GPS接收机的结构和工作原理.docx
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1、GPS 接收机的构造和工作原理GPS 接收机组成及工作原理第三节 GPS 接收机的构成第四节留意事项第五节 常见问题及解决方法第一节 GPS 接收机的分类依据 GPS 用户的不同要求,所需的接收设备各异。随着 GPS 定位技术的快速进展和应用领域的日益扩大,很多国家都在乐观研制、开发适用于不同要求的 GPS 接收机及相应的数据处理软件。1、按用途分可分为:1导航型接收机:车载型航海型航空型 星载型 2 测地型接收机(3)授时型接收机2、按接收机的载波频率分类或者说按承受机的卫星信号频率分类1单频接收机2双频接收机3、按接收机的通道数分类:1多通道接收机 2序贯穿道接收机 3多路复用通道接收机4
2、、按工作原理分类:1码相关型接收机2平方型接收机 3混合型接收机 4干预型接收机5、按接收卫星系统分类 1单星系统 2双星系统3多星系统第 1 页 共 1 页6、按接收机的作业模式分类 1静态接收机 2动态接收机7、按接收机的构造分类 1分体式接收机 2整体式接收机 3手持式接收机 目前生产GPS 测量仪器的厂家有几家, 产品有几百种,但拥有较为成熟产品的不外乎几家,在我国测绘市场占有份额较大的有 Trimble、Leica、Ashtech、JavadTopcon、ThalesDSNP加拿大诺瓦太NoVAteL等。我国的南方测绘仪器公司和中海达测绘仪器公司也已经有了自己的 GPS 产品,北京、
3、苏州光学仪器厂也已开头了 GPS 设备的研制与开发工作。Trimble 公司是比较正统的美国 GPS 仪器制造厂家,整套系统从主机到数据链、从硬件到软件全部自行开发研制,较为典型的仪器为 Trimble4700、5700、R7、R7GNSS,5800、R8、R8GNSS 等型号。Trimble5700 定位系统 TrimbleR7GNSS 与R8GNSS 徕卡(Leica)公司是全世界比较著名的测量仪器制造企业, 较为典型的仪器为 Leica SR-500 系列,其产品以高品质、高稳定性著称。SR-500 系列接收机基于徕卡革命性的信息净化技术(clear trak)上,它确保了最好的信号接收
4、、卫星跟踪,防信号堵塞,缓解多路径效应。SR-500 系列富有人性化的终端设计,以其超大显示屏幕保证了数据猎取及接收机配置。L eica SR-530 定位系统徕卡 GS10 与 GS15Ashtech 公司是 Javad 从 Trimble 公司退出以后创立的,曾号称是“站在巨人的肩上”,最产品“轨迹”接收机集接收机、天线、显示器和电池于一体,并首创红外无线数据传输。最近又推出了 Z-Xtreme,承受了的解算方法和的硬件平台,戏剧性地缩短了 RTK 测量中整周未知数的解算时间,1028 伏直流供电,功率 6W。ZOp 跟踪技术、先进的多路径抑制技术、USB 和以太网接口,4、7528 伏直
5、流供电。目前 JAVAD 公司已被日本 Topcon 公司收购,但仍保存了其仪器的品牌,并且推出了 Hiper 接收机, 集主机、天线、数据通讯电台于一体,是目前同类配置重量最轻、体积最小的 GPS 接收机。J NSBoxGGD 定位系统Thales 的前身为法国 DSNP 公司,以前隶属于 Secel 地震仪器公司,其代表产品有 Scorpio6000 系列,以其良好的差分数据链而著名。目前已与美国 Ashtech 公司结成了战略伙伴。S corpio6502 定位系统国产 GPS 仪器以其低廉的价格在我国测绘市场中也占有一席之地, 目前仪器的静态测量方法已经比较成熟,其动态测量的稳定性有待
6、提高。南方公司目前的产品有 NGS100200212,中海达公司的的产品为 HD800082008800。无论那是哪一种仪器,都各有其优点和缺点,不能一概而论,在仪器的选型方面,肯定要结合自己单位的实际状况比方经济实力、精度要求等。其次节 GPS 接收机组成及工作原理 GPS 接收机主要是由 GPS 接收机天线单元,GPS 接收机主机单元和电源单元三局部组成。GPS 接收机作为用户测量系统,那么按其构成局部的性质和功能,可分为硬件局部和软件局部。一、硬件局部 接收机主机由变频器、信号通道、微处理器、存储器及显示器组成,根本构造如以下图前置放大器频率放大频率综合基准频率电源信号解扩解调 C/A
7、码发生器 P 码发生器 Dt伪码测量载波相位测量存储器显示器 CPUGPS 天线变换器信号通道数据输出 GPS 接收机原理图掌握信号1、变频器及中频放大器 经过GPS 前置放大器的信号仍旧很微弱,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,必需承受变频器。2、 信号通道信号通道是 GPS 接收机的核心局部,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 信号通道的作用有三,1搜寻卫星,牵引并跟踪卫星;2 对播送电文数据信号实行解扩,解调出播送电文;3进展伪距测量、载波相位测量及多普勒频移测量。相关信号通道的电路原理图如下 D(t)It0
8、/2t0/2t0 中放积分滤波积分滤波本地码发生器伪码数控振荡器码环相位误差发生器载波数控振荡器伪测量值电路码相位跟踪环环路滤波器载波环相位误差发生器载波相位测量电路多普勒测量电路载波相位锁相环29F0、25FF36F 相AGC6、75F7F1/4Fcost/4相关通道电路原理图 sint/4A/C 转 换 从卫星接收到的信号是扩频的调制信号,所以要经过解扩、解调才能得到导航电文,因此在相关通道电路中设有伪码相位跟踪环和载波相位跟踪环。第 1 页 共 1 页3、 存储器接收机内设有存储器或存储卡以存储卫星星历、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
9、接收机都装有半导体存储器简称内存,接收机内存数据可以通过数据口传到微机上,以便进展数据处理和数据保存。4、 微处理 微处理是 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展的,其主要工作步骤为:、接收机开机后,马上指令各个通道进展自检,适时地在视屏显示窗内展现各自的自检结果,并测定、校正和存储各个通道的时延值。、接收机对卫星进展捕获跟踪后,依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,并依据预置的位置数据更率,不断更(计算)点的坐标。、用已测得的点位坐标和 GPS 卫星历书,计
10、算全部在轨卫星的升降时间、方位和高度角,并为作业人员供给在视卫星数量及其工作状况,以便选用“安康”的且分布适宜的定位卫星,到达提高点位精度的目的。 、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5、 电源 GPS 接收机的电源有随机配备的内置电池,一般为锂电池,另一种为外界电源,一般承受汽车电瓶或者随机配备的专用电源适配器。综上所述,GPS 信号接收机的任务是:接收 GPS 卫星放射的信号,能够捕获到按肯定卫星高度截止角所选择的待测卫星的信号,并跟踪这些卫星的运行,获得必要的导航和定位信息及观测量;对所接收到的 GPS 信号进展变换、放大和处理, 以便测量出 GPS 信号从卫星到接
11、收机天线的传播时间,解译出 GPS 卫星所发送的导航电文,实时地计算出测站的三维位置,甚至三维速度和时间。6、 接收机的天线天线由接收机天线和前置放大器两局部所组成,天线的主要功能是将 GPS 卫星信号极微弱的电磁波能转化为相应的电流,而前置放大器则是对这种信号电流进展放大和变频处理。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展跟踪、处理和测量。金属反射器滤波放大器金属底板介质接口连接器 天线根本构造1、对天线的要求、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,并削减信号损失。、能够承受来自任何方向的卫星信号,不产生死角。、天线必需实行适当的防护和屏
12、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。、天线的相位中心保持高度的稳定,并与其几何中心尽量全都。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全都性和相位中心的稳定。2天线的类型目前,GPS 接收机的天线有多种类型,其根本类型见以下图所示。单极天线 天线类型、单极天线。这种天线属单频天线,具有构造简洁,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。第 1 页 共 1 页、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,不能进展双频接 收,常用作导航型接收机天线。 锥形天
13、线带扼流圈天线 锥形天线带扼流圈天线锥形天线与带扼流圈天线、微带天线。微带天线是在一块介质板的两面贴以金属片,其构造简洁且结实,重量轻,高度低。既可用于单频机,也可用于双频机,目前大局部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。 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外表,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全都 。所以,在安装天线时要认真定向,使之得以补偿。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
14、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。G PS 天线承受来自20230 公里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,即信号源漂浮在噪声中,为了提高信号强度,一般在天线后端设有前置放大器。二、软件局部软件局部是构成现代 GPS 测量系统的重要组成局部之一。一个功能齐全、品质良好的软件,不仅能便利用户使用,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的应用领域都具有重要意义。所以,软件的质量与第 1 页 共 1 页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。一般来说,软件包括内软件和
15、外软件。内软件是指装在存储器内的自测试软件、卫星预报软件、导航电文解码软件、GPS 单点定位软件或固化在中心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 GPS 观测数据后处理软件包第三节 GPS 接收机的构成下面以石油物探行业常用的 Trimble5700 为例简洁介绍 GPS 接收机的构成一、GPS 接收机主要由以下局部构成1、GPS 主机2、电台TM3 电台和 PDL 电台3、掌握器手簿包括 Tsce 和Tsc24、附件 包括数据传输线、手簿线、差分线、卫星线、鞭状天线5、电源 包括内置电池和外接电源6、天线 接收卫星信号一GPS 主机是由下面部件构成1、GPS
16、 主板 接收并处理卫星信号,接收机电源的供给2、GPS 电台板 主要承受电台信号3、IO 板接口板 数据的输入与输出;外接电源的输入; 接收机的配置;软件的传输等4、面板5、CF 卡槽 用CF 卡记录静态数据;USB 接口第 1 页 共 1 页6、电池仓 装内置电池二、Trimble57005700 GPS 接收机的全部操作掌握装置、端口和接头全局部布在四个主面板上、1、前面板:以下图示出了 5700 接收机的前面板。此面板上有五个 LED发光二极管指示器、两个按钮和一个袖珍闪存/USB 门扣 5700 前面板2、顶面板以下图示出了 5700 接收机的顶面板。此面板上有三个电源/串行数据端口和
17、进展 GPS 与无线电连接的TNC端口5700 接收机的顶面板顶面板上的每个端口都用一个图标作标记, 表示其主要功能。5700 接收机端口见表 5700 接收机端口图标名称连接端口 1Trimble 手薄、大事标记或计算机端口 2 外接电源接入、计算机、1PPS 或大事标记端口 3 外部无线电入、外接电源接入、基准站电台数据线接出。GPSGPS 天线电缆接入 无线电流淌站无线电通信天线接入3、底面板 以下图示出了 5700 接收机的底面板。此面板上有USB 端口、袖珍闪存端口和内置电池舱。5700 接收机的底面板4、数据记录卡在数据记录卡记录数据之前,先对卡进展格式化,从而确保文件系统的完整性
18、。假设要格式化卡,先把卡插入到 5700 接收机,然后按下电源开关键 30 秒种。注:肯定要在接收机内对数据记录卡进展格式化,这可以防止在记录数据期间取出卡时损坏卡中的数据。警告:5700 允许数据记录卡上最多存储512 个文件,不管卡的容量有多大。文件名必需是8、3 格式,否则,在记录过程中往数据记录卡上复制文件会引起数据损坏或丧失。假设卡没有正确地插在插脚上,切不要用力,以免损坏插脚。此时,应当取下卡,再留神插入。5、按钮功能 5700 接收机只有两个按钮,即:表示为的电源按钮,以及表示为的数据按钮。电源按钮用来转换接收机的开关状态,并执行诸如删除文件或重设接收机的数据治理功能。数据按钮用
19、来开启或停顿记录。只有当接收机开关翻开并完成馈电和初始化任务后,此按钮才会有效即接收机完全跟踪四颗以上卫星后。按钮功能见表按钮功能动作电源按钮数据按钮翻开接收机按关闭接收机按下 2 秒开头内部记录数据按停顿内部记录数据按下 2 秒删除星历文件按下 15 秒重设接收机到工厂缺省设置按下15 秒删除应用文件按下 30 秒格式化袖珍闪存卡按下 30 秒注:术语 “按”是指按下按钮后马上释放。术语“按下”是指按下后保持此状态,直到过了规定时间。指示灯现象接收机顶面板的五个LED,用来指示各种操作状态。一般而言,发光或慢速闪耀的 LED 说明仪器正常操作,快速闪耀的 LED 说明需要引起留意,不发光的
20、LED 说明仪器说明没有消灭作。见图所示:接收机顶面板的五个 LED6、记录/内存指示灯在数据记录按钮下面的典型黄色记录/内存 LED 表示的是数据记录状态和内存使用状态。数据记录状态和内存使用状态现象含义颜色开正在记录数据橘黄色慢速闪耀记录了足够的快速静态数据。或者,假设与此同时,红色卫星跟踪 LED 稳定发光,则说明接收机处于监视模式,它正在检查要安装的固件。一般消灭在计算机掌握下快速闪耀数据正在被记录,但内存容量不大。闪耀接收机处于休眠模式,在定时应用文件所指定的开头时间之前五分钟糊涂。关数据没有被记录,或者袖珍闪存卡已满 l 卫星跟踪 LED 卫星图标下面的红色卫星跟踪 LED 用来指
21、示卫星的跟踪状态。卫星的跟踪状态现象含义颜色慢速闪耀跟踪四个或四个以上的卫星红色快速闪耀跟踪三个或三个以下的卫星关没有跟踪卫星开接收机处于监视模式,并且正在检查要安装的固件。l 无线电 LED 无线电图标下面的绿色无线电 LED 用来指示数据输入和输出的状态。现象含义颜色慢速闪耀收到了无线电数据包或大事标记基准站的无线电 LED 总是无显示的绿色 l 电池 1LED 和电池 2LED 两个电池图标内的两个电池 LED,指示的是两个内置电池的状态,或者连接在端口 1 和端口 2 上的外接电源。每个电池的LED 都缺省地指示其对应端口外部电源的状态。假设没有检测到外部电源,则每个 LED 指示的是
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