GPS 接收機

GPS接收機是接收全球定位系統衛星信號並確定地面空間位置的儀器。GPS衛星傳送的導航定位信號，是一種可供無數用戶共享的信息資源。對於陸地、 海洋和空間的廣大用戶，只要擁有能夠接收、跟蹤、變換和測量GPS信號的接收設備， 即GPS信號接收機。

基本介紹

• 中文名：GPS 接收機
• 外文名：GPS receiver
• 載波跟蹤：一般使用科思塔斯環
• 作用：提取各觀測量及導航電文數據
• 學科：測繪學
• 設備所屬：測繪儀器

背景介紹

在歐美等國家，GPS接收機的研究和開發已經相對成熟，只是在追求高性能、多樣化接收機方面不斷完善，在諸如微弱信號檢測、信號快速搜尋、縮短啟動時間等方面進行不斷改善。近年來，關於GPS的研究不斷升溫，在接收機研究方面，主要集中在GPS如何滿足車輛、武器、航空、航海、個人手持式導航設備的要求。其中小型化、低功耗、高精度、連續性、完好性、可用性、安全性等問題仍然是研究的熱點。同時，軟體GPS接收機、GPS與慣性導航(工NS)、推算導航(DR)組合也受到越來越多的關注。具體說來，目前主要解決的技術問題集中在系統的抗欺騙、抗干擾、弱信號捕獲、誤差分析、誤差消除、多徑抑制、二星定位、三星定位、幾何精度因子監控、差分技術(RTD/RTK ) ，載波相位解模糊、載波周跳修復、地面偽衛星、信號質量監測、數據質量檢測、測量質量檢測等技術問題。目前，以上問題(比如精度、誤差消除、差分技術等)有些已經得到很好解決，但仍有許多問題是當前GPS導航領域技術攻關的重點。

在國外與接收機研發相對應的市場套用也比較成熟和完善，無論是在軍事領域還是口常生活，基於GPS的導航定位已經深入人心。在軍事套用方面，GPS主要用於海、陸、空各類機動平台的定位，各類飛彈、炸彈精確制導，野戰機動部隊定位和定時以及指引救援行動等方面。可以說其已成為現代化戰爭的重要組成部分。在航海導航方面，截至2001年底，世界上最後一段海岸線即南美洲阿根廷沿海DGPS基站投入使用，標誌著全球航海導航全部實現了GPS化，GPS成為海上導航的主要手段。在航空導航方面，由於航空導航GPS化是GPS系統建設的重要目標之一，但航空導航可靠性要求高，技術相對複雜，因此GPS航空導航系統建設落後於GPS航海系統。國際上，為了使衛星導航成為航空導航的主導航手段，需要在現有的衛星導航系統基礎上，建設增強系統，例如北美的WARS系統、LAAS系統，歐洲的EGNOS系統，口本的MSAS系統等。可以說，GPS將成為世界航空的主導航手段。在民用方面，由於GPS設備具有精度高、體積小、功耗小、成本低、實時性強、全球通用等特點，因此，越來越廣泛地被套用到交通運輸、城市監控、天氣監測、災害預報與防治、地震監測、電力網控制、通訊網控制、個人移動通信、遙感、測量、商業活動、農業耕作等一切與位置、速度、時間有關的人類活動中，並且發揮著越來越重要的作用。

發展形勢

在GPS接收機套用層面上，截至到2003年底，我國已經步入全球衛星導航設備使用大國行列。但在我國，GPS接收機的開發和研製尚處於起步階段。因此，我國非常需要掌握這方面技術的專業人才。目前許多高等院校已經認識到掌握全球星基導航相關知識的重要性，相繼開設了衛星導航方面的專業課程。為配合GNSS(例如GPS， Galileo，GLONASS教學，北京東方聯星科技有限公司推出了全國首台GPS原理實驗平台。該平台為學生提供開放式的實驗環境，使學生在真實設備、真實衛星信號環境下進行實驗，理解和掌握接收機核心技術。

如何分類

可以在任何時候用GPS信號進行導航定位測量。根據使用目的的不同， 用戶要求的GPS信號接收機也各有差異。現世界上已有幾十家工廠生產GPS接收機， 產品也有幾百種。這些產品可以按照原理、用途、功能等來分類。

按接收機的用途分類

導航型接收機

此類型接收機主要用於運動載體的導航，它可以實時給出載體的位置和速度。這類接收機 一般採用C/A碼偽距測量，單點實時定位精度較低，一般為±25m，有SA影響時為±100m。 這類接收機價格便宜，套用廣泛。根據套用領域的不同，此類接收機還可以進一步分為： 車載型——用於車輛導航定位； 航海型——用於船舶導航定位； 航空型——用於飛機導航定位。由於飛機運行速度快，因此，在航空上用的接收機 要求能適應高速運動。 星載型——用於衛星的導航定位。由於衛星的速度高達7km/s以上，因此對接收機的要求更高。

測地型接收機

測地型接收機主要用於精密大地測量和精密工程測量。定位精度高。儀器結構複雜，價格較貴。 授時型接收機 這類接收機主要利用GPS衛星提供的高精度時間標準進行授時，常用於天文台及無線電通訊中時間同步。

載波頻率分類

單頻接收機

單頻接收機只能接收L1載波信號，測定載波相位觀測值進行定位。由於不能有效消除電離層延遲影響，單頻接收機只適用於短基線（<15km）的精密定位。

雙頻接收機

雙頻接收機可以同時接收L1，L2載波信號。利用雙頻對電離層延遲的不一樣，可以消除電離層 對電磁波信號的延遲的影響，因此雙頻接收機可用於長達幾千公里的精密定位。

通道數分類

GPS接收機能同時接收多顆GPS衛星的信號，為了分離接收到的不同衛星的信號，以實現對衛星信號的跟蹤、處理和量測，具有這樣功能的器件稱為天線信號通道。根據接收機所具有的通道種類可分為： 多通道接收機 序貫通道接收機 多路多用通道接收機

接收機工作原理分類

碼相關型接收機

碼相關型接收機是利用碼相關技術得到偽距觀測值。

平方型接收機

平方型接收機是利用載波信號的平方技術去掉調製信號，來恢復完整的載波信號 通過相位計測定接收機內產生的載波信號與接收到的載波信號之間的相位差，測定偽距觀測值。

混合型接收機

這種儀器是綜合上述兩種接收機的優點，既可以得到碼相位偽距，也可以得到載波相位觀測值。

干涉型接收機

這種接收機是將GPS衛星作為射電源，採用干涉測量方法，測定兩個測站間距離。

組成結構

GPS用戶部分的核心是GPS接收機。其主要由基帶信號處理和導航解算兩部分組成。其中基帶信號處理部分主要包括對GPS衛星信號的二維搜尋、捕獲、跟蹤、偽距計算、導航數據解碼等工作；導航解算部分主要包括根據導航數據中的星曆參數實時進行各可視衛星位置計算；根據導航數據中各誤差參數進行星鐘誤差、相對論效應誤差、地球自轉影響、信號傳輸誤差(主要包括電離層實時傳輸誤差及對流層實時傳輸誤差)等各種實時誤差的計算，並將其從偽距中消除；根據上述結果進行接收機PVT的解算；對各精度因子(DOP)進行實時計算和監測以確定定位解的精度。

基帶信號處理：在GPS衛星信號的搜尋部分，介紹了不同啟動形式下對信號搜尋的不同策略；在信號捕獲部分，著重介紹了兩種GPS衛星信號的捕獲方法，即通過快速傅立葉變換(FFT)進行二維捕獲以及通過延遲相乘法進行二維捕獲；在信號跟蹤部分，分別介紹了採用非相干延遲鎖定環作為偽碼跟蹤環以及採用科思塔斯環作為載波跟蹤環對輸入信號進行跟蹤，對導航電文及各觀測量進行提取；在導航數據解碼部分，介紹了導航電文的解碼和校驗方法。

導航解算：這部分內容為本課題的主要研究工作，因此，也作為本文的重點按各功能模組的不同進行了較詳細的介紹。在衛星實時位置求解部分主要介紹了導航解算中常用坐標系及其相互轉換關係；GPS時間系統及廣播星曆的意義及用法；根據衛星廣播星曆數據計算當前時刻各可視衛星位置的方法。在主要誤差源及消除算法部分著重介紹了衛星鐘差、相對論效應誤差的來源及消除方法；對因地球自轉產生誤差的改正；衛星信號實時傳輸誤差即電離層延遲誤差和對流層延遲誤差的來源、各改正模型及性能比較。在接收機PVT解算部分分別介紹了根據衛星位置和消除各項誤差後的偽距進行的接收機位置時間解算(在可視衛星數目大於4顆時採用最小二乘法求解)及對載體運動速度的兩種解算方法。

工作形式

根據接收機啟動方式的不同，對GPS衛星信號的搜尋範圍也不盡相同。

在冷啟動方式下，由於接收機無任何先驗信息，所以需要復現天空中所有GPS衛星的碼信號和載波信號，這也稱為對衛星信號的盲捕。在這種條件下對GPS衛星信號進行搜尋，所需時間最長。

在溫啟動方式下，接收機中存儲了GPS衛星的曆書數據和接收機的概略位置信息。衛星的曆書可以看作是衛星星曆參數的簡化子集，其精密度比星曆低，主要作用為預測衛星在某一時刻的概略位置，輔助對衛星信號的捕獲。有了衛星的曆書數據和接收機概略位置，就可計算出所有GPS衛星在任一時刻的概略位置和概略Doppler頻移，減小了捕獲衛星的難度。在這種條件下對GPS衛星信號進行搜尋，地面接收機最多只需對11顆衛星進行搜尋，大大減少了搜尋時間。

在熱啟動方式下，GPS接收機中存儲了GPS衛星最新的星曆數據和接收機較精確的位置信息。此條件下對GPS衛星的搜尋非常有針對性，能夠很快捕獲並跟蹤當前各可視衛星信號，因此搜尋衛星信號的時間最短。

GPS接收機位置解算

GPS接收機位置解算即通過某一時刻天空中各可視衛星瞬時位置及相應的消除各項誤差後的偽距來求解該時刻接收機在地球坐標系下的三維位置。這一部分是GPS接收機導航解算的核心部分。

在利用單點GPS接收機進行定位解算後，要對解算出的位置/時間解的精度加以分析和監測，以確定輸出數據的置信程度。