最新GPS接收机的结构和工作原理.docx
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最新GPS接收机的结构和工作原理
GPS接收机的结构和工作原理
GPS接收机的组成及工作原理
第一节GPS接收机的分类
第二节GPS接收机组成及工作原理
第三节GPS接收机的构成
第四节注意事项
第五节常见问题及解决方法
第一节GPS接收机的分类
根据GPS用户的不同要求，所需的接收设备各异。
随着GPS定位技术的迅速发展和应用领域的日益扩大，许多国家都在积极研制、开发适用于不同要求的GPS接收机及相应的数据处理软件。
1、按用途分可分为：
（1）导航型接收机：
①车载型
②航海型
③航空型
④星载型
（2）测地型接收机
（3）授时型接收机
2、按接收机的载波频率分类（或者说按接受机的卫星信号频率分类）
（1）单频接收机
（2）双频接收机
3、按接收机的通道数分类：
（1）多通道接收机
（2）序贯通道接收机
（3）多路复用通道接收机
4、按工作原理分类：
（1）码相关型接收机
（2）平方型接收机
（3）混合型接收机
（4）干涉型接收机
5、按接收卫星系统分类
（1）单星系统
（2）双星系统
（3）多星系统
6、按接收机的作业模式分类
（1）静态接收机
（2）动态接收机
7、按接收机的结构分类
（1）分体式接收机
（2）整体式接收机
（3）手持式接收机
目前生产GPS测量仪器的厂家有几十家，产品有几百种，但拥有较为成熟产品的不外乎几家，在我国测绘市场占有份额较大的有Trimble、Leica、Ashtech、Javad（Topcon）、Thales（DSNP）加拿大诺瓦太（NoVAteL）等。
我国的南方测绘仪器公司和中海达测绘仪器公司也已经有了自己的GPS产品，北京、苏州光学仪器厂也已开始了GPS设备的研制与开发工作。
Trimble公司是比较正统的美国GPS仪器制造厂家，整套系统从主机到数据链、从硬件到软件全部自行开发研制，较为典型的仪器为Trimble4700、5700、R7、R7GNSS，5800、R8、R8GNSS等型号。
Trimble5700定位系统
TrimbleR7GNSS与R8GNSS
徕卡（Leica）公司是全世界比较著名的测量仪器制造企业，较为典型的仪器为LeicaSR-500系列，其产品以高品质、高稳定性著称。
SR-500系列接收机基于徕卡革命性的信息净化技术（cleartrak）上，它确保了最好的信号接收、卫星跟踪，防信号堵塞，缓解多路径效应。
SR-500系列富有人性化的终端设计，以其超大显示屏幕保证了数据获取及接收机配置。
LeicaSR-530定位系统
徕卡GS10与GS15
Ashtech公司是Javad从Trimble公司退出以后创建的，曾号称是“站在巨人的肩上”，最新产品“轨迹”接收机集接收机、天线、显示器和电池于一体，并首创红外无线数据传输。
最近又推出了Z-Xtreme，采用了新的解算方法和新的硬件平台，戏剧性地缩短了RTK测量中整周未知数的解算时间，10～28伏直流供电，功率6W。
Z-Xtreme定位系统
JAVAD公司以其双星座（GPS和GLONASS）定位而闻名，典型产品有LGG、JNSBox系列，其中JNSBox－GGD为其最先进的产品，它为双频双星座（GPS和GLONASS）20个通道接收机，采用了Co-Op跟踪技术、先进的多路径抑制技术、USB和以太网接口，4.75～28伏直流供电。
目前JAVAD公司已被日本Topcon公司收购，但仍保留了其仪器的品牌，并且推出了Hiper接收机，集主机、天线、数据通讯电台于一体，是目前同类配置重量最轻、体积最小的GPS接收机。
JNSBox－GGD定位系统
Thales的前身为法国DSNP公司，以前隶属于Secel地震仪器公司，其代表产品有Scorpio6000系列，以其良好的差分数据链而闻名。
目前已与美国Ashtech公司结成了战略伙伴。
Scorpio6502定位系统
国产GPS仪器以其低廉的价格在我国测绘市场中也占有一席之地，目前仪器的静态测量方法已经比较成熟，其动态测量的稳定性有待提高。
南方公司目前的产品有NGS100／200／212，中海达公司的的产品为HD8000／8200／8800。
无论那是哪一种仪器，都各有其优点和缺点，不能一概而论，在仪器的选型方面，一定要结合自己单位的实际情况（比如经济实力、精度要求等）。
第二节GPS接收机组成及工作原理
GPS接收机主要是由GPS接收机天线单元，GPS接收机主机单元和电源单元三部分组成。
GPS接收机作为用户测量系统，那么按其构成部分的性质和功能，可分为硬件部分和软件部分。
（一）、硬件部分
接收机主机由变频器、信号通道、微处理器、存储器及显示器组成，基本结构如下图
1、变频器及中频放大器
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，必须采用变频器。
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
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、存储器
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。
4、微处理
微处理是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
5、电源
GPS接收机的电源有随机配备的内置电池，一般为锂电池，另一种为外界电源，一般采用汽车电瓶或者随机配备的专用电源适配器。
综上所述，GPS信号接收机的任务是：
接收GPS卫星发射的信号，能够捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星的信号，并跟踪这些卫星的运行，获得必要的导航和定位信息及观测量；对所接收到的GPS信号进行变换、放大和处理，以便测量出GPS信号从卫星到接收机天线的传播时间，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。
6、接收机的天线
天线由接收机天线和前置放大器两部分所组成，天线的主要功能是将GPS卫星信号极微弱的电磁波能转化为相应的电流，而前置放大器则是对这种信号电流进行放大和变频处理。
而接收机单元的主要功能是对经过放大和变频处理的信号电源进行跟踪、处理和测量。
天线基本结构
（1）、对天线的要求
①、天线与前置放大器一般应密封为一体。
以保障其在恶劣的气象环境中能正常工作，并减少信号损失。
②、能够接受来自任何方向的卫星信号，不产生死角。
③、天线必须采取适当的防护和屏蔽措施。
以最大限度地减弱信号的多路径效应，防止信号被干扰。
④、天线的相位中心保持高度的稳定，并与其几何中心尽量一致。
由于GPS测量的观测量，是以天线的相位中心为准的，而在作业过程中，应尽可能保持两个中心的一致性和相位中心的稳定。
（2）天线的类型
目前，GPS接收机的天线有多种类型，其基本类型见下图所示。
天线类型
①、单极天线。
这种天线属单频天线，具有结构简单，体积小的优点。
需要安装在一块基板上，以利于减弱多路径的影响。
②、螺旋形天线。
这种天线频带宽，全圆极化性能好，可接收来自任何方向的卫星信号。
但也属于单频天线，不能进行双频接收，常用作导航型接收机天线。
锥形天线
带扼流圈天线
锥形天线与带扼流圈天线
③、微带天线。
微带天线是在一块介质板的两面贴以金属片，其结构简单且坚固，重量轻，高度低。
既可用于单频机，也可用于双频机，目前大部分测量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。
这种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。
这种天线可同时在两个频道上工作，主要优点是增益性好。
但由于天线较高，而且螺旋线在水平方向上不完全对称，因此天线的相位中心与几何中心不完全一致。
所以，在安装天线时要仔细定向，使之得以补偿。
⑤带扼流圈的振子天线，也称扼流圈天线。
这种天线的主要优点是，可以有效地抑制多路径误差的影响。
但目前这种天线体积较大且重，应用不普遍。
GPS天线接受来自20000公里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。
二、软件部分
软件部分是构成现代GPS测量系统的重要组成部分之一。
一个功能齐全、品质良好的软件，不仅能方便用户使用，满足用户的各方面要求，而且对于改善定位精度，提高作业效率和开拓新的应用领域都具有重要意义。
所以，软件的质量与功能已成为反映现代GPS测量系统先进水平的一个重要标志。
一般来说，软件包括内软件和外软件。
内软件是指装在存储器内的自测试软件、卫星预报软件、导航电文解码软件、GPS单点定位软件或固化在中央处理器中的自动操作程序等。
这类软件已和接收机融为一体。
而外软件主要是指GPS观测数据后处理软件包
第三节GPS接收机的构成
下面以石油物探行业常用的Trimble5700为例简单介绍GPS接收机的构成
一、GPS接收机主要由以下部分构成
1、GPS主机
2、电台（TM3电台和PDL电台）
3、控制器（手簿）包括Tsce和Tsc2
4、附件包括数据传输线、手簿线、差分线、卫星线、鞭状天线
5、电源包括内置电池和外接电源
6、天线接收卫星信号
（一）GPS主机是由下面部件构成
1、GPS主板
接收并处理卫星信号，接收机电源的供应
2、GPS电台板
主要接受电台信号
3、IO板（接口板）
数据的输入与输出；外接电源的输入；接收机的配置；软件的传输等
4、面板
5、CF卡槽
用CF卡记录静态数据；USB接口
6、电池仓
装内置电池
二、Trimble5700
5700GPS接收机的所有操作控制装置、端口和接头全部分布在四个主面板上.
1、前面板：
下图示出了5700接收机的前面板。
此面板上有五个LED（发光二极管）指示器、两个按钮和一个袖珍闪存/USB门扣
5700前面板
2、顶面板
下图示出了5700接收机的顶面板。
此面板上有三个电源/串行数据端口和进行GPS与无线电连接的（TNC）端口
5700接收机的顶面板
顶面板上的每个端口都用一个图标作标记，表示其主要功能。
5700接收机端口见表
5700接收机端口
图标
名称
连接……
端口1
Trimble手薄、事件标记或计算机
端口2
外接电源接入、计算机、1PPS或事件标记
端口3
外部无线电入、外接电源接入、基准站电台数据线接出。
GPS
GPS天线电缆接入
无线电
流动站无线电通信天线接入
3、底面板
下图示出了5700接收机的底面板。
此面板上有USB端口、袖珍闪存端口和内置电池舱。
5700接收机的底面板
4、数据记录卡
在数据记录卡记录数据之前，先对卡进行格式化，从而确保文件系统的完整性。
如果要格式化卡，先把卡插入到5700接收机，然后按下电源开关键30秒种。
注：
一定要在接收机内对数据记录卡进行格式化，这可以防止在记录数据期间取出卡时损坏卡中的数据。
警告：
5700允许数据记录卡上最多存储512个文件，不论卡的容量有多大。
文件名必须是8.3格式，否则，在记录过程中往数据记录卡上复制文件会引起数据损坏或丢失。
如果卡没有正确地插在插脚上，切不要用力，以免损坏插脚。
此时，应该取下卡，再小心插入。
5、按钮功能
5700接收机只有两个按钮，即：
表示为
的电源按钮，以及表示为
的数据按钮。
电源按钮用来转换接收机的开关状态，并执行诸如删除文件或重设接收机的数据管理功能。
数据按钮用来开启或停止记录。
只有当接收机开关打开并完成馈电和初始化任务后，此按钮才会有效（即接收机完全跟踪四颗以上卫星后）。
按钮功能见表
按钮功能
动作
电源按钮
数据按钮
打开接收机
按
关闭接收机
按下2秒
开始内部记录数据
按
停止内部记录数据
按下2秒
删除星历文件
按下15秒
重设接收机到工厂缺省设置
按下15秒
删除应用文件
按下30秒
格式化袖珍闪存卡
按下30秒
注：
术语“按”是指按下按钮后立即释放。
术语“按下”是指按下后保持此状态，直到过了规定时间。
指示灯现象
接收机顶面板的五个LED，用来指示各种操作状态。
一般而言，发光或慢速闪烁的LED表明仪器正常操作，快速闪烁的LED表明需要引起注意，不发光的LED表明仪器表明没有出现作。
见图所示：
接收机顶面板的五个LED
6、记录/内存指示灯
在数据记录按钮下面的典型黄色记录/内存LED表示的是数据记录状态和内存使用状态。
数据记录状态和内存使用状态
现象
含义
颜色
开
正在记录数据
橘
黄
色
慢速闪烁
记录了足够的快速静态数据。
或者，如果与此同时，红色卫星跟踪LED稳定发光，则说明接收机处于监视模式，它正在检查要安装的新固件。
（一般出现在计算机控制下）
快速闪烁
数据正在被记录，但内存容量不大。
闪烁
接收机处于休眠模式，在定时应用文件所指定的开始时间之前五分钟苏醒。
关
数据没有被记录，或者袖珍闪存卡已满
●卫星跟踪LED
卫星图标
下面的红色卫星跟踪LED用来指示卫星的跟踪状态。
卫星的跟踪状态
现象
含义
颜色
慢速闪烁
跟踪四个或四个以上的卫星
红色
快速闪烁
跟踪三个或三个以下的卫星
关
没有跟踪卫星
开
接收机处于监视模式，并且正在检查要安装的新固件。
●无线电LED
无线电图标
下面的绿色无线电LED用来指示数据输入和输出的状态。
现象
含义
颜色
慢速闪烁
收到了无线电数据包或事件标记（基准站的无线电LED总是无显示的）
绿色
●电池1LED和电池2LED
两个电池图标
内的两个电池LED，指示的是两个内置电池的状态，或者连接在端口1和端口2上的外接电源。
每个电池的LED都缺省地指示其对应端口外部电源的状态。
如果没有检测到外部电源，则每个LED指示的是内置电池的状态。
LED的颜色用来指示电源的当前状态：
绿色表明当前正在使用电池，黄色表明电池处于备用状态。
电池颜色含义
颜色
含义
现象
含义
绿
电源在使用中
开
良好
快速闪烁
功率低
关
没有出现电源
黄
电源处于备用状态
开
良好
快速闪烁
功率低
闪烁
死
关
没有出现电源
7、电池和电源的管理及充电
5700接收机的电源即可以由它的两个内置电池提供，也可以由连到端口2或端口3的外部电源提供。
内置电池提供的容量取决于测量类型和操作条件。
典型情况是，在用内置无线电进行RTK测量期间，一个电池可以提供大约3.5小时的电力；在没有内置无线电的情况下进行测量时，一个电池可以提供大约5小时的电力。
外部电源总是优先于内置电池。
当没有连接外部电源时，或者当外部电源出现故障时，内置电池才被使用。
两个内置电池依次消耗，当其中一个电池耗电完毕后，接收机自动切换到另一个充满电的电池。
如果在没有外部电源情况下，两个内置电池的电量都消耗完毕，则已经记录的数据不会丢失。
如果掉电，则当内置或外部电源恢复后，接收机将重启。
给5700接收机馈电的电源同时也可以给接收机的内置电池充电。
方法：
把电源加到电源/串行数据电缆上，把电缆接到接收机的端口2上，然后连接电源到交流电源。
如图
充电方式
给两个内置电池充电大约需要8个小时。
它们是分别充电，所以每个电池需要4个小时。
时间过充则对接收机无任何影响。
●5700的安装
5700连接电台示意图
电台连接示意图
5700流动站背包式安装见图
流动站背包式安装示意图
8、Trimmark3电台
TM3电台没有电源开关键，当你接通电源后，电台的液晶显示屏就会显示出信息。
左侧有一个Next键，其功能是在电台7个界面间进行切换；右侧有上下移动键各一个，其功能是当Next键调整到某一界面后，按上下行键选择不同的子菜单。
Trimmark3通过前置面板可以对电台进行必要的设置，有7个主菜单，分别如下：
菜单功能
CHANNE电台通道数和工作频率
MODE电台工作模式：
Base,Repeater或Rover模式
CHANNELSHARING载波检测设置
TRANSMITPOWER电台功耗的选择：
2,10或25Watts
WIRELESSMODE无线模式，传播速率的设定
DATAPORTCONFIG数据端口参数设定
DEVICESTATUS电台程序信息
NEXT按钮可以在不同的菜单间切换，UP/DOWN在同一菜单内选择不同的选项。
每个菜单的菜单项
9、电台的外部接口
TRIMMARK3电台的后部面板有三个接口,从做到右依次是：
电台天线接口、电源接口和数据接口。
10、PDL电台
PDL电台面板介绍
PDL电台前面板
PDL电台后面板
11、TSC2控制器
电源模块
上图电池接口从左至右依次为直流电源输入端口；USB客户端；RS232串口；USB主机端
1）电池可以在主机上充电,也可以取下充电
2）收到TSC2后,在用户使用之前,不要接在主机上充电24小时
3）在充电时一般需要4.5小时,如果在外业使用的时间过长,那么充电的时间也需要增加
电池上也有一个LED提供充电状态的指示
正常状态
描述
不亮
没有充电或是没有插好充电器,检查充电器的输出电压是否正常
快闪
电量失去太多,需要满充
慢闪
充电接近完成
常亮
充电完成
非正常状态
描述
一次快闪
电池温度太冷
两次快闪
电池温度太热
三次快闪
充电器坏或是电池坏
电池寿命
1、电池寿命跟应用和操作环境有很大关系
2、在需要再充之前,期望使用30个小时
3、低温使用,开启背景光,使用高功耗CF卡,都会减少电池的寿命
操作系统
1、PocketPCversion4.2.2A
2、WindowsMobileTM5.0
12、Tsc2重新启动
1、软启动和电源菜单
执行软启动
按住电源键大约3秒会显示倒数计秒,继续按住电源键到倒数计秒为零
开启电源菜单
当软启倒数计秒正在进行时松开电源键,会显示以下菜单:
选择一个选项或是点击OK来退出电源菜单
2、硬启动
硬启动会清除所有的内存.保留程序载入手簿,最好是用Spriteutility来生成一个系统备份文件
执行硬启
1）、开机状态下,按住Ctrl键同时按住电源键
在倒数5秒后一个硬启的警告窗口会显示,如果在倒数结束前松开键,电源菜单就会弹出
2）、.继续按住两个键直到黑屏和发出两下响声,然后松开，仪器自动重启并提示是否恢复备份
触摸屏校正
13、Tsc2触摸屏校正
方法一Start/Settings/System/Screen/AlignScreen
点AlignScreen进行触摸屏的校正
方法二、按住电源键持续3秒钟出现计秒倒数
当计秒倒数进行时松开电源键,会弹出下列菜单
点AlignTouchScreen进行触摸屏的校正
14、Tsc2基本性能检测与校正
1、先按住CTRL键再按电源键，冷启主机
2、听到“嘀嘀嘀”的响声后松手，并按下Fn＋L键后，进入测试模式
b－显示屏背景光测试s－串口测试
a－声音测试t－触摸屏测试
c－电池连接测试z－全部测试
d－显示屏测试Enter－保存结果并退出
k－键盘测试Esc－不保存结果并退出
l－LED测试
n－NAND测试
r－电池螺丝测试
显示屏背景光测试目的：
证明背光工作正常并能开、关
1、按B键进入测试
2、在执行测试时确认背光开关，如果开关正常，测试通过
3、如果背光不能开关，检查显示屏排线跟主板连接是否正常；如果连接正常，交换液晶屏进行测试来决定是主板还是屏幕故障
注：
尽管在测试屏幕时不能改变颜色状态，但在测试后即可看到效果
声音测试的目的：
证明内置的喇叭工作正常
1、按A键进入测试
2、你应该听到“哔”的一声。
如果测试通过，检测屏幕颜色应变为绿色
3、如果喇叭不响，检查喇叭在主板上的触点是否正常
电池连接测试的目的：
证明电池模块与控制器连接良好
1、按C键进入测试
2、如果测试屏幕变绿色，测试通过
3、如果状态变红，更换一个好的模块进行测试
显示屏测试目的：
证明用斜纹方法屏幕能被正确的校正
1、按D键进入测试
2、屏幕测试有六个颜色条，左边的显暗，右边的显亮。
看亮或暗的地方是否显示颤抖。
如果颤抖，用4、6键进行调节。
3、如果你不能校正或移除屏幕颤抖，LCD或主板都可能有问题
键盘测试
1、按K键进入测试
2、在屏幕上显示完全相同的键盘，按每个键后都变绿，你将通过测试。
3、如果有键不能通过测试，检查键盘连接线是否正确接插好在主板上
注：
如果你确定键盘坏了，就必须更换整个上壳，键盘是不能分开的。
LED测试目的：
这个LED非常重要，因为在仪器启动和其他一些功能运行时，能看到它亮。
这个状态说明一起启动和工作都正常。
1、按L键进入测试
2、这个测试，位于Trimblelogo右侧的LED应该亮。
如果亮，按OK。
如果不亮，按window确认测试失败。
你将确定是LED坏了，还是主板的问题，或还是固件、操作系统的问题。
重装系统看看是否能解决问题
NAND测试目的：
检查非易失性的（固化程序）闪存芯片。
1、按N键进入测试
2、在测试中你什么都看不到，直接返回到诊断屏幕。
如果测试通过，测试屏幕变为绿色。
测试失败变为红色。
则更换新主板看是否通过测试，如果通过，则原主板有问题
电池螺丝测试目的：
证明I/O接口板上的开关键工作正常
1、按R键进入测试
2、信息提示：
请测试左侧螺丝
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