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    當前位置:電子發燒友網 > 圖書頻道 > 通信 > 《GPS定位原理及應用》 > 第4章 GPS衛星的導航電文和衛星信號

    第4節 GPS接收機基本工作原理

    4.4.1  GPS接收機的分類

    1.按接收機的用途分類  按用途接收機可分為:

    (1) 導航型接收機

    此類型接收機主要用于運動載體的導航,它可以實時給出載體的位置和速度。這類接收機一般采用C/A碼偽距測量,單點實時定位精度較低一般為±25m,有SA影響時為±100m。這類接收機價格便宜,應用廣泛。根據應用領域的不同,此類接收機可以進一步分為:

    車載型——用于車輛導航定位;

    航海型——用于船舶導航定位;

    航空型——用于飛機導航定位。由于飛機運行速度快,因此,在航空用的接收機要求能適應高速運動。

    星載型——用于衛星的導航定位。由于衛星的運動速度高達7公里/s以上,因此對接收機的要求更高。

    (2) 測地型接收機

    測地型接收機主要用于精密大地測量和精密工程測量。這類儀器主要采用載波相位觀測值進行相對定位,定位精度高。儀器結構復雜,價格較貴。

    (3) 授時型接收機

    這類接收機主要利用GPS衛星提供的高精度時間標準進行授時,常用于天文臺及無線電通訊中時間同步。

    2.按接收機的載波頻率分類

    (1) 單頻接收機

    單頻接收機只能接收L1載波信號,測定載波相位觀測值進行定位。由于不能有效消除電離層延遲影響,單頻接收機只適用于短基線(<15km)的精密定位。

    (2) 雙頻接收機

    雙頻接收機可以同時接收L,L載波信號。利用雙頻對電離層延遲的不一樣,可以消除電離層對電磁波信號延遲的影響,因此雙頻接收機可用于長達幾千公里的精密定位。

    3.按接收機通道數分類

    GPS接收機能同時接收多顆GPS衛星的信號,為了分離接收到的不同衛星的信號,以實現對衛星信號的跟蹤、處理和量測,具有這樣功能的器件稱為天線信號通道。根據接收機所具有的通道種類可分為:

    (1) 多通道接收機

    (2) 序貫通道接收機

    (3) 多路多用通道接收機

    4.按接收機工作原理分類

    (1) 碼相關型接收機

    碼相關型接收機是利用碼相關技術得到偽距觀測值。

    (2) 平方型接收機

    平方型接收機是利用載波信號的平方技術去掉調制信號,來恢復完整的載波信號,通過相位計測定接收機內產生的載波信號與接收到的載波信號之間的相位差,測定偽距觀測值。

    (3) 混合型接收機

    這種儀器是綜合上述兩種接收機的優點,既可以得到碼相位偽距,也可以得到載波相位觀測值。

    (4) 干涉型接收機

    這種接收機是將GPS衛星作為射電源,采用干涉測量方法,測定兩個測站間距離。

    4.4.2  GPS接收機的組成及工作原理

    GPS接收機主要由 1、GPS接收機天線單元;2、GPS接收機主機單元;3、電源三部分組成。

    接收機主機由變頻器、信號通道、微處理器、存貯器及顯示器組成(見圖4-8)。

    1.GPS接收機天線

    天線由接收機天線和前置放大器兩部分所組成。天線的作用是將GPS衛星信號的極微弱的電磁波能轉化為相應的電流,而前置放大器則是將GPS信號電流予以放大。為便于接收機對信號進行跟蹤、處理和量測,對天線部分有以下要求:

    ——天線與前置放大器應密封一體,以保障其正常工作,減少信號損失;

    ——能夠接收來自任何方向的衛星信號,不產生死角;

    ——有防護與屏蔽多路徑疚的措施;

    ——天線的相位中心保持高度的穩定,并與其幾何中心晝一致。

    GPS接收機天線有下列幾種類型:

    (1)單板天線

    這種天線結構簡單、體積較小,需要安裝在一塊基板上,屬單頻天線。

    (2)四螺旋形天線

    四螺旋形天線是由四條金屬管線繞制而成,底部有一塊金屬掏板。這種天線頻帶寒風,全圓極化性能好,可捕捉低高度角衛星。缺點是不能進行雙頻接收,抗震性差,常用作導航型接收機天線。

    (3)微帶天線

    微帶天線是在厚度為h(h≤λ)的介質板兩邊貼以金屬片。一邊為金屬底板,一邊做成矩形或圓形等規則形狀,見圖4-9。這種天線也稱為貼片天線。微帶天線的特點是高度低,重輕,結構簡單并且堅固,易于制造;既可用于單頻機,又可用于雙頻機。缺點是增益較低。目前大部分測地型天線都是微帶天線。這種天線更適用于飛機、火箭等高速飛行物上。

    (4)錐形天線

    錐形天線是在介質錐體上,利用印刷電路技術在其上制成導電圓錐螺旋表面,也稱盤旋螺線型天線。這種天線可以同進出在兩個頻率上工作。錐形天線的特點是增益好。但是由于其天線較高,并且在水平方向上不對稱,天線相位中心與幾何中心不完全一致。因此,在安置天線時要仔細定向并且要給于補償。

    GPS天線接收來自20000km高空的衛星信號很弱,信號電平只有-50~-180dB;輸入功率信噪比為S/N=-30dB。即信號源淹沒在噪聲中。為了提高信號強度,一般在天線后端設有前置放大器。對于雙頻接收機設有兩路前置放大器以養活帶寬,控制外來信號干擾,也防止f1,f2信號干擾。大部分GPS天線都與前置放大器結合在一起,但也有些導航型接收機為減少天線重量、便于安置、避免雷電事故,而將天線和前置放大器分開。

    2.接收機主機

    (1)變頻器及中頻接收放大器

    經過GPS前置放大器的信號仍然很微弱,為了使接收機通道得到穩定的高增益,并且使L頻段的射頻信號變成低頻信號,必須采用變頻器。

    (2)信號通道

    信號通道是接收機的核心部分,GPS信號通道是硬軟件結合的電路。不同類型的接收機其通道是不同的。

    GPS信號通道的作用有三:搜索衛星,索引并跟蹤衛星;對廣播電文數據信號衽解擴,解調出廣播電文;進行偽距測量、載波相位測量及多普勒頻移測量。圖4-10為相關通道的電路原理圖。

    從衛星接收到的信號是擴頻的調制信號,所以要經過解擴、解調才能得到導航電文。為了達到此目的,在相關通道電路中設有偽碼相位跟蹤環和載波相位跟蹤環。

    (3)存貯器

    接收機內設有存貯器或存貯卡以存貯衛星星歷、衛星歷書、接收機采集到的碼相位偽距觀測值、載波相位觀測值及多普勒頻移。目前,GPS接收機都裝有半導體存貯器(簡稱內存),接收機內存數據可以通過數據口傳到微機上,以便進行數據處理和數據保存。在存貯器內還裝有多種工作軟件,如:自測試軟件;衛星預報軟件;導航電文解碼軟件;GPS單點定位軟件等。

    (4)微處理器

    微處理器是GPS接收機工作的靈魂,GPS接收機工作都是在微機指令統一協同下進行的。其離要工作步驟為:

    ①接收機開機后首先對整個接收機工作善進行自檢,并測定、校正、存貯各通道的時延值。

    ②接收機對衛星進行搜索捕捉衛星。當捕捉到衛星后即對信號進行牽引和跟蹤,并將基準信號譯碼得到GPS衛星星歷。當同時鎖定4顆衛星時,將C/A碼偽距觀測值連同星歷一起計算測站的三維坐標,并按預置位置更新率計算新的位置。

    ③根據機內存貯的衛星歷書和測站近似位置,計算所有在軌衛星衛星升降時間、方位和高度角。

    ④根據預先設置的航路點坐標和單點定位測站位置計算導航的參數航偏距、航偏角、航行速度等。

    ⑤接收用戶輸入信號,如:測站名,測站號,作業員姓名,天線高,氣象參數等。

    (5)顯示器

    GPS接收機都有液晶顯示屏以提供GPS接收機工作信息。并配有一個控制鍵盤。用戶可通過鍵盤控制接收機工作,對于導航接收機,有的還配有大顯示屏,在屏幕上直接顯示導航的信息甚至顯示數字地圖。

    3.電源

    GPS接收機電源有兩種,一種為內電源,一般采用鋰電池,主要用于RAM存貯器供電,以防止數據丟失。另一種為外接電源,這種電源常用可充電的12V直流鎘鎳電池組,或采用汽車電瓶。當用交流電時,要經過穩壓電源或專用電流交換器。

    綜上所述,接收機的主要任務是:當GPS衛星在用戶視界升起時,接收機能夠捕獲到按一不定期衛星高度截止角所選擇的待測衛星,并能夠跟蹤這些衛星的運行;對所接收到的GPS信號,具有變換、放大和處理的功能,以便測量出GPS信號從衛星到接收天線的傳播時間,解譯出GPS衛星所

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