GPS接收机基本工作原理

(2) 平方型接收机

平方型接收机是利用载波信号的平方技术去掉调制信号，来恢复完整的载波信号，通过相位计测定接收机内产生的载波信号与接收到的载波信号之间的相位差，测定伪距观测值gps定位的基本原理。

(3) 混合型接收机

这种仪器是综合上述两种接收机的优点，既可以得到码相位伪距，也可以得到载波相位观测值。

(4) 干涉型接收机

这种接收机是将GPS卫星作为射电源，采用干涉测量方法，测定两个测站间距离。

4.4.2 GPS接收机的组成及工作原理

GPS接收机主要由 1、GPS接收机天线单元；2、GPS接收机主机单元；3、电源三部分组成。

接收机主机由变频器、信号通道、微处理器、存贮器及显示器组成（见图4-8）。

1.GPS接收机天线

电特性前置器输入： 接收非接触式3300 htps16mm电涡流探头和延伸电缆的信号电源： 要求-19.6vdc至-26vdc，电流最大为12ma。2、接收部分： 接收部分为二次变频超外差方式，从天线输入的信号经过收发转换电路和带通滤波器后进行射频放大，在经过带通滤波器，进入一混频，将来自射频的放大信号与来自锁相环频率合成器电路的第一本振信号在第一混频器处混频并生成第一中频信号。对于放大后的信号，我们需要对它进行调制，最简单的便是用手台，但手台的选型非常重要，我们需要选全频段的手台，至少能够在接收137.7m的情况下，可采用wfm接收模式（由卫星的信号调制方式决定），带宽至少达到卫星下行信号带宽要求，一般为几十khz。

——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疚的措施；

——天线的相位中心保持高度的稳定，并与其几何中心昼一致。

GPS接收机天线有下列几种类型：

(1)单板天线

这种天线结构简单、体积较小，需要安装在一块基板上，属单频天线。

(2)四螺旋形天线

四螺旋形天线是由四条金属管线绕制而成，底部有一块金属掏板。这种天线频带寒风，全圆极化性能好，可捕捉低高度角卫星。缺点是不能进行双频接收，抗震性差，常用作导航型接收机天线。

(3)微带天线

微带天线是在厚度为h（h≤λ）的介质板两边贴以金属片。一边为金属底板，一边做成矩形或圆形等规则形状，见图4-9。这种天线也称为贴片天线。微带天线的特点是高度低，重轻，结构简单并且坚固，易于制造；既可用于单频机，又可用于双频机。缺点是增益较低。目前大部分测地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

锥形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。这种天线可以同进出在两个频率上工作。锥形天线的特点是增益好。但是由于其天线较高，并且在水平方向上不对称，天线相位中心与几何中心不完全一致。因此，在安置天线时要仔细定向并且要给于补偿。

GPS天线接收来自20000km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。对于双频接收机设有两路前置放大器以养活带宽，控制外来信号干扰，也防止f1,f2信号干扰。大部分GPS天线都与前置放大器结合在一起，但也有些导航型接收机为减少天线重量、便于安置、避免雷电事故，而将天线和前置放大器分开。

2.接收机主机

(1)变频器及中频接收放大器

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：搜索卫星，索引并跟踪卫星；对广播电文数据信号衽解扩，解调出广播电文；进行伪距测量、载波相位测量及多普勒频移测量。图4-10为相关通道的电路原理图。

这两 个序列发生器产生伪随机噪声（pn）二值序列，在调制端将传送信号在频域进行扩展，在解调端解扩该扩频发 送信号。在各卫星中，为了调制l1信号，所用伪随机序列例如是所谓的 c/a代码(粗代码/采集代码)，该代码是来自gold代码族中的代码。调制后的信号s t 为 接收端天线上感应的信号经过高放和混频得到以下几部分信号:有用信号si t 、信道噪声ni t 、干扰信号ji t 和其他网的扩频信号sj t 等，即收到的信号（经混频）后为ri t si t +ji t +ni t +sj t 接收端的伪随机码产生器产生的伪随机序列与发送端的相同，但起始时间和初始相位可能不同，为c' t 。

(3)存贮器

接收机内设有存贮器或存贮卡以存贮卫星星历、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贮器（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。在存贮器内还装有多种工作软件，如：自测试软件；卫星预报软件；导航电文解码软件；GPS单点定位软件等。

(4)微处理器

微处理器是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。其离要工作步骤为：

①接收机开机后首先对整个接收机工作善进行自检，并测定、校正、存贮各通道的时延值。

十三五期间，将加快现代测绘基准体系建设，完成卫星导航定位基准站的北斗化升级改造，统筹建成2500个以上站点规模的全国卫星导航定位基准站网，实现我国地心坐标框架的动态维持与更新，形成覆盖全国的分米级实时位置服务能力，全面提升基准和位置服务水平。为提高定位精度，普遍采用差分gps(dgps)技术，建立基准站(差分台)进行gps观测，利用已知的基准站精确坐标，与观测值进行比较，从而得出一修正数，并对外发布。水平位移计算，可采用直接由两周期观测方向值之差解算坐标变化量的方向差交会法，亦可采用按每周期计算观测点坐标值，再以坐标差计算水平位移的方法。

③根据机内存贮的卫星历书和测站近似位置，计算所有在轨卫星卫星升降时间、方位和高度角。

④根据预先设置的航路点坐标和单点定位测站位置计算导航的参数航偏距、航偏角、航行速度等。

⑤接收用户输入信号，如：测站名，测站号，作业员姓名，天线高，气象参数等。

(5)显示器

GPS接收机都有液晶显示屏以提供GPS接收机工作信息。并配有一个控制键盘。用户可通过键盘控制接收机工作，对于导航接收机，有的还配有大显示屏，在屏幕上直接显示导航的信息甚至显示数字地图。

3.电源

GPS接收机电源有两种，一种为内电源，一般采用锂电池，主要用于RAM存贮器供电，以防止数据丢失。另一种为外接电源，这种电源常用可充电的12V直流镉镍电池组，或采用汽车电瓶。当用交流电时，要经过稳压电源或专用电流交换器。

高频头的主要作用是将天线接收到的下行从地面上发射并穿透大气层———卫星接收到量子信号并按需要将其转发到另一特定卫星———量子信号从该特定卫星上再次穿透大气层到达地球某个角落的指定接收地点。

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