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GPS接收机的结构原理

2013-07-02 10:57:22 来源: 中国卫星导航定位协会
聊聊

 

 

1、GPS接收机的基本结构

GPS接收机主要由GPS接收机天线单元、GPS接收机主机单元和电源三部组成。天线单元的主要功能是将GPS卫星信号非常微弱的电磁波转化为电流,并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,图1描述了GPS信号接收机的基本结构。

图1 GPS接收机的基本结构

 

如果把GPS接收机作为用户测量系统,那么按其构成部分的性质和功能,可分为硬件部分和软件部分。

   硬件部分,主要系指上述天线单元、接收单元的硬件设备。而软件部分是支持接收机硬件实现其功能,并完成各种导航与定位任务的重要条件。一般来说,软件包括内软件和外软件。所谓内软件是指诸如控制接收机信号通道按时序对各卫星信号进行量测的软件以及内存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。而外软件主要是指观测数据后处理的软件系统,这种软件一般以磁盘方式提供。如果无特别说明,通常所说接收设备的软件均指后处理软件系统。

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。

天线单元

天线单元由接收天线和前置放大器两个部件组成,如图2所示。其基本功能,是接收GPS卫星信号,并把卫星信号的能量转化为相应的电流量,经过前置放大器,将微弱的GPS信号电流予以放大,送入频率变换器进行频率变换,以便接收机对信号进行跟踪和量测。

 

图2天线单元基本结构

2.1 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)天线均应成全圆极化。使天线的作用范围为整个上半球,在天顶处不产生死角,以保证能接收来自天空任何方向的卫星信号。

(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)天线的相位中心与几何中心之间的偏差应尽量小,且保持稳定。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。

2.2天线的类型

目前,GPS接收机的天线有多种类型,其基本类型见图3所示。

 

图3 天线类型

(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。

(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。

图4锥形天线与带扼流圈天线

接收单元

GPS信号接收机的接收单元主要由信号通道单元、存储单元、计算和显示控制单元、电源等4个部分组成。图7-1绘出了接收单元的主要结构,现择要予以介绍。

3.1 信号通道

信号通道是接收单元的核心部件,它不是一种简单的信号通道,而是一种由硬件和相应的控制软件相结合的有机体。它的主要功能是跟踪、处理和量测卫星信号,以获得导航定位所需要的数据和信息。随着接收机的类型不同,接收机所具有的通道数目不等。每个通道,在某一时刻只能跟踪一颗卫星的一种频率信号,当某一颗卫星被锁定后,该卫星占据这一通道直到信号失锁为止。当接收机需同步跟踪多个卫星信号时,原则上可能采用两种跟踪方式:一种是接收机具有多个分离的硬件通道,每个通道都可连续地跟踪一个卫星信号;另一种是接收机只有一个信号通道,在相应软件的控制下,可跟踪多个卫星信号。因此,目前大部分接收均采用并行多通道技术,可同时接收多颗卫星信号。对于不同类型的接收机,信号通道的数目也由1到12不等。现在一些厂家已推出可同时接收GPS卫星和GLONASS卫星信号的接收机,其信号通道多达24个。当前信号通道的类型有多种,若根据通道的工作原理,即对信号处理和量测的不同方式,则可分为码相关型通道、平方型通道和码相位型通道,它们分别采用不同的解调技术,三者的基本特点如下:

(1)相关型波道:用伪噪声码互相关电路,实现对扩频信号的解扩,解译出卫星导航电文。

    (2)平方型波道:用GPS信号自乘电路,仅能获取二倍于原载频的重建载波,

抑制了数据码,无法获取卫星导航电文。

(3)码相位波道:用GPS信号时延电路和自乘电路相结合的方法,获取P码或C/A码的码率正弦波,仅能测量码相位,而无法获取卫星导航电文。

若根据跟踪卫星信号的不同方式,则可分为序贯通道、多路复用通道和多通道。

3.2 存储器

    接收机内设有存储器,以存储一小时一次的卫星星历、卫星历书,接收机采集到的码相位伪距观测值、载波相位观测值及人工测量数据。目前,GPS接收机都采用PC卡或内存作为存储设备。在接收机内还装有多种工作软件,如自测试软件;天空卫星预报软件;导航电文解码软件;GPS单点定位软件等。

    为了防止数据的溢出,当存储设备达到饱和容量的95%时,便会发出“嘀嘀”的报警声,以提醒作业人员进行及时处理。

3.3 计算与显控

    图7-1中的显控器,通常包括一个视屏显示窗和一组控制键盘,它们有的安设在接收单元的面板上,有的作为一个独立的终端设备。它是人机对话的窗口,通过它,可对接收机进行配置,让接收设备按照配置的要求去工作。通过它可输入一些必要的信息,如测站名、天线高、点的坐标等。当然也可以通过它调用存储在接收机里的数据信息和功能,它是RTK作业流动站的必不可少的工具。接收机内的处理软件是实现GPS定位数据采集和通道自校检测自动化的重要组成部分,它主要用于信号捕获、环路跟踪和点位计算。在机内软件的协同下,微处理机主要完成下述计算和数据处理:

(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。

3.4 电源

    GPS接收机的电源有两种:一种是内电源,一般采用锂电池,主要用于为RAM存储器供电,以防止数据丢失;另一种为外接电源,这种电源常采用可充电的12V直流镉镍电池组或锂电池,有的也可采用汽车电瓶。当用交流电时,需经过稳压电源或专用电流交换器。当机外电池下降到11.5V时,便自动接通内电池。当机内电池低于10V时,若没有连接上新的机外电池,接收机便自动关机,停止工作,以免缩短使用寿命。在用机外电池作业过程中,机内电池能够自动地被充电。