第四章GPS信号接收机20111102

第4章GPS信号接收机4.1GPS信号接收机的类型与发展4.2GPS信号接收机的基本结构4.3GPS信号接收机的工作原理4.4GPS信号接收机的基本性能检验4.1GPS信号接收机的发展与类型GPS信号接收机，是GPS导航卫星的用户设备，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。1964.TRANSIT卫星信号接收机；1980.第一台商品GPS信号接收机；1994.GPS和GLONASS信号集成接收机。4.1.1GPS信号接收机的发展国内测地型接收机的型号性能、用途

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卫星载波L1，L2伪噪声码C/A码，P码导航电文D码GPS信号L1，C/A，DL1，P，DL2，P，DGPS信号接收机载波L1，L2伪噪声码C/A码，P码导航电文D码GPS信号的处理流程GPS信号接收机的类型一、按用途分类：导航型接收机测地型接收机授时型接收机四、GPS接收机基本工作原理按接收机的用途分类:

（1）导航型接收机（附图）

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——用于飞机的导航定位。

用途：运动载体的导航，可实时给出载体的位置和速度

原理：采用C/A码伪距测量，单点实时定位精度较低，一般为±25m左右，GPS接收机的分类类四、GPS接收机基本工作原理导航型接收机的用途四、GPS接收机基本工作原理（2）测地型接收机原理：主要采用载波相位观测值进行相对定位，相对定位精度高。但其仪器结构复杂，价格较贵用途：精密大地测量和精密工程测量

（3）授时型接收机原理：利用GPS卫星提供的高精度时间标准进行授时，常用于天文台及无线电通讯中的时间同步。

GPS接收机基本工作原理按接收机的载波频率分类:（1）单频接收机只接收L1载波信号,测定载波相位观测值进行定位。不能有效消除电离层延迟影响。只适用于短基线（＜15Km）的精密定位。（2）双频接收机可同时接收L1、L2载波信号。可消除电离层对电磁波信号延迟的影响。可用于长达几千公里的精密定位。

单频GPS信号接收机的基本性能生产厂家GARMINLeicaTrimble型号GPS35LPSR510AgGPS114首产年代199919992000体积2.2*3.8*1.05(in)205*165*72(mm)6*5*1(in)重量3.88oz1.1kg1.38lb波道数121212观测量C/A伪距C/A伪距C/A伪距定时精度1000ns<100ns1000ns冷启动时间45s<3min2.5min热启动时间5s<45s<30s作业温度-30~85-20~55-30~65功耗/W1.15.33.1天线类型微带微带微带定位精度5m10+1PPM<1m注：1in=2.54cm，1lb=0.453592kg，1oz=28.349523g。双频GPS信号接收机的基本性能生产厂家AshtechLeicaTrimble型号Z-XtremeSR5305700首产年代200020012001体积7.75*3*8.75(in)205*165*72(mm)4.7*2.6*8.2(in)重量3.5lb1.65kg1.2kg波道数242418定时精度335ns100ns100ns冷启动时间150s<3min<90s热启动时间15s<45s<30s作业温度-30~55-20~55-40~65功耗/W676天线类型微带微带微带定位精度5mm+1PPM5mm+1PPM5mm+1PPMGPS接收机基本工作原理按接收机通道数分类：

（1）多通道接收机（2）序贯通道接收机（3）多路多用通道接收机

按接收机工作原理分类：

（1）码相关型接收机

（2）平方型接收机

（3）混合型接收机

（4）干涉型接收机

三、按通道数分信号通道：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。多通道接收机序贯通道接收机多路复用通道接收机（1）多通道接收机具有多个信号接收通道,每个通道只跟踪测量一颗卫星信号,所以可同时接收测量多颗卫星信号。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（2）序贯通道接收机仅具有一个信号接收通道,无法同时对多颗卫星信号进行跟踪测量。只能按时序顺次对各颗卫星的信号进行跟踪测量。但一个循环时间较长(数秒钟),无法对卫星的信号进行连续跟踪测量。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（3）多路复用通道接收机

只设一个或两个信号接收通道,但在相应软件控制下,依次对多颗卫星信号进行跟踪测量时其一个循环时间很短(一般不超过20ms),所以可对各颗卫星信号进行连续跟踪测量。但其信噪比低于多通道接收机。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四、按工作原理分码相关型接收机平方型接收机混合型接收机干涉型接收机

（1）码相关型接收机利用码相关技术将载波上的测距码去掉重新获得载波信号,这类接收机必须知道测距码的结构(P码或C/A码)。（2）平方型接收机将接收到的卫星载波信号进行平方去掉测距码和导航电文重新获得载波信号,这类接收机不必知道测距码的结构(P码或C/A码)。称为无码接收机。（3）混合型接收机这类接收机综合了以上两种接收机的优点,目前常用的接收机均为此类。（4）干涉型接收机此类接收机用于卫星射电干涉测量。4.1.3GPS/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。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。4.2GPS接收机的基本结构GPS接收机基本工作原理天线前置放大器电源部分射电部分微处理器数据存器显示控制器供电信号信息命令数据供电，控制供电数据控制GPS接收机基本工作原理GPS接收机的组成及工作原理GPS接收机天线单元主机单元电源变频器信号通道微处理器存贮器显示器GPS接收机基本工作原理显示器存储器频率变换频率综合基准频率信号解扩解调C/A码发生器P码发生器D（t）伪码测量载波相位测量CPU控制信号变换器信号通道数据输出前致放大器电源

天线线GPS接收机基本工作原理1）GPS接收机天线接收机天线——作用：将卫星信号的电磁波能转化为相应的电流。

前置放大器——作用：将微弱的GPS信号电流予以放大。设计要求：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；相位中心保持高度稳定，并与其几何中心尽量一致。天线单元：天线和LNA接收单元◆变频器和中频放大器◆信号波道◆存储器◆计算和显示控制单元电源天线类型：

（1）单板天线（2）四臂螺旋形天线（3）微带天线（4）锥形天线4.2.1天线单元天线种类◆单板天线（振子天线）安装在一块基板上，属单频天线。◆四臂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。◆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。◆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。可贴式GPS接收天线锥形天线微带天线船用天线天线单元的作用◆接收天线，是无线电波进入接收设备的入口，是将电磁波还原为高频电流的能量变换器。◆将到达GPS信号接收天线的功率较小的电磁波变换成微波

电信号，并将如此微弱的GPS电信号予以放大。天线基本概念：天线方向图：是辐射能量在空间分布状态的三维立体图形。极化：是无线电波的电场矢量所指的最大辐射方向；圆极化：当电场的垂直分量和水平分量大小相等，而相位差90度（或270度）时，则其合成电场的矢端，将以该电波的角做圆周旋转。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。天线波束半带宽大于70度的半球状方向图；电波右旋圆极化。目前大部分测量型接收机都用微带天线。这是因为微带天线体积小、重量轻、结构简单、性能优良,既适用于单频接收机,亦适用于双频接收机。其缺点是增益较低,但这可利用低噪声前置放大器（将信号电流放大）弥补。微带天线：微带贴片天线：介质基片、辐射贴片和接地板组成微带阵列天线：介质基片、接地板和一连串辐射片组成微带槽天线：微带馈线和开设在接地板上狭缝（槽）组成（1）变频器和中频放大器前置放大器频率变换器1~24信号波道存储器显控器微处理机数控接口电源PC机频率合成器标频器天线单元接收单元主要对卫星的射频信号进行变频。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。4.2.2接收单元（2）信号波道GPS卫星接收机可同时接收多颗卫星信号，为了分离接收到的不同卫星的信号，从而实现对卫星信号的跟踪，处理和测量，具有这种功能的器件称为信号波道。软硬件结合的电路，是接收机的核心。不是一种简单的信号通道，以“波道”名称予以区别

不同的接收机其波道是不一样的,其主要的功能为:搜索卫星。解调导航电文。对信号进行伪距测量、载波相位测量和多普勒测量。第1波道：第2波道：第3波道：第4波道：4个波道各测1颗卫星平行跟踪式跟踪模式序贯跟踪式秒(s)1个波道测量4颗卫星多重跟踪式20ms1个波道测量4颗卫星4.2.3存储器将所获得的导航电文、各种观测值等信息进行存储,以便进行数据处理或数据保存。存储器能够存储导航定位现场所采集的伪距、载波相位测量和人工测量的数据，所解译的GPS卫星星历等。存储器的容量随着数据率和被测卫星数的不同而不同。4.2.4计算和显控显控单元包括视屏显示窗和控制键盘。计算由微处理机完成。其中的处理软件，是实现GPS导航定位数据采集和波道自校检测自动化的重要部分，主要作用是信号捕获，环路跟踪和点位计算。对整个GPS接收机进行控制和管理。用于显示与导航或测量定位相关的信息。一体化双频接收机蓝牙GPS接收机4.2.5频率合成器

频率合成器：用一个独立的基准频率源（如晶体振荡器），在压控振荡器的支撑下，运用信号的分频和倍频功能，获得一系列与基准频率稳定度相同的信号输出。频率合成器的基本结构4.2.6电源GPS信号接收机一般以蓄电池作电源。可分为机内和机外两种电源。一种为内电源,主要用于为RAM存储器供电,以防止关机后数据丢失。另一种为外接电源,用于供接收机正常工作。通常为可充电的12V直流镉镍电池,也可用普通汽车电瓶。4.4GPS信号接收机的工作原理

GPS接收机主要工作程序：校验接收机的自身性能；捕获和跟踪在视待测卫星；校正接收机时钟；采集和记录导航定位数据；不断选用适宜的定位星座；实时计算用户位置和速度。接收机信号处理过程接收机主要工作程序：

接收机主要的两个过程：捕获和跟踪。

捕获过程完成对信号载波频率及PRN码码相位的粗略估计，为跟踪过程提供初始值，跟踪算法则完成对两者的精确估计。GPS接收机必须捕获和跟踪多个导航卫星信号中的伪随机码和载波，才能完成定位、测速和授时的功能。

GPS信号的捕获和跟踪处理是GPS接收机的关键部分。假设跟踪和测量来自第a颗卫星的GPS信号，则必须抑制和排斥来自其他各颗卫星的GPS信号。其方法是，依据不同的GPS卫星具有不同的伪噪声码，通过捕获和跟踪到第a颗卫星的伪噪声码，而实现GPS信号的识别。P码是一个具有个码元的长码，即使截短成了周期为7d的截短P码，其码元共有如果以每秒50个码元（50bit/s）的速率搜索P码，需要1432200d才能完成一个周期内的截短P码的搜索，这个无法实现的。而在C/A码1ms的时间周期共有1023个码片，若以50bit/s的速率搜索C/A码，只需20.46s就能够完成一个周期C/A码的搜索。因此，GPS信号接收机均采用先捕获和跟踪C/A码，利用C/A的信息辅助P码的捕获和跟踪。1.捕获C/A码

捕获的目的就是确定可见卫星及卫星信号的载波频率、码相位的粗略值。

GPS卫星信号采用码分多址（CDMA）技术，采用不同的伪随机码对不同卫星的导航数据进行扩频调制。为接收某一卫星的导航数据，就必须复现调制该导航数据的伪随机码，将复现的伪码同输入伪码在不同相位误差上做相关运算，使二者同步，从而完成解扩；由于GPS卫星在高速运动，其与接收机之间存在径向移动，会产生多普勒频移，因此为完成对某一颗卫星导航数据的解调，必须搜索到相应卫星所产生的多普勒频移的数值。因此，GPS卫星信号的捕获是一个二维捕获过程。对准C/A码的搜索区间（1）串行捕获方法：串行搜索算法要完成两维扫描：以500Hz的步长对IF所有载波频率进行频率扫描，对所有的1023不同的码相位进行相位扫描。总的扫描次数为：串行捕获方法原理图（2）并行码相位搜索捕获方法：并行码捕获方法（3）捕获结果捕获的三维图捕获的二维图2.跟踪前面的伪噪声码搜索，只能解决本地码和本地载波基本上分别对准接收码和接收载波的问题。两者的一一精确对齐，还需依靠伪噪声码跟踪环路和载波跟踪环路（Costas环）。DLL和PLL组合跟踪环结构图2.1伪噪声码跟踪环路码跟踪环的目标是保持对信号中特定码相位的跟踪，其输出是对信号中码的精确幅值。GPS接收机中的码跟踪环是称为超前-滞后跟踪环的延迟锁定环（DLL）。三路本地码：对准码（P）、超前码（E）、滞后码（L）。接收码G(t)分别送到P、E、L路乘法器，对应的本地码分别为则E、L两路的互相关系数分别为对于时元tk的离散采样的互相关系数分别为通过码环路鉴别器来调整本地的PRN码发生器，直到本地码和接收码同步为止。此时，P路的输出为因此，P路所输出的信号是较纯净的数据码和中频载波，亦即解扩信号至此，伪噪声码跟踪环路便达到了跟踪伪噪声码的目的。其跟踪精度可达到十分之一码元宽度或更高。图6－10

C/A码的相关输出

2.2载波跟踪环路GPS接收机采用Costas环卫载波跟踪环的原因：Costas环对180°相位不敏感，即对导航数据引起的相位翻转不敏感。正交支路Q路的相乘结果为：相乘后的结果在经过低通滤波器，那么信号中频率为2倍中频的分项将被滤除，信号变为：如果图中的本地码相位精确对齐，则I路的相乘结果为：为得到反馈给载波相位振荡器的表达式，本地载波的相位误差可由下式得到：如果正交支路的相关结果为零，而同相支路的相关值对大，那么此时的相位误差最小，即这称为载波跟踪环路的相位锁定，达到了跟踪载波的目的。只有在这种情况下，同相乘法器经过低通滤波器输出的信号，才是一个纯净的数据码D(t)，进而解译得第a颗GPS卫星所发送的导航电文。鉴别器对输出的描述各种类型的Costas锁相环鉴别器表中列出了不同鉴别器的算法和特点。当实际相位误差为0或±180°时，鉴别器输出均为0。这就是Costas环对由导航数据符号变化引起的180°相移不敏感的原因。卫星跟踪结果4.5GPS观测量及其测量1GPS观测量如果忽略某些附加滞后相位，GPS信号接收机所接收到的GPS信号可表述为（4.5.1a）（4.5.1b）——分别为1575042MHz载波L1和1227.60MHz载波L2的振幅；——GPS信号从第j颗GPS卫星到达GPS接收天线的传播时间，它正比于站星瞬时距离；——第j颗GPS卫星的P码；——第j颗GPS卫星的C/A码；——第j颗GPS卫星的D码,亦即卫星导航电文；——第一载波L1的角频率；——第二载波L2的角频率；——第j颗GPS卫星载波L1的初相；——第j颗GPS卫星载波L2的初相；——第j颗GPS卫星载波L1的多普勒角频率；——第j颗GPS卫星载波L2的多普勒角频率；

从式（4.5.1）可见，第j颗GPS卫星发送的导航定位信号，能够提供下列观测量而测定同一站星距离：（1）C/A码、调制于载波L1的P码（简称为L1-P码）、调制于载波L2的P码（简称为L2-P码）的伪距测量；（2）被C/A码调制的载波L1[即式（4.5.1a）的第二项，C/A-L1]，被P码调制的载波L1[即式（4.5.1a）的第一项，P-L1]，被P码调制的载波L2（亦即P-L2载波）的载波相位测量；

（3）L1-P码和L2-P码的群时延差动测量；（4）P-L1载波和P-L2载波的相位差动测量。上述观测量随着GPS信号接收机的类型不同而异。GPS信号接收机，是在C/A码步入跟踪区间后，依靠延时锁定环路（DLL）实现对C/A码的同步和跟踪。若要求DLL环路步入稳定的跟踪调节状态，必须有（4.5.2）——C/A码自GPS信号接收天线的延迟时间；——时延的估计值；——DLL环路的稳定调节区间，或简称为相关区间；现行的GPS信号接收机，所采用的相关区间绝大多数是一个C/A码码元（0.9775µs）。早晚差幂相关式最小的相关区间可达0.05个C/A码码元。早晚差幂相关器的C/A码测距误差为——C/A码码元宽度的相应长度（293.025m）；（4.5.3）——DLL环路的噪声频带宽度；

d

——相应于相关区间△T的C/A码码元数目（常用0.05≤d≤

1）；——DLL环路的信号噪声比；——预探测频带宽度（常用50Hz）的相应时间（以秒计）；从式（4.5.3）可见，在用同一个相关器的条件下，若采用宽相关区间（如d=1），C/A码的测距误差大，若采用窄相关区间（如d=0.1），C/A码的测距误差小。卫星编号

窄区相关

宽区相关

max/m

min/m

RMS/m

max/m

min/m

RMS/m

17

2.2

-2.4

0.7

5.2

-5.2

1.623

0.9

-1.4

0.4

2.9

-2.5

0.8

26

1.7

-2.7

0.6

7.1

-5.2

1.6

28

1.7

-2.0

0.7

4.1

-5.3

1.5

平均值

0.6

平均值

1.4卫星编号

窄区相关

宽区相关

max/m

min/m

RMS/m

max/m

min/m

RMS/m

17

0.7

-0.6

0.2

2.8

-2.1

0.823

0.5

-0.7

0.1

1.2

-1.7

0.4

26

0.9

-1.5

0.3

3.5

-4.0

1.0

28

0.8

-0.7

0.2

3.2

-2.7

0.9

平均值

0.2

平均值0.8

C/A码伪距测量误差的实测数据分析（天线不用抑径圈）

C/A码伪距测量误差的实测数据分析（天线使用抑径圈）测量伪距

伪距，是带有距离偏差的测点和卫星之间的距离，它是解算用户点位坐标的基础数据。从GPS卫星伪距是采用下述“分布”测量的方法：（1）用导航电文6s子帧的同步码（遥测码的第1~8bit——10001001）测量1.8×106km以内的站星距离，称之为同步粗测值；或者，用P码子码X1的1.5s时间周期测量4.5×105km以内的站星距离，称之为P码粗测值；（2）用C/A码的1ms时间周期测量300km以内的站星距离分量称之为C/A码粗测值；（3）用C/A码的码元相位测量300m以内的站星距离分量，称之为C/A码精测值；（4）用P码的码元相位测量30m以内的站星距离分量，称之为P码精测值。上述测量方法，都是用于测量同一时元的同一个站星距离，它们也像用尺长分别为1.8×106km、4.5×105km、300km、300m和30m的5把“电尺”，同时分别去量测同一站星距离，只不过同步粗测值和P码粗测值，是为了解决所测站星距离（其最大值约为26500km）的多值性（模糊度），因此，两种粗测值只需采用其中之一。但是，无论采用P码粗测值还是同步粗测值，其测量误差必须小于150km（0.5ms），以确保300km整倍数值的正确性。

电尺名称

尺长

被要求的测距误差

同步粗测尺1.8×106km

<±150km

P码粗测尺

4.5×105km

<±150km

C/A码粗测尺

300km

<±150m

C/A码精测尺

300m

<±15m

P码精测尺

30m

<±0.43m

伪距测量电尺及其要求的测距精度4.4GPS接收机的基本性能检验1.观测量大GPS基本观测量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）4.4.1GPS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3.具有双频甚至三频（对于GPSⅡF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。6.测量精度高