第6课GPS

GPS接收机及其结构1.1 GPS接收机的基本概念GPS用户设备主要包括GPS接收机及其天线，微处理器及其终端设备和电源. 其中，和天线是核心部分，通常被称为GPS. 主要功能是接收GPS卫星发送的信号并对其进行处理以获得导航消息和必要的观测结果. 1.2 GPS接收机的主要结构: 微处理器: 用于接收机控制，数据收集和导航计算的GPS接收机的功能. GPS的结构如图所示. 天线前置信号是微处理器导航计算机振荡器的用户信息传输数据存储外部传输功率GPS根据组件的性质和功能进行划分: 软件部分: 支持硬件以实现其功能并完成各种功能的程序导航和测量任务. 包括内部软件和外部软件. 所谓的内部软件是指诸如控制接收机的信号信道，根据定时测量每个卫星信号以及在中央处理器中固化的自动操作程序之类的软件. 此类软件已集成到中. 外部软件是指处理观测数据的软件系统，通常在磁盘上提供. 除非另有说明，否则该软件通常是指外部软件. 2.1根据接收机的用途，它可以分为: 导航类型: 用于飞机，轮船，作战车辆，汽车，轮船，低空侦察卫星，导弹制导等移动载体；通常，伪距的单点实时测量用于观测定位或差分GPS（RTDGPS）定位，精度低，结构简单，价格便宜，应用广泛.

移动目标监视系统监视和管理中心的测量类型: 用于控制测量，地形测量，变形监视，道路放样和地震观测等领域；通常，载波相位观测用于高精度的相对定位. 观测到的数据可以在测量或实时处理（RTK）之后进行处理，并且需要配备功能齐全的数据处理软件. 与导航类型相比，结构复杂且昂贵. GPS（RTK）GPS（RTK）GPS GPS时间服务类型: 主要用于天文台或地面监测站进行时频同步测量. 手持式: 用于GIS数据收集或导游，指南2.2根据的工作原理，可以分为: 与代码有关的: 它可以生成与被测卫星具有相同结构的复制代码. 范围代码. 使用C / A代码或P代码，条件是掌握测距代码的结构，也称为代码. 平方型接收机: 使用载波信号的平方技术去除调制码，并获得载波相位测量所需的载波信号. 该机仅使用卫星信号，无需解码，无需掌握测距码的结构，称为. 混合接收机: 综合利用码相关技术和平方技术的优势，同时获得码相位和精确载波相位的观测值. 目前被广泛使用. 2.3根据接收到的卫星信号的频率: 仅接收调制的L1信号. 尽管导航消息提供的参数可用于修改电离层对观测的影响，但由于校正模型尚不完善且精度差，因此主要用于短基线精度小于20 km的定位.

双频（L1 + L2）: 它可以在L1和L2频带上接收C / A码，并接受L1和L2信号. 使用双频技术，可以消除或减弱电离层折射. 结果，定位精度更高. 2.4根据信号通道的类型: 多通道: 具有多个卫星信号通道，每个通道仅连续跟踪一个卫星信号. 也称为连续跟踪. 顺序频道: 只有1-2个信号频道. 为了跟踪多个卫星，在相应软件的控制下依次跟踪和测量每个卫星信号. 顺序测量一个周期（大于20ms）需要花费很长时间，并且卫星信号的跟踪是不连续的. 复用信道: 类似于顺序信道，只有1-2个信号信道，并且在相应软件的控制下依次跟踪和测量每个卫星信号. 顺序测量一个周期（少于20毫秒）需要花费很短的时间，这可以使卫星信号保持连续，并且信号通道可以理解为GPS卫星通过天线传输到的信号路径. 当的全向天线从天线水平上方接收所有卫星信号时，必须首先通过中的多个独立信号通道将这些信号隔离以进行处理和测量. 该通道由硬件和相应的软件组成. 每个频道一次只能跟踪一个卫星的一个频率信号. 当需要同时跟踪多个卫星信号时，原则上可以使用两种跟踪方法: 首先gps接收机的主要任务，具有多个单独的硬件通道，并且每个通道都可以连续跟踪卫星信号. 二，信号通道在相应软件的作用下，跟踪多个卫星信号.

排序通道复用通道根据通道的工作原理，即信号处理和测量的不同方法，分为: 码相关通道（correlationchannel），方波通道（squaringchannel），码相位通道（codephase channel）. 接收天线3.1天线的作用天线的基本功能是将卫星信号中的能量转换为相应的电流，并通过前置放大器进行频率转换，以便跟踪信号，过程和测量. 3.2天线的基本要求: 天线和前置放大器应密封成一个整体，以确保在恶劣天气环境下能正常工作. 天线应该是完全圆极化的: 天线的作用范围必须是整个上半球，并且在天顶上不产生死角，以确保它可以接收来自天空中任何方向的卫星信号. 天线必须采取适当的保护和屏蔽措施: 例如，添加基板以尽可能降低信号的多径效应，以防止信号干扰. 天线相位中心与其几何中心之间的偏差应尽可能小并保持稳定. 3.3天线类型: 接收机天线类型很多，基本类型如下: （1）单极或偶极天线: 是一种单频天线，结构简单，体积小. 通常将其安装在基板上以减少多径影响. （2）四线螺旋或螺旋结构天线: 属于单频天线，其结构比单极天线复杂. 生产上很难进行调整，但是它具有良好的增益，并且通常不需要底板.

（3）微波传输带天线: 简称微带天线. 结构最简单，坚固，可用于单频或双频，天线高度低，因此是飞机上安装的理想天线. 缺点是增益很低，但是可以使用低噪声前置放大器来降低增益. （4）锥形天线: 也称为螺旋天线. 它可以同时在两个通道上工作. 好处是增益很好，但是天线更高，螺旋线在水平方向上不是完全对称的，并且天线的相位中心和几何中心并不完全重合. （5）带有扼流圈的偶极天线: 简称扼流圈天线. 由NASA在1987年开发. 其主要特点是可以有效地抑制多径误差的影响. 缺点是它笨重. 天线的质量对于减少信号损耗，防止信号干扰以及提高定位精度至关重要. 为了不断提高天线性能，当前天线设计的主要任务是: 改善天线生产工艺. 几个测量型双频GPS接收机的主要参数Wild200S Trimble4000 SE Ashtech尺寸NovAtel RPK-3151来源瑞士美国美国加拿大首次生产年份1994 1992 1991 1995通道数1212体积cm 10004784 1881 1085重量kg 1.6 2.5 1.6 1.0天线micro型带微带微带扼流圈，微带功耗W 10 -20-50-20-55 -20-60 -40-65标称精度10mm + 2ppmD10mm + 2ppm GPS性能指标4.1卫星轨道有24颗GPS卫星沿六个轨道绕地球运行轨道（一组四个）. 通常，地球的同一侧不超过12颗卫星. 大多数GPS可以跟踪8到12颗卫星.

至少需要3颗卫星才能计算LAT / LONG（二维）坐标. 再添加一件以计算3D坐标. 对于给定的位置，GPS接收机此时会知道附近有哪些卫星，因为它不断接收来自这些卫星的更新信号. 4.2并行通道一些消费类GPS设备具有2到5个并行通道来接收卫星信号. 由于最多可以看到12颗卫星（平均为8颗），这意味着GPS必须访问每颗卫星才能获得有关每颗卫星的信息. 市场上大多数GPS都是12种并行信道类型，这使它们能够连续跟踪每颗卫星的信息. 12通道的优点包括快速冷启动和卫星信息的初始化，并且在林区中可以有更多. 良好的接待. 通常，除非您处于封闭空间内（例如机舱或机舱），否则12通道接收机不需要外部天线. 4.3定位时间是指GPS接收机重启后确定当前位置所花费的时间. 对于12通道，如果它位于最后定位的位置附近，则冷启动期间的定位时间通常为3至5分钟，热启动期间的定位时间通常为15至30秒，而2通道的大部分时间为在冷启动时，它们超过15分钟；在热启动时，它们超过2至5分钟. 4.4定位精度大多数GPS接收机的水平定位精度约为5m-10m，但这仅在未打开SA的情况下. 4.5 DGPS功能为了最小化SA和大气折射的影响，有一种称为DGPS发射器的设备.

这是一个固定的GPS（在勘探地点的100km至200km范围内设置）以接收卫星信号. 从理论上讲，它确切地知道卫星信号将发送到的精确时间gps接收机的主要任务，然后将其与实际的发送时间进行比较，然后计算“差”，这非常接近SA和大气折射的影响，它将发送此差异，其他GPS可以使用它来获得更准确的位置读数（5m〜10m或更小的误差）. 只要客户购买的GPS具有DGPS功能，许多GPS设备提供商就会在某些地区为客户免费使用DGPS发射器. 4.6信号干扰为了获得良好的定位，GPS接收机至少需要3到5颗卫星才能可见. 如果您在峡谷中，或者在两边都是高楼的街道上，或者在茂密的丛林中，您可能无法联系足够多的卫星来定位或获取二维坐标. 同样，如果您在建筑物中，则可能无法更新位置. 一些GPS有一个单独的天线，可以将其连接到挡风玻璃上，或者可以在汽车的车顶上放置一个外部天线，这有助于获取更多的卫星信号. 4.7物理指标购买GPS设备时，必须考虑物理指标，例如尺寸，重量，显示屏，防水，防震，防尘性能，耐高温性和功耗. GPS测量技术的软件系统是为了支持接收机完成各种测量. 这项任务的基本条件，一个功能强大且高质量的数据处理软件系统，对于提高定位精度，提高运营效率和探索GPS应用的新领域具有重要意义.

测量GPS接收机的数据处理软件系统由以下重要模块组成； 5.1观测计划软件: 该软件可以生成天空卫星分布图，显示卫星高度和方位角，并给出表征卫星几何构型PDOP的精度因子，以便选择最佳卫星构型和最佳观测周期. 5.2观测数据预处理软件: 主要功能是编辑，处理和组织原始观测数据，并分发各种特殊信息文件，以备进一步调整. •数据传输: GPS接收机记录的观测数据被传输到磁盘或其他介质上进行处理和存储. •数据分发: 根据原始记录，通过解码对数据进行排序和排序，并删除无效的观测值和冗余信息，以形成各种数据文件，例如星历文件，观测文件和台站信息文件；进行进一步处理. . •观测数据的平滑和过滤: 消除重大错误，并进一步删除无效的观测. •统一数据文件格式: 从不同类型的数据记录格式，项目和采样间隔生成数据文件格式（通过RINEX），以进行统一处理. •卫星轨道的标准化: 统一来自不同来源的卫星轨道信息的表达方式，使GPS卫星每小时发送的轨道参数变平滑，并在观测期内使卫星轨道标准化. •自动检测周跳并修复载波相位观测值. •对观察结果进行必要的更正. •基线向量的定义. 5.3基线矢量处理软件: •处理多种仪器的同步观测数据，并给出载波相位观测值差异的固定和浮动解.

•同步边缘观测数据的质量检查，包括观测数据的拒绝率，观测值的残差分析以及不同时间段重复观测边缘的准确性检查. •应用广播星历或精密后处理星历来处理观测数据. •跟踪改进方法，用于精确的相对定位数据处理. 目标的初始值. •处理结果的输出值是测量站的空间直角坐标和大地坐标，基线矢量的坐标差，基线的长度，方位角和大地高度差以及方差和输出的协方差. •处理不同定位模式的观测数据，例如静态，快速静态，准动态和动态定位模式. •支持静态快速解决方法，用于整周的未知数. •支持基于载波相位观测的实时动态定位技术（RTK或RTDGPS）. 5.4 GPS网络调整软件: •网络质量检查主要包括计算和检查网络中图形（三角形和多边形）的闭合误差. •将基线向量的调整结果用作相关观测值，以对GPS网络进行整体调整. •调整结果给出了WGS-84中空间直角坐标，大地坐标和高斯平面坐标以及它们的方差和协方差以及用户所需的坐标系. •可以根据用户要求选择不同的调节方法. 5.5 GPS网络和经典地面网络的联合调整软件•选择两个网络之间的转换模型. •确定网络的方差和协方差模型以及网络的基准. •三维联合调整和准确性评估. •大地或平面坐标系中的二维关节调整和精度评估.

•调整结果应给出不同坐标系中网络点的坐标值，两个网络之间的转换参数及其方差和协方差. •将大地水准面安装在测量区域并计算正常高度. 5.6管理软件: 主要功能包括数据存储和检索，测量结果的存档以及与国家控制网络或其他系统软件（例如GIS）的接口. 软件系统的研究与开发极大地促进了GPS测量技术的发展，提高了GPS测量技术的现代化水平，并显示出巨大的技术潜力. 当前的发展趋势主要是: •进一步增强综合数据处理功能，支持多种测量模式以满足不同的用户需求. •加强网络调整，协调系统转换和结果分析功能. •优化GPS网络及其与经典地面网络的联合调整方法，以提高数据处理速度并提高调整结果的准确性. •增强绘图功能并开发用于控制测量，地形特征测量和绘图的集成软件系统. •提高自动诊断和修复周转单的能力. •开发一种技术来快速解决整个星期的未知数，缩短观察时间并提高操作效率. •开发和改进动态确定整周未知数的技术，并进一步开发精确的实时相对定位技术. •改进数据处理的数学模型和技术，以进一步提高定位结果的准确性. •开发用于数据处理的轨道改进技术，以提高远距离测量精度•差分GPS（例如DGPS，LADGPS，WADGPS等）校正量算法优化和数据传输格式标准化. •提高数据处理的自动化水平.

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