GPS信号接收机.ppt

第六讲GPS信号接收机 GPS接收机的类型GPS接收机的基本结构GPS接收机的工作原理GPS接收机的基本性能检验 GPS信号接收机 概念 一种能够接收 跟踪 变换和测量GPS卫星导航定位信号的无线电接收设备 既具有无线电接收设备的共性 又具有捕获 跟踪和处理微弱的GPS卫星信号的特性 GPS接收机分类 北斗电力全网时间同步管理系统 TD网 二 按载波频率分 1 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 只适用于短基线 小于15km 的精密定位 2 双频接收机 可以同时接收L1和L2载波信号 可用于长达几千公里的精密定位 GPS接收机分类 三 按通道数分 多通道接收机具有多个信号通道 每个通道只能连续跟踪一个卫星信号序贯通道接收机通常只有1 2个通道 在软件控制下 按时序依次对卫星信号进行跟踪和量测 量测一个循环所需时间较长 多路多用通道接收机通常只有1 2个通道 在软件控制下 按时序依次对卫星信号进行跟踪和量测 量测一个循环所需时间较短 GPS接收机分类 信号通道 不同卫星的信号的经由天线进入接收机的 路径 实现对卫星信号的跟踪 处理和测量 通常情况下民用类GPS设备有2 5条并行通道接收卫星信号 市面上的GPS接收器大多数是12并行通道型以及20并行通道型 这允许它们连续追踪每一颗卫星的信息 USB口54通道多用GPS65通道GPSUSBDongle接收器 记录器 是否通道越多越好 在地面上使用是11 12颗 因为天线160度夹角 全向天线也就12颗 到了天空飞行器 物体 可以多收几颗 一定全向或二个以上天线 但也是从中取3 4颗信号最强 距离最近的有效卫星进行运算定位不少军用GPS都是5个通道 只是用4个通道定位 1个通道快速搜索所有可视卫星 并与其中4颗有效星比较 高出其中一个就替换 这样就保持4颗最强信号卫星 因此不是通道越高越好 一般地面上12颗就够了 什么16 18 20 24 都是软通道 是体现最多可搜索可视卫星的颗数 没有什么实际意义 四 按工作原理分 码相关型接收机利用码相关技术得到载波伪距观测值平方型接收机利用平方技术去掉调制信号 恢复载波信号 通过比较机内产生的载波与接收到的载波信号的相位差测定伪距 混合型接收机综合上述两种机器优点 测量工作中广泛使用干涉型接收机将卫星作为射电源 采用干涉测量方法测定测站间距离 GPS接收机分类 GPS GLONASS集成接收机 能同时接收和测量GPS和GLONASS两种卫星信号 已成为研制热点 美国3S导航公司1994年推出了R 100GPS GLONASS商品集成接收机 1995年推出了改进的GNSS 200GPS GLONASS集成接收机 美国Ashetech等几家公司正在积极研制 中国航天工业总公司第704研究所于1995年研制成功样机 GPS GLONASS集成接收机的优越性 能够消除间隙时段能够实现真正的全球连续的精确导航能够以较短的数据采集时间获得较高的导航定位精度能够在繁杂的地形和地物环境下补偿被中断的卫星信号能够在一个星座因故不能使用时 而采用另一个星座 GPS GLONASS集成接收机的优越性 单一GPS星座和GPS GLONASS混合星座的位置测量精度比较 单一GPS星座和GPS GLONASS混合星座的二维位置差分测量精度的比较 GPS接收机基本结构 天线主机电源 关于 GPS芯片 1 GPS芯片 目前国际上常用 常见到的 较流行的 GPS模块 OEM板 上的主芯片主要有3种 1 美国SIRF Sirf 2 SONY 索尼爱立信 索爱 芯片 3 瑞士NENEM公司NEMERIX芯片2 三代芯片的核心 芯片硬件大同小异 只是内部软件起主要作用 所谓三代的核心技术只是在2代的基础上提高改进了软件的算法 其次是硬件也提供了质量标准 关于 GPS芯片 3 三代芯片软件主要功能 3代芯片软件提高升级 1 算法改进提高搜星 定位速度时间 2 通过软件滤波器提高抗干扰性能 信噪比及接收有效星颗数 3 有的芯片实现软件DR航迹 转迹 推算 提高抗高楼 树荫 桥下遮挡及隧道功能 4 软通道搜索 搜索提高可视卫星的通道数 可以12 24颗 人员 车辆 上下坡 姿态发生变化时 飞机 船舶星历状态发生变化时仍能继续定位 4 三代芯片硬件改进 1 芯片功耗降低 体积减少 与2代比 2 提高抗干扰能力 全屏蔽或双芯片分开 GPS接收机天线 天线 将GPS卫星信号的极微弱的电磁波能转化为相应的电流 前置放大器 将信号电流放大 对天线部分的要求 天线与前置放大器应密封一体 以保障其正常工作 减少信号损失 能够接收来自任何方向的卫星信号 不产生死角 有防护与屏蔽多路径效应的措施 天线的相位中心保持高度的稳定 并与其几何中心尽量一致 天线种类 单板天线安装在一块基板上 属单频天线 四螺旋形天线由四条金属管线绕制而成 底部有一块金属抑制板 可捕捉低高度角卫星 缺点是不能双频接收 常用于导航 锥形天线利用印刷电路技术在介质锥体上制成导电螺旋表面 可用于单频机和双频机 相位中心于几何中心不完全一致 微带天线介质板两边贴以金属片 结构简单 坚固 易于制造 可用于单频机和双频机 为今后的主要发展方向 GPS接收机天线 可贴式GPS接收天线 锥形天线 微带天线 船用天线 GPS接收机主机 变频器及中频放大器经过GPS前置放大器的信号仍很微弱 为了使接收机通道得到稳定的高增益 并且使L频段的信号变成低频信号 必须采用变频器 2 信号通道软硬件结合的电路 是接收机的核心 GPS接收机主机 作用 搜索并跟踪卫星对广播电文信号实行解扩 解调出广播电文进行伪距测量 载波相位测量和多普勒频移测量 信号通道的类型 序贯通道多路复用通道多通道 序贯通道 1个通道跟踪多颗卫星的信号1个跟踪周期大于20ms 优点 结构简单 利于减少接收机的体积和重量 由于采用单通道 各卫星信号在通道中的延迟相同 不存在信号间的路径偏差缺点 不能同时接收导航电文 控制软件较为复杂 难于保持载波信号的连续跟踪 对L1 L2信号的测量不同步 会降低电离层折射改正的精度 多路复用通道 1个通道跟踪多颗卫星的信号1个跟踪周期小于或等于20ms 优点 量测周期短 能在不同的卫星信号之间 以及L1和L2信号之间进行高速转换 不仅能获得导航电文 而且可以连续跟踪载波信号缺点 控制软件较为复杂 信噪比较多通道接收机为低 多通道 具有四个及以上信号通道 1个通道跟踪1颗卫星的信号 优点 能够不间断跟踪每个卫星信号 从而可连续地量测测距码和载波 较高的信噪比缺点 各通道间存在信号延迟的偏差 须进行比对和改正 结构复杂 3 存储器半导体存储器 内存 内置软件 自测试软件 卫星预报软件 导航电文解码软件等 GPS接收机主机 4 微处理器 GPS接收机主机 工作步骤 接收机开机后首先进行自检 并测定 校正 存储各通道的时延值接收机对卫星进行搜索 捕捉卫星 对捕捉到的卫星信号进行牵引和跟踪 译码得到卫星星历 当同时锁定4颗卫星时 将C A码伪距观测值连同星历一起计算测站的三维坐标 并按预置位置更新率计算新的位置根据机内存储的卫星历书和测站近似位置 计算所有在轨卫星升降时间 方位和高度角计算导航的参数接收用户输入信号 测站名 测站号 作业员姓名 天线高等 5 显示器 提供接收机工作信息液晶显示屏控制键盘 GPS接收机主机 GPS接收机主机 一体化双频接收机 蓝牙GPS接收机 内电源一般为锂电池 为RAM存储器供电 外接电源可充电的直流镉镍蓄电池组或汽车电瓶 GPS接收机电源 GPS接收机的主要任务 当GPS卫星在用户视界升起时 捕获到待测卫星 并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 测量出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信号用户设备 GPS接收机 包括机内软件 测后处理软件包 GPS接收机的软件功能 以测量系统为例 1 观测计划编制软件产生卫星分布图 显示卫星高度和方位角2 观测数据预处理软件数据传输 分流 观测数据的平滑 滤波 统一数据文件格式等3 基线向量处理软件 4 GPS网平差软件5 GPS网与经典地面网的联合平差软件6 数据库管理软件 GPS接收机的工作原理 码相关技术平方技术综合型技术 1 码相关技术 码跟踪回路载波跟踪回路 码跟踪回路 该回路中的PRN发生器 产生一个与卫星发射的测距码结构完全相同的复制码 在相关器中 对测距码和复制码进行相关分析 当相关系数最大时 可测定出卫星信号到达接收机天线的传播时间 把卫星信号和复制码混频 将混频后的信号通过带通滤波器 消去卫星信号中的伪随机噪声码 C A码或P码 获取仅具有导航电文和载波的信号 载波跟踪回路 去掉伪随机噪声码的卫星信号进入回路后 进行载波相位测量 并解调出导航电文 码相关技术的特点 优点 既可进行伪距测量 又可进行载波相位测量 并能获得导航电文 良好的信噪比缺点 用户须掌握伪随机码的结构 但由于美国的SA政策 一般用户无法采用码相关技术获得L2载波的观测值 因而不能通过双频技术来减弱电离层折射的影响 2 平方技术 为了克服SA政策的影响 1982年美国学者Counselman提出了平方技术基本思想 本机振荡器产生一个参考载波信号 经倍频后与卫星信号混频 得到一个频率较低的信号 将该信号平方后 产生一个消去调制码 测距码和数据码 的纯载波信号 平方技术的特点 优点 无需掌握测距码的结构 便能获得载波信号 从而可通过双频技术减弱电离层折射的影响 提高定位的精度 缺点 无法获得导航电文和时间信息 需通过其它方法获得星历 同时在作业开始和结束时须进行时间对比 卫星信号平方时使信噪比降低 3 综合型技术 利用数字化通信中的自相关技术 无需掌握测距码的结构 而能获得测距码相位的量测值 优点 无需掌握测距码的结构缺点 无法获得导航电文和时间信息 由于获得的是测距码的相位 所以观测量的精度较低 GPS信号接收机的理想性能 1 观测量大 C A码 L1 P码和L2 P码的伪距测量值C A L1载波 P L1载波P L2载波的相位测量值多普勒频移测量值 载波相位变化率的瞬时观测值 站星距离粗测值 GPS信号接收机的理想性能 2 具有同时跟踪和测量4颗以上GPS卫星的能力 GPS信号接收机能否跟踪和测量多颗GPS卫星 取决于其具有的通道数通道数最小不能低于8个 最佳者为24个 甚至48个 GPS信号接收机的理想性能 3 具有双频甚至三频 对于GPS F卫星而言 的接收能力 单频接收机不适宜用于过长距离和厘米级精度的DGPS测量 GPS信号接收机的理想性能 4 内存容量大 现有的接收机内存容量一般为0 5 80MB 存储时间长短 既取决于定位数据的更新率 又取决于被测卫星的多少 例 当被测卫星为5颗 数据更新率为15s 内存为1MB时 可存储14h的GPS数据 GPS信号接收机的理想性能 5 无故障时间长 平均无故障时间 MTBF meantimebetweenwithoutfailure 表征接收机的耐用性 美国军用标准为MTBF 13000h 现有接收机为5000 60000h GPS信号接收机的理想性能 6 测量精度高 现有GPS信号接收机的C A码测距精度最高可达 20cm 最低为几米 GPS信号接收机的理想性能 7 作业适应性强 一台较理想的接收机 既能作静态定位 又能作动态测量 同时具有极微弱信号的探测能力和抗干扰能力 例如 能够在森林或街区正常作业 GPS信号接收机的理想性能 8 低功耗 小而轻 非手持式接收机应具有交 直流电的适应能力 而且对电源的电压范围不作过高要求 接收机内部最好安设有锂电池 以供野外作业 GPS信号接收机的理想性能 9 数据处理软件功能强 内置软件 既能解算用户的位置 速度和时间 又能作数据编辑 数据压缩 数据管理 周跳探测 仪器自诊断等 测后数据处理软件 观测数据的的初加工 预处理 基线向量解 网平差计算 坐标变换等 GPS信号接收机基本性能检验的必要性 内部时延 GPS信号在接收机内部从一个电路到另一个电路的行进中 所产生的时间延迟 监控内部时延的稳定性的需要 GPS信号接收机基本性能检验的必要性 接收机测得的用户在时元t至第j颗卫星的距离 Xj t Yj t Zj t 第j颗卫星在时元t的在轨位置Xu t Yu t Zu t 用户天线在时元t的在途位置du t 接收机时钟偏差等因素引起的站星距离偏差 至少观测4颗卫星 列出4个方程式 GPS定位精度取决于下列因素 站星距离的测量误差卫星的实时在轨位置误差所测卫星在空间的几何分布 GPS信号接收机基本性能检验的必要性 适时检验GPS接收机的基本性能 是确保导航定位成果高精度的必需 GPS信号接收机基本性能检验的方法 零基线检验超短基线检验 零基线检验 零基线 两个接收单元共用一副天线单元而测定的距离 其值应为零 目的 检验接收机内部时延的大小和稳定性方法 零基线测量成果与其真值 X Y Z 0 比较 可鉴别内部时延的相对值 零基线检验的优点 能够消除相位中心漂移对接收天线的影响能够消除大气传播对GPS信号的不良影响能够消除卫星的星历误差能够消除多路径效应的不良影响 超短基线检验 武汉测绘科技大学刘基余教授1991年提出目的 便于野外作业者在GPS测量现场进行接收机的基本性能检验 超短基线检验 方法 在一个地势开阔的检验场地上 依据被检测的GPS接收机的台数 测设一个边长为几米的几何图形 如三角形或四边形 并用钢卷尺精确测定边的实际长度 作为检测的真值 将受检接收机安设在检验图形的各个节点上 进而作多个时段的定位测量 处理和分析各接收机对的双差定位成果 这些成果与基线真值的差 便能客观反映各接收机对的仪器误差及其稳定性 超短基线检验的优点 在几米长的超短基线上作双差定位测量时 既可不顾及对流层和电离层时延改正的残差影响 又可消除星历误差和星钟误差 以及两台接收机的时钟误差 几个概念 冷启动 初次使用时 电池耗尽导致星历信息丢失时 关机状态下将接收机移动1000公里以上距离 热启动 距离上次定位的时间小于两个小时的启动 温启动 距离上次定位的时间超过两个小时的启动 对于20通道接收器 如果你在最后一次定位位置的附近 冷启动时的定位时