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GPS接收机工作原理

  GPS接收机主要是由GPS接收机天线单元,GPS接收机主机单元和电源单元三部分。GPS接收机作为用户测量系统,那么按gps接收机工作原理的性质和功能,可分为硬件部分和软件部分。

 

  一、硬件部分

 

      接收机主机由变频器、信号通道、微处理器、存储器及显示器组成,基本结构如下图

 

GPS接收机工作原理

GPS接收机工作原理图一

 

  1、变频器及中频放大器

 

  经过GPS前置放大器的信号仍然很微弱,为了使接收机通道得到稳定的高增益,并且使L频段的射频信号变成低频信号,必须采用变频器。

 

  2、信号通道

 

  信号通道是GPS接收机的核心部分,GPS信号通道是硬软件结合的电路,不同类型的接收机其通道是不同的。 GPS信号通道的作用有三,(1)搜索卫星,牵引并跟踪卫星;(2)对广播电文数据信号实行解扩,解调出广播电文;(3)进行伪距测量、载波相位测量及多普勒频移测量。相关信号通道的电路原理图如下:

 

GPS接收机工作原理

GPS接收机工作原理图二 

 

  从卫星接收到的信号是扩频的调制信号,所以要经过解扩、解调才能得到导航电文,因此在相关通道电路中设有伪码相位跟踪环和载波相位跟踪环。

 

  3、存储器

 

  接收机内设有存储器或存储卡以存储卫星星历、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,目前GPS接收机都装有半导体存储器(简称内存),接收机内存数据可以通过数据口传到微机上,以便进行数据处理和数据保存。

 

  4、微处理

 

  微处理是GPS接收机工作的灵魂,GPS接收机工作都是在微机指令统一协同下进行的,其主要工作步骤为:

 

  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,达到提高点位精度的目的。

 

  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。

 

  5、电源

 

  GPS接收机的电源有随机配备的内置电池,一般为锂电池,另一种为外界电源,一般采用汽车电瓶或者随机配备的专用电源适配器。综上所述,GPS信号接收机的任务是:接收GPS卫星发射的信号,能够捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星的信号,并跟踪这些卫星的运行,获得必要的导航和定位信息及观测量;对所接收到的GPS信号进行变换、放大和处理,以便测量出GPS信号从卫星到接收机天线的传播时间,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。

 

  6、接收机的天线

 

  天线由接收机天线和前置放大器两部分所组成,天线的主要功能是将GPS卫星信号极微弱的电磁波能转化为相应的电流,而前置放大器则是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。

 

天线基本结构

 

  天线基本结构

 

  (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、能够接受来自任何方向的卫星信号,不产生死角。

 

  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、天线的相位中心保持高度的稳定,并与其几何中心尽量一致。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)天线的类型

 

  目前,GPS接收机的天线有多种类型,其基本类型见下图所示。

 

天线基本结构

 

  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。但也属于单频天线,不能进行双频接收,常用作导航型接收机天线。

 

锥形天线与带扼流圈天线

 

  ③、微带天线。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、火箭等高速飞行物上。

 

  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。

 

  GPS天线接受来自20000公里高空的卫星信号很弱,信号电平只有-50~-180db,输入功率信噪比为S/N=-30db,即信号源淹没在噪声中,为了提高信号强度,一般在天线后端设有前置放大器。

 

 二、软件部分

 

  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,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。一般来说,软件包括内软件和外软件。内软件是指装在存储器内的自测试软件、卫星预报软件、导航电文解码软件、GPS单点定位软件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GPS观测数据后处理软件包。