【文章內容簡介】 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。下圖 24 是 GPS 接收機原理圖：太原理工大學陽泉學院畢業(yè)論文12圖 24 GPS 接收機原理圖GPS 接收機的天線類型如下圖 25：圖 25 GPS 接收機的天線類型 接收機主機（1） 變頻器及中頻放大器經過 GPS 前置放大器的信號仍然很微弱，為了使接收機通道得到穩(wěn)定的高增益，并且使 L 頻段的射頻信號變成低頻信號，必須采用變頻器。（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。GPS 信號通道的作用有三：一是搜索衛(wèi)星，牽引并跟蹤衛(wèi)星；二是對廣播電文數(shù)據(jù)信號實行解擴，解調出廣播電文；三是進行偽距測量、載波相位測量及多普勒頻移測量。（3） 存儲器太原理工大學陽泉學院畢業(yè)論文13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。目前，GPS 接收機都裝有半導體存儲器，接收機內存數(shù)據(jù)可以通過數(shù)據(jù)口傳到微機上，以便進行數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)保存。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。微處理器微處理器是 GPS 接收機工作的靈魂，GPS 接收機工作都是在微機指令統(tǒng)一協(xié)同下進行的。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。接收機對衛(wèi)星進行搜索，捕捉衛(wèi)星。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。當同時鎖定 4 顆衛(wèi)星時，將 C/A 碼偽距觀測值連同星歷一起計算測站的三維坐標，并按預置位置更新率計算新的位置。根據(jù)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。根據(jù)預先設置的航路點坐標和單點定位測站位置計算導航的參數(shù)、航偏距、航偏角、航行速度等。接收用戶輸入信號。顯示器GPS 接收機都有液晶顯示屏以提供 GPS 接收機工作信息。并配有一個控制鍵盤。用戶可通過鍵盤控制接收機工作。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(shù)字地圖。電源GPS 接收機電源有兩種，一種為內電源，一般采用鋰電池，主要用于 RAM 存儲器供電，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。當用交流電時，要經過穩(wěn)壓電源或專用電源交換器。第三節(jié) GPS 衛(wèi)星定位原理太原理工大學陽泉學院畢業(yè)論文14一、概述測量學中有測距交會確定點位的方法。與其相似，無線電導航定位系統(tǒng)、衛(wèi)星激光測距定位系統(tǒng)，其定位原理也是利用測距交會的原理確定點位。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。只需以三個發(fā)射臺為球心，以 d1,d2,d3為半徑作三個定位球面，即可交會出用戶接收機的空間位置。如果只有兩個無線電發(fā)射臺，則可根據(jù)用戶接收機的概略位置交會出接收機的平面位置。這種無線電導航定位是迄今為止仍在使用的飛機、輪船的一種導航定位方法。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。雖然用于激光測距的衛(wèi)星（表面上安裝有激光反射棱鏡）是在不停的運動中，但總可以利用固定于地面上三個已知點上的衛(wèi)星激光測距儀同時測定某一時刻至衛(wèi)星的空間距離，d 1,d2,d3，應用測距交會的原理變可確定該時刻衛(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。如果在第四個地面點上（坐標未知）也有一臺衛(wèi)星激光測距儀同時參與測定了該點至第三顆衛(wèi)星點的空間距離，則利用所測定的三個空間距離可以交會出該地面點的位置。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。這便是 GPS 衛(wèi)星定位的基本原理。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。用戶用GPS 接收機在某一時刻同時接收三顆以上的衛(wèi)星信號，測量出測站點（接收機天線中心）P 至三顆以上衛(wèi)星的距離并解算出該時刻 GPS 衛(wèi)星的空間坐標，據(jù)此利用距離交會法解算出測站 P 的位置。如下圖 26，在需要的位置 P 點架設 GPS 接收機，在某一時刻 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it一系列數(shù)據(jù)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(shù)學式為：太原理工大學陽泉學院畢業(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 在時刻 的空間直角坐標。在 GPS 測量中通常采用兩類坐標系統(tǒng)，一類是在it空間固定的坐標系統(tǒng)，另一類是與地球體相固聯(lián)的坐標系統(tǒng)，稱地固坐標系統(tǒng)，我們在公路工程控制測量中常用地固坐標系統(tǒng)（如：WGS－84 世界大地坐標系和 1980年西安大地坐標系） 。在實際使用中需要根據(jù)坐標系統(tǒng)間的轉換參數(shù)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。這樣更有利于表達地面控制點的位置和處理 GPS 觀測成果，因此在測量中被得到了廣泛的應用。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。需要實時地由 GPS 衛(wèi)星信號測量出測站至衛(wèi)星之間的距離，實時地由衛(wèi)星的導航電文解算出衛(wèi)星的坐標值，并進行測站點的定位。依據(jù)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。對于待定點來說，根據(jù)運動狀態(tài)可以將 GPS 定位分為靜態(tài)定位和動態(tài)定位。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(shù)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。若以兩臺 GPS 接收機分別置于兩個固定不變的待定點上，則通過一定時間的觀測，可以確定兩個待定點間的相對位置，又叫相對定位。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） 。太原理工大學陽泉學院畢業(yè)論文16利用接收到的衛(wèi)星信號（測距碼）或載波相位，均可進行靜態(tài)定位。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） 。二、GPS 幾種定位方式偽距測量定位偽距法定位是由 GPS 接收機在某一時刻測出得到四顆以上 GPS 衛(wèi)星的偽距以及已知的衛(wèi)星位置，采用距離交會的方法求定接收機天線所在點的三維坐標。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。由于衛(wèi)星鐘、接收機鐘的誤差以及無線電信號經過電離層和對流層中的延遲，實際測出的距離 ρ /與衛(wèi)星到接收機的幾何距離 ρ 有一定的差值，因此一般稱量出的距離為偽距。用 C/A 碼進行測量的偽距為 C/A 碼偽距。用 P 碼測出的偽距為 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。同時，所測偽距又可作為載波相位測量中解決整周數(shù)不確定問題（模糊度）的輔助資料。 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。然而由于測距碼的碼元長度較大，對于一些高精度應用來講其測距精度還顯的過低無法滿足需要。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。而如果把載波作為量測信號，由于載波的波長短19cm；24cm，所以就可達到很高的精度。目前的大地型接收機的載波相位測量精度一般為 1～2mm，有的精度更高。但載波信號是一種周期性的正弦信號，而相位測量又只能測定其不足一個波長的部分，因而存在著整周數(shù)不確定性的問題，使解算過程變地十分復雜。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。重建載波一般可采用兩種方法，一種是碼相關法，另一種是平方法。采用前太原理工大學陽泉學院畢業(yè)論文17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。比如相對定位中，在一個測站上對兩個觀測目標進行觀測，將觀測值求差；或在兩個測站上對一個目標進行觀測，將觀測值求差；或在一個測站上對一個目標進行兩次觀測求差。其目的是消除公共誤差，提高定位精度。利用求差后的觀測值解算兩觀測站之間的基線向量，這種差分技術已經用于靜態(tài)相對定位。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。根據(jù)基準站已知精密坐標，計算出基準站到衛(wèi)星的距離改正數(shù)，并由基準站實時地將這一改正數(shù)發(fā)送出去。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(shù)，并對其定位結果進行改正，從而提高定位精度。GPS 定位中，存在著三部分誤差：一是多臺接收機公有的誤差，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、對流層誤差；三是接收機固有的誤差，如：內部噪聲、通道延遲、多路徑效應。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） 。差分可分為單基準站差分、具有多個基準站的局部區(qū)域差分和廣域差分三種。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。 衛(wèi)星鐘差 由于衛(wèi)星的位置是時間的函數(shù)，因此，GPS 的觀測量均發(fā)精密測時為依據(jù)，而與衛(wèi)星位置相對應的信息，是通過衛(wèi)星信號的編碼信息傳送給接收機的。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。實際上，盡管 GPS 衛(wèi)星均設有高精度的原子鐘（銣鐘和銫鐘） ，但是它們與理想的 GPS 時之間，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。太原理工大學陽泉學院畢業(yè)論文18對于衛(wèi)星鐘的這種偏差，一般可由衛(wèi)星的主控站，通過對衛(wèi)星鐘運行狀態(tài)的連續(xù)監(jiān)測確定，并通過衛(wèi)星的導航電文提供給接收機。經鐘差改正后，各衛(wèi)星之間的同步差，即可保持在 20ns 以內。在相對定位中，衛(wèi)星鐘差可通過觀測量求差（或差分）的方法消除。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。 應該說，衛(wèi)星軌道誤差是當前 GPS 測量的主要誤差來源之一。測量的基線長度越長，此項誤差的影響就越大。在 GPS 定位測量中，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航電文中所獲得的衛(wèi)星軌道信息為準，不再考慮衛(wèi)星軌道實際存在的誤差，所以廣泛的用于精度較低的實時單點定位工作中。 采用軌道改進法處理觀測數(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)，并假設在短時間內這些參數(shù)為常量，將其與其它求知數(shù)一并求解。 同步觀測值求差這一方法是利用在兩個或多個觀測站一同，對同一衛(wèi)星的同步觀測值求差。以減弱衛(wèi)星軌道誤差的影響。由于同一衛(wèi)星的位置誤差對不同觀測站同步觀測量的影響，具有系統(tǒng)誤差性質，所以通過上述求差的方法，可以明顯的減弱衛(wèi)星軌道誤差的影響，尤其當基線較短時，其效用更不明顯。這種方法對于精度相對定位，具有極其重要的意義。二、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。電離層折射的影響GPS 衛(wèi)星信號的其它電磁波信號一樣，當其通過電離層時，將受到這一介質彌散特性的影響，便其信號的傳播路徑發(fā)生變化。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。 為了減弱電離層的影響，在 GPS 定位中通常采用下面措施：太原理工大學陽泉學院畢業(yè)論文19 利用雙頻觀測由于電離層的影響是信號頻率的函數(shù)，所以利用不同頻率的電磁波信號進行觀測。便能多確定其影響，而對觀測量加以修正。因此，具有雙頻的 GPS 接收機，在精密定位中測量中得到廣泛的