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GPS接收机

本文发布时间: 2022-Apr-08
本文内容:

GPS接收机的主要功能是接收GPS卫星信号并经过信号放大、变频、锁相处理,测定GPS信号从卫星到接收机天线间的传播时间,解释导航电文,实时计算GPS天线所在位置(三维坐标)及运行速度等。GPS接收机是一种被动式无线电定位设备,按不同用途分为导航型接收机、测地型接收机、授时型接收机和姿态测量型接收机;按接收机通道数可以分为多通道接收机、序贯通道接收机和多路复用通道接收机   。
GPS接收机主要由GPS接收天线、GPS接收机主机和电源三部分组成   。
1.GPS接收机天线
GPS接收机天线由天线单元和前置放大器两部分组成。天线的作用是将GPS卫星信号的微弱电磁波能量转化为相应电流,并通过前置放大器将接收到的GPS信号放大   。
2.GPS接收机主机
接收机主机由变频器、信号通道、微处理器、存储器和显示器组成。变频器的主要任务是使接收到的L频段射频信号变成低频信号。信号通道是软硬件结合的电路,是接收机的核心部分,其作用是搜索、牵引并跟踪卫星,对广播电文信号进行解扩、解调成为广播电文,进行伪距测量、载波相位测量及多普勒频移测量。存储器用于存储一小时一次的卫星星历、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。微处理器是GPS接收机工作的核心,GPS接收机的工作都是在微机指令的统一协同下进行的。GPS接收机都有液晶显示屏,以提供GPS接收机的工作信息,并配有一个控制键盘,以便用户控制接收机的工作   。
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,主要对RAM存储器供电;另一种为外接电源,常用可充电的12V直流镍镉电池组   。
GPS接收机分类
GPS接收机按照不同的分类标准,可以分为不同类型   。
(1)按工作原理划分,可分为码相关型接收机、平方型接收机和混合型接收机。码相关型接收机能够产生与所测卫星测距码结构完全相同的复制码,利用的是C/A码或P码,条件是掌握测距码结构。平方型接收机利用载波信号的平方技术去掉调制码,获得载波相位测量所必需的载波信号,该机只利用卫星信号,无须解码,不必掌握测距码结构,又称无码接收机。混合型接收机综合利用了码相关技术和平方技术的优点,同时获得码相位和精密载波相位观测量,目前广泛使用   。
(2)根据接收机信号通道类型划分,可分为多通道接收机、序贯通道接收机及多路复用通道接收机。多通道接收机具有多个卫星信号通道,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。序贯通道接收机只有1-2个信号通道,为了跟踪多个卫星,在相应软件控制下按时序依次对各卫星信号进行跟踪量测,依次量测一个循环所需时间较长(大于20 m/s),对卫星信号的跟踪是不连续的。多路复用通道接收机与序贯通道接收机相似,也只有1-2个信号通道,在相应软件控制下按时序依次对各卫星信号进行跟踪量测,依次量测一个循环所需时间较短(小于20 m/s),可保持对卫星信号的连续跟踪   。
(3)根据所接收的卫星信号频率划分,可分为单频接收机和双频接收机。单频接收机( L1)只接收调制的L1信号,虽然可利用导航电文提供的参数,对观测量进行电离层影响修正,但由于修正模型尚不完善,精度较差,主要用于小于20 km的短基线精密定位。双频接收机( L1+L2)同时接受L1和L2两种信号,利用双频技术,可消除或减弱电离层折射对观测量的影响,定位精度较高。按信号频率对卫星信号进行划分是使用较多的类型   。
(4)按接收机用途划分,可分为导航型、测量型和授时型。导航型主要用于确定船舶、车辆、飞机等运载体的实时位置和速度,保障按预定路线航行或选择最佳路线,其采用测码伪距为观测量的单点实时定位或差分GPS定位,精度低,结构简单,价格便宜,应用广泛。测量型接收机采用载波相位观测量进行相对定位,精度高,观测数据可测后处理或实时处理( RTK),需配备功能完善的数据处理软件,与导航型相比,结构复杂,价格昂贵。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   。
接收机工作原理
天线的基本作用是把来自于卫星信号的能量转化为相应的电流,并经前置放大器进行频率变换,以便对信号进行跟踪、处理和量测   。
当GPS卫星在用户视界升起时,接收机能够捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星,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,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i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   。
接收设备的误差
接收设备误差主要包括观测误差、接收机钟差、载波相位观测的整周不确定性影响和天线相位中心误差。
(1)观测误差。除分辨误差外,还包括接收天线相对测站点的安置误差。分辨误差一般认为约为信号波长的1%。安置误差主要有天线的置平与对中误差和量取天线相位中心高度(天线高)误差。例如当天线高1.6 m,置平误差0.10,则对中误差为2.10 mm   。
(2)接收机钟差。GPS接收机一般设有高精度的石英钟,日频率稳定度为10-11。如果接收机钟与卫星钟之间的同步差为1s,则引起的等效距离误差为300 m。处理接收机钟差的方法有作为未知数,在数据处理中求解;利用观测值求差方法,减弱接收机钟差影响;定位精度要求较高时,可采用外接频标,如铷、铯原子钟,提高接收机时间标准精度   。
(3)载波相位观测的整周未知数。无法直接确定载波相位相应起始历元在传播路径上变化的整周数。同时存在因卫星信号被阻挡和受到干扰,而产生信号跟踪中断和整周变跳   。
(4)天线相位中心位置偏差。GPS定位中,观测值都是以接收机天线的相位中心位置为准,在理论上,天线相位中心与仪器的几何中心应保持一致,实际中,其随着信号输入的强度和方向不同而有所变化,同时与天线的质量有关,可达数毫米至数厘米。如何减小相位中心的偏移,是天线设计的一个迫切问题   。


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2022-Apr-13 07:52am

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