1、GPS接收機(jī)的基本結(jié)構(gòu)

GPS接收機(jī)主要由GPS接收機(jī)天線單元、GPS接收機(jī)主機(jī)單元和電源三部組成。天線單元的主要功能是將GPS衛(wèi)星信號非常微弱的電磁波轉(zhuǎn)化為電流，并對這種信號電流進(jìn)行放大和變頻處理。而接收機(jī)單元的主要功能是對經(jīng)過放大和變頻處理的信號電源進(jìn)行跟蹤、處理和測量，圖1描述了GPS信號接收機(jī)的基本結(jié)構(gòu)。

圖1 GPS接收機(jī)的基本結(jié)構(gòu)

如果把GPS接收機(jī)作為用戶測量系統(tǒng)，那么按其構(gòu)成部分的性質(zhì)和功能，可分為硬件部分和軟件部分。��

   硬件部分，主要系指上述天線單元、接收單元的硬件設(shè)備。而軟件部分是支持接收機(jī)硬件實(shí)現(xiàn)其功能，并完成各種導(dǎo)航與定位任務(wù)的重要條件。一般來說，軟件包括內(nèi)軟件和外軟件。所謂內(nèi)軟件是指諸如控制接收機(jī)信號通道按時(shí)序?qū)Ω餍l(wèi)星信號進(jìn)行量測的軟件以及內(nèi)存或固化在中央處理器中的自動操作程序等。這類軟件已和接收機(jī)融為一體。而外軟件主要是指觀測數(shù)據(jù)后處理的軟件系統(tǒng)，這種軟件一般以磁盤方式提供。如果無特別說明，通常所說接收設(shè)備的軟件均指后處理軟件系統(tǒng)。��

軟件部分是構(gòu)成現(xiàn)代GPS測量系統(tǒng)的重要組成部分之一。一個(gè)功能齊全、品質(zhì)良好的軟件，不僅能方便用戶使用，滿足用戶的各方面要求，而且對于改善定位精度，提高作業(yè)效率和開拓新的應(yīng)用領(lǐng)域都具有重要意義。所以，軟件的質(zhì)量與功能已成為反映現(xiàn)代GPS測量系統(tǒng)先進(jìn)水平的一個(gè)重要標(biāo)志。

2 天線單元��

天線單元由接收天線和前置放大器兩個(gè)部件組成，如圖2所示。其基本功能，是接收GPS衛(wèi)星信號，并把衛(wèi)星信號的能量轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電流量，經(jīng)過前置放大器，將微弱的GPS信號電流予以放大，送入頻率變換器進(jìn)行頻率變換，以便接收機(jī)對信號進(jìn)行跟蹤和量測。��

圖2天線單元基本結(jié)構(gòu)

2.1 對天線的要求

(1)天線與前置放大器一般應(yīng)密封為一體。以保障其在惡劣的氣象環(huán)境中能正常工作，并減少信號損失。

(2)天線均應(yīng)成全圓極化。使天線的作用范圍為整個(gè)上半球，在天頂處不產(chǎn)生死角，以保證能接收來自天空任何方向的衛(wèi)星信號。

(3)天線必須采取適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)和屏蔽措施。以最大限度地減弱信號的多路徑效應(yīng)，防止信號被干擾。

(4)天線的相位中心與幾何中心之間的偏差應(yīng)盡量小，且保持穩(wěn)定。由于GPS測量的觀測量，是以天線的相位中心為準(zhǔn)的，而在作業(yè)過程中，應(yīng)盡可能保持兩個(gè)中心的一致性和相位中心的穩(wěn)定。

2.2天線的類型

目前，GPS接收機(jī)的天線有多種類型，其基本類型見圖3所示。

圖3 天線類型

(1)單極天線。這種天線屬單頻天線，具有結(jié)構(gòu)簡單，體積小的優(yōu)點(diǎn)。需要安裝在一塊基板上 ， 以利于減弱多路徑的影響。

(2)螺旋形天線。這種天線頻帶寬，全圓極化性能好，可接收來自任何方向的衛(wèi)星信號。但也屬于單頻天線，不能進(jìn)行雙頻接收，常用作導(dǎo)航型接收機(jī)天線。��

(3)微帶天線。微帶天線是在一塊介質(zhì)板的兩面貼以金屬片，其結(jié)構(gòu)簡單且堅(jiān)固，重量輕，高度低。既可用于單頻機(jī)，也可用于雙頻機(jī)，目前大部分測量型天線都是微帶天線。這種天線更適用于飛機(jī)、火箭等高速飛行物上。��

(4)錐形天線。這種天線是在介質(zhì)錐體上，利用印刷電路技術(shù)在其上制成導(dǎo)電圓錐螺旋表面，也稱盤旋螺線型天線。這種天線可同時(shí)在兩個(gè)頻道上工作，主要優(yōu)點(diǎn)是增益性好。但由于天線較高，而且螺旋線在水平方向上不完全對稱，因此天線的相位中心與幾何中心不完全一致。所以，在安裝天線時(shí)要仔細(xì)定向，使之得以補(bǔ)償。

(5)帶扼流圈的振子天線，也稱扼流圈天線。這種天線的主要優(yōu)點(diǎn)是，可以有效地抑制多路徑誤差的影響。但目前這種天線體積較大且重，應(yīng)用不普遍。

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圖4錐形天線與帶扼流圈天線

3 接收單元��

GPS信號接收機(jī)的接收單元主要由信號通道單元、存儲單元、計(jì)算和顯示控制單元、電源等4個(gè)部分組成。圖7-1繪出了接收單元的主要結(jié)構(gòu)，現(xiàn)擇要予以介紹。��

3.1 信號通道

信號通道是接收單元的核心部件，它不是一種簡單的信號通道，而是一種由硬件和相應(yīng)的控制軟件相結(jié)合的有機(jī)體。它的主要功能是跟蹤、處理和量測衛(wèi)星信號，以獲得導(dǎo)航定位所需要的數(shù)據(jù)和信息。隨著接收機(jī)的類型不同，接收機(jī)所具有的通道數(shù)目不等。每個(gè)通道，在某一時(shí)刻只能跟蹤一顆衛(wèi)星的一種頻率信號，當(dāng)某一顆衛(wèi)星被鎖定后，該衛(wèi)星占據(jù)這一通道直到信號失鎖為止。當(dāng)接收機(jī)需同步跟蹤多個(gè)衛(wèi)星信號時(shí)，原則上可能采用兩種跟蹤方式：一種是接收機(jī)具有多個(gè)分離的硬件通道，每個(gè)通道都可連續(xù)地跟蹤一個(gè)衛(wèi)星信號；另一種是接收機(jī)只有一個(gè)信號通道，在相應(yīng)軟件的控制下，可跟蹤多個(gè)衛(wèi)星信號。因此，目前大部分接收均采用并行多通道技術(shù)，可同時(shí)接收多顆衛(wèi)星信號。對于不同類型的接收機(jī)，信號通道的數(shù)目也由1到12不等。現(xiàn)在一些廠家已推出可同時(shí)接收GPS衛(wèi)星和GLONASS衛(wèi)星信號的接收機(jī)，其信號通道多達(dá)24個(gè)。當(dāng)前信號通道的類型有多種，若根據(jù)通道的工作原理，即對信號處理和量測的不同方式，則可分為碼相關(guān)型通道、平方型通道和碼相位型通道，它們分別采用不同的解調(diào)技術(shù)，三者的基本特點(diǎn)如下：

(1)相關(guān)型波道：用偽噪聲碼互相關(guān)電路，實(shí)現(xiàn)對擴(kuò)頻信號的解擴(kuò)，解譯出衛(wèi)星導(dǎo)航電文。

    (2)平方型波道：用GPS信號自乘電路，僅能獲取二倍于原載頻的重建載波，

抑制了數(shù)據(jù)碼，無法獲取衛(wèi)星導(dǎo)航電文。

(3)碼相位波道：用GPS信號時(shí)延電路和自乘電路相結(jié)合的方法，獲取P碼或C/A碼的碼率正弦波，僅能測量碼相位，而無法獲取衛(wèi)星導(dǎo)航電文。

若根據(jù)跟蹤衛(wèi)星信號的不同方式，則可分為序貫通道、多路復(fù)用通道和多通道。

3.2 存儲器

    接收機(jī)內(nèi)設(shè)有存儲器，以存儲一小時(shí)一次的衛(wèi)星星歷、衛(wèi)星歷書，接收機(jī)采集到的碼相位偽距觀測值、載波相位觀測值及人工測量數(shù)據(jù)。目前，GPS接收機(jī)都采用PC卡或內(nèi)存作為存儲設(shè)備。在接收機(jī)內(nèi)還裝有多種工作軟件，如自測試軟件；天空衛(wèi)星預(yù)報(bào)軟件；導(dǎo)航電文解碼軟件；GPS單點(diǎn)定位軟件等。��

    為了防止數(shù)據(jù)的溢出，當(dāng)存儲設(shè)備達(dá)到飽和容量的95%時(shí)，便會發(fā)出“嘀嘀”的報(bào)警聲，以提醒作業(yè)人員進(jìn)行及時(shí)處理。��

3.3 計(jì)算與顯控

    圖7-1中的顯控器，通常包括一個(gè)視屏顯示窗和一組控制鍵盤，它們有的安設(shè)在接收單元的面板上，有的作為一個(gè)獨(dú)立的終端設(shè)備。它是人機(jī)對話的窗口，通過它，可對接收機(jī)進(jìn)行配置，讓接收設(shè)備按照配置的要求去工作。通過它可輸入一些必要的信息，如測站名、天線高、點(diǎn)的坐標(biāo)等。當(dāng)然也可以通過它調(diào)用存儲在接收機(jī)里的數(shù)據(jù)信息和功能，它是RTK作業(yè)流動站的必不可少的工具。接收機(jī)內(nèi)的處理軟件是實(shí)現(xiàn)GPS定位數(shù)據(jù)采集和通道自校檢測自動化的重要組成部分，它主要用于信號捕獲、環(huán)路跟蹤和點(diǎn)位計(jì)算。在機(jī)內(nèi)軟件的協(xié)同下，微處理機(jī)主要完成下述計(jì)算和數(shù)據(jù)處理：��

（1）接收機(jī)開機(jī)后，立即指令各個(gè)通道進(jìn)行自檢，適時(shí)地在視屏顯示窗內(nèi)展示各自的自檢結(jié)果，并測定、校正和存儲各個(gè)通道的時(shí)延值。

（2）接收機(jī)對衛(wèi)星進(jìn)行捕捉跟蹤后，根據(jù)跟蹤環(huán)路所輸出的數(shù)據(jù)碼，解譯出GPS衛(wèi)星星歷。當(dāng)同時(shí)鎖定4顆衛(wèi)星時(shí)，將C/A碼偽距觀測值連同星歷一起計(jì)算出測站的三維位置，并按照預(yù)置的位置數(shù)據(jù)更新率，不斷更新(計(jì)算)點(diǎn)的坐標(biāo)。

（3）用已測得的點(diǎn)位坐標(biāo)和GPS衛(wèi)星歷書，計(jì)算所有在軌衛(wèi)星的升降時(shí)間、方位和高度角，并為作業(yè)人員提供在視衛(wèi)星數(shù)量及其工作狀況，以便選用“健康”的且分布適宜的定位衛(wèi)星，達(dá)到提高點(diǎn)位精度的目的。��

（4）接收用戶輸入的信號，如測站名、測站號、天線高和氣象參數(shù)等。��

3.4 電源

    GPS接收機(jī)的電源有兩種：一種是內(nèi)電源，一般采用鋰電池，主要用于為RAM存儲器供電，以防止數(shù)據(jù)丟失；另一種為外接電源，這種電源常采用可充電的12V直流鎘鎳電池組或鋰電池，有的也可采用汽車電瓶。當(dāng)用交流電時(shí)，需經(jīng)過穩(wěn)壓電源或?qū)Ｓ秒娏鹘粨Q器。當(dāng)機(jī)外電池下降到11.5V時(shí)，便自動接通內(nèi)電池。當(dāng)機(jī)內(nèi)電池低于10V時(shí)，若沒有連接上新的機(jī)外電池，接收機(jī)便自動關(guān)機(jī)，停止工作，以免縮短使用壽命。在用機(jī)外電池作業(yè)過程中，機(jī)內(nèi)電池能夠自動地被充電。