【正文】 后數據處理； （ 2）導航型接收機：米級精度，實時數據處理； （ 3）定時型接收機：專用于時間測定和頻率控制。 9 太原理工大學陽泉學院 畢業(yè)設計說明書 圖 23 GPS 組成部分示意圖 第二節(jié) GPS衛(wèi)星的導航定位信號 一、概述 GPS衛(wèi)星發(fā)射的信號由載波、測距碼和導航電文組成。采用兩個不同頻率載波的主要目的是為了較完善地消除電離層延 遲。 測距碼是用于測定從衛(wèi)星到接收機間的距離的二進制碼，是由若干個多級反饋移位寄存器所產生的 M 序列經平移、截短、求模二和等一系列復雜處理后形成的。 Y碼的結構是完全保密的，只有美國及其盟國的軍方用戶以及少數經美國政府授權的用戶才能使用 P 碼。 二、 GPS信號接收機的組成及原理 天線單元 它由接收天線和前置放大器兩個部件組成。 （ 2） 信號通道 信號通道是接收機的核心部分， GPS信號通道是硬軟件結合的電路。在存儲器內還裝有多種工作軟件，如：測試軟件；衛(wèi)星預報軟件；導航電文解碼軟件； GPS單點定位軟件。當捕捉到衛(wèi)星即對信號進行牽引和跟蹤，并將基準信號譯碼得到 GPS衛(wèi)星星歷。 接收用戶輸入信號。對于導航接收機，有的還配有大顯示屏，在屏幕上直接顯示導航的信息甚至顯示數字地圖。 第三節(jié) GPS衛(wèi)星 定位原理 一、 概述 測量學中有測距交會確定點位的方法。如果只有兩個無線電發(fā)射臺，則可根據用戶接收機的概略位置交會出接收機的平面位置。如此，可以確定三顆以上衛(wèi)星的空間位置。 GPS衛(wèi)星發(fā)射測距信號和導航電文，導航電文中含有衛(wèi)星的位置信息。在實際使用中需要根據坐標系統(tǒng)間的轉換參數進行坐標系統(tǒng)的變換，來求出所使用的坐標系統(tǒng)的坐標。依據測距的原理，其定位原理與計算方法主要有偽距法定位，載波相位測 量定位以及差分 GPS 定位等。而動態(tài)定位則至少有一臺接收機處于運動狀態(tài)，測定的是各觀測時刻（觀測歷元）運動中的接收機的點位（絕對點位或相對 點位）。所測偽距就是由衛(wèi)星發(fā)射的測距碼信號到達 GPS 接收機 的傳播時間乘以光速得到的量測距離。偽距法定位雖然一次定位精度不高（ P 碼定位誤差約為10m， C/A碼定位誤差為 20~30m），但因其具有定位速度快，且無多值性問題等優(yōu)點，仍然是 GPS 定位系統(tǒng)進行導航的最基本方法。如果觀測精度均取至測距碼波長的百分之一，則偽距測量對 P碼而言量測精度為 30cm，對 C/A 碼而言為 3m左右。 在 GPS 信號中由于已用相位調整的方法在調制了測距碼和導航電文，因而接收到的載波的相位已不再連續(xù)，所以在進行載波相位測量以前，首先要進行解調工作，設法將調制在載波上的測距碼和衛(wèi)星電文去掉，重新獲取載波，這一工作稱為重建載波。其目的是消除公共誤差，提高定位精度。用戶接收機在進行 GPS 觀測的同時，也接收到基準站的改正數，并對其定位結果進行改正，從而提高定位精度。 17 太原理工大 學陽泉學院 畢業(yè)設計說明書 第四節(jié) GPS導航定位誤差 一、 與 GPS衛(wèi)星有關的誤差 與 GPS衛(wèi)星有關的誤差主要包括衛(wèi)星的軌道誤差和衛(wèi)星鐘的誤差。這種偏差的總量約 在 1ms以內。 衛(wèi)星軌道偏差 估計與處理衛(wèi)星的軌道偏差較為困難 ，其主要原因是，衛(wèi)星在運行中要受到 多種攝動力的復雜影響，而通過地面監(jiān)測站，以難以充分可靠的測定這作用力， 并掌握它們的作用規(guī)律，目前，衛(wèi)星軌道信息是通過導航電文等到的。 法處理觀測數據 這種方法是在數據處理中，引入表征衛(wèi)星軌道偏差的改正參數，并假設在短 18 太原理工大學陽泉學院 畢業(yè)設計說明書 時間與衛(wèi)星信號傳播有關的誤差 與衛(wèi)星信號有關的誤差主要包括大氣折射誤差和多路徑效應。便能多確定其影響，而對觀測量加以修正。 對于單頻 GPS 接收機，為了減弱電離層的影響，一般是采用導航電文提供的電離層模型，或其它適合的電離層模型對觀測量加以修正，但是這種模型至今仍在完善之中， 目前模型改正的有效率約為 75％。干分量主要與大氣的濕度與壓力有關，而濕分量主要與信號傳播路徑上的大氣濕度有關。與電離層的影響相類似，當觀測站間相距不遠 (20km)時，由于信號通過對流層的路徑相近， 對流層的物理特性相近，所以對同 一衛(wèi)星的同步觀測值求差，可以明顯的減弱對流層折射的影響。因此，在精密 GPS 導航和測量中，多路徑效應的影響是不可忽視的。 改善 GPS接收機的電路設計，為減弱多路徑效應的影 三、 接收設備有關的誤差 20 太原理工大學陽泉學院 畢業(yè)設計說明書 與 GPS 接收 機設備有關的誤差主要包括觀測誤差。 。根據實驗資料表明，在一般反射環(huán)境下，多路徑效應對測碼偽距的影響可達到米級，對測相偽距的影響可達到厘米級。對于輸送短的基線 (50km)，濕分量的影響較小 關于對流層折射的影響，一般有以下幾種處理方法： ，可不考慮其影響。對于單頻 GPS接收機而言，這種方法的重要意義尤為明顯。不過應當明確指出，在太陽輻射的正午或在太陽黑子活動的異常期，應盡量避免觀測。當 GPS 衛(wèi)星處于天頂方向時，電離層折射對信號傳播路徑的影響最小，而當衛(wèi)星接近地平線時，則影響最大。測量的基線長 度越長，此項誤差的影響就越大。經鐘差改正后，各衛(wèi)星之 間的同步差，即可保持在 20ns 以內。在GPS 定位中，無論是碼相位觀測或是載波相 位觀測，均要求衛(wèi)星鐘與接收機時鐘保持 嚴格的同步。采用差分定位，可完全消除第一部分誤差，可大部分消除第二部分誤差（視基準站至用戶的距離）。 該部分所講述的差分 GPS定位技術是將一臺接收機安置在基準站上進行觀測。采用前者，用戶可同時提取測距信號和衛(wèi)星電文，但用戶必須知道測距碼的結構；采用后者，用戶無須掌握測距碼的結構，但只 能獲取載波信號而無法獲得測距碼和衛(wèi)星電文 差分 GPS定位 差分技術很早就被人們所應用。目前的大地型接收機的載波相位測量精 16 太原理工大學陽泉學院 畢業(yè)設計說明書 度一般為 1～ 2mm，有的精度更高。 載波相位測量定位 利用測距碼進行偽距測量是 GPS 定位系統(tǒng)的基本測距方法。用 C/A 碼進行測量的偽距為 C/A 碼偽距。實際應用中，為了減弱衛(wèi)星的軌道誤差、衛(wèi)星鐘差、接收機鐘差以及電離層和對流層的折射誤差的影響，常采用載波相位觀測值的各種線形組合（即差分值）作為觀測值，獲得兩點之間高精度的 GPS基線向量（即坐標差）。靜態(tài)定位指的是對于固定不動的待定點，將 GPS 接收機置于其上，觀測數分鐘乃至更長的時間，以確定該點的三維坐標，又叫絕對定位。 在 GPS定位中， GPS衛(wèi)星是高速運動的衛(wèi)星，其坐標值隨時間在快速變化著。如下圖 27，在需要的位置 P點架設 GPS接收機，在某一時刻 ti同時接收了 3顆（ A， B， C）以上的 GPS衛(wèi)星所發(fā)出的導航電文，通 過一系列數據處理和計算可求得該時刻 GPS接收機至 GPS衛(wèi)星的距離 SAP，SBP， SCP，同樣通過接收衛(wèi)星星歷可獲得該時刻這些衛(wèi)星在空間的位置（三維坐標），從而用距離交會的方法求得Ｐ點的三維坐標（ Xｐ， Yｐ， Zｐ），其數學式為： 圖 27 GPS 衛(wèi)星定位示意圖 式中：（ XA， YA， ZA），（ XB， YB， ZB），（ XC， YC， ZC）分別為衛(wèi)星 A，B， C 在時刻 ti的空間直角坐標。 將無線電信號發(fā)射臺從地面點搬到衛(wèi)星上，組成一顆衛(wèi)星定位導航系統(tǒng)，應用無線點測距交會的原理，便可由三個以上地面已知點（控制點）交會出衛(wèi)星的位置，反之利用三顆以上衛(wèi)星的已知空間位置又可交會出地面未知點（用戶接收機）的位置。 近代衛(wèi)星大地測量中的衛(wèi)星激光測距定位也是應用了測距交會定位的原理和方法。 就無線電導航定位來說，設想在地面上有三個無線電信號發(fā)射臺，其坐標為已知，用戶接收機在某一時刻采用無線電測距的方法分別測得了接收機至三個發(fā)射臺的距離 d1,d2,d3。另一種為外接電源，這種電源常用于可充電的 12V直 13 太原理工大學陽泉學院 畢業(yè)設計說明書 流鎘鎳電池組，或采用汽車電瓶。并配有一個控制鍵盤。 根據機內存儲的衛(wèi)星歷書和測站近似位置，計算所有在軌衛(wèi)星升降時間、方位和高度角。其主要工作步 驟為： 接收機開機后首先對整個接收機工作狀況進行自檢，并測定、校正、存儲各通道的時延值。 （ 3） 存儲器 接收機內沒有存儲器或存儲卡以存儲衛(wèi)星星歷、衛(wèi)星歷書、接收機采集到的碼相位偽距觀測值、載波相位觀測值及多普勒頻移。為便于接收機對信號進行跟蹤、處理、和量測，對天線部分有以下要求： 天線與前置放大器應密封一體，以保障其正常工作，減少信號損失； 能夠接收來自任何方向的衛(wèi)星信號，不產生死角； 有防護與屏蔽多路徑效應的措施； 天線的相位中心保持高度的穩(wěn)定，并與其幾何中心盡量一致。 導航電文 導航電文是由 GPS 衛(wèi)星向用戶播發(fā)的一組反映衛(wèi)星在空間位置、衛(wèi)星的工作狀態(tài)、衛(wèi)星鐘的修正參數、電離層延遲修正參數等重要數據的二進制代碼，也稱數據碼（ D碼）。 C/A碼是一種結構公開的明碼，供全世界所有的用戶免費使用。其測距精度比偽距測量的精度高 23個數量級。 GPS衛(wèi)星所用的載波有兩個，由于 它們均位于載波 L波段，故分別稱為 L1 載波和 L2 載波。f2=120=. 按所用載波頻率多少， GPS信號接收 機可以分成下列類型： （ 1）單頻接收機：僅使用第一載波（ L1）及其調制波進行導航定位測量； （ 2）雙頻接收機：同時使用多個載波及其調制波進行導航定位測量。以下是 GPS信號接收機的類型 按工作原理分類 基于被動式定位原理的 GPS 衛(wèi)星測量技術，關鍵在于怎樣測得 GPS 信號接收天線和 GPS衛(wèi)星之間的距離（簡稱站星距離）。它是一種能夠接收、跟蹤、變換和測量 GPS 衛(wèi)星導航定位信號的無線電設備，既具有常用無線電設備的共性，又具有捕獲、跟蹤和處理衛(wèi)星微弱信號的特性。注入站能將接收到的導航電文存儲在微機中，當衛(wèi)星通過其上空時再用大口徑發(fā)射天線將這些導航電文和其他命令分別“注入 ”衛(wèi)星。它的主要功能是：收集各監(jiān)測站測得的距離和距離差、氣象要素、衛(wèi)星時鐘和工作狀況的數據，監(jiān)測 站自身的狀態(tài)數據等；根據收集的數據及時計算每顆 GPS 衛(wèi)星的星歷，時鐘改正，狀態(tài)數據以及信號的大氣傳播改正，并按一定格式編制成導航電文，傳送到注入站；監(jiān)控整個地面監(jiān)控系統(tǒng)是否工作正常，檢驗注入衛(wèi)星的導航電文是否正確，監(jiān)測衛(wèi)星是否將導航電文發(fā)出；調度備用衛(wèi)星替代失效的工作衛(wèi)星，將偏離軌道的衛(wèi)星 “拉回 ”到正常軌道位置。在一般情況下，用戶能同時觀測到 6