影响提高定位精度；当采用双频接收机时，就不必要采用这个时延差改正。,GPS测量原理及应用,第四章 GPS卫星的导航电文和卫星信号,第一节 GPS卫星的导航电文,2数据龄期AODC 第3字码的第23、和第24比特,以及第8字码的第18比特，均表示卫星时钟的数据龄期AODC。GPS试验卫星的AODC只占8个比特，而GPS工作卫星却扩展到了10个比特。A0DC是时钟改正数的外推时间间隔，它向用户指明对卫星时钟改正数的置信度，且知 AODCtoc-tl (4-1) 式中:toc为第一数据块的参考时刻，tl是计算时钟参数所作测量的最后观测时间。,GPS测量原理及应用,第四章 GPS卫星的导航电文和卫星信号,第一节 GPS卫星的导航电文,3.星期序号WN。表示从1980年1月6日协调时零点起算的GPS时星期数。 4.卫星钟改正参数：a0、a1、a2，分别表示该卫星的钟差、钟速及钟速的变化率。当已知这些参数后，便可按下式计算任意时刻t的钟改正数t ta0十a1(ttoc)十a2(ttoc)2 (4-2),GPS测量原理及应用,第四章 GPS卫星的导航电文和卫星信号,第一节 GPS卫星的导航电文,四、第二数据块 包含在2、3两个子帧，主要向用户提供有关计算卫星运行位置的信息。该数据块一般称为卫星星历，数据块二提供了用户利用GPS实时导航和定位的基本数据。（如图4-2所示）,GPS测量原理及应用,第四章 GPS卫星的导航电文和卫星信号,第一节 GPS卫星的导航电文,GPS测量原理及应用,第四章 GPS卫星的导航电文和卫星信号,第一节 GPS卫星的导航电文,卫星的运行及其轨道的参数 1.开普勒六参数：这6个参数为：a1/2，e，i，0，M0（其含义同 3.4）。 2.轨道摄动九参数 这9个参数为：n，Cuc,Cus,Crc,Crs,Cic,Cis，变化率，变化率（其含义同 3.4）,GPS测量原理及应用,第四章 GPS卫星的导航电文和卫星信号,第一节 GPS卫星的导航电文,3.时间二参数 (1)从星期日子夜零点开始度量的星历参考时刻t0e； (2)星历表的数据龄期AODE，有： AODEt0e-t1 （） 式中tl为作预报星历测量的最后观测时间，因此AODE就是预报星历的外推时间长度。,GPS测量原理及应用,第四章 GPS卫星的导航电文和卫星信号,第一节 GPS卫星的导航电文,五、 第三数据块 第三数据块包括第4和第5两个子帧，其内容包括了所有GPS卫星的历书数据。 1.第4子帧 (1)第2，3，4，5，7，8，9，10页面提供第25-32颗卫星的历书； (2)第17页面提供专用电文，第18页面给出电离层改正模型参数和UTC数据； (3)第25页面提供所有卫星的型号、防电子对抗特征符和第25-32颗卫星的健康状况； (4)第1，6，11，12，16，19，20，21，22，23，24页作备用，第13，14，15页为空闲页。,GPS测量原理及应用,第四章 GPS卫星的导航电文和卫星信号,第一节 GPS卫星的导航电文,2.第5子帧 (1)第1 24页面给出第1 24颗卫星的历书； (2)第25页面给出第1 24颗卫星的健康状况和星期编号。 在第三数据块中，第4和第5子帧的每个页面的第3字码，其开始的8个比特是识别字符，且分成两种形式：（a）第1和第2比特为电文识别（DATA ID）； (b)第3 8比特为卫星识别（SV ID）。 第三数据块的作用：当接收机捕获到某颗GPS卫星后，根据第三数据块提供的其他卫星的概略星历、时钟改正、卫星工作状态等数据，用户可以选择工作正常和位置适当的卫星，并且较快地捕获到所选择的卫星。,GPS测量原理及应用,第四章 GPS卫星的导航电文和卫星信号,第一节 GPS卫星的导航电文,GPS测量原理及应用,第四章 GPS卫星的导航电文和卫星信号,第二节 GPS卫星信号,GPS卫星历书及其作用,GPS卫星的历书（Almanac）包含在导航电文的第四和第五子桢中，可以看作是卫星星历参数的简化子集。其每12.5分钟广播一次，寿命为一周，可延长至6个月。GPS卫星历书用于计算任意时刻天空中任意卫星的概略位置。其主要用途： 使卫星的码搜索有的放矢，避免“满天搜星” GPS信号是一个CDMA（码分多址）信号，一般来说，GPS接收机对卫星信号的搜索是一个“满天搜星”的过程，即要搜索天空中的所有卫星对应的伪随机码。如果预先知道任意时刻所有卫星的概略位置，接收机就可以只复现本时刻天空中存在卫星的伪随机码进行搜索。这样可以使GPS接收机在搜索卫星时做到有的放矢，缩短捕获卫星信号的时间。,GPS卫星历书及其作用, 找到任意卫星的概略Doppler频移，辅助频域搜索 对CDMA信号的搜索过程是一个二维搜索过程，对GPS卫星信号的搜索也不例外。即不仅要对卫星进行码搜索，还要通过频域搜索确定该卫星的Doppler频移。通过历书计算出卫星的概略位置，就可以估算出卫星的概略Doppler频移，快速捕获卫星信号。 GPS接收机的启动时间是衡量接收机性能好坏的重要参数之一，而卫星信号的快速捕获，缩短接收机的启动时间也是目前GNSS业界的热点问题。,GPS卫星历书及其作用, 历书（Almanac）数据中各变量含义： ID: 卫星的PRN号，范围为131 Health: 卫星健康状况，零为信号可用，非零为信号不可用 Eccentricity: 轨道偏心率 Time of Applicability(s): 历书的基准时间 Orbital Inclination(rad): 轨道倾角 Rate of Right Ascen(r/s): 升交点赤经变化率 SQRT(A) (m 1/2): 轨道长半轴的平方根 Right Ascen at Week(rad): 升交点赤经 Argument of Perigee(rad): 近地点俯角 Mean Anom(rad): 平均近点角 Af0(s): 卫星时钟校正参数（钟差） Af1(s/s): 卫星时钟校正参数（钟速） week: GPS周数,第二节 GPS卫星信号,一、概述 GPS卫星信号是GPS向广大用户发送的用于导航定位的调制波，它包含载波、测距码和数据码。属于低频信号，其中，C/A码和P码的数码频率分别为1.023Mbit/s和10.23Mbit/s，而数据码（码）的数码频率仅为50bit/s。 GPS卫星距离地面20200公里，电能很紧张，因此很难将上述数码率很低的信号传输到地面，如何解决该问题？,GPS测量原理及应用,第四章 GPS卫星的导航电文和卫星信号,第二节 GPS卫星信号,方法：发射一种高频信号，并将低频的测距码信号和导航电文信号加载到高频信号上（调制），构成一个高频的调制波发射给地面。 GPS卫星采用L频段的两种不同频率的电磁波作为高频信号，分别称为L1载波和L2载波。 L1载波：fl1=154f0=1575.42Mhz，波长1=19.032cm L2载波：fl2=120f0=1227.6Mhz，波长2=24.42cm,GPS测量原理及应用,第四章 GPS卫星的导航电文和卫星信号,第二节 GPS卫星信号,GPS测量原理及应用,第四章 GPS卫星的导航电文和卫星信号,GPS卫星信号的产生,第二节 GPS卫星信号,其中，在L1上调制C/A码、P码及导航电文；在L2上仅调制P码与导航电文。 GPS卫星发射信号的频率，都要受卫星原子钟（原子钟是目前人类最精确的时间测量仪器，它主要是利用原子不受温度和压力影响的固定频率振荡的原理制成。 ）的基准频率的控制。GPS卫星原子钟基准频率f0=10.23Mhz，码采用基准频率，C/A码仅取基准频率的1/10，而L1载波的频率f1为基准频率f0的154倍，而L2载波的频率f2为基准频率f0的120倍， 在L1载频上由数据流和两种伪随机码分别以同相和正交方式进行调制。,GPS测量原理及应用,第四章 GPS卫星的导航电文和卫星信号,第二节 GPS卫星信号,相位跃迁： 载波是一种电磁波，有GPS原子钟的振荡器产生，其数学表达式为一正弦波。因此，当码状态取1与载波相乘时，不会改变载波的相位；而当码状态取-1与载波相乘时，载波相位改变1800。这样，当码值由0变为1，或有1变为0时，都会使调制后的载波相位改变1800，称为相位跃迁,第四章 GPS卫星的导航电文和卫星信号,GPS测量原理及应用,第二节 GPS卫星信号,二、 GPS信号的结构 GPS卫星信号的构成示意图。图中说明所有信号分量是根据同一基准频率（图中A点）产生的，其中包括载波（B点），（C点），调制在载波上的调相信号C/A码（D点），P码（F点）和数据码（G点），经卫星发射天线（H点）发射的信号分量包括：C/A码信号（J点）， L1P码信号（K点）和L2P码信号（L点）。,GPS测量原理及应用,第四章 GPS卫星的导航电文和卫星信号,GPS信号的构成,第二节 GPS卫星信号,三、伪随机码的产生及特性 1随机噪声码 码是用以表达某种信息的二进制数的组合，是一组二进制的数码序列。而这一序列又可以表达成以0和1为幅度的时间的函数，假设一组码序列u(t)，对某一时刻来说，码元是0或1完全是随机的，但其出现的概率均为1/2。这种码元幅度的取值完全无规律的码序列，通常称为随机码序列，也叫做随机噪声码序列。它是一种非周期序列，无法复制。随机码的特性是其自相关性好，而自相关性的好坏，对于提高利用GPS卫星码信号测距的精度是极其重要的。,GPS测量原理及应用,第四章 GPS卫星的导航电文和卫星信号,第二节 GPS卫星信号,2伪随机噪声码及其特性 虽然随机码具有良好的自相关特性，但由于它是一种非周期性的序列，不服从任何编码规则，所以实际上无法复制和利用。因此，为了实际的应用，GPS采用了一种伪随机噪声码(Pseudo Random NoisePRN)，简称伪随机码或伪码或噪声码。这种码序列的主要特点是，不仅具有类似随机码的良好自相关特性，而且具有某种确定的编码规则。它是周期性的，可以容易地复制。,GPS测量原理及应用,第四章 GPS卫星的导航电文和卫星信号,第二节 GPS卫星信号,伪随机码的产生： 产生伪随机序列可以有不同种方法，GPS技术采用m序列，它产生于移位寄存器（移存器），移存器是由几个串接的双态储存器（寄存器）和一个移位时钟发生器以及一个由模2加法器组成的反馈逻辑线路组成，每个双态储存器称为移存器的级，每一级只能有两种不同状态分别用O和1表示。移位时钟到来时使每一级的存数即状态向下一级移动，成为下一级的新存数。,GPS测量原理及应用,第四章 GPS卫星的导航电文和卫星信号,第二节 GPS卫星信号,模2相加 所谓模2相加就是两个二进制数相加的结果被2除，所得的余数。“模”是取余数的意思。模2加相当于作异或运算。 例：1+1=2，它被2除后，余数为0，所以1+1的模2加法，其结果应为0，记作1+1=0（mod 2）或记作11= 0 。,GPS测量原理及应用,第二节 GPS卫星信号,由于m序列的均衡性、游程分布、自相关特性和功率谱等的基本性质和随机序列很相似，因此一般把m序列称为伪随机序列。,GPS测量原理及应用,第四章 GPS卫星的导航电文和卫星信号,第二节 GPS卫星信号,伪随机序列的特性 （）均衡性：在一个周期中，与的数目基本相等，比多一个，不允许全的状态 （）游程分布：在序列中，相同的码元连在一起称为一个游程 （）移位相加特性： （）自相关函数：根据自相关函数的定义，可求出序列的自相关函数（教材P38）：,GPS测量原理及应用,第四章 GPS卫星的导航电文和卫星信号,第二节 GPS卫星信号,（5）伪噪声特性 随机噪声的功率谱具有正态分布的特性，m序列在出现频率、游程分布和自相关函数等特性上与随机噪声十分近似。故把m序列称为伪随机码或人工能复制出来的噪声码。,GPS测量原理及应用,第四章 GPS卫星的导航电文和卫星信号,第二节 GPS卫星信号,四、粗码C/A码 1、产生方式 C/A码是伪随机操声码的中一种，用于粗测距和捕获GPS卫星信号的伪随机码。它是由两个10级反馈移位寄存器构成的G码产生的。两个移位寄存器于每星期六/日子夜零时，在置“1”脉冲作用下全处于1状态，同时在码率1.023MHz驱动下，产生序列G1（t）和G2（t）。G2(t)序列经过相位选择器，输入一个与G2（t）平移等价的m序列，然后与G1(t)模2相加，便得到C/A码。,GPS测量原理及应用,第四章 GPS卫星的导航电文和卫星信号,第二节 GPS卫星信号,GPS测量原理及应用,C/A码产生原理图,第二节 GPS卫星信号,2、C/A码特点 C/A码的码长很短，易于捕获。在GPS导航和定位中，为了捕获C/A码以测定卫星信号传播的时延，通常需要对C/A码逐个进行搜索。因为C/A码总共只有1023个码元，所以若以每秒50码元的速度搜索，只需要约20.5秒便可达到目的。由于C/A码易于捕获，而且通过捕获的C/A码所提供的信息，又可以方便地捕获GPS的P码。所以通常C/A也称为捕获码。,GPS测量原理及应用,第二节 GPS卫星信号,3、C/A码精度 C/A码的码元宽度较大。假设两个序列的码元对齐误差为码元宽度的1/10-1/100，则这时相应的测距误差可达29.3-2.9m。由于其精度较低，所以C/A码也称为粗码。,GPS测量原理及应用,第二节 GPS卫星信号,五、精码P（y）码 1.P码的产生 P码由两个伪随机噪声码PN1（t）和PN2（t）的乘积构成。P码的码率为10.23MHz，PN1（t）的周期为1.5s， P码的周期约38星期，实际应用中采用7天为一周期。,GPS测量原理及应用,第四章 GPS卫星的导航电文和卫星信号,第二节 GPS卫星信号,PN1（t）由两级12位移位寄存器构成，两位移位寄存器分别采用反馈点八进制编码14501和17147形成周期为1.5s的m序列PN1（t）。一周期的码位数为： N1=10.231061.5=15.345106位 PN2（t）也由两级12位移位寄存器构成，两位移位寄存器分别采用反馈点八进制编码17673和11435形成两个m序列。码率与PN1（t）相同，但码位多37个码元。码长为：N2=15.345106+37,GPS测量原理及应用,第四章 GPS卫星的导航电文和卫星信号,第二节 GPS卫星信号,P码为： P（t）= PN1（t） PN2（t+ni ）,0 ni 36 码元数为： N=N1N2=2.351014 周期为： Tp = N / fp267天38星期,GPS测量原理及应用,第四章 GPS卫星的导航电文和卫星信号,第二节 GPS卫星信号,2、P码精度 由于P码的码元宽度为C/A码的1/10，这时若取码元的对齐精度仍为码元宽度的l/10l/100，则由此引起的相应距离误差约为293-029m，仅为C/A码的1/10。所以P码可用于较精密的导航和定位，故通常也称之为精码。 P码的误差仅为C/A码的1/10,GPS测量原理及应用,第二节 GPS卫星信号,由于P码的码长为6.191012bit，采用C/A码的搜索方式是无法实现的。所以，一般都是采用先捕获C/A码，然后根据导航电文给出的有关信息来实现捕获P码的。,GPS测量原理及应用,第四章 GPS卫星的导航电文和卫星信号,第二节 GPS卫星信号,3、P码特点 根据美国国际部规定，P码是专为军用的。目前只有极少数高档次测地型接收机才能接收P码，且价格昂贵。即使如此，美国国防部又宣布实施AS政策，即在P码上增加一个极度保密的W码，形成新的Y码，绝对禁止非特许用户应用。,GPS测量原理及应用,第三节 GPS卫星位置的计算,用GPS信号进行导航定位时，为解算用户在地固坐标系中的位置，需要联合使用接收机所测得的站星距离和卫星在同一坐标系中的坐标，后者是根据卫星电文所提供公式计算的。计算方法：以参考椭球为基准的坐标系，叫做参心坐标系；以总地球椭球为基准的坐标系叫做地心坐标系。无论参心坐标系还是地心坐标系均可分为空间直角坐标系和大地坐标系两种，它们都与地球体固连在一起，与地球同步运动因而又称为地固坐标系，以地心为原点的地固坐标系则称地心地固坐标系，主要用于描述地面点的相对位置；另一类是空间固定坐标系与地球自转无关，称为天文坐标系或天球坐标系或惯性坐标系，主要用于描述卫星和地球的运行位置和状态。,GPS测量原理及应用,第四章 GPS卫星的导航电文和卫星信号,第三节 GPS卫星位置的计算,1.卫星运行的平均角速度n 2.计算归化时间 3.观测时刻卫星平近点角 4.偏近点角 5.真近点角 6.升交距 7.摄动改正项 8.经过摄动改正的升交距角、卫星失径和轨道倾角 9.卫星在轨道平面坐标系的坐标 10.观测时刻升交点经度的计算 11.卫星在地固坐标系中的直角坐标 12.卫星在协议地球坐标系中的坐标计算,GPS测量原理及应用,第四章 GPS卫星的导航电文和卫星信号,第三节 GPS卫星位置的计算,一、卫星运行的平均角速度n 式中，为WGS-84坐标系中的地球引力常数，=3.9860051014m3/s2。 n=n0+n n为摄动改正数,GPS测量原理及应用,第四章 GPS卫星的导航电文和卫星信号,第三节 GPS卫星位置的计算,二、归化时间 将卫星钟差改正的结果t归化到GPS时系统可得： tk = t - t0e 式中， tk称做相对于参考时刻t0e的归化时间,GPS测量原理及应用,第四章 GPS卫星的导航电文和卫星信号,第三节 GPS卫星位置的计算,三、观测时刻卫星平近点角Mk Mk =M0+ntk 式中，是卫星导航电文给出的参考时刻t0e的平近点角 四、偏近点角Ek Ek = Mk+esin Ek （ Ek、Mk以弧度计） 五、真近点角VK 六、升交角距k k= VK+ 式中，为卫星电文给出的近地点角距。,GPS测量原理及应用,第四章 GPS卫星的导航电文和卫星信号,第三节 GPS卫星位置的计算,七、摄动改正项u、r、i的计算 u=CUCCOS(2k)+CUSSIN(2k) r=CRCCOS(2k)+CRSSIN(2k) i=CICCOS(2k)+CISSIN(2k) u、r、i分别为升交距角u的摄动量、卫星矢径r的摄动量和轨道倾角i的摄动量。,GPS测量原理及应用,第四章 GPS卫星的导航电文和卫星信号,第三节 GPS卫星位置的计算,八、计算经过摄动改正的升交距角uk、卫星矢径rk、和轨道倾角ik,GPS测量原理及应用,第四章 GPS卫星的导航电文和卫星信号,第三节 GPS卫星位置的计算,九、计算卫星在轨道平面上的位置 在轨道平面直角坐标系(X轴指向升交点)中，卫星的位置是: xk= rkcosuk yk= rksinuk,第三节 GPS卫星位置的计算,十、计算观测时刻的升交点经度k 观测时刻的升交点经度k为该时刻升交点赤经(春分点和升交点之间的角距)与格林尼治视恒星时GAST(春分点和格林尼治起始子午线之间的角距)之差为了根据上述预报的卫星星历参数，计算卫星在协议地球坐标系中的位置，应当知道卫星升交点在观测历元t的经度。如果取：为观测历元t的升交点赤经，GAST为观测历元t时春分点的格林尼治恒星时，则可以写出以下简单关系： k=-GAST,GPS测量原理及应用,第四章 GPS卫星的导航电文和卫星信号,第三节 GPS卫星位置的计算,又因 =oe+tk GAST= GASTw+et 由（4-13）式得： k=0+（-e)tk-etoe 0 、toe的值可从卫星电文中获取; e= 7.2921156710-5rad/s，为地球自转的速率,GPS测量原理及应用,第四章 GPS卫星的导航电文和卫星信号,第三节 GPS卫星位置的计算,十一、计算卫星在地心坐标系中空间直角坐标 把卫星在轨道平面直角坐标系中的坐标进行旋转变换，可得出卫星在地固坐标系中的三维坐标：,GPS测量原理及应用,第四章 GPS卫星的导航电文和卫星信号,第三节 GPS卫星位置的计算,十二、卫星在协议地球坐标系中的坐标计算 考虑极移的影响，卫星在协议地球坐标系中的坐标为:,GPS测量原理及应用,第四章 GPS卫星的导航电文和卫星信号,第三节 GPS卫星星历,卫星在其轨道平面内的位置计算,计算真近点角Vk,计算卫星运行的平均角速度n,计算归化时间tk,计算升交距角u0,计算经过摄动改正的升交距角、卫星的地心距离及轨道倾角,计算卫星的轨道平面直角坐标,计算,GPS测量原理及应用,第三节 GPS卫星星历,卫星在地心空间直角坐标系中的位置计算,计算观测时刻的升交点经度K,计算卫星在地心空间直角坐 标系中的坐标,计算,GPS测量原理及应用,第四章 GPS卫星的导航电文和卫星信号,第四节 GPS接收机,一、GPS接收机的分类 1.按接收机的用途分类可分为： (1) 导航型接收机 此类型接收机主要用于运动载体的导航，它可以实时给出载体的位置和速度。单点实时定位精度较低，一般为25m，有SA影响时为100m。根据应用领域的不同，此类接收机可以进一步分为：,GPS测量原理及应用,第四章 GPS卫星的导航电文和卫星信号,第四节 GPS接收机,车载型用于车辆导航定位； 航海型用于船舶导航定位； 航空型用于飞机导航定位。由于飞机运行速度快，因此，在航空用的接收机要求能适应高速运动。 星载型用于卫星的导航定位。由于卫星的运动速度高达7公里/s以上，因此对接收机的要求更高。,GPS测量原理及应用,第四章 GPS卫星的导航电文和卫星信号,第四节 GPS接收机,(2) 测地型接收机 测地型接收机主要用于精密大地测量和精密工程测量。这类仪器主要采用载波相位观测值进行相对定位，定位精度高。仪器结构复杂，价格较贵。 (3) 授时型接收机 这类接收机主要利用GPS卫星提供的高精度时间标准进行授时，常用于天文台及无线电通讯中时间同步。,GPS测量原理及应用,第四章 GPS卫星的导航电文和卫星信号,第四节 GPS接收机,2.按接收机的载波频率分类 (1) 单频接收机 单频接收机只能接收L1载波信号，测定载波相位观测值进行定位。由于不能有效消除电离层延迟影响，单频接收机只适用于短基线（15km）的精密定位。 (2) 双频接收机 双频接收机可以同时接收，载波信号。利用双频对电离层延迟的不一样，可以消除电离层对电磁波信号延迟的影响，因此双频接收机可用于长达几千公里的精密定位。,GPS测量原理及应用,第四章 GPS卫星的导航电文和卫星信号,第四节 GPS接收机,3.按接收机通道数分类 GPS接收机能同时接收多颗GPS卫星的信号，为了分离接收到的不同卫星的信号，以实现对卫星信号的跟踪、处理和量测，具有这样功能的器件称为天线信号通道。根据接收机所具有的通道种类可分为： (1) 多通道接收机 (2) 序贯通道接收机 (3) 多路多用通道接收机,GPS测量原理及应用,第四章 GPS卫星的导航电文和卫星信号,第四节 GPS接收机,4.按接收机工作原理分类 (1) 码相关型接收机 码相关型接收机是利用码相关技术得到伪距观测值。 (2) 平方型接收机 平方型接收机是利用载波信号的平方技术去掉调制信号，来恢复完整的载波信号，通过相位计测定接收机内产生的载波信号与接收到的载波信号之间的相位差，测定伪距观测值。,GPS测量原理及应用,第四章 GPS卫星的导航电文和卫星信号,第四节 GPS接收机,(3) 混合型接收机 这种仪器是综合上述两种接收机的优点，既可以得到码相位伪距，也可以得到载波相位观测值。 (4) 干涉型接收机 这种接收机是将GPS卫星作为射电源，采用干涉测量方法，测定两个测站间距离。,GPS测量原理及应用,第四章 GPS卫星的导航电文和卫星信号,车载型GPS接收机,航海型型GPS接收机,航海型型GPS接收机,手持型GPS接收机,航空型GPS接收机,测量型GPS接收机,授时型GPS接收机,单频GPS接收机,第四节 GPS接收机,二、 GPS接收机的组成及工作原理 GPS接收机主要以下三部分组成: 1.GPS接收机天线单元 2.GPS接收机主机单元 3.电源,GPS测量原理及应用,第四章 GPS卫星的导航电文和卫星信号,第四节 GPS接收机,1.GPS接收机天线 由接收机天线和放大器两部分组成。其作用是将电磁波转化为电流，通过放大器将GPS信号电流予以放大。为便于接收机对信号进行跟踪、处理和量测，对天线部分有以下要求： （1）天线与前置放大器密封一体，减少信号损失； （2）能够接收到各个方向的信号； （3）有防护与屏蔽多路径效应的措施； （4）天线的相位中心保持高度的稳定，并与其几何中心尽量一直。,GPS测量原理及应用,第四章 GPS卫星的导航电文和卫星信号,第四节 GPS接收机,GPS接收机天线有下列几种类型： (1)单板天线 这种天线结构简单、体积较小，需要安装在一块基板上，属单频天线。 (2)四螺旋形天线 四螺旋形天线是由四条金属管线绕制而成，底部有一块金属掏板。这种天线频带宽，全圆极化性能好，常用作导航型接收机天线。,GPS测量原理及应用,第四章 GPS卫星的导航电文和卫星信号,第四章 GPS卫星的导航电文和卫星信号,GPS测量原理及应用,第四章 GPS卫星的导航电文和卫星信号,单板天线,四 螺 旋 形 天 线,第四节 GPS接收机,(3)微带天线 见图4-9。这种天线也称为贴片天线。微带天线的特点是高度低，重量轻，结构简单并且坚固，易于制造；既可用于单频机，又可用于双频机。缺点是增益较低。目前大部分测地型天线都是微带天线。这种天线更适用于飞机、火箭等高速飞行物上。,GPS测量原理及应用,第四章 GPS卫星的导航电文和卫星信号,第四节 GPS接收机,GPS测量原理及应用,第四章 GPS卫星的导航电文和卫星信号,第四节 GPS接收机,(4)锥形天线 这种天线可以同进出在两个频率上工作。锥形天线的特点是增益好。但是由于其天线较高，并且在水平方向上不对称，天线相位中心与几何中心不完全一致。因此，在安置天线时要仔细定向并且要给于补偿。,GPS测量原理及应用,第四章 GPS卫星的导航电文和卫星信号,第四节 GPS接收机,2.接收机主机 (1)变频器及中频接收放大器 经过GPS前置放大器的信号仍然很微弱，为了得到稳定的高增益，并且使L频段的射频信号变成低频信号，必须采用变频器。 (2)信号通道 信号通道是接收机的核心部分，GPS信号通道是硬软件结合的电路。,GPS测量原理及应用,第四章 GPS卫星的导航电文和卫星信号,第四节 GPS接收机,信号通道的作用： （1）搜索卫星，牵引并跟踪卫星； （2）对广播电文数据信号进行解调； （3）进行测量。,GPS测量原理及应用,第四章 GPS卫星的导航电文和卫星信号,第四节 GPS接收机,(3)存贮单元 接收机内设有存贮器或存贮卡以存贮卫星星历、卫星历书、接收机采集到的码相位伪距观测值、载波相位观测值及多普勒频移。在存贮器内还装有多种工作软件，如：自测试软件；卫星预报软件；导航电文解码软件；GPS单点定位软件等。,GPS测量原理及应用,第四章 GPS卫星的导航电文和卫星信号,第四节 GPS接收机,(4)微处理器（计算单元） 微处理器是GPS接收机工作的灵魂，GPS接收机工作都是在微机指令统一协同下进行的。其主要工作步骤为： 接收机开机后首先对整个接收机工作进行自检，并测定、校正、存贮各通道的时延值。 接收机对卫星进行搜索捕捉卫星。当捕捉到卫星后即对信号进行牵引和跟踪，并将基准信号译码得到GPS卫星星历。 根据机内存贮的卫星历书和测站近似位置，计算所有在轨卫星卫星升降时间、方位和高度角。,GPS测量原理及应用,第四章 GPS卫星的导航电文和卫星信号,第四节 GPS接收机,根据预先设置的航路点坐标和单点定位测站位置计算导航的参数； 接收用户输入信号，如：测站名，测站号，天线高，气象参数等。 (5)显示器 GPS接收机都有液晶显示屏以提供GPS接收机工作信息。并配有一个控制键盘。用户可通过键盘控制接收机工作。,GPS测量原理及应用,第四章 GPS卫星的导航电文和卫星信号,第四节 GPS接收机,3. GPS接收机电源 GPS接收机电源有两种，一种为内电源，一般采用锂电池，主要用于RAM存贮器供电，以防止数据丢失。另一种为外接电源，这种电源常用可充电的12V直流镉镍电池组，或采用汽车电瓶。当用交流电时，要经过稳压电源或专用电流交换器。,GPS测量原理及应用,第四章 GPS卫星的导航电文和卫星信号,第四节 GPS接收机,天线 前置放大器,GPS信号接收机,GPS测量原理及应用,第四章 GPS卫星的导航电文和卫星信号,第四节 GPS接收机,接收机的主要任务是：当GPS卫星在用户视界升起时，能够跟踪这些卫星的运行；对所接收到的GPS信号，具有变换、放大和处理的功能，以便测量出GPS信号从卫星到接收天线的传播时间；解译出GPS卫星所发送的导航电文，实时地计算出测站的三维位置，甚至三维速度和时间。GPS信号接收机不仅需要功能较强的机内软件，而且需要一个多功能的GPS数据测后处理软件包。接收机加处理软件包，才是完整的GPS信号用户设备。,GPS测量原理及应用,第四章 GPS卫星的导航电文和卫星信号,第四节 GPS接收机,其中，天线单元的主要功能是将GPS卫星信号非常微弱的电磁波转化为电流，并对这种信号电流进行放大和变频处理。接收机单元的主要功能是对经过放大和变频处理的信号电源进行跟踪、处理和测量。,GPS测量原理及应用,第四章 GPS卫星的导航电文和卫星信号,第四节 GPS接收机,GPS接收机能获取的具体数据： 1.坐标 描述你的位置的一组数值，一般有纬度（北或南）和经度（东或西）。UTM坐标系以米为单位测量你离赤道（北或南）和本初子午线（东或西）的距离。另外一个坐标系MGPS （Military Grid Reference By Stem）也基于UTM，但是把UTM坐标分隔得更细了， 它只用在军用的GPS接收器上。,GPS测量原理及应用,第四章 GPS卫星的导航电文和卫星信号,第四节 GPS接收机,2. 2维和3维坐标 你的平面位置，例如经度和纬度，称做2维坐标，至少需要3颗GPS卫星的数据来定位 2维坐标。如果因为树木、山峰或建筑物挡住了卫星，你可能只能得到2维坐标。纬度、经度和高度称为3维坐标，确定它需要至少4颗卫星。几乎所有GPS接收器都以提供3维坐标做为标准。,GPS测量原理及应用,第四章 GPS卫星的导航电文和卫星信号,第四节 GPS接收机,3.路旁标记和航路点 你可以把一个位置存储为一个路旁标记（landmark）或航路点（waypoint）。它可以是你途中定位的一个位置，也可能是你输入的一个坐标或其他位置，例如目的地。GPS设备会给它一个名称，例如LMKOZ，你也可以用一个容易记住的名称重新命名。,GPS测量原理及应用,第四章 GPS卫星的导航电文和卫星信号,第四节 GPS接收机,4.位置 当你的接收器根据GPS卫星的信息标出了你的坐标后，它会确定你的位置。许多GPS设备允许你选择标记或存储你的现在位置做为路旁标记或航路点。一些甚至允许你为位置命名或添加一个图标。,GPS测量原理及应用,第四章 GPS卫星的导航电文和卫星信号,第四节 GPS接收机,5.路线 路线包括开始位置和目的地，同时也有途径的地点。一条路线上的两点之间称为航段。一条路线可由一个或若干个航段组成。如果你徒步旅行，你可以输入一条路线，其中包括方向、计划休息的地点或宿营地，还有你的目的地。有一些GPS设备允许你反向跟踪路线或设置逆向路线。,GPS测量原理及应用,第四章 GPS卫星的导航电文和卫星信号,第四节 GPS接收机,路线主要有两种用途： 1）如果你去探险或旅行，你可以从高速路地图或一些地图软件中获取地点的坐标。这在以后的旅行中很有用。一些 GPS接收器允许在计算机上设计你的旅线，然后把它载入你的GPS接收器； 2）如果你拿着GPS接收器旅行时记录下你走过的地点，回家后可以复制或者下载你的路线并且找出最有价值的景点的位置，或者最适合钓鱼的地点，或者你看见一只珍稀小鸟的地点，或者你在恶劣天气藏身的岩洞位置。如果有队员受伤了，救援队就可以根据确切的坐标找到伤员所在的地方。搜索救援人员可以下载完整的路线来知道探险队所 在的位置。,GPS测量原理及应用,第四章 GPS卫星的导航电文和卫星信号,第四节 GPS接收机,6.高度 如果有足够的GPS卫星可见，一些GPS设备可提供高度信息（海拔）。由于GPS系统本身的特点，高度不如平面坐标那么精确。 7.航向 这是反映