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        GPS接收機的結構原理

        2013-07-02 10:57:22 來源: 中國衛星導航定位協會
        聊聊

         

         

        1、GPS接收機的基本結構

        GPS接收機主要由GPS接收機天線單元、GPS接收機主機單元和電源三部組成。天線單元的主要功能是將GPS衛星信號非常微弱的電磁波轉化為電流,并對這種信號電流進行放大和變頻處理。而接收機單元的主要功能是對經過放大和變頻處理的信號電源進行跟蹤、處理和測量,圖1描述了GPS信號接收機的基本結構。

        圖1 GPS接收機的基本結構

         

        如果把GPS接收機作為用戶測量系統,那么按其構成部分的性質和功能,可分為硬件部分和軟件部分。

           硬件部分,主要系指上述天線單元、接收單元的硬件設備。而軟件部分是支持接收機硬件實現其功能,并完成各種導航與定位任務的重要條件。一般來說,軟件包括內軟件和外軟件。所謂內軟件是指諸如控制接收機信號通道按時序對各衛星信號進行量測的軟件以及內存或固化在中央處理器中的自動操作程序等。這類軟件已和接收機融為一體。而外軟件主要是指觀測數據后處理的軟件系統,這種軟件一般以磁盤方式提供。如果無特別說明,通常所說接收設備的軟件均指后處理軟件系統。

        軟件部分是構成現代GPS測量系統的重要組成部分之一。一個功能齊全、品質良好的軟件,不僅能方便用戶使用,滿足用戶的各方面要求,而且對于改善定位精度,提高作業效率和開拓新的應用領域都具有重要意義。所以,軟件的質量與功能已成為反映現代GPS測量系統先進水平的一個重要標志。

        天線單元

        天線單元由接收天線和前置放大器兩個部件組成,如圖2所示。其基本功能,是接收GPS衛星信號,并把衛星信號的能量轉化為相應的電流量,經過前置放大器,將微弱的GPS信號電流予以放大,送入頻率變換器進行頻率變換,以便接收機對信號進行跟蹤和量測。

         

        圖2天線單元基本結構

        2.1 對天線的要求

        (1)天線與前置放大器一般應密封為一體。以保障其在惡劣的氣象環境中能正常工作,并減少信號損失。

        (2)天線均應成全圓極化。使天線的作用范圍為整個上半球,在天頂處不產生死角,以保證能接收來自天空任何方向的衛星信號。

        (3)天線必須采取適當的防護和屏蔽措施。以最大限度地減弱信號的多路徑效應,防止信號被干擾。

        (4)天線的相位中心與幾何中心之間的偏差應盡量小,且保持穩定。由于GPS測量的觀測量,是以天線的相位中心為準的,而在作業過程中,應盡可能保持兩個中心的一致性和相位中心的穩定。

        2.2天線的類型

        目前,GPS接收機的天線有多種類型,其基本類型見圖3所示。

         

        圖3 天線類型

        (1)單極天線。這種天線屬單頻天線,具有結構簡單,體積小的優點。需要安裝在一塊基板上 , 以利于減弱多路徑的影響。

        (2)螺旋形天線。這種天線頻帶寬,全圓極化性能好,可接收來自任何方向的衛星信號。但也屬于單頻天線,不能進行雙頻接收,常用作導航型接收機天線。

        (3)微帶天線。微帶天線是在一塊介質板的兩面貼以金屬片,其結構簡單且堅固,重量輕,高度低。既可用于單頻機,也可用于雙頻機,目前大部分測量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。這種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。這種天線可同時在兩個頻道上工作,主要優點是增益性好。但由于天線較高,而且螺旋線在水平方向上不完全對稱,因此天線的相位中心與幾何中心不完全一致。所以,在安裝天線時要仔細定向,使之得以補償。

        (5)帶扼流圈的振子天線,也稱扼流圈天線。這種天線的主要優點是,可以有效地抑制多路徑誤差的影響。但目前這種天線體積較大且重,應用不普遍。

        圖4錐形天線與帶扼流圈天線

        接收單元

        GPS信號接收機的接收單元主要由信號通道單元、存儲單元、計算和顯示控制單元、電源等4個部分組成。圖7-1繪出了接收單元的主要結構,現擇要予以介紹。

        3.1 信號通道

        信號通道是接收單元的核心部件,它不是一種簡單的信號通道,而是一種由硬件和相應的控制軟件相結合的有機體。它的主要功能是跟蹤、處理和量測衛星信號,以獲得導航定位所需要的數據和信息。隨著接收機的類型不同,接收機所具有的通道數目不等。每個通道,在某一時刻只能跟蹤一顆衛星的一種頻率信號,當某一顆衛星被鎖定后,該衛星占據這一通道直到信號失鎖為止。當接收機需同步跟蹤多個衛星信號時,原則上可能采用兩種跟蹤方式:一種是接收機具有多個分離的硬件通道,每個通道都可連續地跟蹤一個衛星信號;另一種是接收機只有一個信號通道,在相應軟件的控制下,可跟蹤多個衛星信號。因此,目前大部分接收均采用并行多通道技術,可同時接收多顆衛星信號。對于不同類型的接收機,信號通道的數目也由1到12不等。現在一些廠家已推出可同時接收GPS衛星和GLONASS衛星信號的接收機,其信號通道多達24個。當前信號通道的類型有多種,若根據通道的工作原理,即對信號處理和量測的不同方式,則可分為碼相關型通道、平方型通道和碼相位型通道,它們分別采用不同的解調技術,三者的基本特點如下:

        (1)相關型波道:用偽噪聲碼互相關電路,實現對擴頻信號的解擴,解譯出衛星導航電文。

            (2)平方型波道:用GPS信號自乘電路,僅能獲取二倍于原載頻的重建載波,

        抑制了數據碼,無法獲取衛星導航電文。

        (3)碼相位波道:用GPS信號時延電路和自乘電路相結合的方法,獲取P碼或C/A碼的碼率正弦波,僅能測量碼相位,而無法獲取衛星導航電文。

        若根據跟蹤衛星信號的不同方式,則可分為序貫通道、多路復用通道和多通道。

        3.2 存儲器

            接收機內設有存儲器,以存儲一小時一次的衛星星歷、衛星歷書,接收機采集到的碼相位偽距觀測值、載波相位觀測值及人工測量數據。目前,GPS接收機都采用PC卡或內存作為存儲設備。在接收機內還裝有多種工作軟件,如自測試軟件;天空衛星預報軟件;導航電文解碼軟件;GPS單點定位軟件等。

            為了防止數據的溢出,當存儲設備達到飽和容量的95%時,便會發出“嘀嘀”的報警聲,以提醒作業人員進行及時處理。

        3.3 計算與顯控

            圖7-1中的顯控器,通常包括一個視屏顯示窗和一組控制鍵盤,它們有的安設在接收單元的面板上,有的作為一個獨立的終端設備。它是人機對話的窗口,通過它,可對接收機進行配置,讓接收設備按照配置的要求去工作。通過它可輸入一些必要的信息,如測站名、天線高、點的坐標等。當然也可以通過它調用存儲在接收機里的數據信息和功能,它是RTK作業流動站的必不可少的工具。接收機內的處理軟件是實現GPS定位數據采集和通道自校檢測自動化的重要組成部分,它主要用于信號捕獲、環路跟蹤和點位計算。在機內軟件的協同下,微處理機主要完成下述計算和數據處理:

        (1)接收機開機后,立即指令各個通道進行自檢,適時地在視屏顯示窗內展示各自的自檢結果,并測定、校正和存儲各個通道的時延值。

        (2)接收機對衛星進行捕捉跟蹤后,根據跟蹤環路所輸出的數據碼,解譯出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出測站的三維位置,并按照預置的位置數據更新率,不斷更新(計算)點的坐標。

        (3)用已測得的點位坐標和GPS衛星歷書,計算所有在軌衛星的升降時間、方位和高度角,并為作業人員提供在視衛星數量及其工作狀況,以便選用“健康”的且分布適宜的定位衛星,達到提高點位精度的目的。

        (4)接收用戶輸入的信號,如測站名、測站號、天線高和氣象參數等。

        3.4 電源

            GPS接收機的電源有兩種:一種是內電源,一般采用鋰電池,主要用于為RAM存儲器供電,以防止數據丟失;另一種為外接電源,這種電源常采用可充電的12V直流鎘鎳電池組或鋰電池,有的也可采用汽車電瓶。當用交流電時,需經過穩壓電源或專用電流交換器。當機外電池下降到11.5V時,便自動接通內電池。當機內電池低于10V時,若沒有連接上新的機外電池,接收機便自動關機,停止工作,以免縮短使用壽命。在用機外電池作業過程中,機內電池能夠自動地被充電。

         

         

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