（电气工程专业论文）gjs系列单频gps接收机产品升级方案的设计与实现.pdf

西安爱工大学工程硕士学位论文 t i t l e ：d e s i g n i n ga n da c h i e v i n go fu p g r a d e dp r o j e c ta b o u tg j s s e r i e sm o n o c h r o m a t i cg p sr e c e i v e rp r o d u c t s m a j o r = e l e c t r i c a le n g i n e e r i n g n a m e ：y i b a o s u p e r v i s o r = p r o f q i a n gs u n a s s o c i a t ep r o f m i n s h u a n gh u a n g a b s t r a c t s i g n a t u r e ：泣坠 s l g n a t u 怕0 鎏= ：之z j ， s i g n a t u 怕型业弓妙 i nt h i st h e s i sg l o b a lp o s i t i o ns y s t e m ( g p s ) i sd e p i c t e dg e n e r a l l yf i r s t , a n da n a l y z et h e m e t h o do f p o s i t i o n , t a s km o d ep o s 坩，a n dc l a s s i f i c a t i o no f g p sr e c e i v e r 1 1 1 ek e yp b l e mo fg p s 他c e i v e ri sh o wt ot r e a tw i t ht h es i g n a lo fs a t e l l i t e o a r f i l l 。 w a v ep h a s em e a s t l r ei se x p a t i a t e dp a r t i c u l a r l yi nt h i sp i l p e r a n dp a r t i c u l a r l ys t u d yo ns 恤如 m e a s l k e o nh a r d w a r e , t h ed e s i r em a i n l ya d o p ts e tp a r t sp r o v i d e db yz a r l i n kc o m p a n ya n d i n d e p e n d e n td e v e l o pr e c e i v e rh o a r d ，a n da c c o m p l i s hh a r d w a r ed 鼹i g nt h r o u g hl o t so f p a r t so f a p p a r a t u sa n dr i 9 0 】r o 懈e n v i r o n m e n t a lt e s t 1 1 嵋c o r et h eg p sr e c e i v c l s o f t w a r ei sd i f f e r e n t i a lo o b a lp o s i t i o ns y s t e m ( d o p s ) w h i c hi s t h eu s eo fd i f f e r e n t i a lc o r r e c t i o nd a t af o rt h es a t e l l i t e si nv i e w , t oe l i m i n a t ec o o r d i n a t ee t r o ro f t h eg p sr e c e i tc a ni m p r o v eg p sw a i ep r e c i s i o n t h i sp a p e re x p a t i a t eg p sr e c e i v e r s o f t w a r ed e s i g nt h r o , s ht h r e ea s p e c t w h i c hi n c l u d eg p sb a s e l i n ep a r s i n ga n dc a l c u l a t i n g , b a s e l i n ev e c t o rn e ta v e r a g ed i f f e r e n c e g p sv e r t i c a l , a n db a s i c a l l yc o m p l e t ep a r m 耻c t e rs e t t i n g a n dd i f f e r e n t i a lc 甜c l l l a 士i n g t h r o u g ht h ed e s i g no fs e l l w a r ea n dh a r d w a r ea n dp a r tu p g r a d e d , n o wt h en e wp r o d u c t s h a v e b e e nf i n i s h e da n dh a v eb e e ns e l l i nt h i sp a p e r , id e p i c tt h et h e o r yo fg p si no n ec h a p t e r i nt w oc h a p t e r , id e s c r i b et h e c a r r i e rw a v ep h a s e i nt h r e ec h a p t e r ie x p a t i a t et h ep r o c e s so fh a r d w a r ed e s i g n i n ga n d d e b u g g i n gp r o g r a m i nf o u r , f i v ea n ds i xc h a p t e r , ia n a l y z et h ep r e c i s i o no f t h eg p ss o f t w a r e d e s i g na n da r i t h m e t i c k e y w o r d s ：g p s ，r e c e i v e r , c a l 矗e t - w a v ep h a s e ，d i f f e r e n t i a la r i t h m e t i c , b a s e l i n ep a r s i n ga n d c a l c u l a t i n g 独创性声明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：本人所呈交的学位论文是我个 人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人的研究成果。与我一同工作的同志对本文所论述的工作和成 果的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并已致谢。 本论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任 论文作者签名：逸盘曼堋年，口月矽日 学位论文使用授权声明 本人! 壶i ! 蔓在导师的指导下创作完成毕业论文。本人已通过论文的答辩，并 已经在西安理工大学申请博士硕士学位。本人作为学位论文著作权拥有者，同意授权 西安理工大学拥有学位论文的部分使用权，即：1 ) 已获学位的研究生按学校规定提交 印刷版和电子版学位论文，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生上交的 学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索；2 ) 为教学和 科研目的，学校可以将公开的学位论文或解密后的学位沦文作为资料在图书馆、资料室 等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。 本人学位论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权西安理工大学研究生部办 理。 ( 保密的学位论文在解密后，适用本授权说明) 论文作者签啦导师签名鸸年，。月加日 1g p $ 概述 1g p s 概述 1 1 全球定位系统g p s g p s ( n a v i g a t i o ns a t e l l i t et i m i n ga n dr a n g i n g g l o b a lp o s i t i o ns y s t e m ) ，授 时与测距导航系统全球定位系统，简称g p s 全球定位系统，是随着现代科学技术的迅速发 展丽建立起来的新一代卫星导航和精密定位系统。g p s 全球定位系统是由美国国防部于 1 9 7 3 年开始组织三军共同研制，并于1 9 9 3 年基本完成。该系统由空问星座、地面控制和用 户接收机三部分组成“。 ， 1 1 1 全球定位系统组成 a 空间星座部分 g p s 空间星座部分由2 4 颗工作卫星和3 颗备用卫星组成。工作卫星分布在6 个轨道 面内。每个轨道面内分布有3 4 颗卫星，卫星轨道相对于地球赤道面的倾角为5 5 0 ，轨 道平均高度为2 0 2 0 0 公里卫星运行周期为i l 小时5 8 分钟因此，在同一测站每天出现 的卫星布局大致相同，只是每天提前4 分钟。每颗卫星每天约有5 个小时在地平线以上， 同时位于地平线以上的卫星数目随时间和地点而异，最少4 颗，最多1 1 颗。这样布局可 以保证地球上任何时脚、任何地点至少可以同时观测到四颗以上的卫星。加之卫星信号的 传播和接收不受天气的影响，因此g p s 是一个全球性、全天候的连续实时的导航和定位系 统”。全球定位系统建成后，其工作卫星在空间的分布如图1 - 1 所示。 g p s 卫星上安装有轻便的原子钟、微处理器、电文存储和信号发射设备，由太阳能电 l 西安理工大学工程硕士学位论文 池提供电源，卫星上备有少量燃料，用来调节卫星轨道和姿态，并可在地面监控站的指令 下，启动备用卫星“1 b 地面监控系统 g p s 地面监控系统由分布在全球的五个地面站组成其中1 个主控站，3 个注入站。 五个监控站均为数据自动采集中心，配有双频g p s 接收机、高精度原子钟、环境数据传感 器和计算设备，并为主控站提供各种观测数据。主控站( 位于美国科罗拉多) 为系统管理 和数据处理中心，其主要内容是利用本站和其它监控站的观测数据推算各卫星的星历、卫 星钟差和大气延迟修正参数，提供全球定位系统的时间基准，并将这些参数传入注入站， 调整偏离轨道的卫星至预定轨道。启用备用卫星代替失效卫星等嗍。注入站将主控站推算 和编制的卫星星历、卫星钟差、导航电文和其它控制指令等注入相应卫星的存储系统。并 监测注入信息的正确性。除了主控站外，整个g p s 地面监控系统无人值守，各项工作高度 自动化和标准化。 c 用户设备部分 用户设备包括g p s 接收机主机、天线、电源和数据处理软件所组成。主机的核心为微 电脑、石英振荡器，还有相应的输入、输出接口和设备。在专用软件控制下，主机进行作 业卫星选择、数据采集、处理和存储，对整个设备的系统状态进行检查、报警和部分非致 命故障的排除，承担整个接收系统的自动管理。天线通常采用全方位型的，以便采集来自 各个方位的，任意非负高度角的卫星信号嘲。由于卫星信号微弱，在天线基座中有一个前 置放大器，将信号放大后，再用同轴电缆输入主机。电源部分为主机和天线供电，可使用 经过整流、稳压后的市电，也可以使用蓄电浊。 1 2g p s 全球定位系统信号的基本结构 g p s 卫星信号是g p s 用户向广大用户发送的用于导航定位的调制波，它包括有载波、 测距码和数据码。时钟基本频率为1 0 2 3 k l h z g p s 卫星发射的是一对相干波l 1 和l 2 ，波长和频率分别为 f l ，= 1 5 7 5 4 2 m h z ，九l 。= 1 9 e r a f l ，= 1 2 2 7 6 0 m h z ，九k 22 4 c m 选择这两个l 波段的载频，目的在于测量或者消除由于电离层效应而引起的延迟误 差 在无线通信技术中，为了有效地传播信息，都是将频率较低的信号加载在频率较高的 载波上，此过程称为调制然后载波携带着游泳信号传送出去，到达用户接收机 l l 和l 2 作为载波载有两种调制信号，一类为导航信号，另一类为电文信号。导航信 号又分为码率为t 0 2 3 渤s ，频率为 c a = 2 9 3 m 的粗码( c a 码) 和码率为1 0 ，2 3 m b s ， 频率为1p = 2 9 3 m 的精码( p 码) 。租码( c a 码) 信号编码每 m s 重复一次，可以快速捕 捉信号，按设计用于粗略定位：精码( p 码) 码信号编码每七天重复一次，且各颗卫星不 2 1g p $ 概速 同，结构十分复杂，不易捕捉，但可以用于精确定位电文信号同时以5 0 b i t s 的速率调 制在载波l ) 和l 2 上，内容包括卫星星历表、各项改正数和卫星工作状态慨订。通过电文信 号，接收机可以选择图形最佳的组信号进行观测，以利于定位数据处理。 1 。3g p s 定位方法 1 3 1g p s 定位方法分类 a 按g p s 定位方式可分为静态定位和动态定位 ( 1 ) 静态定位 如果待定点相对于周围的固定点没有可以察觉的运动，或者运动十分缓慢以至于需要 几个月或几年才能反映出来，即认为待定点相对于地球坐标系中是固定不动的，这种待定 点的坐标确定方法称为静态定位。在静态定位的数学模型中，待定点的位置是作常数来处 理的。出于g p s 的“快速解算整周期未知数”技术的出现，静态作业的时间己缩短至几分 钟，因此，除了原先的大地测量及地球动力监测方面的应用外，快速的静态定位已广泛地 应用到普通测量和工程测量中。 ( 2 ) 动念定位 车、船、飞机和航天器运动中，人们往往需要知道它们的实时位置。在这些运动载体 上安装g p s 接收机，实时测得g p s 接收信号天线所在的位置，称为g p s 动态定位。如果不 仅测碍运动载体的实对位置，还测定其运动速度、时间和方位等状态参数，从而引导该物 体向预定方位运动，称为导航。g p s 导航实质上也是动态定位。 b 根据确定g p s 接收机在地球坐标系位置的不同，可分为单机的绝对定位和多机的相对 定位。 ( 1 ) 绝对定位 图1 - 2 绝对定位和相对定位 绝对定位是确定独立待定点在地球坐标系中的位置。由于单点绝对定位受接收卫星信 西安理工大学工程顾士擘位论文 号时误差的影响，精度较低主要用于低精度的动态定位，如船舶、飞机的导航，地质矿 产资源的调查研究。海洋捕捞等及确定相对定位时的初始值。 ( 2 ) 相对定位 相对定位是确定同步跟踪相同g p s 信号的若干台接收机之间的相对位置的一种方 法。由于采用同步观测，各同步站获得信号的许多误差是相同的或大致相同的( 如卫星时 钟误差、星历误差、信号的大气传播误差等) ，可以消除或减弱这些误差，获得很高的相 对位景。相对定位中，信号观测与数据处理比绝对定位复杂，相对定位获得的是各同步站 间的基线向量( 三维坐标差) ，因而至少需要一个观测点为已知点才能求出其余各点的坐 标。静念定位和动态定位都可采用相对定位，例如地球变形测量、无地面控制航空摄影测 量等“。绝对定位与相对定位比较如图1 - 2 所示。 在动态定位中，常采用“差分”的方法，将一台g p s 接收机置于已知坐标的基准点上， 其余接收机安置在运动载体上，所有的接收机同步观测，根据已知控制点的定位结果，将 位置改j 下数实时传给流动站，以提高定位精度。这是一种基于单点定位和相对定位的定位 模式。 c 6 p $ 卫星定位，根据处理信号的不同，又可以分为伪距法和载波相位法。 ( 1 ) 伪距法 其定位原理简单。定位时，接收机本机振荡产生与卫星发射信号相同的一组测距码( p 码或c a 码) ，通过延迟器与接收机收到的信号进行比较，当两组信号彼此完全重合( 相 关) 时，测出本机信号延迟量即为卫星信号的传输时间，加上一系列的改正后乘以光速， 撂出卫星与天线相位中心的斜距。如果同时观测了四颗( 或以上) 卫星。即可以按距离交 会法算出测站的位置和时钟误差四个未知数。由于测距码的波长 p = 2 9 3 m ， c a = 2 9 3 m 。 以百分之一的码元长度估算测距分辩率，只能分别达到0 3 米( p 码) 和3 米( c a 码) 的测距精度。因此。伪距法的精度是比较低的 ( 2 ) 载波相位法 。 是把载波作为量钡4 信号，对载波迸行量测，确定卫星信号和接收机参考信号的相位差， 推算出相位观测值。然后采用和伪距法原理相同，求出测站的位置和时钟误差等。载波的 波长九21 9 厘米，t 2 2 4 厘米，比码元波长要短得多，以百分之一的码元长度估算测距 分辩率。分别达到i 9 厘米( p 码) 和2 4 l 厘米( c a 码) 的测距精度。在大地测量和精 密空中三角测量中，为保证高精度，往往采用载波相位相对定位方法，以消除系统误差。 载波相位法测量完整的相位观测值叩由几个部分组成： 审= 审s 一爷 = n o + 爷= n a + i n t ( 耷) + f 丘( 审) f l l 、 式中：q s 为卫星首次观测s 处的相位，甲t 为接收机观测r 处的位置相位：币为实际 相位观测值；一。为整周期数，也称整周期未知数；m t 【 为t 时刻实际观测值的整数部 分，对于首次观测1 0 对值为零。其余各次观测中由t o 时刻开始，通过计数器连续计数压累 计，称为整周期计数；r r t q _ ) 为实际观测值中的不足整数部分，以很高的精度测定。 对于载波相位测量来说，其不足整数部分f x ( 十) 的精度是极高的，但必须正确无误地 4 1g p s 概述 确定整周期未知数n o 和整周期计数1 m 【 时才有实际意义。连续跟踪的所有载波相位测 量值中都包含相同的整周期未知数一o 。确定整周期未知数no 的方法有伪距法、“g oa n d s t o p ”法、两次设站法、快速解求整周期未知数f a r a 法和将no 作为整体平差中的待定参 数等多种方法。许多型号的g p s 接收机采用f a r a 法确定n o ，它可以观测1 分钟便能确 定整周期未知数no ，这在工程测量中获得了极好的应用。对于摄影测量中确定外方位元 素时，通常将整周期未知数一。作为待定参数纳入平差的数学模型中。 i n t 【巾) 是记录o 时刻除no 以外的整周期数，它是由g p s 接收机中的记数器逐个累 计而得到的。如果在o 期间的累计工作发生中断，如卫星信号被障碍物暂时阻断、g p s 接收机线路故障和外界条件影响等等，那么恢复后的l m 【会出观错误，但是 t t ”仍然 是萨确的，这就称为整周跳变。我们需要探测何时发生了整周跳变。并将其恢复到正确计 数，使这一部分观测数据仍然可用，这就称为整周跳变探测与修复。处理含有整周跳变的 观测数据，必须将跳变前后的数据分为两组，各设一个整周期未知数分别处理。由于相位 观测值的高次差会因为周跳而产生异常，对于大的跳变可用相位观预值的高次差( 如四次 差) 或多项式进行拟合。对于小的周跳可以采用平差后的残差和卫星闻求差来修复。 1 4g p s 定位作业方式 g p s 定位主要包括g p s 实时( 导航) 定位、事后处理的动态定位和用于测量的静态 ( 或准动态) 相对定位等几种。 1 4 1g p s 动态定位 g p s 实时( 导航) 定位是要求观测和处理数据在定位的瞬间完成，其主要目的是导航。 如的所述，绝对定位( 单点定位) 受到美国政府实施的“s a ”( 选择可用性) 和“a s ”( 反 电子欺骗) 技术的影响，采用民用标准定位服务的g p s 定位水平位置精度为1 0 0 米左右。 因而多数用户采用差分g p s 系统( c d g p s 和1 _ a d g p s ) 来提高定位精度。伪距法c d g p s 的主 站和用户站的作用距离在1 0 0 公里以内，精度为5 l o 米。载波相位法c d g p s ( 也称r t k ) 的主站和用户站的作用距离在3 0 公里以内，精度为厘米级。而w a d g p s 则是大范围内建立 多个已知坐标的主站和副站，主站通过数据链从副站接收各类误差源，计算三项改正后通 讯传给用户站，伪距法w a d g p s 的定位精度约为l 3 米，优于c d g p s 。并且主站与副站的 距离可达1 0 0 0 公里以上。 1 4 2 事后处理的动态定位 这是一种载波相位的动态定位技术。通常一台接收机安置在地面已知点上，两另一台 西安理工大学工程硕士擘位论文 ( 或多台) 接收机置于高速运动的物体上，各站同步观测，事后根据两者间的载波相位差 确定运动物体相对于已知点的位置。其特点是主站与用户站之间无须进行实时数据的传 输两者白j 的距离也少受限制。但是在高速运动的物体上如何确定整周未知数no 及整周 跳变的问题是其技术难点。近年来出现的g p s 动态初始化技术0 t f ( o nt h ef l y ) 大大提 高了事后处理的动态定位的实用性。它的定位精度可达厘米级。主要适用与低轨道卫星的 厘米缴的精密星载g p s 定位，航空摄影测量、航空重力测量、磁力测童中的确定测量瞬 问的空中三维坐标的厘米级的机载g p s 定位技术 1 4 3 用于地面测量的静态( 或准动态) 相对定位 这是一种载波相位的相对定位技术。一般有三种定位模式： ( 1 ) 静态相对定位 利用两套( 及以上) 的g p s 接收机，分剐安置在每条基线的端点上同步观测四颗以 上的卫星0 5 l 小时，基线的长度在2 0 公里以内。各基线构成网状的封闭图形，事后经 过整体平差处理，其精度可达5 m m + l p p m d 。适用于精度要求较高的国家级大地控制测 量，地球形变监测等等。 ( 2 ) 快速静态相对定位 在测区中部选一个基准站，用g p s 接收机连续跟踪所有可见卫星，另一台接收机依次 到各流动站对5 颗以上的卫星同步观测1 2 分钟，各流动站到基准站的基线的长度在1 5 公罩以内，构成以基准站为中心的放射图形。事后处理后其精度可达5 m m + l p p m d ，但 是可靠性较差。1 。适用于小范围的控制测量、工程测量和地籍测量等等。 ( 3 ) 准动念相对定位 在测区内选一个基准站，用g p s 接牧祝连续跟踪所有可见卫星，另一台接收杌首先在 起始站点对5 颗以上的卫星同步观测l 2 分钟，然后保持对所有卫星的连续跟踪的情况 下，流动到各观测站观测数秒钟，各流动站到基准站的基线长度在1 5 公里以内。其特点 是各流动站必须保持相位锁定。万一出现失锁现象，必须在失锁后站点延长观测时间l 2 分钟，以重新确定整周期未知数no 和整周期计数1 m 【 。准动态相对定位基线中误差可 达l 2 厘米，适合于工程测量、线路测量和地形测量等等。 1 5g p $ 接收机及其分类 1 5 1g p s 接收机原理结构 g p s 接收机的任务是：能够捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星的信号， 并跟踪这些卫星的运行，对所接收到的g p s 信号进行变换、放大和处理，以便测量出g p s 6 1g p s 概速 一 l 信号从卫星到接收机天线的传播时间，解译出g p s 卫星所发送的导航电文，实时地计算出 测站的三维位置，位置，甚至三维速度和时间1 静态定位中，g p s 接收机在捕获和跟踪g p s 卫星的过程中固定不变，接收机高精度地 测量g p s 信号的传播时间，利用g p s 卫星在轨的已知位置，解算出接收机天线所在位置的 三维坐标。而动态定位则是用g p s 接收机测定一个运动物体的运行轨迹g p s 信号接收机 所位于的运动物体叫做载体( 如航行中的船舰，空中的飞机，行走的车辆等) 。载体上的 g p s 接收机天线在跟踪g p s 卫星的过程中相对地球而运动，接收机用g p s 信号实时地测得 运动载体的状态参数( 瞬间三维位置和三维速度) 。 接收机硬件和机内软件以及g p s 数据的后处理软件包，构成完整的g p s 用户设备。g p s 接收机的结构分为天线单元和接收单元两大部分。对于测地型接收机来说，两个单元般 分成两个独立的部件，观测时将天线单元安置在测站上，接收单元置于测站附近的适当地 方，用电缆线将两者连接成一个整机。也有的将天线单元和接收单元制作成一个整体，观 测时将其安簧在测站点上。 g p s 接收机一般用蓄电池做电源。同时采用机内机外两种直流电源。设置机内电池的 目的在于更换外电池时不中断连续观测。在用机外电池的过程中，机内电池自动充电。关 机后，枧内电浊为r a m 存储嚣供电，以防止丢失数据。 近几年，国内引进了许多种类型的g p s 测地型接收机。各种类型的g p s 测地型接收机 用于精密相对定位时，其双频接收机精度可达5 m m + i p p m d ，单频接收机在一定距离内精 度可达1 0 m m + 2 p p i t d ，用于差分定位其精度可达亚米级至厘米级。 目前，各种类型的g p s 接收机体积越来越小，重量越来越轻，便于野外观测。g p s 和 g l o n a s s 兼容的全球导航定位系统接收机已经问世。 1 s 2g p s 接收规的分类 g p s 卫星发送的导航定位信号，是一种可供无数用户共享的信息资源。对于陆地、海 洋和空问的广大用户，只要用户拥有能够接收、跟踪、变换和测量g p s 信号的接收设备， 即g p s 信号接收机。可以在任何时候用g p s 信号进行导航定位测量。根据使用目的的不同， 用户要求的g p s 信号接收机也各有差异。目前世界上已有几十家工厂生产g p s 接收机，产 品也有几百种。这些产品可以按照原理、用途、功能等来分类。 a 按接收类机的用途分 ( 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。这类接 收机一般采用c a 码伪距测量。单点实时定位精度较低，般为2 5 m ，有s a 影响时为 4 - l o o m m 这类接收机价格便宜。应用广泛。根据应用领域的不同，此类接收机还可以迸 一步分为： 7 西安理工大学工程硕士学位论文 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，在航空上用的接收机要 求能适应高速运动。 星载型用于卫星的导航定位。由于卫星的速度高达7 k m s 以上。因此对接收机的 要求更高。 ( 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 一 这类接收机主要利用g p s 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。 b 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l 1 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( 1 5 k m ) 的精密定位 ( 2 ) 双频接收 双频接收机可以同时接收l l ，l 2 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的延迟的影响，因此双频接收机可用于长达几千公里的精密定 位。 c 按接收机通道数分类 g p s 接收机能同时接收多颗g p s 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： 多通道接收机 序贯通道接收机 多路多用通道接收机 d 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。 ( 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 0 16 p s 概述 位观测值。 ( 4 ) 干涉型接收机 这种接收机是将g p s 卫星作为射电源，采用干涉测量方法，测定两个测站间距离 1 6 背景及意义 全球卫星定位系统( g l o b lp 0 s i t l 0 n i n gs y s t 阴) 简称6 p s ，它是美国国防部于1 9 7 3 年批准建立的新一代卫星导航系统一导航卫星定时测距全球定位系统，它能实时、准 确地测定出三维位置、速度和一维时间信息，并提供在时间上连续的定位导航功能。它由 空中卫星、地面跟踪监测站、地面卫星数据注入站、地面数据处理中心和数据通讯网络等 部分组成。用户只需购买6 p s 接收机，就可享受免费的导航、授时和定位服务。全球定位 系统技术现广泛应用于农业、林业、水利、交通、航空、测绘、安全防范、军事、电力、 通讯、城市管理等部门。经近l o 年我国测绘等部门的使用表明，g p s 以全天候、高精度、 自动化、高效益等显著特点，赢得广大测绘工作者的信赖，并成功地应用于大地测量、工 程测量、航空摄影测量、运载工具导航和管制、地壳运动监测、工程变形监测、资源勘察、 地球动力学等多种学科，从而给测绘领域带来一场深刻的技术革命“”。随着全球定位系统 的不断改进，硬、软件的不断完善，应用领域正在不断地开拓，目前已遍及国民经济各种 部门，并开始逐步深入人们的日常生活 1 6 1 国内发展状况 国内对高精度接收机经历了吸收引进、软件开发、在国外g p so e m 板基础上研制单频 及双频g p s 接收机的几个过程。 ( 1 ) 国内在高精度接收机软件开发和市场推广上还是比较先进的，基本上国内各生产单位 使用的网平差软件都是国产的。 ( 2 ) 国内在高精度应用集成上有自己特色，有些应用居国际领先水平。如6 p s 在大坝位移 监测上的应用：g p s 在大桥安全运营监测上的应用；6 p s 在滑坡监测上的运用：g p s 在赛艇员运动训练中的应用等都有自己的特色，受到国际重视。 ( 3 ) 利用国外g p so e m 板研制整机是从1 9 9 6 年开始，目前主要投入市场的厂家有：博飞、 南方公司、中海达、思壮公司等。开始是研制生产单频接收机，由于价位低和国外产 品比有市场竞争力。 ( 4 ) 高精度接收机的国产化。高精度接收机开始都是进口，个接收机价位达1 0 万美金。 国产接收机开始时价位也较高，有的用工控机，耗电太大；博飞公司1 9 9 6 年研制单 频机，采用单片机，价位底，可靠性也好，但是开发和后续修改困难，而且出现了一 些缺点如体积大、接线复杂、携带不便、耗电多、难以长时间使用等。随着近几年来 单片机技术的迅速发展，单片机c p u 主频升的很快，价格也降的快，所以新的一体化 9 西安- w l t - 大学工程硕士学位论文 单频机采用在高性能单片机上开发高精度接收机，系统考虑到野外工作对功耗的要求 以及低成本在同类市场的竞争优势，选用价格低、功耗小、可靠性强的单片机作为整 机开发的硬件平台，通过两个方面，一是对硬件技术进行改进，二是对落后的软件功 能进行重新开放，以达到研发出一款小型化、一体化、稳定性好、操作简便、性价比 高的升级换代产品的目的，本论文的研究内容即以此背景展开。 1 6 2 本项目产品的特色及市场竞争力分析 本项目产品的硬件技术依托国外知名企业的g p s o e m 板，研制过程中充分注意生产的 工艺过程，无论从外观、质量、技术、性能而言，都尽可能地保持较高的水准。目前国际 上卫星导航产业也逐步走向专业化，有些厂家专做芯片和o e m 板，如加拿大n o v a t e l 公司 主要提供o e m 板，其它厂家则利用这些芯片做成整机，如瑞士的l e i c a 公司以前做芯片， 现在也不做了，它利用n o v a t e l 公司o e m 板，! 加上目己开发软件生产整机。基于c , p so e m 板自主开发的高精度c , p s 接收机具有如下特点： ( 1 ) 软件方面有自己的特色，技术性能有明显优势。在具体应用中，我们的一体化整合为 用户提供了方便，通信模块可以适应不同用户的要求，既适合于专网( 如v h f - u i - i f ， 以及集群系统) ，也适合于公网( g s m 、g p r s 和c d m a ) 。 ( 2 ) 利用国外成熟的g p so e m 板加上自己的软件这样组成整机，价格上有优势，具有竞争 力，可以与国内外同类产品竞争。 ( 3 ) 利用高性能单片机开发的产品，可以结合国内生产特点和中国行业规范要求，适合在 中国推广。其价位也具有竞争力。 ( 4 ) 自己开发的产品，便于维护和售后服务。 i o 2 裁波相位洲量 2 载波相位测量 2 1 载波相位测量的原理 伪距测量的测距精度一般达到一码元宽度的1 1 0 0 ，对于p 码约为2 9 c m ，c a 码约为 2 9 m ，正是由于其测距精度较低，起定位精度也低。特别是由于美国政府对p 码保密，民 用伪距定位只能采用c a 码，定位精度不能满足测量的需要。而包含在g p s 卫星信号中的 载波频率，l 1 = 1 5 7 5 4 2 1 旺i z ，l 2 = 1 2 2 7 6 0 m h z ，其相应的波长为1 9 0 3 c m 和2 4 4 2 c m 。由此 可见，相位测量的精度要比伪距测量的精度高很多渊。因此目前的测地型6 p s 接收机普遍 利用载波相位测量，相位测量的精度可达卜2 m m 。 由于载波信号时一种周期性的正弦波，而相位测量只能测量不足一周的小数部分，因 此，在相位测量中存在整周数的确定闯题，也就是整周模糊度的精确求解问题由于受各 种误差的影响，往往使整周数的整周性发生变化，如何正确快速求解整周模糊度问题是相 位测量定位的关键。 ， 2 1 1 载波相位测量的原理 载波相位测量是测量g p s 载波信号从g p s 卫星发射天线到g p s 接收机天线的传播路程 上的相位变化，从而确定传播距离的方法。 如图2 - 1 所示，卫星j 发射一载波信号，在时刻t 的相位为由( t ) ，该信号经过距离 p 到达接收机，其相位为巾k ，相位变化( 由j 一由k ) 为其相位变化量，现( 由j 一由k ) 中 包含整周部分与不足整周部分。由于载波信号是一种周期性的正弦波，因此若能测定( 巾 j 一巾k ) ，则可计算出卫星到接收机问的距离： p = ( 由j 一由k ) = ( n + 么由) ( 2 - 1 ) 式( 2 - 1 ) 中：相位以周为单位，n 为整周部分，4 由为非整周部分， 为载波波长。 在实际的应用中，该法是不能实现的，因为毒j 无法测定。为此采用比相的方法，即 6 p s 接收机振荡器产生一个频率与初相均与卫星载波完全相同的基准信号，而要测定的某 一个时刻的相位差即为接收机产生的基准信号与接收的卫星载波相位之差。 由于卫星与地球阋的相对运动，接收的卫星信号的频率因多普勒频移而发生变化，与 基准信号频率不同。将接收的卫星信号与产生的基准信号混频，得到差频的中频信号，起 相位值即为两个信号间的相位差，因此，通过测定该中频信号的相位便可获得所需要的相 位差。 西安理工大学工程硕士擘位论文 p = ( 由j m k ) 门 1r k 一- 八| = u | 图2 - 1 载波信号相位变化示意图 2 1 2 载波相位测量的观测值 a 任一历元的载波相位差及其观测值 由于在g p s 信号中，在载波上调制了二进制码( 测距码和导航电文) ，在载波相位测 量之前首先进行解调工作，采用码相关技术或平方解调技术来恢复接收到的载波信号，称 为重建载波。码相关技术可以在恢复载波的同时获取测距信号与导航电文，但缺点是必须 知道码结构。而平方解调技术只能获得载波信号，而不需要知道测距码的结构“”。 任一历元的相位观测值是指某一指定时刻的载波相位差，即：接收机本身产生的基准 载波信号与接收到的卫星信号的相位差。设接收机k 在第i 个观测历元，对应接收机钟面 时t 接收到卫星j 的载波信号相位为由( t ) ，则第i 个历元的相位差为： 巾( i ) = 由( t ) 一由( j ) ( 2 2 ) 载波相位的观测方程为： p = 巾( i )( 2 - 3 ) 2 2 周跳的产生与探测 2 2 1 周跳的发生原因 由载波相位测量的原理可知，理论的相位包括两部分：整周部分和可测的不足一周的 小数部分，在初始历元观测中，g p s 接收机整周计数器能记录下来初始似的至任一观测时 刻的整周数及不足一周的小数部分，可见要获得高精度的定位，必须准确确定n ，而要n 1 2 2 栽波相住测量 准确无误，必须保证计数器连续计数“酊如果由于各种原因，使计数器累计发生中断。那 么恢复计数器后。其所记的数与正确数之间窜在一个偏差，这种偏差称为周跳，即计数器 中断所丢失的周数。 周跳产生的主要原因是卫星信号失锁，例如卫星信号被障碍物暂时遮挡，接收机本身 线路瞬时故障，使基准信号无法与接收到的信号混频产生中频信号，或者产生的中频信号 无法正确记数，由于外界干扰或接收所处的状态不好，使跟踪环路无法锁定信号而引起失 锁。这些原因都会使计数器计数错误，由于相位测量为瞬时观测值，因此不是一周的小数 部分总能保持正确。当因为信号较长时间的失锁( 数分钟) 产生时，周跳一般较大，并且 由于在失锁期问没有观测值很容易判别，但若周跳发生在瞬闯或者说相邻两历元问，整周 计数保持计数，但己发生突变，可能很大也可能很小，如何判断周跳并恢复正确的计数是 g p s 数据处理中的一项很内重要的工作。 2 2 2 周跳的探测与修复 a 高次差或多项式拟合法 当接收机接收卫星信号时，由于卫星不断运动，从两使卫地距离不断发生变化，载波 相位观测值也随时间变化，在计数器不发生错误的状态下，这种变化是有规律的，当这 种规律被打破时，说明观测值中含有周跳。 b 。根据数据处理后的残差探测与修复周跳 这种方法使用与静态相对定位与精密后处理导航。根据数据后处理( 基线解算) 后的 相位残差来分析定位周跳。 o 用星际差分探测与修正周跳 由高次差探测周跳的方法可知，由于受接收机振荡器的影响，采用历元间高次求差只 能探测大于3 周的周跳，因此对于小周跳无能为力。对于同一台接收机接收不同的卫星信 号，起接收机振荡器的影响相同，因此，若采用星际差分可以消除起影响，达到发现小周 跳的目的。 2 3g p s 静态测量 g p s 静态测量是利用g p s 卫星的载波相位进行静态相对定位测量，以获得高精度的基 线测量结果。为了准确地求解载波相位的整周模糊度，必须静止观测相当一段时间( 一般 为半小时以上，边长越长观测时间应当越长) ；如果采用整周模糊度快速逼近技术，则观 测时间可以缩短到5 - 1 0 分钟；另外，在精度要求稍低的情况下，也可以采用准动态( 或 称为走走停停) 测量或复测法准动态测量“”。 在般边长不超过1 0 一1 5 公里的测量应用中，单频g p s 接收机就能满足测量作业的需 西安理工大学工程硕士学位论文 求，基线测量精度可以达到5 毫米+ l p i ：i 对于边长长于1 0 - 1 5 公里的应用则要用双频g p s 接收机系统。因为当边长长于l o - 1 5 公里对，电离层折射对g p s 观测的影响已经无法用简 单的差分处理消除，必须用双频g p s 接收机来消除其影响，因为电离层折射对无线电波的 传播时延与无线电波的频率相关 在大地测量和工程控制网测量应用中，一般采用多台接收机进行组网观测。每天观测 完成后，应对当天的观测结果，用厂商提供的后处理软件和接收机采集的广播星历进行进 行基线处理，并进行初步平差；全网观测完毕后，再进行网平差，以提高全网的成果精度 并使网中各点的精度尽可能均匀；最后用已知坐标进行约束平差，求出各待定点的最终成 果。对于如地壳形交监测、大坝和大型建筑物变形监测等超高精度要求的应用，则必须专 门制定观测方案、选择高精度测量设备、用高精度后处理软件和精密星历进行后处理。 g p s 测量相对于常规测量的突出优点： ( 1 ) 定位精度高 ( 2 ) 三维测量( 平面位置和高程) 一次完成 ( 3 ) 测站间无需通视，因此不需要将控制点选择建立在制高点上，平原地区也不需要 建立高大的三角标。 ( 4 ) g p s 接收机系统本身是真正的全天候设备。 ( 5 ) 功能强大、应用范围广，可适用于各种等级的控制测量和各种形式的测量作业。 ( 6 ) 操作简单，观测精度不随观测员的作业经验而变。 ( 7 ) 一般每台仪器可以一人操作，从而大大节省劳动强度和生产成本，提高了生产效 率。 g p s 测量系统测量的工作流程如图2 - 2 所示： g p 8 舟豹总体设计 实地定点埋石 馐嘲隧潮计划准鸯 二= l 二二二 阱定盥厩凋爱记： 二= 二= 教据传袖 二二 二二二 基线向量懈算 = r 翌 粥厨平差 输出打 图2 - 2g p s 测量系统测量工作流程图 1 4 3g p s 接收机设计 3g p s 接收机设计 3 1 信号接收板的开发 目前国内制作的同类型的接收机都是采用从国外购买接收板，然后配上自己开发的控 制板和电源来进行集成化。在本项目中，我们没有采用这样的方式，主要原因有两个：一 是如果采用国外的接收板来制作仪器，成本比较高；二是随着g p s 技术的不断完善，国内 已经具备了开发高精度载波接收板的能力。本项目中，我们采用了z a r l i n e 公司提供的的 套片来自主开发接收板。整体框图如图3 - l ： 图3 1 信号接收板开发流程 因为z a r l i n k 公司提供了完整的解决方案( 硬件) ，所以在硬件设计上我们没有做太 多的调试，主要工作是进行了器件的选择和选型以及苛刻条件下的测试，接收板上采用了 a t m e l 公司的芯片来进行基带处理的控制，为此我们专门组织人员进行了控制软件的编写 和调试，板卡开发过程中控制软件部分我们花了相当大的精力和人力。通过在