【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 角；有防護(hù)與屏蔽多路徑效應(yīng)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。下圖 24 是 GPS 接收機(jī)原理圖：太原理工大學(xué)陽(yáng)泉學(xué)院畢業(yè)論文12圖 24 GPS 接收機(jī)原理圖GPS 接收機(jī)的天線類型如下圖 25：圖 25 GPS 接收機(jī)的天線類型 接收機(jī)主機(jī)（1） 變頻器及中頻放大器經(jīng)過(guò) GPS 前置放大器的信號(hào)仍然很微弱，為了使接收機(jī)通道得到穩(wěn)定的高增益，并且使 L 頻段的射頻信號(hào)變成低頻信號(hào)，必須采用變頻器。（2） 信號(hào)通道信號(hào)通道是接收機(jī)的核心部分，GPS 信號(hào)通道是硬軟件結(jié)合的電路。GPS 信號(hào)通道的作用有三：一是搜索衛(wèi)星，牽引并跟蹤衛(wèi)星；二是對(duì)廣播電文數(shù)據(jù)信號(hào)實(shí)行解擴(kuò)，解調(diào)出廣播電文；三是進(jìn)行偽距測(cè)量、載波相位測(cè)量及多普勒頻移測(cè)量。（3） 存儲(chǔ)器太原理工大學(xué)陽(yáng)泉學(xué)院畢業(yè)論文13接收機(jī)內(nèi)沒(méi)有存儲(chǔ)器或存儲(chǔ)卡以存儲(chǔ)衛(wèi)星星歷、衛(wèi)星歷書(shū)、接收機(jī)采集到的碼相位偽距觀測(cè)值、載波相位觀測(cè)值及多普勒頻移。目前，GPS 接收機(jī)都裝有半導(dǎo)體存儲(chǔ)器，接收機(jī)內(nèi)存數(shù)據(jù)可以通過(guò)數(shù)據(jù)口傳到微機(jī)上，以便進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)保存。在存儲(chǔ)器內(nèi)還裝有多種工作軟件，如：測(cè)試軟件；衛(wèi)星預(yù)報(bào)軟件；導(dǎo)航電文解碼軟件；GPS 單點(diǎn)定位軟件。微處理器微處理器是 GPS 接收機(jī)工作的靈魂，GPS 接收機(jī)工作都是在微機(jī)指令統(tǒng)一協(xié)同下進(jìn)行的。其主要工作步驟為：接收機(jī)開(kāi)機(jī)后首先對(duì)整個(gè)接收機(jī)工作狀況進(jìn)行自檢，并測(cè)定、校正、存儲(chǔ)各通道的時(shí)延值。接收機(jī)對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行搜索，捕捉衛(wèi)星。當(dāng)捕捉到衛(wèi)星即對(duì)信號(hào)進(jìn)行牽引和跟蹤，并將基準(zhǔn)信號(hào)譯碼得到 GPS 衛(wèi)星星歷。當(dāng)同時(shí)鎖定 4 顆衛(wèi)星時(shí)，將 C/A 碼偽距觀測(cè)值連同星歷一起計(jì)算測(cè)站的三維坐標(biāo)，并按預(yù)置位置更新率計(jì)算新的位置。根據(jù)機(jī)內(nèi)存儲(chǔ)的衛(wèi)星歷書(shū)和測(cè)站近似位置，計(jì)算所有在軌衛(wèi)星升降時(shí)間、方位和高度角。根據(jù)預(yù)先設(shè)置的航路點(diǎn)坐標(biāo)和單點(diǎn)定位測(cè)站位置計(jì)算導(dǎo)航的參數(shù)、航偏距、航偏角、航行速度等。接收用戶輸入信號(hào)。顯示器GPS 接收機(jī)都有液晶顯示屏以提供 GPS 接收機(jī)工作信息。并配有一個(gè)控制鍵盤。用戶可通過(guò)鍵盤控制接收機(jī)工作。對(duì)于導(dǎo)航接收機(jī)，有的還配有大顯示屏，在屏幕上直接顯示導(dǎo)航的信息甚至顯示數(shù)字地圖。電源GPS 接收機(jī)電源有兩種，一種為內(nèi)電源，一般采用鋰電池，主要用于 RAM 存儲(chǔ)器供電，以防止數(shù)據(jù)丟失。另一種為外接電源，這種電源常用于可充電的 12V 直流鎘鎳電池組，或采用汽車電瓶。當(dāng)用交流電時(shí)，要經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓電源或?qū)Ｓ秒娫唇粨Q器。第三節(jié) GPS 衛(wèi)星定位原理太原理工大學(xué)陽(yáng)泉學(xué)院畢業(yè)論文14一、概述測(cè)量學(xué)中有測(cè)距交會(huì)確定點(diǎn)位的方法。與其相似，無(wú)線電導(dǎo)航定位系統(tǒng)、衛(wèi)星激光測(cè)距定位系統(tǒng)，其定位原理也是利用測(cè)距交會(huì)的原理確定點(diǎn)位。就無(wú)線電導(dǎo)航定位來(lái)說(shuō)，設(shè)想在地面上有三個(gè)無(wú)線電信號(hào)發(fā)射臺(tái)，其坐標(biāo)為已知，用戶接收機(jī)在某一時(shí)刻采用無(wú)線電測(cè)距的方法分別測(cè)得了接收機(jī)至三個(gè)發(fā)射臺(tái)的距離 d1,d2,d3。只需以三個(gè)發(fā)射臺(tái)為球心，以 d1,d2,d3為半徑作三個(gè)定位球面，即可交會(huì)出用戶接收機(jī)的空間位置。如果只有兩個(gè)無(wú)線電發(fā)射臺(tái)，則可根據(jù)用戶接收機(jī)的概略位置交會(huì)出接收機(jī)的平面位置。這種無(wú)線電導(dǎo)航定位是迄今為止仍在使用的飛機(jī)、輪船的一種導(dǎo)航定位方法。近代衛(wèi)星大地測(cè)量中的衛(wèi)星激光測(cè)距定位也是應(yīng)用了測(cè)距交會(huì)定位的原理和方法。雖然用于激光測(cè)距的衛(wèi)星（表面上安裝有激光反射棱鏡）是在不停的運(yùn)動(dòng)中，但總可以利用固定于地面上三個(gè)已知點(diǎn)上的衛(wèi)星激光測(cè)距儀同時(shí)測(cè)定某一時(shí)刻至衛(wèi)星的空間距離，d 1,d2,d3，應(yīng)用測(cè)距交會(huì)的原理變可確定該時(shí)刻衛(wèi)星的空間位置。如此，可以確定三顆以上衛(wèi)星的空間位置。如果在第四個(gè)地面點(diǎn)上（坐標(biāo)未知）也有一臺(tái)衛(wèi)星激光測(cè)距儀同時(shí)參與測(cè)定了該點(diǎn)至第三顆衛(wèi)星點(diǎn)的空間距離，則利用所測(cè)定的三個(gè)空間距離可以交會(huì)出該地面點(diǎn)的位置。將無(wú)線電信號(hào)發(fā)射臺(tái)從地面點(diǎn)搬到衛(wèi)星上，組成一顆衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)，應(yīng)用無(wú)線點(diǎn)測(cè)距交會(huì)的原理，便可由三個(gè)以上地面已知點(diǎn)（控制點(diǎn)）交會(huì)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(huì)出地面未知點(diǎn)（用戶接收機(jī)）的位置。這便是 GPS 衛(wèi)星定位的基本原理。GPS 衛(wèi)星發(fā)射測(cè)距信號(hào)和導(dǎo)航電文，導(dǎo)航電文中含有衛(wèi)星的位置信息。用戶用GPS 接收機(jī)在某一時(shí)刻同時(shí)接收三顆以上的衛(wèi)星信號(hào)，測(cè)量出測(cè)站點(diǎn)（接收機(jī)天線中心）P 至三顆以上衛(wèi)星的距離并解算出該時(shí)刻 GPS 衛(wèi)星的空間坐標(biāo)，據(jù)此利用距離交會(huì)法解算出測(cè)站 P 的位置。如下圖 26，在需要的位置 P 點(diǎn)架設(shè) GPS 接收機(jī)，在某一時(shí)刻 同時(shí)接收了 3 顆（A，B，C）以上的 GPS 衛(wèi)星所發(fā)出的導(dǎo)航電文，通過(guò)it一系列數(shù)據(jù)處理和計(jì)算可求得該時(shí)刻 GPS 接收機(jī)至 GPS 衛(wèi)星的距離SAP，SBP，SCP，同樣通過(guò)接收衛(wèi)星星歷可獲得該時(shí)刻這些衛(wèi)星在空間的位置（三維坐標(biāo)） ，從而用距離交會(huì)的方法求得Ｐ點(diǎn)的三維坐標(biāo)（Xｐ，Yｐ，Zｐ） ，其數(shù)學(xué)式為：太原理工大學(xué)陽(yáng)泉學(xué)院畢業(yè)論文15????22 22PApAPASAXYZ? ?????? ?? ?BBB????22 22PCpCPCSYZ? ?????? ?? ?圖 26 GPS 衛(wèi)星定位示意圖式中：（ ， ， ） ， （ ， ， ） ， （ ， ， ）分別為衛(wèi)星AXYAZBXYBZCXYCZA，B，C 在時(shí)刻 的空間直角坐標(biāo)。在 GPS 測(cè)量中通常采用兩類坐標(biāo)系統(tǒng)，一類是在it空間固定的坐標(biāo)系統(tǒng)，另一類是與地球體相固聯(lián)的坐標(biāo)系統(tǒng)，稱地固坐標(biāo)系統(tǒng)，我們?cè)诠饭こ炭刂茰y(cè)量中常用地固坐標(biāo)系統(tǒng)（如：WGS－84 世界大地坐標(biāo)系和 1980年西安大地坐標(biāo)系） 。在實(shí)際使用中需要根據(jù)坐標(biāo)系統(tǒng)間的轉(zhuǎn)換參數(shù)進(jìn)行坐標(biāo)系統(tǒng)的變換，來(lái)求出所使用的坐標(biāo)系統(tǒng)的坐標(biāo)。這樣更有利于表達(dá)地面控制點(diǎn)的位置和處理 GPS 觀測(cè)成果，因此在測(cè)量中被得到了廣泛的應(yīng)用。在 GPS 定位中，GPS 衛(wèi)星是高速運(yùn)動(dòng)的衛(wèi)星，其坐標(biāo)值隨時(shí)間在快速變化著。需要實(shí)時(shí)地由 GPS 衛(wèi)星信號(hào)測(cè)量出測(cè)站至衛(wèi)星之間的距離，實(shí)時(shí)地由衛(wèi)星的導(dǎo)航電文解算出衛(wèi)星的坐標(biāo)值，并進(jìn)行測(cè)站點(diǎn)的定位。依據(jù)測(cè)距的原理，其定位原理與計(jì)算方法主要有偽距法定位，載波相位測(cè)量定位以及差分 GPS 定位等。對(duì)于待定點(diǎn)來(lái)說(shuō)，根據(jù)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)可以將 GPS 定位分為靜態(tài)定位和動(dòng)態(tài)定位。靜態(tài)定位指的是對(duì)于固定不動(dòng)的待定點(diǎn)，將 GPS 接收機(jī)置于其上，觀測(cè)數(shù)分鐘乃至更長(zhǎng)的時(shí)間，以確定該點(diǎn)的三維坐標(biāo)，又叫絕對(duì)定位。若以兩臺(tái) GPS 接收機(jī)分別置于兩個(gè)固定不變的待定點(diǎn)上，則通過(guò)一定時(shí)間的觀測(cè)，可以確定兩個(gè)待定點(diǎn)間的相對(duì)位置，又叫相對(duì)定位。而動(dòng)態(tài)定位則至少有一臺(tái)接收機(jī)處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，測(cè)定的是各觀測(cè)時(shí)刻（觀測(cè)歷元）運(yùn)動(dòng)中的接收機(jī)的點(diǎn)位（絕對(duì)點(diǎn)位或相對(duì)點(diǎn)位） 。太原理工大學(xué)陽(yáng)泉學(xué)院畢業(yè)論文16利用接收到的衛(wèi)星信號(hào)（測(cè)距碼）或載波相位，均可進(jìn)行靜態(tài)定位。實(shí)際應(yīng)用中，為了減弱衛(wèi)星的軌道誤差、衛(wèi)星鐘差、接收機(jī)鐘差以及電離層和對(duì)流層的折射誤差的影響，常采用載波相位觀測(cè)值的各種線形組合（即差分值）作為觀測(cè)值，獲得兩點(diǎn)之間高精度的 GPS 基線向量（即坐標(biāo)差） 。二、GPS 幾種定位方式偽距測(cè)量定位偽距法定位是由 GPS 接收機(jī)在某一時(shí)刻測(cè)出得到四顆以上 GPS 衛(wèi)星的偽距以及已知的衛(wèi)星位置，采用距離交會(huì)的方法求定接收機(jī)天線所在點(diǎn)的三維坐標(biāo)。所測(cè)偽距就是由衛(wèi)星發(fā)射的測(cè)距碼信號(hào)到達(dá) GPS 接收機(jī)的傳播時(shí)間乘以光速得到的量測(cè)距離。由于衛(wèi)星鐘、接收機(jī)鐘的誤差以及無(wú)線電信號(hào)經(jīng)過(guò)電離層和對(duì)流層中的延遲，實(shí)際測(cè)出的距離 ρ /與衛(wèi)星到接收機(jī)的幾何距離 ρ 有一定的差值，因此一般稱量出的距離為偽距。用 C/A 碼進(jìn)行測(cè)量的偽距為 C/A 碼偽距。用 P 碼測(cè)出的偽距為 P 碼偽距。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(wú)多值性問(wèn)題等優(yōu)點(diǎn)，仍然是 GPS 定位系統(tǒng)進(jìn)行導(dǎo)航的最基本方法。同時(shí)，所測(cè)偽距又可作為載波相位測(cè)量中解決整周數(shù)不確定問(wèn)題（模糊度）的輔助資料。 載波相位測(cè)量定位利用測(cè)距碼進(jìn)行偽距測(cè)量是 GPS 定位系統(tǒng)的基本測(cè)距方法。然而由于測(cè)距碼的碼元長(zhǎng)度較大，對(duì)于一些高精度應(yīng)用來(lái)講其測(cè)距精度還顯的過(guò)低無(wú)法滿足需要。如果觀測(cè)精度均取至測(cè)距碼波長(zhǎng)的百分之一，則偽距測(cè)量對(duì) P 碼而言量測(cè)精度為30cm，對(duì) C/A 碼而言為 3m 左右。而如果把載波作為量測(cè)信號(hào)，由于載波的波長(zhǎng)短19cm；24cm，所以就可達(dá)到很高的精度。目前的大地型接收機(jī)的載波相位測(cè)量精度一般為 1～2mm，有的精度更高。但載波信號(hào)是一種周期性的正弦信號(hào)，而相位測(cè)量又只能測(cè)定其不足一個(gè)波長(zhǎng)的部分，因而存在著整周數(shù)不確定性的問(wèn)題，使解算過(guò)程變地十分復(fù)雜。在 GPS 信號(hào)中由于已用相位調(diào)整的方法在調(diào)制了測(cè)距碼和導(dǎo)航電文，因而接收到的載波的相位已不再連續(xù)，所以在進(jìn)行載波相位測(cè)量以前，首先要進(jìn)行解調(diào)工作，設(shè)法將調(diào)制在載波上的測(cè)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。重建載波一般可采用兩種方法，一種是碼相關(guān)法，另一種是平方法。采用前太原理工大學(xué)陽(yáng)泉學(xué)院畢業(yè)論文17者，用戶可同時(shí)提取測(cè)距信號(hào)和衛(wèi)星電文，但用戶必須知道測(cè)距碼的結(jié)構(gòu)；采用后者，用戶無(wú)須掌握測(cè)距碼的結(jié)構(gòu)，但只能獲取載波信號(hào)而無(wú)法獲得測(cè)距碼和衛(wèi)星電文差分 GPS 定位差分技術(shù)很早就被人們所應(yīng)用。比如相對(duì)定位中，在一個(gè)測(cè)站上對(duì)兩個(gè)觀測(cè)目標(biāo)進(jìn)行觀測(cè)，將觀測(cè)值求差；或在兩個(gè)測(cè)站上對(duì)一個(gè)目標(biāo)進(jìn)行觀測(cè)，將觀測(cè)值求差；或在一個(gè)測(cè)站上對(duì)一個(gè)目標(biāo)進(jìn)行兩次觀測(cè)求差。其目的是消除公共誤差，提高定位精度。利用求差后的觀測(cè)值解算兩觀測(cè)站之間的基線向量，這種差分技術(shù)已經(jīng)用于靜態(tài)相對(duì)定位。該部分所講述的差分 GPS 定位技術(shù)是將一臺(tái)接收機(jī)安置在基準(zhǔn)站上進(jìn)行觀測(cè)。根據(jù)基準(zhǔn)站已知精密坐標(biāo)，計(jì)算出基準(zhǔn)站到衛(wèi)星的距離改正數(shù)，并由基準(zhǔn)站實(shí)時(shí)地將這一改正數(shù)發(fā)送出去。用戶接收機(jī)在進(jìn)行 GPS 觀測(cè)的同時(shí)，也接收到基準(zhǔn)站的改正數(shù)，并對(duì)其定位結(jié)果進(jìn)行改正，從而提高定位精度。GPS 定位中，存在著三部分誤差：一是多臺(tái)接收機(jī)公有的誤差，如：衛(wèi)星鐘誤差、星歷誤差；二是傳播延遲誤差，如：電離層誤差、對(duì)流層誤差；三是接收機(jī)固有的誤差，如：內(nèi)部噪聲、通道延遲、多路徑效應(yīng)。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(zhǔn)站至用戶的距離） 。差分可分為單基準(zhǔn)站差分、具有多個(gè)基準(zhǔn)站的局部區(qū)域差分和廣域差分三種。第四節(jié) GPS 導(dǎo)航定位誤差一、與 GPS 衛(wèi)星有關(guān)的誤差 與 GPS 衛(wèi)星有關(guān)的誤差主要包括衛(wèi)星的軌道誤差和衛(wèi)星鐘的誤差。 衛(wèi)星鐘差 由于衛(wèi)星的位置是時(shí)間的函數(shù)，因此，GPS 的觀測(cè)量均發(fā)精密測(cè)時(shí)為依據(jù)，而與衛(wèi)星位置相對(duì)應(yīng)的信息，是通過(guò)衛(wèi)星信號(hào)的編碼信息傳送給接收機(jī)的。在 GPS 定位中，無(wú)論是碼相位觀測(cè)或是載波相位觀測(cè)，均要求衛(wèi)星鐘與接收機(jī)時(shí)鐘保持嚴(yán)格的同步。實(shí)際上，盡管 GPS 衛(wèi)星均設(shè)有高精度的原子鐘（銣鐘和銫鐘） ，但是它們與理想的 GPS 時(shí)之間，仍存在著難以避免的偏差和漂移。這種偏差的總量約在 1ms 以內(nèi)。太原理工大學(xué)陽(yáng)泉學(xué)院畢業(yè)論文18對(duì)于衛(wèi)星鐘的這種偏差，一般可由衛(wèi)星的主控站，通過(guò)對(duì)衛(wèi)星鐘運(yùn)行狀態(tài)的連續(xù)監(jiān)測(cè)確定，并通過(guò)衛(wèi)星的導(dǎo)航電文提供給接收機(jī)。經(jīng)鐘差改正后，各衛(wèi)星之間的同步差，即可保持在 20ns 以內(nèi)。在相對(duì)定位中，衛(wèi)星鐘差可通過(guò)觀測(cè)量求差（或差分）的方法消除。衛(wèi)星軌道偏差估計(jì)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(yùn)行中要受到多種攝動(dòng)力的復(fù)雜影響，而通過(guò)地面監(jiān)測(cè)站，以難以充分可靠的測(cè)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(guò)導(dǎo)航電文等到的。 應(yīng)該說(shuō)，衛(wèi)星軌道誤差是當(dāng)前 GPS 測(cè)量的主要誤差來(lái)源之一。測(cè)量的基線長(zhǎng)度越長(zhǎng)，此項(xiàng)誤差的影響就越大。在 GPS 定位測(cè)量中，處理衛(wèi)星軌道誤差有以下幾種方法: 忽略軌道誤差這種方法以從導(dǎo)航電文中所獲得的衛(wèi)星軌道信息為準(zhǔn)，不再考慮衛(wèi)星軌道實(shí)際存在的誤差，所以廣泛的用于精度較低的實(shí)時(shí)單點(diǎn)定位工作中。 采用軌道改進(jìn)法處理觀測(cè)數(shù)據(jù)這種方法是在數(shù)據(jù)處理中，引入表征衛(wèi)星軌道偏差的改正參數(shù)，并假設(shè)在短時(shí)間內(nèi)這些參數(shù)為常量，將其與其它求知數(shù)一并求解。 同步觀測(cè)值求差這一方法是利用在兩個(gè)或多個(gè)觀測(cè)站一同，對(duì)同一衛(wèi)星的同步觀測(cè)值求差。以減弱衛(wèi)星軌道誤差的影響。由于同一衛(wèi)星的位置誤差對(duì)不同觀測(cè)站同步觀測(cè)量的影響，具有系統(tǒng)誤差性質(zhì)，所以通過(guò)上述求差的方法，可以明顯的減弱衛(wèi)星軌道誤差的影響，尤其當(dāng)基線較短時(shí)，其效用更不明顯。這種方法對(duì)于精度相對(duì)定位，具有極其重要的意義。二、與衛(wèi)星信號(hào)傳播有關(guān)的誤差與衛(wèi)星信號(hào)有關(guān)的誤差主要包括大氣折射誤差和多路徑效應(yīng)。電離層折射的影響GPS 衛(wèi)星信號(hào)的其它電磁波信號(hào)一樣，當(dāng)其通過(guò)電離層時(shí)，將受到這一介質(zhì)彌散特性的影響，便其信號(hào)的傳播路徑發(fā)生變化。當(dāng) GPS 衛(wèi)星處于天頂方向時(shí)，電離層折射對(duì)信號(hào)傳播路徑的影響最小，而當(dāng)衛(wèi)星接近地平線時(shí)，則影響最大。 為了減弱電離層的影響，在 GPS 定位中通常采用下面措施：太原理工大學(xué)陽(yáng)泉學(xué)院畢業(yè)論文19 利用雙頻觀測(cè)由于電離層的影響是信號(hào)頻率的函數(shù)，所以利用不同頻率的電磁波信號(hào)進(jìn)行觀測(cè)。便能多確定其影響，而對(duì)觀測(cè)量加以修正。因此，具有雙頻的 GPS 接收機(jī)，在精密定位中測(cè)量中得到廣泛的