第六章GPS接收机

1、 1第二章 GPS接收机 主要内容主要内容p GPS接收机的功能接收机的功能p GPS接收机的分类接收机的分类p GPS接收机的天线接收机的天线p GPS接收机的信号处理接收机的信号处理p GPS接收机的前端接收机的前端p GPS信号的捕获与跟踪信号的捕获与跟踪p GPS接收机的应用接收机的应用 21 GPS接收机的功能接收机的功能pGPS接收机接收机: GPS导航卫星的用户设备，实现导航卫星的用户设备，实现GPS卫星导航定位的终端仪器。一种能够接收卫星导航定位的终端仪器。一种能够接收、跟踪、变换和测量、跟踪、变换和测量GPS卫星导航定位信号的卫星导航定位信号的无线电接收设备，无线电接收设备，

2、p主要功能主要功能: 接收接收GPS卫星发射的信号，并进行卫星发射的信号，并进行处理，获取导航电文和必要的观测量。处理，获取导航电文和必要的观测量。pGPS接收机与常用无线电接收设备的差异接收机与常用无线电接收设备的差异: 具具有共性，又具有捕获、跟踪和处理卫星微弱信有共性，又具有捕获、跟踪和处理卫星微弱信号的特性。号的特性。 31 GPS接收机的分类接收机的分类p工作原理分类：码相关型、平方型、混合型；工作原理分类：码相关型、平方型、混合型；p用途分类：导航型、测量型、授时型；用途分类：导航型、测量型、授时型；p载波频率分类：单频（载波频率分类：单频（L1）、双频（）、双频（L1+L2）；）

3、；p通道数：多通道、序贯通道、多路复用通道。通道数：多通道、序贯通道、多路复用通道。 4三种三种GPS通道数接收机通道数接收机p多通道：多通道：具有多个信号通道，每个通道只连续跟具有多个信号通道，每个通道只连续跟踪一个卫星信号，也称连续跟踪型接收机。（踪一个卫星信号，也称连续跟踪型接收机。（multi-channel）p序贯通道：序贯通道：一个通道对卫星的跟踪不连续，但结一个通道对卫星的跟踪不连续，但结构简单、体积小、重量轻。（构简单、体积小、重量轻。（sequencing channel）p多路复用通道：多路复用通道：一两个通道，一个循环所需的时一两个通道，一个循环所需的时间短，信噪比低于多

4、通道。（间短，信噪比低于多通道。（multiplexing channel） 5测量型测量型GPS接收机接收机测量、测绘测量、测绘 6测量型测量型GPS接收机的应用接收机的应用 7测量型测量型GPS接收机的应用接收机的应用 8GPS接收机接收机户外探险户外探险GIS 采集采集 9导航型导航型GPS接收机接收机汽车导航汽车导航 10导航型导航型GPS接收机接收机航空导航航空导航 11导航型导航型GPS接收机接收机海上导航海上导航 12GPS的军事应用的军事应用 13未来的智能汽车未来的智能汽车 14GPSGPS系统、无线射频与物联网系统、无线射频与物联网 15GPS接收机的系统框图接收机的系统框

5、图p 天线（含前置放大器）天线（含前置放大器）p 射频单元射频单元p 基带信号处理基带信号处理p 显示控制单元显示控制单元p 电源电源 16GPS接收机的信号处理接收机的信号处理p捕获和跟踪卫星信号；捕获和跟踪卫星信号；p对收到的对收到的GPS信号具有变换、放大和处理的功能；信号具有变换、放大和处理的功能；p测量出测量出GPS信号从卫星到接收天线的传播时间；信号从卫星到接收天线的传播时间；p解译出解译出GPS卫星所发送的导航电文；卫星所发送的导航电文；p实时地计算出测站的三维位置，速度和时间。实时地计算出测站的三维位置，速度和时间。 17传统传统GPS接收机的硬件结构接收机的硬件结构GPS信号

6、处理主要通过硬件来实现。信号处理主要通过硬件来实现。 18传统传统GPS接收机的特点接收机的特点p优点：速度快，实时性好优点：速度快，实时性好p缺点：缺点：缺乏灵活性缺乏灵活性l相当于黑匣子，无法控制内部信号处理，也无法查相当于黑匣子，无法控制内部信号处理，也无法查找信号失锁原因。找信号失锁原因。l当导航卫星信号结构发生变化时，必须更换硬件才当导航卫星信号结构发生变化时，必须更换硬件才能捕获或跟踪新的导航信号。能捕获或跟踪新的导航信号。p软件替代硬件实现信号处理，是当前软件无线软件替代硬件实现信号处理，是当前软件无线电的发展方向。电的发展方向。 19GPS软件接收机的结构软件接收机的结构GPS

7、软件接收机利用软件来实现捕获与跟踪。软件接收机利用软件来实现捕获与跟踪。 20GPS软件接收机的特点软件接收机的特点p优点：优点：灵活性高灵活性高p当需要捕获新的卫星导航信号时，只需要更改当需要捕获新的卫星导航信号时，只需要更改软件，无需更换硬件。软件，无需更换硬件。p当当GPS信号失锁或无法捕获时，可设置不同捕信号失锁或无法捕获时，可设置不同捕获或跟踪参数，分析原因。获或跟踪参数，分析原因。p对于高动态情况，可以改变多普勒频移的搜索对于高动态情况，可以改变多普勒频移的搜索范围等参数，使接收机能够捕获和跟踪高动态范围等参数，使接收机能够捕获和跟踪高动态信号。信号。pGPS软件接收机，保证软件接

8、收机，保证实时性是难点实时性是难点。 21GPS接收机的技术指标接收机的技术指标miniSp接收机的通道数：接收机的通道数：可以同时并行接收、处理可以同时并行接收、处理GPSGPS卫星信号的能力；卫星信号的能力；GPSGPS接收机通常有接收机通常有112112个通个通道。道。p接收跟踪信号的种类：接收跟踪信号的种类：仅接收仅接收L1L1载波上的载波上的C/AC/A码；接收跟踪码；接收跟踪L1L1载波上的载波上的C/AC/A码和码和P P码、码、L2L2载波上载波上的的P P码。码。p灵敏度：灵敏度：灵敏度表征接收机接收微弱信号的能灵敏度表征接收机接收微弱信号的能力，接收机能接收的信号越微弱，则

9、其灵敏度越力，接收机能接收的信号越微弱，则其灵敏度越高。灵敏度常用最小可检测信号功率高。灵敏度常用最小可检测信号功率 。 22GPS接收机的技术指标接收机的技术指标p测量定位精度：测量定位精度：水平位置精度和垂直高度精度水平位置精度和垂直高度精度。p时间同步精度：时间同步精度：GPSGPS接收机输出的时间同步秒接收机输出的时间同步秒脉冲信号与脉冲信号与GPSGPS时同步精度，如时同步精度，如GPSGPS标准定位服标准定位服务的时间同步精度为务的时间同步精度为340ns340ns。p位置数据更新率：位置数据更新率：一般为一般为1 1次次/ /秒秒1010次次/ /秒，秒，通常高动态通常高动态GP

10、SGPS接收机的更新率要求更高。接收机的更新率要求更高。p首次定位时间：首次定位时间：GPSGPS接收机从开始加电到首次接收机从开始加电到首次得到满足定位精度要求的定位结果所需的时间得到满足定位精度要求的定位结果所需的时间。 23GPS接收机的技术指标接收机的技术指标p输入输出接口：输入输出接口：GPSGPS接收机应有一个或两个数接收机应有一个或两个数据输入输出接口。据输入输出接口。p工作电源要求：工作电源要求：电压种类、范围、功率损耗。电压种类、范围、功率损耗。p环境要求：工作温度、湿度，存储温度，冲击环境要求：工作温度、湿度，存储温度，冲击、振动条件。、振动条件。p可靠性指标：可靠性指标：

11、常以设备平均故障间隔时间（常以设备平均故障间隔时间（MTBFMTBF）最低可接受值表示。）最低可接受值表示。p维修性指标：维修性指标：常以设备平均故障修复时间（常以设备平均故障修复时间（MTTRMTTR）表示。）表示。 24GIS 数据采集数据采集GPS指标指标pGPS性能性能接接 收收 机：机：50通道（通道（L1 C/A码），支持码），支持SBAS天天 线：内置线：内置GPS天线天线定位时间：热启动定位时间：热启动3秒，冷启动秒，冷启动38秒秒定位精度：单点定位定位精度：单点定位 2.5米（米（2D RMS），），SBAS 2米（米（2D RMS）数据更新：数据更新：1Hzp屏幕特性屏幕特

12、性显显 示示 屏：屏：2.8英寸（英寸（43.2mm57.6mm）TFT彩色触摸屏幕彩色触摸屏幕240320像素像素操作面板：触摸屏，电源键、菜单键、方向键（操作面板：触摸屏，电源键、菜单键、方向键（4个方向）个方向） 25GIS 数据采集数据采集GPS指标指标p数据通讯与存储数据通讯与存储数据接口：数据接口：USB数据通讯：数据通讯：NMEA0183输出输出存存 储：储：64MB内存内存支持支持Micro SD卡扩展存储空间，最大至卡扩展存储空间，最大至2Gp电源特性电源特性电电 源：使用二节或三节源：使用二节或三节AA电池电池工作时间：使用三节工作时间：使用三节AA电池并联，典型工作状态下

13、可工作电池并联，典型工作状态下可工作12小时以小时以p物理指标物理指标尺尺 寸：寸：155.5mm78.8mm42.7mm（长（长宽宽厚）厚）重重 量：量：265克（不含电池）克（不含电池） 26GIS 数据采集数据采集GPS指标指标p环境特性环境特性工作温度：工作温度：-10 +60存储温度：存储温度：-20 +70防尘防水：防尘防水：IP67抗抗 跌跌 落：落：1.5米高度自然跌落至地面米高度自然跌落至地面p实际定位精度与卫星状态、差分信号质量和野外工作环境有关。实际定位精度与卫星状态、差分信号质量和野外工作环境有关。p典型工作状态：开阔环境下，典型工作状态：开阔环境下，GPS接收机正常工

14、作，接收机正常工作，GPS、背光（中、背光（中等）开启的情况。等）开启的情况。 27测量测绘型测量测绘型GPS指标指标p跟踪特性跟踪特性通道数：通道数： 220通道通道 多星多系统多星多系统接收信号：接收信号： -GPS：L1 C/A, L2E, L2C, L5 -GLONASS：L1 C/A, L1 P, L2 C/A (仅仅GLONASS M), L2 P -SBAS: L1 C/A, L5 -GIOVE-A: L1 BOC, E5A, E5B, E5AltBOC -GIOVE-B: L1 CBOC, E5A, E5B, E5AltBOC -预留伽利略、北斗系统升级预留伽利略、北斗系统升级

15、 28测量测绘型测量测绘型GPS指标指标p性能指标性能指标静态测量：静态测量： H 2.5cm+1ppm V 5cm+1ppmRTK测量：测量： H 10cm+1ppm V 20cm+1ppmDGPS测量：测量： 25cm（RMS）单机定位精度：单机定位精度：1.2m (RMS)初始化时间初始化时间99.9%pGPS天线特性天线特性GPS天线：内部集成天线：内部集成天线类型：微带天线天线类型：微带天线相位中心：四馈点天线，零相位中心相位中心：四馈点天线，零相位中心多路径抑制：内置多路径抑制板多路径抑制：内置多路径抑制板 29测量测绘型测量测绘型GPS指标指标p无线通讯无线通讯蓝蓝 牙：内置，牙

16、：内置，V2.0 Class2UHF电台：电台：-内置接收内置接收 -内置发射：内置发射：0.5W/1W -外置发射：外置发射：5W/35W -工作频率：工作频率：410470MHz网络通讯：内置网络通讯：内置GPRS或或CDMAp物理及电源特性物理及电源特性尺尺 寸：寸：H 96mm， 184mm重重 量：量：1.2kg（含电池及内置全模块）（含电池及内置全模块）电电 池：池：2块可拆卸锂电池，块可拆卸锂电池，7.4V，2.5Ah使用时间：使用时间：5小时（单块电池，内置电台发射）小时（单块电池，内置电台发射） 8小时（单块电池，内置电台接收）小时（单块电池，内置电台接收）外接电源：外接电源

17、：9至至18V直流直流 30测量测绘型测量测绘型GPS指标指标p物理及电源特性物理及电源特性按按 键：两个，多功能组合按键键：两个，多功能组合按键显显 示：示：3个个LED状态显示状态显示 OLED显示屏显示屏128*64分辨率分辨率接接 口：口：-5PIN：电源接口：电源接口+RS232 -7PIN：RS232+USB -2个个TNC 数据链天线接口数据链天线接口p内存及数据内存及数据内置存储：板载内置存储：板载256MB Micro SD卡扩展、最大支持卡扩展、最大支持8G差分输出：差分输出：CMR2.0,CMR+,RTCM2.1, RTCM2.3, RTCM3.0,RTCM3.1ASCI

18、I输出：输出：NMEA0183,Trimble GSOF输出速率：标配输出速率：标配50Hz 31典型的典型的GPS接收机框图接收机框图 32GPS接收机的前端接收机的前端p位于天线与基带信号处理之间；位于天线与基带信号处理之间；p接收到的卫星信号功率放大接收到的卫星信号功率放大100dB以上；以上；p将信号下变频到容易处理的频段；将信号下变频到容易处理的频段；p将模拟信号转换为数字信号；将模拟信号转换为数字信号；p尽量保持信号的形状，减小信号失真。尽量保持信号的形状，减小信号失真。 33GPS接收机前端（接收机前端（L1） 34GPS接收机的信号强度接收机的信号强度p GPS卫星高度超过卫星

19、高度超过20,000km，接收机天线收到的信，接收机天线收到的信号很弱，信号功率只有号很弱，信号功率只有-130dBm左右，左右，GPS接收机输接收机输入功率信噪比为入功率信噪比为-20dB，即信号淹没在噪声中；，即信号淹没在噪声中；p 对于对于L1频率频率C/A码，通常要求信号电平大于码，通常要求信号电平大于-130dBm。p 为了提高信号强度，一般在天线后端设有为了提高信号强度，一般在天线后端设有前置放大前置放大器。器。大部分大部分GPS天线都与前置放大器结合在一起，天线都与前置放大器结合在一起，也有些接收机为减少天线重量而将天线和前置放大也有些接收机为减少天线重量而将天线和前置放大器分开

20、。器分开。 35最小信号功率电平最小信号功率电平 36GPS卫星的发射功率卫星的发射功率p对于对于L1载波的载波的C/A码码发射功率发射功率大约大约27Wp当卫星向空间所有方面均匀发射信号时，在距离当卫星向空间所有方面均匀发射信号时，在距离为为R处的处的信号功率密度信号功率密度为：为：,10log2714.3T dBPdBW22/4TDPPWmR2,2,10log(4 )20log/l1 20log/D dBT dBT dBPPRdBWmPRdBWm 37卫星与接收机卫星与接收机 距离距离222sin(sin1) EESVESVRRelRelRRRel 是地球半径，卫星与地心距离是卫星相对于用

21、户所在水平面的仰角 38p卫星在用户头顶（仰角为卫星在用户头顶（仰角为9090）时：）时：p卫星在地平线方向（仰角为卫星在地平线方向（仰角为5 5）时：）时：GPS卫星信号的路径损耗卫星信号的路径损耗10log10log1120logDTLPPR22(/)4TDPPWmR20190,157.1RkmLdB p发射功率密度：发射功率密度：p路径损耗路径损耗25240,159RkmLdB 39GPS卫星波束卫星波束 40GPS发射天线增益发射天线增益 41GPS接收机天线有效面积接收机天线有效面积322.872 10 m25.4effeffAAdB 或p对对L1L1信号，信号，=0.19m，有，有

22、对各向同性天线对各向同性天线, , 1RG 42GPS接收信号功率接收信号功率2714.3TPWdBW14.7TGdB14.3 14.7 159.525.4156PdBW 43GPS发射天线增益修正发射天线增益修正p GPS GPS发射天线实际增益：发射天线实际增益：10.2dB10.2dB12.9dB12.9dBn天线本身的损耗天线本身的损耗n天线增益经过精心设计，以补偿在地球边沿天线增益经过精心设计，以补偿在地球边沿用户的远距离（从卫星往地球看）用户的远距离（从卫星往地球看） 44L1接收天线增益图接收天线增益图仰角仰角9090方向：方向：+4dBic+4dBic仰角仰角5 5方向：方向：-4dBic-4dBicdBicdBic：相对于全向天线的增益相对于全向天线的增益 45接收功率密度接