第4章 GPS卫星信号和GPS信号接收机2

第4章GPS卫星信号和GPS信号接收机§4.1GPS卫星信号§4.2GPS信号接收机概述复习思考题§4.2GPS信号接收机概述一、GPS接收机的基本概念（一）定义

（二）GPS接收机的组成

二、GPS接收机的信号通道三、GPS接收机的分类四、GPS接收机的工作原理

（一）定义“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。”（二）GPS接收机的组成GPS接收机天线单元GPS接收机主机单元变频器及中频放大器信号通道

存储器微处理器显示器

电源

（二）GPS接收机的组成把GPS接收机作为一个用户测量系统：硬件部分接收机天线、主机和电源等硬件设备；软件部分支持接收机硬件实现其功能，并完成各种导航和测量任务的软件机内软件：控制接收机对卫星信号的跟踪、处理和量测的软件，以及固化在中央处理器中的自动操作程序等GPS数据测后处理软件包三、GPS接收机的分类工作原理：

码相关型接收机

平方型接收机

混合型接收机

集成接收机

软件接收机信号通道类型：多通道接收机序贯通道接收机多路复用通道接收机接收信号的频率：

单频接收机

双频接收机测距码的类型：

C/A码接收机

P码接收机能否从信号中提取导航电文：

有码接收机

无码接收机用途：

导航型接收机

测地型接收机

授时型接收机导航型接收机

用于运动载体的导航特点：可以实时给出载体的位置和速度一般采用C/A码伪距测量，单点实时定位精度较低，一般为士25m价格便宜，应用广泛

根据应用领域的不同：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

星载型—用于卫星的导航定位

其他类型测地型接收机

主要用于精密大地测量和精密工程测量特点：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，价格较贵单频接收机

只能接收L1载波信号；因此，只能利用L1载波相位观测值以及调制在L1载波上的C/A码、P（Y）码进行定位；由于单频接收机不能有效消除电离层延迟影响，因此单点定位的精度较差；在静态相对定位中，一般只适用于短基线（小于15km）的精密相对定位。

双频接收机

可以同时接收L1、L2载波信号；因此，可以利用L1、L2载波相位观测值以及调制在L1、L2载波上的C/A码、P1（Y）码、P2（Y）码进行定位；利用双频观测值可以很好地消除电离层延迟的一阶项影响。因此双频接收机可用于长达几千公里的精密定位。码相关型接收机――有码接收机

通过产生与所测卫星的测距码结构完全相同的复制码，实现接收码与复制码的最大相关，来测定卫星信号到达信号接收机天线的传播时间，进而获得伪距观测值。C/A码接收机P码接收机平方型接收机――无码接收机

利用平方技术去掉调制码，来恢复载波（半波），然后，通过测定接收机内产生的参考载波信号与接收到的卫星载波信号之间的相位差，来获取载波相位观测值。

平方型接收机无需解码，因而不必掌握测距码的结构，故也称为无码接收机。

混合型接收机

综合利用码相关技术和平方技术的优点，既可以得到码相位观测值，也可以得到精密的载波相位观测值。目前，在测量工作中使用的测地型接收机多属这种类型。

二、GPS接收机的信号通道1、GPS接收机信号通道的概念2、信号通道的类型根据跟踪卫星信号的方式不同序贯通道多路复用通道多通道根据通道的工作原理码相关型通道平方型通道码相位型通道1、GPS接收机信号通道的概念可理解为：GPS卫星信号经由天线进入接收机的“路径”。信号通道由硬件和相应的控制软件组成。每个通道，在某一时刻只能跟踪一颗卫星的一种频率信号。当接收机需要同步跟踪多个卫星信号时，原则上可采取两种跟踪方式：①接收机具有多个分离的通道②接收机只有一个信号通道

序贯通道“对进入该通道的所有卫星信号，在软件的控制下，按时序依次进行跟踪和量测”对所测卫星信号量测一个循环，所需时间大于20ms，一般为数秒～数分钟。优点：①硬件通道数少，结构简单，有利于减小接收机的体积和重量；②各卫星信号在通道中的延迟相同，因此不存在信号间的通道延迟误差。

缺点：①不能同时接收卫星的导航电文，需要一个额外的通道来获取导航电文②通道的控制软件较为复杂③难以保持对载波信号的连续跟踪

多路复用通道“对进入该通道的所有卫星信号，在软件的控制下，按时序依次进行跟踪和量测”对卫星信号量测一个循环，所需时间小于或等于20ms，比序贯通道的时间要短。

优点：

①

②

③能同时接收卫星的导航电文；

④可以连续地跟踪载波信号，实现对载波相位的连续测量。

缺点：①通道的控制软件较为复杂；②接收GPS卫星信号的信躁比较低。

多通道“具有多个信号通道（4个以上），且每个通道只连续跟踪一个卫星信号”优点：①可以连续地跟踪卫星信号，实现对卫星信号的测距码和载波相位的连续测量；②同时可接收卫星的导航电文；③具有较好的信躁比。缺点：①各通道间存在信号延迟的偏差，必须进行比对和改正；②通道数较多，结构较为复杂，不利于减轻接收机的体积和重量。

码相关型通道“以码相关技术为依据，处理和量测GPS卫星信号的通道”主要由码跟踪环路和载波跟踪环路组成优点：既可以进行伪距测量，又可进行载波相位测量，并能获得导航电文，还具有良好的信躁比缺点：用户必须掌握伪随机码的结构，以便接收机能够复制出复制码。码跟踪环路作用：进行伪距测量，同时对卫星信号进行解调以获取导航电文和载波。

伪距测量把卫星信号和复制码混频，并将混频后的信号，通过带通滤波器消去卫星信号中的伪随机噪声码，可获得仅包含导航电文和载波的信号。

载波跟踪环路作用：对通过码跟踪环路后（去掉了伪随机噪声码）的卫星信号（全波），进行载波相位测量，并解调出卫星的导航电文。载波相位测量卫星载波信号被锁定后，再将其与参考载波信号混频，并通过低通滤波器去掉高频信号，就能获得导航电文。

平方型通道“以平方技术为根据，处理和量测卫星信号的通道”

基本工作原理

优点：无需掌握测距码(C／A码、P码)的结构，便能获得载波信号，进行载波相位测量。

缺点：无法获得卫星的导航电文和测距码信息；信躁比降低。

平方型通道的基本工作原理平方技术的基本思想：将接收卫星信号自乘，去掉载波上的调制码，得到载波的二次谐波，用于载波相位测量。

在平方型通道中，本机振荡器产生一个参考载波信号，经倍频后再与接收的卫星信号混频，即可得到一个频率较低的信号。将该信号平方后，消去调制码，而得到一个频率为原载波频率2倍的纯载波信号（半波），然后利用该信号便可进行精密载波相位测量。

码相位型通道在码相位通道中，使用数字通信系统中的自相关技术或互相关技术，进行码相位量测，获得测距码相位的量测值。优点：无需掌握测距码(C／A码、P码)的结构，便能获得载波信号，进行载波相位测量。

缺点：无法获得卫星的导航电文；观测量的精度较低，定位的精度也较低。

四、GPS接收机的工作原理接收机的工作原理，主要是指其对所跟踪卫星信号的处理和量测方法。接收机对卫星信号的处理、量测，都是在其信号通道内实现的，所以接收机的工作原理与信号通道的工作原理是一致的。

GPS/GLONASS集成接收机

1．概念：所谓GPS/GLONASS集成接收机，就是用一台接收机同时接收和测量GPS及GLONASS两种卫星信号，从而使世界上任意位置的陆、海、空用户，能够精确地测得其三维位置、三维速度和时间，甚至三维姿态参数，并确保它们达到稳定可靠的高精度。如图2．GPS/GLONASS集成接收机的优越性3.GPS/GLONASS集成接收机的关健技术

2．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；

试验结果表明，用GPS/GLONASS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%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；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，以此提高利用外国导航卫星的可靠性。

3.GPS/GLONASS集成接收机的关健技术寻求接收机的公共频率源；GPS卫星均采用两个相同的载波频率（1575．42MHz和1227．60M1Iz），而GLONASS卫星载波频率是随着卫星编号不同而异的；必须具有一个联系4种不同载波和4种不同伪噪声码的公共频率源。

处理两种坐标系统；GPS卫星采用WGS-84坐标系GLONASS卫星采用PZ-90坐标系

建立统一的时间尺度；①GPS信号发射时刻所用的GPS时系；

②GLONASS信号发射时刻所用的GLONASS时系；③接收机时钟所在的时系

GPS软件接收机

GPS软件接收机是软件无线电技术在GPS中的应用；软件无线电的概念：是指用可编程微处理器代替模拟或数字器件实现信号处理的大部分功能。软件无线电接收机的结构：如图与传统接收机的设计不同，软件接收机中的所有处理在一片可编程的微处理器上用软件实现，速度相对较慢。

GPS软件接收机的优点软件无线电接收机的结构图：GPS软件接收机的优点（1）便于GPS接收机的升级适合新一代GPS卫星的升级费用问题；GPS接收机接收其他卫星定位系统信号的兼容问题。（2）可以实现直接P(Y)码捕获CPS软件接收机，信号的相关运算可以通过FFT算法完成，可以减少信号的处理时间。（3）可以进行多种实时模拟GPS软件接收机可以对信号进行实时处理，也可以将抽样信号储存在储存器中。采用不同的算法后，用这些储存数据对新的算法进行测试，从而准确地比较不同算法的有效性和精度。（4）具有较高的定位精度可以通过改进定位算法，提高GPS定位精度。导航型GPS接收机GP