第七章 GPS卫星信号接收机

1、第六讲 GPS接收机学习指导主要介绍GPS接收机及其系统，内容包括：GPS接收机的组成及基本原理、GPS卫星信号接收机的分类、常见GPS测量接收机、GPS卫星接收机的选用与检验。教学目的是使学生掌握GPS接收机的组成及基本原理，了解GPS接收机的分类、各类GPS测量接收机的特征，学习GPS卫星接收机的选用与检验。为GPS接收机选购、GPS测量的外业实施和数据处理打下理论基础。本讲内容的特点是设备硬件概念多、技术指标多，不涉及技能训练。学习时重点掌握各类GPS接收机的组成、各种常见GPS测量接收机。对于GPS卫星接收机的检验过程不要求掌握，但对检验的项目应当理解并熟练掌握运用。应能结合GPS卫星

2、接收机的选用，从中看出影响定位精度的各种因素，并能通过以后章节学习，掌握相应的GPS测量接收机分类，选择合适的GPS接收机以保证测量精度的措施。本单元教学重点和难点4、GPS接收机的结构。教学目标1、熟悉GPS接收机的结构；2、了解GPS接收机的分类；3、了解GPS接收机的天线装置。GPS卫星信号接收机，是GPS导航卫星的用户关键设备，是实现GPS卫星导航定位的终端仪器。它是一种能够接收、跟踪、变换和测量GPS卫星导航定位信号的无线电接收设备，既具有常用无线电接收设备的共性，又具有捕获、跟踪和处理卫星微弱信号的特性。本章针对GPS信号接收机的特性，论述了GPS信号接收机的基本结构原理和GPS卫

3、星接收机的选用与基本性能检验。同时、简要介绍了依据当前国际上GPS接收机的发展现状和我国拥有GPS接收机的实际情况， GPS卫星信号接收机类型的测量型与GPS接收机选择。一、GPS 接收机的结构原理1 GPS接收机的基本结构144GPS接收机主要由GPS接收机天线单元、GPS接收机主机单元和电源三部组成。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。而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，图71描述了GPS信号接收机的基本结构。图7-1 GPS接收机的基本结构如果把GPS接收机作为用户测量系统，那么按其构

4、成部分的性质和功能，可分为硬件部分和软件部分。硬件部分，主要系指上述天线单元、接收单元的硬件设备。而软件部分是支持接收机硬件实现其功能，并完成各种导航与定位任务的重要条件。一般来说，软件包括内软件和外软件。所谓内软件是指诸如控制接收机信号通道按时序对各卫星信号进行量测的软件以及内存或固化在中央处理器中的自动操作程序等。这类软件已和接收机融为一体。而外软件主要是指观测数据后处理的软件系统，这种软件一般以磁盘方式提供。如果无特别说明，通常所说接收设备的软件均指后处理软件系统。软件部分是构成现代GPS测量系统的重要组成部分之一。一个功能齐全、品质良好的软件，不仅能方便用户使用，满足用户的各方面要求，

5、而且对于改善定位精度，提高作业效率和开拓新的应用领域都具有重要意义。所以，软件的质量与功能已成为反映现代GPS测量系统先进水平的一个重要标志。2 天线单元天线单元由接收天线和前置放大器两个部件组成，如图7-2所示。其基本功能，是接收GPS卫星信号，并把卫星信号的能量转化为相应的电流量，经过前置放大器，将微弱的GPS信号电流予以放大，145金属反射器 滤波放大器图7-2天线单元基本结构2.1 对天线的要求(1)天线与前置放大器一般应密封为一体。以保障其在恶劣的气象环境中能正常工作，并减少信号损失。(2)天线均应成全圆极化。使天线的作用范围为整个上半球，在天顶处不产生死角，以保证能接收来自天空任何

6、方向的卫星信号。(3)天线必须采取适当的防护和屏蔽措施。以最大限度地减弱信号的多路径效应，防止信号被干扰。(4)天线的相位中心与几何中心之间的偏差应尽量小，且保持稳定。由于GPS测量的观测量，是以天线的相位中心为准的，而在作业过程中，应尽可能保持两个中心的一致性和相位中心的稳定。2.2天线的类型目前，GPS接收机的天线有多种类型，其基本类型见图7-3所示。单极天线图7-3 天线类型(1)单极天线。这种天线属单频天线，具有结构简单，体积小的优点。需要安装在一块基板上 ， 以利于减弱多路径的影响。(2)螺旋形天线。这种天线频带宽，全圆极化性能好，可接收来自任何方向的卫星信号。但也属于单(3)微带天

7、线。微带天线是在一块介质板的两面贴以金属片，其结构简单且坚固，重量轻，高度低。既可用于单频机，也可用于双频机，目前大部分测量型天线都是微带天线。这种天线更适用于飞机、(4)锥形天线。这种天线是在介质锥体上，利用印刷电路技术在其上制成导电圆锥螺旋表面，也称盘旋螺线型天线。这种天线可同时在两个频道上工作，主要优点是增益性好。但由于天线较高，而且 146螺旋线在水平方向上不完全对称，因此天线的相位中心与几何中心不完全一致 。所以，在安装天线时要仔细定向，使之得以补偿。(5)带扼流圈的振子天线，也称扼流圈天线。这种天线的主要优点是，可以有效地抑制多路径误差的影响。但目前这种天线体积较大且重，应用不普遍

8、。图7-4锥形天线与带扼流圈天线3 接收单元GPS信号接收机的接收单元主要由信号通道单元、存储单元、计算和显示控制单元、电源等4个部分组成。图7-1绘出了接收单元的主要结构3.1 信号通道信号通道是接收单元的核心部件，它不是一种简单的信号通道，而是一种由硬件和相应的控制软件相结合的有机体。它的主要功能是跟踪、处理和量测卫星信号，以获得导航定位所需要的数据和信息。随着接收机的类型不同，接收机所具有的通道数目不等。每个通道，在某一时刻只能跟踪一颗卫星的一种频率信号，当某一颗卫星被锁定后，该卫星占据这一通道直到信号失锁为止。当接收机需同步跟踪多个卫星信号时，原则上可能采用两种跟踪方式：一种是接收机具

9、有多个分离的硬件通道，每个通道都可连续地跟踪一个卫星信号；另一种是接收机只有一个信号通道，在相应软件的控制下，可跟踪多个卫星信号。因此，目前大部分接收均采用并行多通道技术，可同时接收多颗卫星信号。对于不同类型的接收机，信号通道的数目也由1到12不等。现在一些厂家已推出可同时接收GPS卫星和GLONASS卫星信号的接收机，其信号通道多达24个。当前信号通道的类型有多种，若根据通道的工作原理，即对信号处理和量测的不同方式，则可分为码相关型通道、平方型通道和码相位型通道，它们分别采用不同的解调技术，三者的基本特点如下：(1)相关型波道：用伪噪声码互相关电路，实现对扩频信号的解扩，解译出卫星导航电文。

10、(2)平方型波道：用GPS信号自乘电路，仅能获取二倍于原载频的重建载波，抑制了数据码，无法获取卫星导航电文。(3)码相位波道：用GPS信号时延电路和自乘电路相结合的方法，获取P码或C/A码的码率正弦波，仅能测量码相位，而无法获取卫星导航电文。若根据跟踪卫星信号的不同方式，则可分为序贯通道、多路复用通道和多通道。3.2 存储器接收机内设有存储器，以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、载波相位观测值及人工测量数据。目前，GPS接收机都采用PC卡或内存作为存储设备。在接收机内还装有多种工作软件，如自测试软件；天空卫星预报软件；导航电文解码软件；GPS单点定位为了防止数

11、据的溢出，当存储设备达到饱和容量的95%时，便会发出“嘀嘀”的报警声，以提醒作3.3 计算与显控图7-1中的显控器，通常包括一个视屏显示窗和一组控制键盘，它们有的安设在接收单元的面板 147上，有的作为一个独立的终端设备。它是人机对话的窗口，通过它，可对接收机进行配置，让接收设备按照配置的要求去工作。通过它可输入一些必要的信息，如测站名、天线高、点的坐标等。当然也可以通过它调用存储在接收机里的数据信息和功能，它是RTK作业流动站的必不可少的工具。接收机内的处理软件是实现GPS定位数据采集和通道自校检测自动化的重要组成部分，它主要用于信号（1）接收机开机后，立即指令各个通道进行自检，适时地在视屏

12、显示窗内展示各自的自检结果，并测定、校正和存储各个通道的时延值。（2）接收机对卫星进行捕捉跟踪后，根据跟踪环路所输出的数据码，解译出GPS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出测站的三维位置，并按照预置的位置数据更新率，不断更新(计算)点的坐标。（3）用已测得的点位坐标和GPS卫星历书，计算所有在轨卫星的升降时间、方位和高度角，并为作业人员提供在视卫星数量及其工作状况，以便选用“健康”的且分布适宜的定位卫星，达到提高点位精（4）接收用户输入的信号，如测站名、测站号、天线高和气象参数等。3.4 电源GPS接收机的电源有两种：一种是内电源，一般采用锂电池，主要用于为

13、RAM存储器供电，以防止数据丢失；另一种为外接电源，这种电源常采用可充电的12V直流镉镍电池组或锂电池，有的也可采用汽车电瓶。当用交流电时，需经过稳压电源或专用电流交换器。当机外电池下降到11.5V时，便自动接通内电池。当机内电池低于10V时，若没有连接上新的机外电池，接收机便自动关机，停止工作，以免缩短使用寿命。在用机外电池作业过程中，机内电池能够自动地被充电。二、GPS 接收机的类型GPS导航与定位技术的迅速发展和应用领域的不断开拓，使得世界各国对GPS接收机的研制与生产极为重视。目前世界上GPS接收机的生产厂家约有数十家，而接收机的型号超过上百种。根据不同的观测点，GPS接收机有多种不同

14、的分类，现将其常见分类介绍如下：1、接收机的用途分类根据接收机的用途，可分为导航型、测量型和授时型接收机。（1）导航型接收机，主要用于确定船舶、车辆、飞机和导弹等运载体的实时位置和速度，以保障这些载体按预定的路线航行。导航型接收机，一般采用以测码伪距为观测量的单点实时定 位，或实时差分定位，精度较低。这类接收机的结构较为简单，价格便宜，其应用极为广泛。（2）测量型接收机，主要是指适于进行各种测量工作的接收机。这类接收机，一般均采用载波相位观测量进行相对定位，精度很高。测量型接收机与导航型接收机相比，其结构较复杂，价格较（3）授时型接收机，结构简单，主要用于天文台或地面监控站，进行时频同步测定。

15、2、按接收机接收的卫星信号分类接收机所接收的卫星信号的频率，可分为码相位接收机、 单频接收机(L1)、双频接收机(L1,L2) 和信标接收机。（1）码相位接收机：采用C/A码、P码作测距信号，虽然可能利用导航电文提供的参数，对观测量进行电离层折射影响的修正，但由于C/A码、P码测距精度较差，所以，码相位接收机主要用于导航型和手持型低精度接收机。（2）单频接收机：能接收经调制的L1载波信号。这时虽然可能利用导航电文提供的参数，对观测量进行电离层折射影响的修正，但由于修正模型尚不完善，精度较差。所以，单频接收机主要用于基线较短(不超过20km)的精密定位和导航。（3）双频接收机:可以同时接收L1载

16、波和L2载波信号。利用双频技术可以消除或大大减弱电离层折射对观测量的影响，因而在长基线上仍然可以获得高精度的定位结果148（4）信标接收机：同时接收GPS卫星测距码信号和无线电指向标-差分全球定位系统信号。因而2在300Km范围内仍然可以获得13米实时定位结果。信标接收机主要用于沿海地区无线电指向标覆盖区域海上船只导航定位。3、按接收机的通道数分类根据接收机信号通道的类型，可分为多通道接收机、序贯通道接收机和多路复用通道接收机。GPS接收机在导航和定位工作中，需要跟踪多颗卫星。对于来自不同卫星的信号，必须首先把它们分离开来，以便进行处理，量测获得不同卫星信号的观测量。而GPS接收机的通道，主要

17、作用就是将接收到的不同卫星信号加以分离，以实现对各卫星信号的跟踪、处理和量测。(1)多通道接收机，即具有多个卫星信号通道，而每个通道只连续跟踪一个卫星信号的接收机。所以，这种接收机也称为连续跟踪型接收机，一般设置412个通道。(2)序贯通道接收机，通常只具有12个通道。为了跟踪多个卫星信号，它在相应软件的控制下，能按时序依次对各个卫星信号进行跟踪和量测。由于对所测卫星依次量测一个循环所需要时间较长（>20ms）,所以其对卫星信号的跟踪是不连续的。(3)多路复用通道接收机，与序贯通道接收机相似，一般也只具有1-2个通道，在相应软件的控制下，按时序依次对所有观测量卫星的信号进行量测，其与序贯

18、通道接收机的区别，主要是对所测卫星信号量测一个循环的时间较短（20ms）可以保持对卫星信号的连续跟踪。4、按接收卫星系统分类（1）单星系统： 通常只具有跟踪1个卫星导航定位系统能力的卫星信号接收机。目前主要有GPS接收机、GLONASS接收机、北斗接收机等。（2）双星系统：同时具有跟踪2个卫星导航定位系统能力的卫星信号接收机。目前主要有 GPS GLONASS 集成接收机。（3）多星系统：同时具有跟踪2个以上卫星导航定位系统能力的卫星信号接收机。目前主要有 GPS GLONASS EGNOS集成接收机。5、按接收机的作业模式分类（1）静态接收机：具有标准静态、快速静态功能的接收机。（2）动态接

19、收机：具有动态、准动态功能和实时差分技术的接收机。6、 按接收机的结构分类（1）分体式接收机：所谓分体式是将组成接收机的接收机主机、天线、控制器、电台、电源各单元全部或部分设计为独立的整体，它们之间需利用电缆或蓝牙技术进行数据通讯，但从仪器基本结构分析，则可概括为天线单元和接收单元两大部分，如图7-5（a）所示。将图示的两个单元分别安装成两个独立的部件，以便天线单元安设在测站上，接收单元置于测站点附近的适当位置，用电缆将两者联成一个整体。（2）整体式接收机：所谓整体式是将组成接收机的接收、天线、控制器、电台、电源各单元在制造过程中全部或部分集成成一个整体，或各单元之间模块化集成，无电缆连接，图

20、7-5（b）所示。（3）手持式接收机：整体式结构，接收机主机、天线、控制器、电源各单元全部高度集成一体化，接收机系统根据手持特点设计封装，具有功耗小、重量轻、价格低廉等特点，应用十分广泛，图7-5（c）所示。随着GPS接收机的集成化的提高，目前市场上的GPS接收机总趋势是从分体式结构向一体式结构发展。149分体式接收机(a)整体式接收机(b)整体式接收机(b)图7-5 按接收机的结构分类 手持式接收机(c)7、 按接收机的工作原理分类根据接收机的工作原理可分为码相关型接收机、平方型接收机和混合型接收机（1）码相关型接收机：第一代GPS接收机，特点是能够产生与所测卫星的测距码结构完全相同的复制码

21、。工作过程中通过逐步相移，使接收码与复制码达到最大相关，以测定卫星信号到达用户接收机天线的传播时间。码相关型接收机可利用C/A码，也可利用P码，其工作条件是必须掌握测距码的结构，所以这种接收机也称码接收机。（2）Z跟踪技术接收机：第二代GPS接收机，L1、L2载波相位完全独立，且信号强度增加，噪声减弱。 C/A码常规宽带相关伪距 、 P码伪距或AS条件下自动切换为Ashtech专利的Z码伪距，信号强度比互相关伪距强10倍。（3）窄距相关技术接收机：第三代GPS接收机，在这种接收机中，相关过程分为三步：在码发生器中除了产生准点码(P)外，还产生早码(E)和晚码(L)借助这三种码可确定三个自相关函

22、数。早码或晚码是在早或晚T2瞬间产生。此处T称为相关间距。由于生成这三种码，故可利用这三种码的自相关函数，也可在时延锁环(DLL)中将本机码跟踪接收的卫星码，利用早、晚码鉴频器，可求出早、晚码自相关函数之差。自相关函数具有对称性，只要早、晚码鉴频器在零点附近呈线性特征，自相关函数即可达到最大值。P码伪距自动切换为NavAtel专利的精码伪距，信号强度比互相关伪距强20。使CA码达到P码的精度，而且能使多路径误差减小一半，效果极好。（4）共同跟踪技术接收机：第四代GPS接收机，接收机采用载波相位的共同跟踪技术，其改进的基础是同时用两种类型的锁相环(PLL)。第 1种PLL跟踪接收机存在动力学特性

23、(包括接收机的运动和内部振荡器)，这一PLL利用的是所有可见卫星的总功率，具有20 Hz左右的宽带宽。第2种锁相环是专门为跟踪某一颗卫星的动力学而设计的。这些单独的环路具有比较窄的带宽(约2 Hz)。这样的两种环路的组合，既能改进跟踪能力，又能降低测量噪声(10倍)。共同跟踪的能力不仅能跟踪低信号场强的卫星(密林中或低仰角)，而且也能跟踪高动态和强 干扰条件下(低信噪比)的卫星信号。总之，共同跟踪具有如下优点：a) 可以跟踪信号很低的卫星；b) 可以跟踪受到信号干扰的卫星(硬件抑制干扰的能力也起着作用)；c) 尽管许多卫星被同时遮挡，但周跳仍不发生，这是因为接收机及其时钟的动力学特征( 是 周

24、跳的主要来源)形成的所有卫星信号组合仍被跟踪着，对于AS条件下的GPS L2信号的跟踪特别150重要；d) 暂时失锁时，卫星能瞬时地被重新捕获；e) 由于有很窄的独立的卫星载波跟踪环(2Hz20Hz)工作，使测量数据的质量改进了10dB； f) 由于对所有卫星组合信号进行跟踪，大大改进了输出频率信号的质量；g) 由于接收机及其时钟的动力学特性跟卫星重捕和跟踪是密不可分的，故低场强信号卫星 的初始捕获迅速。（5）多星技术接收机：所谓多星技术接收机就是GPSGLONASS集成接收机，用一台接收机同时接收和测量GPS及GLONASS两种卫星信号，以致在世界上任何地方和任何时候的陆海空用户，能准确地测

25、得他们的三维位置、三维速度和时间，甚至三维姿态参数，并确保它们稳定可靠的高精度。相对于用单一卫星星座的GPS或GLONASS接收机而言，具有下述优越性：能够消除间隙时段。当用单一的GPS星座作导航定位测量时，对于某地某时也许只能见到4颗GPS卫星，而这4颗卫星所构成的几何图形又较差，致使三维位置几何精度因子(PDOP)超过6，而显著地放大位置和时间误差，这个时段称为“间隙时段”。如果同一台接收机能够同时接收、跟踪、变换和测量GPS和GLONASS两种卫星信号，则可从48颗卫星的GPSGLONASS混合星座中选适宜的卫星，构成定位星座。从而消除上述导航定位测量的间隙时段，以此保证高精度导航定位的

26、连续性和可靠性。能够实现真正的全球连续的精确导航。当用单一的GPS星座作导航测量时，理论上只需观测4颗卫星。但试验结果表明，仅仅观测4颗卫星难以实现连续的精确导航。特别是在高动态的应用场合，运动载体和GPS卫星之间存在着较大的加速度径向分量，易于导致接收机跟踪环路的失锁。若采用GPSGLONASS集成接收机，既可在一天的任何时候接收4颗以上的卫星信号，又可选择径向加速度较小的卫星构成定位星座，而确保精确导航测量的连续性。 能够以较短的数据采集时间获得较高的导航定位精度。试验成果表明用GPSGLONASS混合星座作导航定位的二维位置精度比用单一GPS星座的二维位置精度高达70(如图7-6所示)，

27、用GPSGLONASS混合星座作单频差分测量的精度和用单一GPS星座作双频差分测量的精度是相似的。GPSGLONASS集成接收机还能够在繁杂的地形和地物环境下补偿被中断接收的卫星信号，确保导航定位测量的正常进行。还能够在一个星座因故不能为我国用户所用的情况下，而采用另一个星座，以此提高利用导航卫星的可靠性。151图7-6 用单一GPS星座和GPSGLONASS混合星座的二维位置测量精度比较（6）开放型接收机：整合了GPS和与其它测量仪器，例如将GPS与全站仪完美结合，集成了GPS接收机的高性能全站仪。无控制点测图、长导线和后方交会操作，只需在全站仪上安装开放型GPS接收机，并使用GPS确定该点

28、的准确位置，然后就可以使用全站仪进行测量、放样。仅仅通过简单的安装调试，就可以简单、快速地测量作业，相同的使用方法，便捷的相互间切换模式。更快、更精确、更有效的工作特性。尽情享受GPS带来的自由、便捷和强大功能。图7-7 开放型接收机随着GPS定位技术的迅速发展，GPS接收机的研制发展很快，新产品不断推出。目前国内通常使用的测量型GPS信号接收机主要有：美国Trimble公司、法国THALES公司及欧洲Leica公司和日本TOPCON公司生产的系列产品。国内常用的几种测量型GPS接收机见表7-1152153三、GPS接收机选型与检验1、 GPS接收机选型 1.1 接收机基本功能GPS接收机是完

29、成测量任务的关键设备，其性能、型号与测量的精度有关，测量型GPS接收机应具有如下基本功能：（1） 自动捕捉、跟踪可视卫星，优选星座； （2） 载波相位测量；（3） 能获取导航电文，并保存； （4） 显示观测信息；（5） 自动监测机内电路工作状态，并显示监测结果，自动报警； （6） 电源电压预报，自动切换备用电源； （7）天线设置抑径板；（8）监测和实时改正天线相位中心偏差； （9）导航定位双功能； （10）支持多样作业模式； （11）差分定位功能； 1.2 接收机基本配置GPS接收机完成测量任务的关键指标精度、数量与测量的精度有关，GPS接收机的选用可参考表7-2。表7-2 接收机的选用GPS接收机结构选择比较参考表7-3。1.3 接收机优选指标表7-4接收机的优选指标1542、 GPS接收机