第6章GPS

第2章GPS的主要内容GPS的功能GPS的类别GPS的天线GPS的信号处理GPS前端GPS信号采集和跟踪GPS的应用11 GPS功能GPS: GPS导航卫星用户设备，用于GPS卫星导航和定位的终端设备. 一种能够接收，跟踪，转换和测量GPS卫星导航定位信号的接收设备. 它的主要功能是接收和处理GPS卫星发送的信号，以获得导航消息和必要的观测信息. GPS和常用的接收设备之间的区别: 它们具有共同的特征，但也具有捕获，跟踪和处理弱卫星信号的特征. 21 GPS接收机的分类工作原理分类: 码相关型，方型，混合型；使用分类: 导航类型，测量类型gps接收机的主要任务，定时类型；载波频率分类: 单频（L1），双频（L1 + L2）；通道数: 多个通道，顺序通道，多路复用通道. 3三个GPS通道号多通道: 具有多个信号通道，每个通道仅连续跟踪一个卫星信号，也称为连续跟踪. （多通道）顺序通道: 一个通道可以不连续地跟踪卫星，但是结构简单，体积小，重量轻. （排序通道）复用通道: 一个或两个通道，一个周期耗时短，信噪比低于多个通道.

（复用通道）4测量GPS接收机测绘5测量GPS接收机应用6测量GPS接收机应用7 GPS接收机GIS收集户外探险8导航GPS接收机汽车导航9导航型GPS接收机航空导航10导航型GPS接收机航海导航11 GPS的军事应用12未来的智能汽车13 GPS系统，射频和物联网14 GPS有源或无源天线的框图RF线前置放大器参考振荡器RF单元自动增益控制（AGC）基带单元N2下变频器模拟中间频率A / D转换器数字中频1数字频道频率合成器直流稳压电源天线（包括前置放大器）RF单元基带信号处理显示控制单元功率存储微处理器用户界面15 GPS信号处理捕获并跟踪卫星信号;具有对接收到的GPS信号进行变换，放大和处理的功能. 测量GPS信号从卫星到接收天线的传播时间；解释输出GPS卫星发送的导航消息；实时计算车站的三维位置，速度和时间. 16传统GPS接收机的硬件结构GPS信号处理主要通过硬件实现. 17传统GPS的特点优点: 速度快，实时性能好缺点: 缺乏相当于黑匣子的灵活性，无法控制内部信号处理，也找不到信号丢失的原因.

当导航卫星信号的结构发生变化时，必须更换硬件以捕获或跟踪新的导航信号. 用软件代替硬件进行信号处理是软件的当前发展方向. 18 GPS软件的结构GPS软件使用软件来实现采集和跟踪. 19 GPS软件的功能优势: 高度的灵活性当您需要捕获新的卫星导航信号时，只需更改软件即可，而无需更换硬件. 当GPS信号失锁或无法捕获时，可以设置不同的捕获或跟踪参数来分析原因. 对于高动态条件，可以更改诸如多普勒频移的搜索范围之类的参数，以使接收机能够捕获和跟踪高动态信号. GPS软件，很难保证实时性. 20 GPS技术规范通道数: 能够同时并行接收和处理GPS卫星信号的能力； GPS通常具有1到12个频道. 接收到的跟踪信号的类型: 仅在L1载波上接收C / A码；在L1载波上接收和跟踪C / A代码和P代码，在L2载波上接收和跟踪P代码. 灵敏度: 灵敏度表征接收微弱信号的能力. 接收的信号越弱，其灵敏度越高. 灵敏度通常是最小的可检测信号功率S imin. 21 GPS技术指标可测量定位精度: 水平位置精度和垂直高度精度. 时间同步精度: GPS输出的时间脉冲和GPS信号的时间同步精度. 例如，GPS标准定位服务的时间同步精度为340 ns.

位置数据更新速率: 通常为1次/秒至10次/秒. 通常，高动态GPS接收机的更新率较高. 首次定位时间: GPS接收机从加电开始获得首次满足定位精度要求的定位结果所需的时间. 22 GPS接收机技术指标输入输出接口: GPS接收机应具有一两个数据输入输出接口. 工作电源要求: 电压类型，范围，功率损耗. 环境要求: 工作温度，湿度，储存温度，冲击和振动条件. 可靠性指标: 通常表示为设备的平均平均故障间隔时间（MTBF）的最低可接受值. 可维护性指数: 通常用设备平均维修时间（MTTR）表示. 23GIS数据采集GPS索引GPS性能: 50个通道（L1 C / A码），支持SBAS天线: 内置GPS天线定位时间: 热启动3秒，冷启动38秒定位精度①: 单点定位<2.5米（2D RMS），SBAS <2米（2D RMS）数据更新: 1Hz屏幕特性显示: 2.8英寸（43.2mm×57.6mm）TFT彩色触摸屏240×320像素操作面板: 触摸屏，电源键，菜单键，方向键（4个方向）24GIS数据收集GPS指示器数据通信和存储数据接口: USB数据通信: NMEA0183输出存储: 64MB内存支持Micro SD卡扩展存储空间，高达2G的电源特性电源: 使用两个或三个AA电池工作时间: 并联使用三节AA电池，在正常工作条件下可以工作12小时. 物理指标尺寸: 155.5mm×78.8mm×42.7mm（长×宽×厚）重量: 265g（不含电池）25GIS数据采集GPS指示器环境特性工作温度: -10℃〜+ 60℃储存温度: -20℃〜 + 70℃防尘防水: IP67耐摔性: 1.5米高自然落地实际定位精度和卫星状态，差分信号质量和现场工作环境.

典型工作状态: 在开放的环境中，GPS正常工作，并且GPS和背光（中）已打开. 26测量和测绘GPS跟踪特性: 通道数: 220通道多卫星多系统接收信号: -GPS: L1 C / A，L2E，L2C，L5-GLONASS: L1 C / A，L1 P，L2 C / A（仅GLONASS M），L2 P -SBAS: L1 C / A，L5 -GIOVE-A: L1 BOC，E5A，E5B，E5AltBOC -GIOVE-B: L1 CBOC，E5A，E5B，E5AltBOC（保留用于伽利略），北斗系统升级27测量和测绘GPS指数性能指数静态测量: H 2.5cm + 1ppm V 5cm + 1ppm RTK测量: H 10cm + 1ppm V 20cm + 1ppm DGPS测量: 25cm（RMS）单机定位精度: 1.2m（ RMS）初始化时间<10 s初始化可靠性> 99.9％GPS天线特性GPS天线: 内部集成天线类型: 微带天线相中心: 四馈点天线，零相中心多径抑制: 内置多径抑制板28测量和映射GPS指示器无线通信蓝牙: 内置V2.0 Class2 UHF: -内置接收-内置传输: 0.5W / 1W-Ex内部传输: 5W / 35W-工作频率: 410〜470MHz网络通讯: 内置GPRS或CDMA物理和电源特性尺寸: H 96mm，Φ184mm重量: 1.2kg（包括电池和内置完整模块）电池: 2节7.4V，2.5Ah可移动锂电池使用时间: 5小时（单电池，内置传输）8小时（单电池，内置）外部电源: 9至18V DC 29测量和制图GPS指示灯的物理和电源特性按键: 二，组合键显示: 3 LED状态显示OLED显示128 * 64分辨率接口: -5PIN: 电源接口+ RS232-7PIN: RS232 + USB-2 TNC数据链路天线接口存储器和数据内置存储: 板载256MB Micro SD卡扩展gps接收机的主要任务，最大支持8G差分输出: CMR2.0，CMR +，RTCM2.1，RTCM2.3，RTCM3.0，RTCM3.1 ASCII输出: NMEA0183，Trimble GSOF输出速率: 标准50Hz30典型的GPS框图31 GPS接收的前端r位于天线和基带信号之间的处理；接收到的卫星信号的功率放大到100dB或更高；将信号下变频到易于处理的频段；将模拟信号转换为数字信号；尝试保持信号的形状并减少信号失真.

32 GPS前端（L1）33 GPS信号强度GPS卫星高度超过20,000 km，天线接收到的信号非常弱，信号功率仅约为-130dBm，并且GPS输入功率信号-噪声比为-20dB，即信号浸没在噪声中；对于L1频率C / A码，通常要求信号电平大于-130dBm. 为了提高信号强度，通常在天线的后部设置前置放大器. 大多数GPS天线与前置放大器组合在一起，某些接收机将天线与前置放大器分开，以减轻天线的重量. 34最低信号功率电平35 L1载波的C / A码发射功率，GPS卫星发射功率约为27WP T，dB10log2714.3dB W当卫星将信号均匀发射到空间的各个方面时，距离R处的信号功率密度为: PD 4PTR2 W / m2 PD，dBP T，dB10log（4）20logRdB W / m 2P T，dBl120logRdB W / m 236卫星与之间的距离RREsinel RE2（sin2el1）R2SV RE是地球半径，即RSV之间的距离卫星和地心线el这是卫星相对于用户所在的水平面的仰角. 37 GPS卫星信号的路径损耗发射功率密度: PD4PTR2（W / m2）路径损耗L 1 0 log PD 1 0 log PT 1 1 2 0 log R卫星在用户的头顶上方（仰角为90°）: R 2 0 1 9 0 km，L 1 5 7 .1 d B卫星在水平方向（仰角为5°）: R 2 5 2 4 0 km，L 1 5 9 d B38GPS卫星波束39GPS发射天线增益Zr卫星PSVr地心YX 40GPS天线到各向同性天线的有效面积，GR 1到L1信号，λ= 0.19m，Aeff 2.872 10 3 m 2或Aeff 25.4dB41 GPS接收信号功率发射功率P T27W14. 3dBW卫星发射天线增益GT 14.7dB路径损耗和大气损耗-159.5 dBP 1 4. 3 1 4. 7 1 5 9. 5 2 5. 4 1 5 6 d BW天线接收功率: -156 dBW接收天线有效面积- 25.4dBLNA增益27dB噪声系数<1.5输出电压驻波比<2.0滤波器和机载线路衰减RF滤波器混合滤波器A / D42GPS发射机天线增益校正GPS发射机天线实际增益: 10.2dB〜12.9dB损耗天线的增益要小心旨在补偿用户在地球边缘的长距离（从卫星到地球的视线）43L1接收天线增益图仰角90°方向: + 4dBic仰角5°方向: -4dBic dBic: 相对于全向天线增益44接收功率密度45C / A码信号接收功率46接收功率汇总47输入热噪声功率下的信噪比Ni kTB k 1.38 1023 J / K（玻尔兹曼常数）T 290K（常温）Ni（ dBm / Hz）174dBm / Hz或Ni（dBm / MHz）C / A码的114dBm / MHz，带宽2MHz，本底噪声: N i 1 1 4 1 0 lg 2 1 1 1 d B m输入信噪比S / N i 1 3 0 d B m 1 1 1 d B m 1 9 d B m48噪声系数噪声系数是接收机的重要参数: F输入和输出SSN NR R，F> 1级联系统的总噪声系数For: FF 1 FG 2 11 GF 3 1 G 1 2 KKG 1 GF 2 NKG 1 N 1前置放大器的噪声系数将对系统的噪声系数产生决定性的影响，必须使用LNA.

49 GPS信号功率和热噪声功率信号功率低于环境噪声功率. 50扩频增益GPS扩频增益（C / A码的特性）G1.023106Hz 43.1dB 50Hz SNR 2 0 4 3 .1 2 3 .1 d B解扩完成后，信号能量在相对较宽的范围内分布. 在频带上，通过相关处理，从噪声中检测出信号！ 51放大倍数A / D输入电压100mV，阻抗50Ω，然后输入功率: Pi（20.15）02 10dBm放大链路的总增益G A 1 0 d B（1 1 1 d B）1 0 1 d B52

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