GPS系统介绍 - 图文

目 录

第一章 概述 ..................................................................................................... 2

一、GPS的发展历史 ................................................................................ 2 二、GPS系统构成 .................................................................................... 4 三、GPS的用途及使用现状 ..................................................................... 6 第二章 GPS信号及定位原理 ........................................................................... 7

一、GPS信号的基本结构 ......................................................................... 7 二、GPS信号的合成 ................................................................................ 9 三、GPS的时间系统 .............................................................................. 10 四、GPS坐标系 ..................................................................................... 11 五、GPS定位原理 .................................................................................. 14 六、GPS定位方法分类 ........................................................................... 16 第三章 GPS接收机 ....................................................................................... 18

一、GPS接收机的分类 ........................................................................... 18 二、GPS接收机的组成及工作原理 ......................................................... 20 三、GPS导航接收机的重要指标 ............................................................ 27 第四章 车载GPS ........................................................................................... 28

一、车载GPS 的基本功能 ..................................................................... 28 二、车载GPS定位导航系统模块组成 .................................................... 30 第五章 GPS现代化计划与第三信号L5 ......................................................... 31

1

第一章 概述

导航的定义是“使运载体或人员从一个地方到另一个地方的科学”。在日常生活中，我们每个人都在进行某种形式的导航。开车去上班或步行去商店需要我们使用我们的眼睛、常识和地表等进行导航。然而在一些情况下需要更精确的知道我们的位置、想遵循的航向或到达目的地距离时间等。这时就需要一些专门的导航设备来实现了。

进入20、21世纪终于有了简单而精确的导航方法——全球卫星导航系统。GNSS(Global Navigation Satellite System)全球卫星导航系统是利用导航卫星发射的无线电信号，求出载体相对卫星的位置，再根据已知的卫星相对地面的位置，计算并确定载体在地球上的位置的技术。

说起卫星导航大家应该会想到GPS，那么GPS全球定位系统究竟是什么东西呢？

一、GPS的发展历史

GPS（Global Positioning System）全球定位系统，是一套美国军方设计的，以航天技术为基础的导航与定位系统。这套系统可以使美军士兵独立测定精度为10米以下的自己的位置。它是一个中距离圆型轨道卫星导航系统。它可以为地球表面绝大部分地区（98%）提供准确的定位、测速和高精度的时间标准。系统由美国国防部研制和维护，可满足位于全球任何地方或近地空间的用户连续精确的确定三维位置、三维运动和时间的需要。

GPS系统的前身为美军研制的一种子午仪卫星定位系统（Transit），1958年研制，1964年正式投入使用。该系统用5到6颗卫星组成的星网工作，每天最多绕过地球13次，并且无法给出高度信息，在定位精度方面也不尽如人意。然而，子午仪系统使得研发部门对卫星定位取得了初步的经验，并验证了由卫星系统进行定位的可行性，为GPS系统的研制埋下了铺垫。由于卫星定位显示出在导航方面的巨大优越性及子午仪系统存在对潜艇和舰船导航方面的巨大缺陷。美国海陆空三军及民用部门都感到迫切需要一种新的卫星导航系统。为此，美国海军研究实验室（NRL）提出了名为Tinmation的用12到18颗卫星组成10000km高度的全球定位网计划，并于67年、69年和74年各发射了一颗试验卫星，在这

2

些卫星上初步试验了原子钟计时系统，这是GPS系统精确定位的基础。而美国空军则提出了621-B的以每星群4到5颗卫星组成3至4个星群的计划，这些卫星中除1颗采用同步轨道外其余的都使用周期为24h的倾斜轨道 该计划以伪随机码（PRN）为基础传播卫星测距信号，其强大的功能，当信号密度低于环境噪声的１％时也能将其检测出来。伪随机码的成功运用是GPS系统得以取得成功的一个重要基础。海军的计划主要用于为舰船提供低动态的2维定位，空军的计划能供提供高动态服务，然而系统过于复杂。由于同时研制两个系统会造成巨大的费用，而且这里两个计划都是为了提供全球定位而设计的，所以1973年美国国防部将2者合二为一，并由国防部牵头的卫星导航定位联合计划局（JPO）领导，还将办事机构设立在洛杉矶的空军航天处。该机构成员众多，包括美国陆军、海军、海军陆战队、交通部、国防制图局、北约和澳大利亚的代表。 最初的GPS计划在联合计划局的领导下诞生了，该方案将24颗卫星放置在互成120度的六个轨道上。每个轨道上有4颗卫星，地球上任何一点均能观测到6至9颗卫星。这样，粗码精度可达100m，精码精度为10m。 由于预算压缩，GPS计划不得不减少卫星发射数量，改为将18颗卫星分布在互成60度的6个轨道上。然而这一方案使得卫星可靠性得不到保障。1988年又进行了最后一次修改：21颗工作星和3颗备份星工作在互成30度的6条轨道上。这也是现在GPS卫星所使用的工作方式。

GPS计划的实施共分三个阶段： 第一阶段为方案论证和初步设计阶段。

从1978年到1979年，由位于加利福尼亚的范登堡空军基地采用双子座火箭发射4颗试验卫星，卫星运行轨道长半轴为26560km，倾角64度。轨道高度20000km。这一阶段主要研制了地面接收机及建立地面跟踪网，结果令人满意。 第二阶段为全面研制和试验阶段。

从1979年到1984年，又陆续发射了7颗称为BLOCK I的试验卫星，研制了各种用途的接收机。实验表明，GPS定位精度远远超过设计标准，利用粗码定位，其精度就可达14米。 第三阶段为实用组网阶段。

3

1989年2月4日第一颗GPS工作卫星发射成功，这一阶段的卫星称为BLOCK II 和 BLOCK IIA。此阶段宣告GPS系统进入工程建设状态。1993年底使用的GPS网即（21+3）GPS星座已经建成，今后将根据计划更换失效的卫星。

二、GPS系统构成

GPS计划始于1973年，已于1994年进入完全运行状态。GPS系统主要由空间星座部分、地面监控部分和用户设备三部分组成。

1.空间星座部分

GPS卫星星座由24颗卫星组成，其中21颗为工作卫星，3颗为备用卫星。24颗卫星均匀分布在6个轨道平面上，每个轨道面上有4颗卫星。卫星轨道面相对于地球赤道面的轨道倾角为55°，轨道距地面20200KM，各轨道平面的升交点的赤经相差60° ，卫星运行周期为11h58min,一个轨道平面上的卫星比西边相邻轨道平面上的相应卫星升交角距超前30°。这种布局的目的是保证在全球任何地点、任何时刻至少可以观测到4颗卫星。

4

GPS卫星是由洛克菲尔国际公司空间部研制的，卫星重774kg，使用寿命为7年。卫星采用蜂窝结构，主体呈柱形，直径为1.5m。卫星两侧装有两块双叶对日定向太阳能电池帆板(BLOCK I)，全长5.33m接受日光面积为7.2。对日定向系统控制两翼电池帆板旋转，使板面始终对准太阳，为卫星不断提供电力，并给三组15Ah镍镉电池充电，以保证卫星在地球阴影部分能正常工作。在星体底部装有12个单元的多波束定向天线，能发射张角大约为30度的两个L波段（19cm和24cm波）的信号。在星体的两端面上装有全向遥测遥控天线，用于与地面监控网的通信。此外卫星还装有姿态控制系统和轨道控制系统，以便使卫星保持在适当的高度和角度，准确对准卫星的可见地面。

由GPS系统的工作原理可知，星载时钟的精确度越高，其定位精度也越高。早期试验型卫星采用由霍普金斯大学研制的石英振荡器，相对频率稳定度较低，误差为14m。1974年以后，GPS卫星采用铷原子钟，误差达到8m。1977年，BOKCK II型采用了马斯频率和时间系统公司研制的铯原子钟后相对稳定提升，误差则降为2.9m。1981年，休斯公司研制的氢原子钟使BLOCK IIR型卫星误差仅为1m。 2.地面监控部分

GPS的控制部分由分布在全球的由若干个跟踪站所组成的监控系统所构成，根据其作用的不同，这些跟踪站又被分为主控站、监控站和注入站。主控站

5

有一个，位于美国克罗拉多（Colorado）的法尔孔（Falcon）空军基地，它的作用是根据各监控站对GPS的观测数据，计算出卫星的星历和卫星钟的改正参数等，并将这些数据通过注入站注入到卫星中去；同时，它还对卫星进行控制，向卫星发布指令，当工作卫星出现故障时，调度备用卫星，替代失效的工作卫星工作；另外，主控站也具有监控站的功能。监控站有五个，除了主控站外，其它四个分别位于夏威夷（Hawaii）、阿松森群岛（Ascencion）、迭哥伽西亚（Diego Garcia）、卡瓦加兰（Kwajalein），监控站的作用是接收卫星信号，监测卫星的工作状态；注入站有三个，它们分别位于阿松森群岛（Ascencion）、迭哥伽西亚（Diego Garcia）、卡瓦加兰（Kwajalein），注入站的作用是将主控站计算出的卫星星历和卫星钟的改正数等注入到卫星中去。 3.用户设备

用户设备主要是GPS接收机，主要作用是从GPS卫星收到信号并利用传来的信息计算用户的三维位置及时间。

三、GPS的用途及使用现状

GPS系统是目前全球唯一一个完整的全球导航定位系统，因其全天候、全球覆盖（高达98%）、三维定点定时定速精度高、测站间无需通信、快速省时高效率等特点而被全球广泛使用。

GPS 最初就是为军方提供精确定位而建立的，至今它仍然由美国军方控制。军用 GPS 产品主要用来确定并跟踪在野外行进中的士兵和装备的坐标，给海中的军舰导航，为军用飞机提供位置和导航信息等。

目前，GPS 系统的应用已将十分广泛，我们可以应用 GPS 信号可以进行海、空和陆地的导航，导弹的制导，大地测量和工程测量的精密定位，时间的传递和速度的测量等。对于测绘领域，GPS 卫星定位技术已经用于建立高精度的全国性的大地测量控制网，测定全球性的地球动态参数；用于建立陆地海洋大地测量基准，进行高精度的海岛陆地联测以及海洋测绘；用于监测地球板块运动状态和地壳形变；用于工程测量，成为建立城市与工程控制网的主要手段。用于测定航空航天摄影瞬间的相机位置，实现仅有少量地面控制或无地面控制的航测快速成图，导致地理信息系统、全球环境遥感监测的技术革命。

6

许多商业和政府机构也使用 GPS 设备来跟踪他们的车辆位置，这一般需要借助无线通信技术。一些 GPS 接收器集成了收音机、无线电话和移动数据终端来适应车队管理的需要

最近几年，越来越多普通消费者买得起的 GPS 接收器出现了。随着技术的进步，这些设备的功能越来越完善，几乎每月都有新的功能出现，但价格在下跌，尺寸也越来越小了。两三年前 GPS 设备还像艺术品一样令人望而却步，而现在消费者终于可以拥有一款梦想已久的 GPS 接收器了，还带有以前做梦也想不到的很多先进的功能。

中国卫星导航产品与服务一直呈现强劲增长的势头，在中国有着巨大的发展潜力。据有关部门统计，GPS接收机相关产品的拥有量8万台左右，航海型约有5万台左右，应用数量最多；车载型以每年200%的速度递增，发展最快；手持型各类个人消费终端产品形态极为丰富，最具诱惑力。随着中国北斗一号试验卫星成功发射和正在着力研究开发的第二代中国导航卫星系统（CNSS），中国将成为世界导航强国，卫星导航市场的发展前景将更为广阔。

第二章 GPS信号及定位原理

一、GPS信号的基本结构

GPS卫星信号是GPS卫星向广大用户发送的用于导航定位的调制波，它包含载波、测距码和数据码。时钟基本频率为10.23MHz。 GPS有L 波段的两种载波：

L1载波频率为1575.42MHz，波长19.03cm；L2载波频率为1227.6MHz，波长24.42cm

选择这两个L波段的载频，目的在于测量或消除由于电离层效应而引起的延迟误差。

在无线电通信技术中，为了有效地传播信息，都是将频率较低的信号加载在频率较高的载波上，次过程称为调制。然后载波携带着有用信号传送出去，到达用户接收机。

7

测距码又称伪随机噪声码（PRN），简称伪随机码或伪噪声码，实际上它只是一种非常复杂的数字编码，具有特殊的数学特征。这种信号看起来如同随机的电噪声，但是又不是真正的噪声，故称为―伪随机噪声‖，信号为伪随机噪声码。 GPS有两种伪随机噪声码：

第一种为粗捕获（C/A）码，主要提供给民用，它调制在L1载波上。其调制频率是1.023MHz，码长为1023个码元，即信号每百万分之一秒跳动一次。每个GPS卫星有其独特的伪随机码。粗捕获码的码元宽度较大，通常测距误差为29.3～2.93米。

笫二种为精准（P）码，是和粗捕获码对应的精测码，它每7天才重复一次，以10.23MHz的频率调制在L1和L2载波上。由于GPS接收机通过对比码元的跳动来计算从卫星到接收机的时间，然后再转换成距离，显而易见，P码的时间精度提高了10倍。这种码供军事应用，是加密的。当它加密时，则被称为―Y‖码。由于精准码比粗捕获码复杂得多，所以信号捕获要困难得多，这就是为什么许多军用接收机开机后常常是首先显示粗捕获码，然后过渡到精准码捕获。当然，由于技术的不断进步，美国人已解决了精准码的直接捕获问题，不一定需要有粗捕获码向精准码过渡的过程。

数据码即D码，也称为导航电文，它是一个50Hz信号，信号内容包括了：卫星星历、时钟改正、电离层延时改正、工作状态信息以及C/A码转换到捕获P码的信息等。这些信息是以二进制码的形式，按规定格式组成，周而复始地向外播送。其内容仅在卫星注入新的导航数据后才得以更新。GPS接收机就是通过这些参数计算出某一时刻某颗卫星在空间中的位置，然后再确定自己与卫星的距离，最后计算出自己的实际位置。

GPS系统针对不同用户提供两种不同类型的服务。一种是标准定位服务(SPS–Standard Positioning Service)，另一种是精密定位服务(PPS–Precision Positioning Service)。这两种不同类型的服务分别由两种不同的子系统提供，标准定位服务由标准定位子系统(SPS–Standard Positioning System)提供，精密定位服务则由精密定位子系统(PPS–Precision Positioning System)提供。SPS主要面向全世界的民用用户。PPS主要面向美国及其盟国的军事部门以及民用的特许用户。

8

SPS（标准定位服务）是供普通民用用户使用的，使用C/A码进行定位。世界上的任何民用用户都可以免费且不受限制地使用该类定位服务。绝大多数的GPS接收机都具有接收SPS信号的能力，美国国防部通过采用SA有意识地降低了SPS的定位精度。

PPS（精密定位服务）是供经过美国政府授权的用户使用的，使用P码进行定位。这类用户包括美国及其盟国的军事部门、某些美国政府部门、以及一些经过挑选并通过美国政府特别批准的民用用户。使用PPS需要采用加密设备、密钥以及专用的接收机。

二、GPS信号的合成

测距码和数据码是采用调相技术调制到载波上的。L1和L2载波与测距码（C/A码和P码）和数据码（导航电文）调制后，从而产生两种导航定位信号。第一种导航定位信号包含：C/A-L1载波、L1-C/A码、L1-P码、P- L1载波、D码（导航电文）。第二种导航定位信号包含：P- L2载波、L2-P码、D码（导航电文）。两种导航定位信号合成后，连续不断地向用户发送。单频接收机使用第一种导航定位信号，双频接收机使用两种导航定位信号。

在L1载波上由数据码和两种伪随机码分别以同相和正交的方式进行调制，其信号结构为：

在L2载频上，只有P码进行双相调制，其信号结构为：

9

信号的合成可用下图表示。在图中可以清晰的看出，卫星发射的所有信号分量都是由同一基本频率（10.23MHz）产生的，其中包括：载波L1、L2，粗测距码C/A码，精测距码P码和数据码，最后由卫星天线发射出去。

三、GPS的时间系统

GPS导航系统的基本原理本质是根据卫星信号在空中传播的时间乘以光速得出已知位置的卫星到用户接收机之间的距离，然后综合多颗卫星的数据就可知道接收机的具体位置。因此，卫星时间系统的准确性是影响定位精度的重要指标，微秒的误差就有可能造成定位时几米甚至几十米的误差。

在GPS卫星上用于记时的设备是星载原子钟。

原子钟，它最初本是由物理学家创造出来用于探索宇宙本质的；他们从来没有想过这项技术有朝一日竟能应用于全球的导航系统上。根据原子物理学的基

10

本原理，原子是按照不同电子排列顺序的能量差，也就是围绕在原子核周围不同电子层的能量差，来吸收或释放电磁能量的。这里电磁能量是不连续的。当原子从一个―能量态‖跃迁至低的―能量态‖时，它便会释放电磁波。这种电磁波特征频率是不连续的，这也就是人们所说的共振频率。同一种原子的共振频率是一定的—例如铯133的共振频率为每秒9192631770周。因此铯原子便用作一种节拍器来保持高度精确的时间。

GPS卫星系统最终采用的就是铯原子钟。原子钟的精度可以达到每100万年才误差1秒。这样就保证了GPS时间系统的精确性。

四、GPS坐标系

任何测量都离不开固定的坐标系统，GPS定位系统采用的坐标系统是WGS-84世界大地坐标系统。为了测定和表示总的空间位置，它既可用地心空间坐标系（X， Y， Z）表示，也可用椭球大地坐标系为大地纬度、大地经度、大地高（B, L, H）表示。

要建立坐标系，就必须把地球看做一个可用来计算的数学模型，由于地球各地地质不同和地壳内物质密度分布的不均匀，造成地面个点重力大小和方向不同，因此与铅垂线处处正交的大地水准面是起伏不平的，因而它也很难以用简单的数学模型描述。经过研究，大地水准面相当接近于一个规则的具有微小扁率的数学曲面——旋转椭球。旋转椭球可用两个几何参数确定，即为椭球的长半径a和扁率f。这两个参数决定了椭球的形状和大小。

WGS-84坐标系统吧地球看成一个中心与地心重合沿短轴旋转的椭球。这样选定和建立的椭球称为参考椭球，对应的坐标系称为参心坐标系。参心坐标系可分为参心空间直角坐标系和参心大地坐标系。

WGS-84坐标系的坐标原点位于地球的质心，Z轴指向BIH1984.0定义的协议地球极方向，X轴指向BIH1984.0的启始子午面和赤道的交点，Y轴与X轴和Z轴构成右手系。

WGS-84系所采用椭球参数为：

11

a?6378137mf?1/298.257223563C20??484.16685?10?6

??7.292115?10?5rad?s?1GM?398600.5km3?s?2

12

13

五、GPS定位原理

GPS定位的基本思路是接收机单相的接收GPS信号，根据一定的规则把信号解码，信号里载有卫星发射该信号时卫星的时间信息，接收机结合自己接受时的时间得出一个时间差，然后用时间差乘以光速就算出了卫星距接收机的距离。根据数学算法可知有三颗卫星的信号列出三个方程就可以算出用户的三维坐标x、y、z了，但考虑到接收机和卫星的时间不可能总保持同步，所以还要引进一个Δt即卫星与接收机之间的时间差作为未知数，然后用 4 个方程将这 4 个未知数解出来。因此，GPS接收机至少需要接收到4颗卫星信号才能完成定位。简言之，GPS定位原理是一种空间的距离交会原理。

14

S1 S2 S3 S4 ?2 ?1 ?3 ?4 Z X P GPS接收机 设想在地面待定位置上安置GPS接收机，同一时刻接收4颗以上GPS卫星发射的信号。通过一定的方法测定这4颗以上卫星在此瞬间的位置以及它们分别至该接收机的距离，据此利用距离交会法解算出测站P的位置及接收机钟差δt。

如上图所示，设时刻ti在测站点P用GPS接收机同时测得P点至四颗GPS卫星S1、S2、S3、S4的距离?1、?2、?3、?4，通过GPS电文解译出四颗GPS卫星的三维坐标?Xj,Yj,Zj?,j?1,2,3,4，用距离交会的方法求解P点的三维坐标

Y ?X,Y,Z?的观测方程为：

??2??1???2??2??2??3??2???4??X?X???Y?Y???Z?Z??c?t222222?X?X???Y?Y???Z?Z??c?t

323232?X?X???Y?Y???Z?Z??c?t424242?X?X???Y?Y???Z?Z??c?t121212式中的c为光速，δt为接收机钟差。

由此可见，GPS定位中，要解决的问题就是两个：

一是观测瞬间GPS卫星的位置。我们知道GPS卫星发射的导航电文中含有

15

GPS卫星星历，可以实时的确定卫星的位置信息。

二是观测瞬间测站点至GPS卫星之间的距离。站星之间的距离是通过测定GPS卫星信号在卫星和测站点之间的传播时间来确定的。

六、GPS定位方法分类

GPS定位的方法是多种多样的，用户可以根据不同的用途采用不同的定位方法。GPS定位方法可依据不同的分类标准，作如下划分：

1. 根据定位所采用的观测值 伪距定位

伪距定位所采用的观测值为GPS伪距观测值，所采用的伪距观测值既可以是C/A码伪距，也可以是P码伪距。伪距定位的优点是数据处理简单，对定位条件的要求低，不存在整周模糊度的问题，可以非常容易地实现实时定位；其缺点是观测值精度低，C/A 码伪距观测值的精度一般为3米，而P码伪距观测值的精度一般也在30个厘米左右，从而导致定位成果精度低，另外，若采用精度较高的P码伪距观测值，还存在AS的问题。

载波相位定位

载波相位定位所采用的观测值为GPS的载波相位观测值，即L1、L2或它们的某种线性组合。载波相位定位的优点是观测值的精度高，一般优于2个毫米；其缺点是数据处理过程复杂，存在整周模糊度的问题。 2. 根据定位的模式 绝对定位

绝对定位又称为单点定位，这是一种采用一台接收机进行定位的模式，它所确定的是接收机天线的绝对坐标。这种定位模式的特点是作业方式简单，可以单机作业。绝对定位一般用于导航和精度要求不高的应用中。

相对定位

相对定位又称为差分定位，这种定位模式采用两台以上的接收机，同时对一组相同的卫星进行观测，以确定接收机天线间的相互位置关系。 3. 根据获取定位结果的时间 实时定位

实时定位是根据接收机观测到的数据，实时地解算出接收机天线所在的位置。

非实时定位

非实时定位又称后处理定位，它是通过对接收机接收到的数据进行后处理以进行定位得方法。 4. 根据定位时接收机的运动状态

16

动态定位

所谓动态定位，就是在进行GPS定位时，认为接收机的天线在整个观测过程中的位置是变化的。也就是说，在数据处理时，将接收机天线的位置作为一个随时间的改变而改变的量。动态定位又分为Kinematic和Dynamic两类。

静态定位

所谓静态定位，就是在进行GPS定位时，认为接收机的天线在整个观测过程中的位置是保持不变的。也就是说，在数据处理时，将接收机天线的位置作为一个不随时间的改变而改变的量。在测量中，静态定位一般用于高精度的测量定位，其具体观测模式多台接收机在不同的测站上进行静止同步观测，时间由几分钟、几小时甚至数十小时不等。

在此着重介绍一下差分定位原理：

差分定位原理是是将一台接收机设置在一个固定的观测站（基准站T0），基准站在协议地球坐标系中的坐标是已知的。另一台接收机安装在运动的载体上，载体在运动过程中，其上的GPS接收机与基准站上的接收机同步观测GPS卫星，以实时确定载体在每个观测历元的瞬时位置。

在动态相对定位过程中，由基准站接收机通过数据链发送修正数据，用户站接收该修正数据并对测量结果进行改正处理，以获得精确的定位结果。由于用户接收基准站的修正数据，对用户站观测量进行改正，这种数据处理本质上是求差处理（差分），以达到消除或减少相关误差的影响，提高定位精度，因此GPS动态相对定位通常又称为差分GPS（DGPS）定位。

动态相对定位过程中存在着三部分误差：第一部分是对每一个用户接收机所公有的，包括卫星钟误差、星历误差、电离层误差、对流层误差等；第二部分为不能由用户测量或由校正模型来计算的传播延迟误差，如：多径误差；第三部分为各用户接收机所固有的误差，包括内部噪声、通道延迟、多路径效应等。利用差分技术，第一部分误差完全可以消除，第二部分误差大部分可以消除，其主要取决于基准接收机和用户接收机的距离，第三部分误差则无法消除。

在差分GPS定位中，按照对GPS信号的处理时间不同，可划分为实时差分GPS和后处理差分GPS。实时差分GPS就是在接收机接收GPS信号的同

17

时计算出当前接收机所处位置、速度及时间等信息；后处理差分GPS则是把卫星信号记录在一定介质（GPS接收机主机、电脑等）上，回到室内进行数据处理，获取用户接收机在每个瞬间所处理的位置、速度、时间等信息。

按照提供修正数据的基准站的数量不同，又可以分为单基准站差分、多基准站差分。而多基准站差分又包括局部区域差分、广域差分和多基准站RTK技术。

第三章 GPS接收机

GPS卫星发送的导航定位信号，是一种可供无数用户共享的信息资源。对于陆地、海洋和空中的广大用户，只要拥有能够接受、跟踪、变换和测量GPS信号的接收设备，即GPS信号接收机，即可在任何时候用GPS信号进行导航定位测量。根据使用目的的不同，用户要求的GPS信号接收机也各有差异。

一、GPS接收机的分类

1．按接收机的用途分类可分为：

导航型接收机

此类型接收机主要用于运动载体的导航，它可以实时给出载体的位置和速度。这类接收机一般采用C/A码伪距测量，单点实时定位精度较低一般为±25m,有SA影响时为 ±100m。这类接收机价格便宜，应用广泛。根据应用领域的不同，此类接收机可以进一步分为：

18

手持型——用于单人定位； 车载型——用于车辆导航定位； 航海型——用于船舶导航定位；

航空型——用于飞机导航定位。由于飞机运行速度快，因此，在航空用的接收机要求能适应高速运动。

星载型——用于卫星的导航定位。由于卫星的运动速度高达7公里/s以上，因此对接收机的要求更高。

（1） 测地型接收机：主要用于精密大地测量和精密工程测量。主要采用载

波相位观测进行相对定位，精度高、价格贵

（2） 授时型接收机：这类接收机主要利用GPS卫星提供的高精度时间标准

进行授时，常用于天文台及无线电通讯中时间同步。 2.按接收机的载波频率分类

(1) 单频接收机 单频接收机只能接收L1载波信号，测定载波相位观测值进行定位。由于不能有效消除电离层延迟影响，单频接收机只适用于短基线

19

（<15km）的精密定位。

(2) 双频接收机 双频接收机可以同时接收Ｌ１，Ｌ２载波信号。利用双频对电离层延迟的不一样，可以消除电离层对电磁波信号延迟的影响，因此双频接收机可用于长达几千公里的精密定位。

此外还可按接收机通道数和工作原理等来分类。

二、GPS接收机的组成及工作原理

GPS接收机主要由 1、GPS接收机天线单元；2、GPS接收机主机单元；3、电源三部分组成。其中主机又可分为信号变频、信号通道、微处理器、数据存储和数据输出等模块。原理图如下所示：

1.GPS接收天线

天线由接收机天线和前置放大器两大部分组成。天线的作用是将GPS卫星信号的极微弱的电磁波能转化为相应的电流，而前置放大器则是将GPS信号电流放大。为便于接收机对信号进行跟踪、处理和量测，对天线部分有以下要求：

——天线与前置放大器应密封一体，以保障其正常工作，减少信号损失； ——能够接收来自任何方向的卫星信号，不产生死角； ——有防护与屏蔽多路径的措施；

——天线的相位中心保持高度的稳定，并与其几何中心一致。 GPS接收机天线有下列几种类型：

(1)单板天线 这种天线结构简单、体积较小，需要安装在一块基板上，属单频天线。

(2)四螺旋形天线 四螺旋形天线是由四条金属管线绕制而成，底部有一块金

20

属掏板。这种天线频带寒风，全圆极化性能好，可捕捉低高度角卫星。缺点是不能进行双频接收，抗震性差，常用作导航型接收机天线。

(3)微带天线 微带天线是在厚度为h（h≤λ）的介质板两边贴以金属片。一边为金属底板，一边做成矩形或圆形等规则形状。这种天线也称为贴片天线。微带天线的特点是高度低，重量轻，结构简单并且坚固，易于制造；既可用于单频机，又可用于双频机。缺点是增益较低。目前大部分测地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。 （4）锥形天线 锥形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表面，也称盘旋螺线型天线。这种天线可以同进出在两个频率上工作。锥形天线的特点是增益好。但是由于其天线较高，并且在水平方向上不对称，天线相位中心与几何中心不完全一致。因此，在安置天线时要仔细定向并且要给于补偿。

GPS天线接收来自20000km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。即信号源淹没在噪声中。为了提高信号强度，一般在天线后端设有前置放大器。对于双频接收机设有两路前置放大器以减少带宽，控制外来信号干扰，也防止f1,f2信号干扰。大部分GPS天线都与前置放大器结合在一起，但也有些导航型接收机为减少天线重量、便于安置、避免雷电事故，而将天线和前置放大器分开。

GPS 接收机对信号的检测质量取决于信噪比，当其为“理想接收机”时，接收机输入端的信噪比 Si/Ni与其输出端的信噪比 So/No 相同。由于实际 GPS 接收机存在内部噪声，使得（So/No）<(Si/Ni)；而噪声越大，输出信噪比越越小，则接收机的性能越差。此时接收机的噪声系数为：F=（Si/Ni）/(So/No)

我们通常用接收机输入信号功率的最小可检测信号功率Simin来表示接收机的灵敏度，其值越小，接收机灵敏度越高。

经计算可得GPS接收机的灵敏度 Simin=kT0BnFo(So/No)min

式中k 为玻尔兹曼常数，k=1.38×10 -23J/K,T0 为单元电路的室内温度 17℃（290K，绝对温度），Bn 为单元电路的带宽，Fo为接收机的总噪声系数。

由上式可知，为了提高 GPS 接收机的灵敏度，就要减少最小可检测信号功率 Simin，因此在接收机电路设计中一方面要考虑尽量降低接收机的总噪声系数 Fo，另一方面应设法提高噪声背景下 GPS 接收机输出端的信噪比 So/No。因此，设计天线时要根据这两方面的因素来设计。

GPS 接收机中各级单元电路的内部噪声对级联后总噪声系数的响应有所不同，级数越靠前的单元电路的噪声系数对总噪声系数的影响越大。因此，总噪声系数主要取决于最前面几级单元电路的噪声系数，其中天线热噪声对接收机性能影响最大，故设计时采用接收天线、射频频段选择带通滤波器及高频低噪放LNA（Low Noise Amplifier）等器件组成天线单元。

下图是一个外置接收机天线单元的原理图，它采用 DC 5V 供电，其中 LNA 采用高增益、低噪声、高频放大器 MAAM12021，其增益高达 21dB、噪声系数低于 1.55dB，有利于降低 GPS 接收机的总噪声系数；其工作频段处于 1.5～1.6GHz，适合于 C/A 码 GPS 接收机的频带需求，可满足高增益和低噪声系数的性能指标要求。

21

2.GPS接收机主机单元

（1）变频器及中频接收放大器

本级也叫接收机的射频单元，经过GPS前置放大器的信号仍然很微弱，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，就必须经过本级的变频及放大处理。

噪声总是伴随着信号同时出现，尽可能提高噪声背景下输出端的信噪比是改善接收机灵敏度的重要措施。GPS接收机天线单元接收并提供给射频单元的信号频率很高而信道带宽又很窄，要直接滤出所需信道，则需Q值非常大的滤波器，至少目前的技术水平难以满足这一指标；另外高频电路在增益、精度和稳定性等方面的问题，在高频范围直接对GPS卫星信号进行解调很不现实。为此，在射频单元设计中采用“超外差”式多级变频配合带通滤波器的电路结构，以消除噪声干扰，解决高频信号处理中所遇到的困难。

这里举一个适合这种电路结构的芯片GP2010，它采用了第二代GPS接收机射频前端。它采用 44 引脚、帧面方形封装，主要集成了频率合成器、混频器、自动增益控制（AGC）电路以及数字量化器等。GP2010 接收的信号频率与L1 载波的卫星信号频率兼容，主要用于设计C/A码GPS接收机的射频单元。微弱的GPS高频信号通过超外差式三级混频电路，去掉了其它信 道干扰，获得了足够增益，解调并取出所需的中频信息。下图给出了前两级超外差式下变频器和带有自动增益控制（AGC）电路的第三级混频器的工作原理图，每经过一

22

次下变频，输出信号的频率降低、幅度增大，而其它信道和频段的干扰则被逐步滤除。

GP2010 利用混频器将高频GPS信号搬到很低中频频率的同时引入了镜频干扰，而利用滤波器对镜频干扰的抑制效果取决于镜频频率与信号频率之间的距离，或者说取决于中频频率的高低。如果中频频率高，则信号与镜频相距较远，那么镜频成份就能受到较大抑制；反之，如果中频频率较低，则信号与镜频相隔不远，滤波器对干扰的滤波效果就比较差。由于信道选择在中频进行，同理，较高的中频频率对信道选择滤波器的要求也较高，于是镜频抑制与信道选择形成一对矛盾，而中频频率的选择成为平衡这对矛盾的关键。所以在GPS接收机设计中，通常使用两级或三次变频来取得更好的折衷。

由上图可看出，GP2010 的三级变频器采用了中心频率分别为 175.42MHz、35.42MHz和 4.309MHz的三个中频滤波器。各级混频器需要的

23

本振信号均由片内集成锁相环（PLL）频率合成器提供（如下图所示）。

它主要由PLL振荡器回路、鉴相器、PLL环路滤波器、分频器和一个完整的 1400MHz压控振荡器（VCO）等元件组成。PLL采用 10.000MHz参考频率；VCO的控制增益为 150MHz/V、输出频率范围为 1386～1414MHz。为了提供高稳定度参考频率源，设计中采用了温度补偿型晶体振荡器（TCXO）自输入阻抗为 5kΩ的参考频率提供 10.000MHz的AC小信号频率给PLL振荡器。当PLL相位锁定参考信号时，鉴相输出逻辑高电平指示相位已锁定，相位锁定时间约需 6ms，环路增益约为 150dB。VCO输出的 1400MHz信号作为第一本振信号，由其分频产生的 140.0MHz、31.111MHz信号分别作为第二本振第第三本振信号。当GP2010 接收到 1575.42MHz的GP S卫星信号时，通过三级变频可得到 4.309MHz的中频信号。

为配合通道单元和解算单元完成导航信号的数据提取及信号处理，在 5.714MHz采样时钟控制下，GP2010 的片内集成数字量化器可实现对 4.309MHz的中频卫星信号进行数字量化，从而为通道单元相关器提供TTL电平的 2 位量化输出，即 1.405MHz的二进制符号及量值数字信息。

总之，在GPS接收机设计中，天线单元的设计着重考虑频段选择和高频低噪放对接收机总噪声系数的影响，以提高接收机灵敏度；射频单元利用频率合成、频率变换、自动增益控制等技术，依靠高品质的中频频率选择、镜频抑制和信道选择滤波器，对所接收的GPS信号进行变频、放大、滤波、采样等一系列处理，从而得到数字中频卫星信号。由此精心设计的超外差式GPS接收机可达到很高的接收灵敏度、频率选择性和较大的动态范围，并具有结构简单、体积小、重量轻、耗电省等优点。

24

（2）信号通道

信号通道是GPS接收机的核心部分，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）搜索卫星，牵引并跟踪卫星；（2）对广播电文数据信号实行解扩，解调出广播电文；（3）进行伪距测量、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：

信号通道电路原理图

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。

（3）微处理器

25

微处理器是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行的其主要工作步骤为： ①、接收机开机后，立即指令各个通道进行自检，适时地在视屏显示窗内展示各自的自检结果，并测定、校正和存储各个通道的时延值。 ②、接收机对卫星进行捕捉跟踪后，根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，并按照预置的位置数据更新率，不断更新(计算)点的坐标。 ③、用已测得的点位坐标和GPS卫星历书，计算所有在轨卫星的升降时间、方位和高度角，并为作业人员提供在视卫星数量及其工作状况，以便选用“健康”的且分布适宜的定位卫星，达到提高点位精度的目的。 ④、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。 （4）信号存储

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接收机都装有半导体存储器（简称内存），接收机内存数据还可以通过数据口传到微机上，以便进行数据处理和数据保存。 （5）显示和输出

GPS接收机都有液晶触摸显示屏以提供GPS接收机工作信息、导航信息以及数字地图，并通过触摸屏输入控制信息控制接收机的工作。 3.电源

GPS接收机电源有两种，一种为内电源，一般采用锂电池，主要用于RAM存贮器供电，以防止数据丢失。另一种为外接电源，这种电源常用可充电的12V直流镉镍电池组，或采用汽车电瓶。当用交流电时，要经过稳压电源或专用电流交换器。

综上所述，接收机的主要任务是：当GPS卫星在用户视界升起时，接收机能够捕获到按一个固定卫星高度截止角所选择的待测卫星，并能够跟踪这些卫星的运行；对所接收到的GPS信号，具有变换、放大和处理的功能，以便测量出GPS信号从卫星到接收天线的传播时间，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。GPS信号接收机不仅需要功能较强有力的机内软件，而且需要一个多功能的GPS数据测后处理软件包。

26

接收机加处理软件包，才是完整的GPS信号用户设备。

三、GPS导航接收机的重要指标

1.定位精度

定位精度是最重要的指标，通常它是由系统性能和接收机接收的环境条件决定的。GPS接收机正常的定位精度为10多米到几十米。目前，由于GPS卫星数量远超过额定数量，所以一般接收机的定位精度达到5~6米。

通常大众化应用的导航接收机产品都是单个频点L1，接收的是民用粗码（C/A）信号，其定位方法是利用测量码相位来实现的。而高端的定位接收机，一般都是L1+L2的双频接收机，利用载波相位方法来实现定位，其定位精度要比单频的高。

2.接收机灵敏度

接收灵敏度通俗地讲是指接收机能够接收最弱信号的能力。随着卫星导航接收机应用领域的不断扩大，尤其在车内、室内、城市峡谷和稠密森林中的应用，对于灵敏度要求越来越高。

3.接收机通道数

接收机通道数又称信道数，是指接收机能够同时接收多少个可见卫星的能力。常用的GPS导航接收机大多是12个信道，现在也有20信道的。由于GNSS多系统的工作，可见卫星数量越来越多，所以目前出现有20多个通道的接收机。

4.首次定位时间

首次定位时间是个很重要的指标，因为开机后是否能够很快接收锁定信号直接影响到用户的感受。首次定位时间定义有很多，简单地说有两种，一是冷启动情况下的首次定位时间，二是热启动情况下的首次定位时间。冷启动是指第一次开机，或者长期没有开机，接收机内没有任何卫星星历和历书数据，也没有进行任何的时间和位置数据的设置，由接收机自行搜索捕获、锁定跟踪信号，实现定位。通常，在冷启动情况下实现定位至少需要数分钟，在某些不利情况下甚至达20～30分钟。热启动是指最近开过机，机内已经存有星历和历书数据，或者进行了时间和位置数据的设置。在这种情况下，接收机首次定位时间较短，大概在3分钟之内可以完成搜索捕获、锁定跟踪信号，实现定位。

27

第四章 车载GPS

当通过硬件和软件做成 GPS 定位终端用于车辆定位的时候，称为车载 GPS,但光有定位还不行，还要把这个定位信息传到报警中心或者车载 GPS 持有人那里，我们称为第三方。所以GPS 定位系统中还包含了GPRS或GSM网络通讯（手机通讯），通过GSM网络用短信的方式把卫星定位信息发送到第三方。通过微机解读短信电文，在电子地图上显示车辆位置。这样就实现了车载 GPS 定位。 与此同时，在车上安装相应的探测传感器，利用车载 GPS 定位的GSM网络通讯功能，同样能把防盗报警信息发送到第三方，或者把这个报警电话、短信直接发送到车主手机上，完成车载 GPS 防盗报警。这里可以看出，车载 GPS 定位的GSM网络部分实际上是一个智能手机，可以和第三方互相通讯，还可以把车辆被抢，司机被劫、被绑架等信息发送到第三方。 所以说车载 GPS 定位对车辆的定位、防盗、防劫有很大的帮助。

目前市场销售很广阔，经常被大家提及的是一般的民用的导航GPS，这样的GPS主要是给汽车定位和导航，而不具备和第三方的通讯能力。导航终端可以导航路线，让你在陌生的地方不迷路，划出最佳的路线让你到达目的地，告诉你自己当前位置，和周边的设施等等。目前越来越发达的道路，错综复杂的高架桥给驾驶者越来越难分辨道路。导航车载gps的确是给驾驶者带来了极大的方便！ 而且现在的导航GPS还具有提前预警电子眼、查询全国旅游景点、酒店等服务。的确给旅游带来了极大的方便。

一、车载GPS 的基本功能

1.地图查询

? 可以在操作终端上搜索你要去的目的地位置。

? 可以记录你常要去的地方的位置信息，并保留下来，也和可以和别人共享这些位置

信息。

? 模糊的查询你附件或某个位置附近的如加油站，宾馆、取款机等信息。

28

2.线路规划

? GPS 导航系统会根据你设定的起始点和目的地，自动规划一条线路。 ? 规划线路可以设定是否要经过某些途径点。 ? 规划线路可以设定是否避开高速等功能。 3.自动导航

? 语音导航：

用语音提前向驾驶者提供路口转向，导航系统状况等行车信息，就像一个懂路的向导告诉你如何驾车去目的地一样。是导航中最重要的一个功能，使你无需观看操作终端，通过语音提示就可以安全到达目的地。

? 画面导航：

在操作终端上，会显示地图，以及车子现在的位置，行车速度，目的地的距离，规划的路线提示，路口转向提示的行车信息。

? 重新规划线路：

当你没有按规划的线路行驶，或者走错路口时候，GPS 导航系统会根据你现在的位置，为你重新规划一条新的到达目的地的线路。 4.移动通讯功能

? 可接收实时交通信息广播，使用户及时掌握最新的道路状况。

? 可将车辆状况报告给交通控制中心，实现报警、求助和通信功能。

另外，车载导航仪还针对汽车增添了很多方便实用的功能，如：FM信号发射；流动和固定测速；无线上网；蓝牙免提；数字电视等等。

29

二、车载GPS定位导航系统模块组成

智能车辆定位与导航系统原理框图

典型的智能车辆定位与导航系统由 8 个主要功能模块组成，如上图所示，各功能模块简要概述如下：

1、 电子地图数据库：这现代车辆导航系统必不可少的组成部分，它包含以预定格式存储的数字化导航地图，为系统提供诸如地理特征、道路位置及坐标、交通规则、基础设施等多种重要信息。

2、 地理信息引擎：是操作和查询电子地图数据库的接口，提供电子地图的显示、浏览、动态刷新、缩放等功能和相关的信息检索与查询服务。

3、 定位模块：由定位传感器和数据处理电路组成，功能是提供实时、连续的车辆位置估计，以使系统能够正确辨别车辆当前的行驶路段和正在接近的交叉路口。

4、 地图匹配模块：将定位模块输出的位置估计与地图数据库提供的道路位置信息进行比较，并通过适当的模式匹配和识别过程确定车辆当前的行驶路段以

30

及在路段中的准确位置。如果数字地图具有较高的位置坐标精度，这一技术将极大地改善系统的整体定位精度，并为实现路径引导提供可靠依据。

5、 路径规划：是帮助车辆驾驶员在旅行前或途中选择合适的出行路线的过程，通常是依据电子地图中的交通路网信息，提供从车辆当前位置到目的地之间总旅行代价最小的路线供用户参考。旅行代价可以是时间、距离、收费等用户关心的因素。如有可能，在进行路径规划时还应考虑从无线通信网络中获取的实时交通信息，以便对道路交通状况的变化做出及时反应。

6、 路径引导：是帮助驾驶员沿预定路线行驶从而顺利到达目的地的过程，它根据地图数据库中的道路信息和由定位模块及地图匹配模块提供的当前车辆位置产生适当的实时驾驶指令。

7、 移动通信模块：能够进一步增强车载导航系统的功能，通过移动通信网络(目前有多达 12 种不同的技术)，车辆及其使用者和交通管理系统之间能够互相交换实时交通信息，使车载系统和公路网络工作得更加安全和有效。

8、 人机交互界面：提供用户与车载计算机系统间的交互接口，用户通过它将地图显示、信息查询、路径规划等操作指令输入到计算机系统中，计算机系统也通过它将以数字地图为背景的车辆位置、最优路径规划结果、实时驾驶引导指令等用户需要的信息以语音提示、可视图形等多媒体方式返回。

除定位和无线通信模块外，其他功能模块都必须以车载导航计算机系统为硬件平台、借助应用软件来实现。另外，车载计算机系统也是包括定位和通信装置在内的所有车载设备的控制平台。

第五章GPS现代化计划与第三信号L5

GPS的现代化计划这一概念是1998 年初由美国副总统戈尔提出来的。1999 年 9月，美国总统科技顾问在一次GPS 国际讨论会上指出：“GPS在下一世纪将继续作为军民两用的系统，既要更好地满足军事需要，也要继续扩展民用市场和应用的需求。美国政府决心对GPS系统的核心部分进行现代化，它主

31

要包括：增加GPS两个新的民用频率，提高GPS 卫星集成度，增强GPS无线电信号强度，改进导航电文，改善导航、定位精度，提高可靠性和强化GPS抗干扰能力。其实质基本上可以归纳为以下 3个方面：

1）保护（Protection ）。采用一系列措施保护GPS系统不受敌方和黑客的干扰，增加GPS 军用信号的抗干扰能力，其中包括增加GPS的军用无线电讯号的强度等。

2）阻止（ Prevention）。阻止敌方利用GPS的军用讯号。设计新的GPS卫星型号（F型），设计新的GPS信号结构，增加频道，将民用频道L1 、L2、L5（1176.45MHz ）和军用频道 L3、L4分开。

3）改善（Preservation ）。改善GPS 定位和导航的精度，在GPS的 F型卫星中增加2 个新的民用频道，即在 L2中增加C/A 码，另增L5民用频道和结束SA政策 。

SA 政策是美国军方为了降低GPS民用信号的精度人为的在C/A码上加的干扰信号，这给民用用户的精确导航带来了非常大的不便，在很大程度上也抑制了GPS的快速发展。因此，美国政府已于2003年取消了SA政策。

为了更好的提供民用服务，美国政府也已经于2005年增设了L5频道，并在L2频道上增设了C/A码。

由于 SA政策的取消，GPS 用户可以获得小于10 米的SPS 精度服务。SA政策前后单点水平定位精度如上表所示。不需要增加设备的任何费用，SA政策的终止给所有GPS用户带来了明显的利益。

32

L5信号的构成

从已经实践的结果来看，GPS 现代化计划的实施，尤其是运用 L5信号，将使GPS 的定位精度产生质的飞跃。同时，就美国新的GPS计划而言，美国有能力在认为必要时实行区域GPS信号封锁，所以在积极运用GPS现代化新的成果的同时，我们必须努力大力发展我们自己的定位系统和其他可以利用的定位系统。

33

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/ksq7.html