GPS接收机接收模块的研究与VLSI实现--《上海交通大学》2008年硕士论文
GPS接收机接收模块的研究与VLSI实现
【摘要】：
本课题主要完成了GPS接收机接收模块的研究与VLSI实现。GPS是全球定位系统的简称,是利用导航卫星进行测时和测距的系统。GPS系统由GPS卫星、地面监控系统、GPS接收机三部分组成,其中GPS接收机是交由用户使用的器件,它由天线前端单元、基带处理单元和定位解算与应用单元组成。
本课题的重点放在对GPS接收机基带信号处理的算法研究以及对实际工作中可能出现的多径效应对GPS接收机的影响的分析与解决方法。本课题的创新之处在于相对于一般的GPS接收机的硬件实现,本论文对有多径效应时,多径信号对跟踪精度的影响作出了理论分析,给出了一种计算多径信号强度大小的开环模型,并提出了降低多径效应影响的解决方法,同时也给出了VLSI实现的结构。
在本文的主体部分,给出了对GPS中频信号进行捕获和跟踪的算法介绍,并在考量算法计算量和硬件实现难度之后,对捕获和跟踪模块选择了合适的实现结构,并对多径效应的产生的影响及解决的方法进行了详细介绍。
本文最后给出了捕获模块和跟踪模块具体的VLSI实现的结构,并对该结构进行了功能验证,结果表明该结构可以完成GPS信号实时接收,是一种比较实用的结构。
【学位授予单位】：上海交通大学【学位级别】：硕士【学位授予年份】：2008【分类号】：P228.4;TN851
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GPS接收机射频前端电路原理与设计
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GPS接收机射频前端电路原理与设计
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一种基于0.18μm CMOS工艺低功耗多频点兼容GNSS卫星导航系统接收机射频前端模块设计
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本文介绍了一种全集成的L波段多频点全球卫星导航系统(Global navigation satellite system, GNSS)接收机的射频前端模块的设计和实现.该模块采用了低中频,单射频通道的设计,包括一级低噪声放大器,一级下变频器以及多相滤波器和求和电路.其中低噪声放大器采用改进的带有源极负反馈的共源共栅极结构,并保证多频点兼容且共用片外匹配网络,并通过开关进行不同工作频点的切换.另外重新设计了可用于宽带的双平衡混频器作为下变频器,其在增益,噪声和线性度等方面进行了改进.采用TSMC 0.18μm 1P4M RF CMOS进行流片,对兼容1.27GHz和1.575GHz双模低中频射频前端模块结构进行相关设计的验证.相关测试表明,对于两个工作频点,本模块可以分别提供约45dB或43dB增益,噪声系数为3.35dB或3.9dB.同时,该模块在1.8V电压下电流为11.8mA到13.5mA. 射频模块的面积仅为1.91×0.53 mm2而整体芯片面积为2.45×2.36 mm2.完全满足卫星导航接收机的应用需求.
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GPS/北斗双模接收机前端的设计与实现
【摘要】：在我国采用GPS卫星导航定位技术的终端产品高达95%。可见，卫星导航定位系统几乎全部依靠外国，这存在着很大的潜在危险,对于军事导航定位的应用，危险性更是巨大。而目前还处在发展阶段的北斗卫星导航定位系统，在应用中难免会暴露出一些问题，因此可以同时接收GPS卫星信号和北斗卫星信号的双模接收机就显得非常重要，双模接收机的优点在于不仅可以提高定位的精度，而且更为重要的是当GPS系统失效时，北斗系统仍然可以工作，这样可以避免在战争时期处于被动的局面。所以研究GPS/北斗双模接收机对我国具有极其重要的意义。
本课题的研究方向就是GPS/北斗双模接收机。通过对课题指标的分析，采用技术成熟的超外差结构来实现。为了实现抗干扰的功能，采用四个接收通道，为了有较好的抗干扰能力，对四个通道之间的幅相一致性有要求。本振模块采用锁相环来实现，因此，相位噪声以及杂散抑制是需要考虑的指标。
本文首先介绍了GPS原理，并且与北斗导航定位系统做了简要的对比。然后结合课题的要求分析了所用的超外差结构接收机的优缺点，论文主要分为三部分。第一部分为接收通道的设计与实现。详细介绍了接收通道所用到的指标，器件的选择、使用中的注意事项以及电路的实现方法。第二部分为本振频综模块的设计与实现。同样介绍了采用的电荷泵锁相环技术的基本原理，所用到的指标，器件的选择、以及电路的实现方法。第三部分介绍了对指标的测量方法。并与数字信号处理板联调。通过测量，该双模接收机的噪声系数为2.5dB，增益为57dB，灵敏度为-133dBm，输出P1dB为5dBm，四个通道之间的幅度一致性优于0.5dB，相位一致性优于5°。频综模块的输出功率为6.5dBm，杂散抑制≤-65dBc，相位噪声为-80dBc/Hz@1KHz。结果表明各项指标满足要求，证明所设计制作的原理样机是成功的。
本文最后做出了总结，并提出了改进意见。
本课题的难点在于该GPS/北斗双模接收机方案的确定，选择器件来实现该方案，以及四个接收通道之间幅相一致性的调节。
【学位授予单位】：电子科技大学【学位级别】：硕士【学位授予年份】：2013【分类号】：TN965.5
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GPS接收机射频前端电路原理与设计
GPS 接收机射频前端电路原理与设计文章来源：电子技术应用 添加时间： 18:12:17[摘要]在天线单元设计中采用了高频、低噪声放大器，以减弱天线热噪声及前面几级 单元电路对接收机性能的影响；基于超外差式电路结构、镜频抑制和信道选择原理，选用 G P2010 芯片实现了射频单元的三级变频方案， 并介绍了高稳定度本振荡信号的合成和采样量 化器的工作原理，得到了导航电文相关提取所需要的二进制数字中频卫星信号。 [被屏蔽广告]关键词：GPS 接收机 灵敏度 超外差 锁相环频率合成利用 GPS 卫星实现导航定位时，用户接收机的主要任务是提取卫星信号中的伪随机噪 声码和数据码，以进一步解算得到接收机载体的位置、速度和时间（PVT）等导航信息。因 此，GPS 接收机是至关重要的用户设备。目前实际应用的 GPS 接收机电路一般由天线单元、 射频单元、通信单元和解算单元等四部分组成，如图 1 所示。本文在分析 GPS 卫星信号组 成的基础上，给出了射频前端 GP2010 的原理及应用。1 GPS 卫星信号的组成 GPS 卫星信号采用典型的码分多址（CDMA）调制技术进行合成（如图 2 所示），其完整信号主要包括 载波、伪随机码和数据码等三种分量。信号载波处于 L 波段，两载波的中心频率分别记作 L1 和 L2。卫星 信号参考时钟频率 f0 为 10.23MHz，信号载波 L1 的中心频率为 f0 的 154 倍频，即： fL1=154×f0=1575.42MHz (1) 其波长 λ 1=19.03cm；信号载波 L2 的中心频率为 f0 的 120 倍频，即： fL2=120×f0=1227.60MHz (2) 其波长 λ 2=24.42cm。两载波的频率差为 347.82MHz，大约是 L2 的 28.3%，这样选择载波频率便于测 得或消除导航信号从 GPS 卫星传播至接收机时由于电离层效应而引起的传播延迟误差。伪随机噪声码（PR N）即测距码主要有精测距码（P 码）和粗测距码（C/A 码）两种。其中 P 码的码率为 10.23MHz、C/A 码的 码率为 1.023MHz。数据码是 GPS 卫星以二进制形式发送给用户接收机的导航定位数据，又叫导航电文或 D 码，它主要包括卫星历、卫星钟校正、电离层延迟校正、工作状态信息、C/A 码转换到捕获 P 码的信息和 全部卫星的概略星历；总电文由 1500 位组成，分为 5 个子帧，每个子帧在 6s 内发射 10 个字，每个字 30 位，共计 300 位，因此数据码的波特率为 50bps。数据码和两种伪随机码分别以同相和正交方式调制在 L1 载波上，而在 L2 载波上只用 P 码进行双相调 制，因此 L1 和 L2 的完整卫星信号分别为：SL1（t）=AcCi(t)Di(t)sin(ω L1t+φ c) (3) +ApPi(t)Di(t)cos(ω L1t+φ P1) SL2(t)=BpPi(t)Di(t)cos(ω L2t+φ p2) (4) 式中，Ap、Bp、Ac 分别为 P 码和 C/A 码的振幅；Pi(t)、Ci(t)分别为对应 P 码和 C/A 码的伪随机序列 码；Di(t)为卫星导航电文数据码;ω L1、ω L2 分别为 L1 和 L2 载波信号的角频率；φ C 和 φ P1、φ P2 分别 为 C/A 码和 P 码对应于载波的起始相位。合成的 GPS 信号向全球发射，随时随地供接收机解算导航定位信 息使用。2 GPS 接收机的灵敏度 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/N i 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) (5) 式（5）表明由于内部噪声影响，接收机输出端信噪比相对于输入端信噪比变差的倍数，由式（5）， 输入信号额定功率可表示为： Si=NiFo(So/No) (6)式（6）给出了 GPS 接收机在噪声背景下接收卫星信号的能力，接收机不仅要将输出信号放大到足够的 数值，更重要的是要使输出端的信噪比 So/No 达到所需比值。令（So/No）≥(So/No)min 时对应的接收机 输入信号功率的最小可检测信号功率为 Simin，通常用它表示接收机的灵敏度。由于接收机的输入噪声额 定功率 Ni=kT0Bn （7） 式 （7） k 为玻尔兹曼常数， 中 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。将式（7）代入式（6）可得： Si=kT0BnFo(So/No) (8) 于是可进一步得到 GPS 接收机的灵敏度为： Simin=kT0BnFo(So/No)min （9）由式（9）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。 3 GPS 接收机天线单元 天线单元的主要功能是接收空中 GPS 卫星信号， 从而为接收机射频前端提供较为纯净的完整卫星信号。 在接收机设计中，当两个单元电路级联时（如图 3 所示），如果第一、二级单元电路的噪声系数和额定功 率增益分别为 F1、F2 和 G1、G2，其带宽均为 Bn；设级联电路的总噪声系数为 Fo，则其实际输出的额定噪 声功能 No 为：No=kT0BnG1G2Fo (10) 由于 No 由两部分组成，即： No=No12+Δ N2 (11) 其中 No12 是由于第一级单元电路的噪声在第二级单元电路输出端呈现的额定噪声功率，Δ N2 是由于 第二级单元电路所产生的噪声功率，且 No12=kToBnG1G2F1 (12) Δ N2=kToBnG2(F2-1) (13) 将式（12）、（13）代入式（11），则 No=kToBnC1C2Fo =kToBnG1G2F1+kToBnG2(F2-1) (14) 化简式（14），得到两级单元电路级联后的总噪声系数为： Fo=F1+(F2-1)/G1 (15) 同理可得，n 级单元电路级联时的总噪声系数为： Fo=F1+(F2-1)/G1+(F3-1)/(G1G2)+Λ +（Fn-1）/(G1G2Λ Gn-1) (16) 可见，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）等器件组成天线单元（如图 4 所示）。天线单元采用 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。点击放大图片4 GPS 接收机射频单元 噪声总线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”式多级变频配合区配滤波器的电路结构，以消除噪声干扰，解决高频信号处理中所遇到的困难。适合 这种电路结构的芯片采用了第二代 GPS 接收机射频前端 GP2010。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，解调并撮出所需的中频信息。图 5 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。 由图 5 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。各级混频器需要的本振信号均由片内集成锁相环（PLL）频率合成器提供（如图 6 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 MHz。 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。 PLL 相位锁定参考信号时， 当 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 1575.42MHz 的 GPS 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，GP2 010 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，如图 7 所示。为了得到平稳的中频 卫星信号及采样数字输出，该模块同时产生 AGC 控制信号用于稳定第三级变频（如图 5（b）所示）时所产 生的中频信号幅度。 总之，GP2000 芯片组是 Zarlink 半导体公司为设计 GPS 接收机而推出的一系列集成电路，采用 GP200 0 芯片组可设计出多通道卫星信号接收设备。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。基于 MAX2742 型电路的 GPS 接收机设计李今明1 引言 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、海洋和空间的广大用户， 只要用户拥有能够接收、跟踪、变换和测量 GPS 信号的接收设备即 GPS 信号接收机，就可以在任何时候 用 GPS 信号进行导航定位测量。GPS 信号接收机的功能是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，对接收到的 GPS 信号进行变换、放大和处理、以便测量出 GPS 信号从卫星接收机天线的传播时间，解译 GPS 卫星所发送的导航电文，实时地计算出测站的 3 维位置甚 至 3 维速度和时间。 典型 GPS 接收机的结构如图 1 所示。1575.42MHz 的 GPS 信号在进入下变频 IC 前，先经过低噪声放大器（LNA）和滤波器（RF SAW）。低 噪声放大器是 GPS 射频接收器中最重要的部分，这个放大器基本上可以决定整个接收机的噪声大小，因 此，LNA 是接收机灵敏度的直接决定因素。射频信号经过下变频 IC 后将单端或差分 IF 信号输出给 GPS 基带数字信号处理单元。 经 GPS 基带 DSP 处理后的定位信息遵循 NMEA0183 标准，通过串行数据接口实现与 GSM 模块、PDA 设备、便携式 PC 等数字处理终端设备的通信。数字处理终端通过网络和专用软件实现各种应用，比如通 过地理信息系统（GIS）实现各种运动目标的追踪定位等。 2 MAX2742 特点 利用 MAX2742 型 CMOS RF 前端 GPS 接收机电路，附加极少的外部元件，即可构成一种完整的 GPS 解 决方案。这款性能优异的电路只需消耗极低的功率（32mW，2.4V），并且不需要昂贵的 IF SAW 滤波器 和体积庞大的分立 IF SAW 滤波器。MAX2742 内部集成了低噪声放大器（LNA）、混频器、BPF、自动 增益控制放大器（AGC）、本振合成器、时钟缓冲器和内部数字采样器。该电路能够与许多商用 GPS 基 带 IC 接口， 适合多种应用， 其中包括汽车导航、 远程信息处理、 自动安全监控、 资产跟踪、 定位服务 （LBS） 及其他消费类电子产品。 MAX2742 工作于 18.414MHz 晶振或 TXCO，可通过 IFSEL 引脚（引脚 10）来选择差分或单端 IF 输出 （1.023MHz）。总的信号变换增益为 120dB，噪声系数 4.5dB，IF 信号以 18.414MHz 的参考时钟频率进 行采样。 MAX2742 采用 48 引脚 TQFP 封装，尺寸仅为 9mm×9mm，可工作于－40℃－＋85℃范围。 3 MAX2742 工作原理 3.1 高性能内置 LNA 图 2 示出 MAX2742 的内部结构。MAX2742 采用高性能的内置 LNA 实现二级滤波，极大地降低了干扰信 号对接收机性能的两种负面影响：第一，如果带外滤波不充分，干扰信号可能会引起低噪声放大器或降频 变换器非线性工作，这会造成不真实输出或加大接收器的噪声系数；第二，如果解调器的干扰信号过大， 则接收器处理的信号不真实，不能输出定位信息。3.2 中频滤波 IF 信号通过一个 IF 滤波器实现对带外毛刺达 60dB 和对镜像噪声达 18dB 的抑制。 经过镜像抑制滤波器之 后，信号转变为差分信号。经过滤波的 IF 信号被 AGC 模块放大，AGC 模块通过使用 50dB 的动态范围将 VGA 输出信号水平设置为一个预定值。内部的偏移抵消装置将为大约 100kHz 的 1dB 拐角频率的 IF 信号 产生一个高通特性。 3.3 锁相环设计 MAX2742 内部 VCO 提供积差分 LO（Local Oscillator－本机振荡器）信号给下变频混频器并控制这一频 率。一个板上 TCXO 产生参考频率。这种集成合成器包含 VCO、TCXO 缓冲器、主频率分割器、相频探 测器和电荷泵。它用一个独立 PLL 滤波器和 TCXO。TCXO 的输出端通过一个耦合电容器连接到电路的 XTALIN1 和 XTALIN2 引脚。 4 基于 MAX2742 的 GPS 接收机 4.1 射频输入 图 3 示出基于 MAX2742 的 GPS 接收机的结构框图。1575.42MHz 的 L1 GPS 的信号由天线接收后获得 1.5dB 噪声和 20dB 增益，经过 LNA（MAX2654）进行放大。MAX2654 工作在 1575MHz 的 GPS 频段， 增益为 14.1dB，噪声系数为 1.45dB，电流消耗仅为 8.3mA。放大后的信号输入到 SAW（NSVS658）， 实现 37dB 的带外抑制，仅产生 3dB 的插入损耗。NSVS658 具有 50Ω 的标准输入/输出阻抗，信号在输入 MAX2742（7 引脚）时，需要外接阻抗匹配电路。4.2 电源滤波 MAX2742 采用统一 VDD 供电，在给高频放大和混频模块供电时（3，4，12，17，23，25，32 引脚）需 采用滤波电路，在设计外部电路和印制电路板时必须注意。一般用两只旁路电容器与各个引脚相连，一个 用于过滤高频元件的干扰信号，另一个用于过滤低频元件的干扰信号。这两个电容应尽量靠近各个引脚， 以减小线路的感应系数；同理，这两个电容器的另一端应尽量靠近地。设计中，注意到上述问题，放大器 的工作会很稳定；反之，射频输入可能会很不稳定。 4.3 天线控制模块 使用 p 沟道 MOSFET 和电流感应电阻器控制天线供电。感应电阻把天线的供电信息反馈给 CXD2932 有 三种可能状态：正常、短路和开路。 4.4 基带处理电路 CXD2932 是 GPS 卫星定位测量系统专用的大规模集成电路。这个电路包含一个 32－bit RISC CPU、卫 星追踪电路、2M－bit 掩模型 ROM、RAM、UART 和内部时钟等。这个电路配合 RF 电路（即上文介绍的 MAX2742）能够实现各种定位和导航。 CXD2932 具有以下特点： 通道 GPS 接收机能够同时接收 16 颗卫星的信号； 16 支持差分 GPS； 符合 RTCM SC－104 Ver2.1；支持 DARC（Direct Access Radar Channel 直接存取雷达波道）全视野（ALL－IN－ VIEW）测量；时钟支持 GPS 时间；32－bit RISC CPU；256KB 编程 ROM；40KB RAM；电源管理功 能；1PPS 支持；2 通道 UART；4 通道内部时钟；16－bit 多用途 I/O 端口；12－bit 逐次近似系统 A/D 转 换器（4 通道模拟开关）。 4.5 软件设计 软件设计主要指设置 GPS 接收模块与 MCU 之间的串口通信、参数显示及人机接口。主要包括初始化、 串口通信、数据处理、故障提示、显示、键盘处理、电源管理等部分。其中，初始化包括 CXD2932 中各 种寄存器的配置、串口相关参数配置（波特率、模式）及外围电路（LCD、电源等设备检测）的初始化等。串口通信包括数据发送、接收、校验和通信故障提示等。数据处理主要是对接收数据的解码、存储和数据 刷新等。故障提示包括设备故障、通信故障和电源故障等。电源管理主要是电源欠压提示和当前电源状态 显示。图 4 示出软件程序流程。4.6 PCB 的布局规则 在对 PCB 进行布局时，旁路电阻器应尽量靠近器件引脚。某些重要元件可以布置在 MAX2742 的背面， 使得 MAX2742 到这些元件的路径尽量短。压控振荡器可能会与阻抗引起共振，在 PCB 布局时必须考虑 到这一点。L 频段的输入和转换器之间如果靠得太近，也可能会产生电流耦合。在应用中，如果产生这种 耦合，接收器对干扰信号非常敏感。为了减少这种耦合，可采用带状线结构，而不采用微波传输带结构。 这个完整的解决方案仅占用 25mm×25mm 的 PCB 空间。图 5 示出 PCB 的顶层和底层丝印图。5 结束语 文中提出了一套较完整的 GPS 接收机设计方案。在器材选择上充分考虑到 GPS 系统的手持及车载应用， 做到了电流小、功耗低、发热量低、稳定性好、灵敏度高、快速快；在电路及 PCB 设计中充分考虑了微 波电路的特殊性，力争将各种干扰降到最低。人造卫星定位系统在桥梁结构来源：中 国 论 文 下 载 中 心 [ 06-03-22 10:02:00 ] 作者：黄启远 文景良 陈伟 编辑：studa9ngns摘要： 香港特别行政区政府路政署最近采用人造卫星定位技术， 应用于桥梁结构健康监测系 统，借以增强和改进青马大桥、汲水门大桥和汀九大桥的结构健康监测工作，这人造卫星定 位系统（Global Podtioning System or GPS）主要用作量度三座悬吊体系桥梁的桥身和桥塔瞬 间位移，和推算其相应的导量（截面中线）位移及各相应主要构件的应力状况。GPS 监测 系统是一套实时监测系统，它包括：GPS 测量仪，接驳站，信息收集总控制站，光纤网络， GPS 电脑系统及显示器等。本文主要介绍路政署于奇马管制区内所安装的 GPS 监测系统， 并论述有关 GPS 信息在桥梁结构健康监测中的应用，如风力效应监测、温度效应监测、交 通荷载效应监测和各主要构件的应力监测等。 关键词：人造卫星定位系统 结构健康 监测系统 结构评估 悬吊体系桥梁一、引言 大桥主梁和索塔轴线的空间位置是衡量大桥是否处于正常营运状态的一个重要标志。 普 遍大桥的结构设计是基于导量位移。 任何索塔和主梁轴线偏高于设计轴线， 都直接影响大桥 的承载能力和构件的内力分布。 目前香港的三座悬吊体系桥梁， 均设有桥梁结构健康监测系 统，简称&桥监系统&。用以监测大桥在营运期间的结构健康变化，继而进行结构评估。虽然 大桥主梁及索塔轴线监测已包括在大桥每年一次的大地测量范围内， 可是现存的&桥监系统& 还未能对大桥主梁和索塔轴线作实时的监测。 鉴于近年人造卫星定位系统 （Global Positioning System or GPS）的实时位移测量精度有显著的提升（垂直面误差约 20mm，而水平面差误约 10mm） ，因此香港特别行政区政府路政署引进 GPS 技术用作监测大桥主梁及索塔轴线，提 供全桥整体的度量位移。 路政署在拟定桥梁结构健康检测和评估项目的过程中， 亦曾考虑其 他测量技术方案，如运用红外光线和激光科技，可是这些技术均需要一定视野清晰度，故在 现阶段仍未适合在恶劣天气下操作。 二、 GPS 监测范围和目的[1,2] 在上述三座悬吊体系桥梁上本已设置传统的传感器来测量桥身的位移状况。 包括在桥身 两端的位移仪用作量度桥身的纵向位移，及高精度加速仪用作量度桥身的垂直和横向加速 度。 高频率的加速数据经过二次积分运算后只能提供局部振幅的导量， 未能准确地运算桥身 整体的摆动幅度，这是因为桥身整体的惯性偏移速度较缓慢，加速仪不能准确测量；另一方 面， 在监测桥身固温度变化而产生的相应位移时， 虽然另设有一组创新设计的水平仪系统来 直接量度桥身的垂直位移，但由于这系统是利用液压原理运作，鉴于液体的惯性限制，系统 只能以每秒一数据的采样率来提供位移信息， 未能录取瞬间的振幅， 错过了一些较大的瞬间 振幅，因而数据难免有误差。以往路政署曾考虑应用 GPS 技术在悬吊体系桥梁监测上。经 过近年在青马大桥上安排的多次实地测试为验证及改进精度， 最后决定在&桥监系统&中增设 备有 RTK 实时动态测量功能的 GPS 监测系统，直接量度桥梁的独立三维实时位移，增强对桥梁结构健康监测的可靠度。现时 GPS 系统安装工程已接近完成阶段、数据收集会在竣工 后立即开始。这 GPS 监测系统主要用作度量三座悬吊体系桥梁的桥身和桥塔的瞬时位移， 以及推算其相应的导量（截面中线）位移及各相应主要构件的应力状态。 三、GPS 监测系统简介[3] 1．GPS 监测系统概要 GPS 监测系统是一套实时监测系统，主要由四组系统组成，通过固定光纤纲络传输数 据而进行运作。这四个系统分别是： （l）GPS 测量系统； （2）信息收集系统； （3）信息处理 和分析系统； （4）系统运作和控制系统。其硬件包括：GPS 测量仪（其中包括 GPS 天线和 GPS 接收器） ，接驳站，信息收集总控制站，光纤网络，GPS 电脑系统，显示屏幕等。 GPS 接收器备有 24 个卫星跟踪通道，以双频（LI 及 L2）同步跟踪测量 12 颗 GPS 卫星 的伪距与全波长的载波相位；GPS 监测系统以划一的高速度采样率，利用 27 组的 GPS 测量 仪同步进行定点位移测量， 以每秒 10 次的点位更新率提供独立三维 RTK 实时的点位解算结 果，高精度点位输出的时间延迟小于 0.05 秒，令到 GPS 信号的同步接收、RTK 厘米级点位 数据输出， 光纤网络传输、 数据及图像处理及桥梁位移图像屏幕显示之过程都在 2 秒内完成， 提供实时位移监测。另方面，GPS 监测系统可以在无人值守的情况下进行 24 小时作业，配 合可调校的数据备份系统，将贮存的 GPS 位移数据与其他现存的桥梁监测数据加以整合， 再作多样化的结构分析和评估； 利用大桥主梁及索塔轴线的整体变化周期和幅度资料， 及选 定时段的桥梁整体位移变化资料，来改进桥梁结构健康检测和评估工作。 2．GPS 定点测量 GPS 测量仪的定点测量位置主要安装在桥身的两旁和桥塔的顶端，在三座桥上总共有 27 个定点测量位置。GPS 测量仪的选位配合现存位于跨中的加速仪。在青马大桥桥面上共 装有四对 GPS 测量仪，主悬索缆有一对。另外在汲水门大桥桥面及订九大桥桥面上分别装 有一对及两对 GPS 测量仪。除了提供每秒 10 个的定点实时测量，GPS 监测系统更能运算桥 身主轴线的三维瞬间位移，和桥身扭转振动的时程数据。同样，从塔顶的点位解算结果， GPS 监测系统能运算出汀九大桥单脚塔顶的位移，和另外两座桥之双脚塔顶的个别位移。 经数据及图像处理后，信息屏幕可显示全桥实时摆动的活动图像。现时路政署采用 GPS 接 收器的定位延迟误差为 0.03 秒，突破早期 GPS 定位数据与实际点位不能完全一致的难题， 这技术可应用于速度不均的运动状态， 足够应付高速度实时位移监测的基本要求。 GPS 接收器采用抗电磁干扰金属外壳密闭封装，并加上振动隔离装置，进一步减除振 动操作环境对 GPS 设备的影响，加强其抗震性能。在桥上的 GPS 定点测量位置均采用精密 微带天线，为减低对人造卫星信号接收的障碍，所有天线的安装高度须维持水平 15 度以上 的无屏障朝天范围， 及避免频繁的双层和高身车辆在使用慢线行车道时形成的障碍。 位于贮 物大楼房顶的基准站则采用扼流圈环状天线， 进一步减少多路径效应对定位测量的影响， 确 保不断发送至定点测量站的差分改正信息准确无误。基本上 GPS 测量仪在出厂后毋须定期校对，从而减省养护工作。 3．GPS 信息传输系统 GPS 监测系统是一组不停运作的实时监测系统，当悬吊体系桥梁遇上恶劣天气和运作 环境时，GPS 监测系统所得的数据更为宝贵，故此对数据传输的稳定性和可靠性都有较高 要求。GPS 信息传输系统采用了高效率和高稳定性的光纤网络。由于光纤不受电磁波干扰， 在恶劣作业环境下，如雷暴、高压电流的电磁场影响、强风等，光纤通讯网络仍能维持高水 平的数据传输质素和速度，先进的光纤收发仪器更能侦测光纤网络信息的中断并发出警号， 让维修人员即时知道通讯网络出现问题的位置， 确保系统工作效率。 信息收集总控制站设于 青衣行政大楼，在每座桥上均设有一组网络接驳站，用以汇集各处 GPS 定位测量站的数据 传输分支网络。联接总控制站与接驳站的光纤网络使用单模光纤，最长距离约 3km；而联接 定位测量站与接驳站的分支光纤网络则使用多模光纤，最长距离约 l.3km。每组 GPS 测量仪 需要三条非同步串列传输管道 （Async Serial Channel） 操作， 这三条管道分别用作资料收集、 差分改正信息传送及遥距监控，而每条管道传输速度达 19 200Baud。光纤传输速度能力高， 一条多模光纤已能取代多条传统的铜蕊资料传输电线。GPS 信号从多模光纤传送至网络接 驳站后，即被汇集成更高频信号，由更高质素的单模光纤传输至信息收集总控制站，使原本 需要百余条钢资料传输电线的传统通讯网络简化为每座桥只需一条单模光纤的光纤通讯网 络，大大改进了网络的操作效率和养护维修工作。 4．GPS 信息处理的运作 从 27 个 GPS 定点测量仪输出的 GPS 大地坐标经纬数据，分别以每秒 10 个的采样率透 过光纤网络信息收集系统同步传送至信息处理和分析系统。 信息处理和分析系统安装于青衣 行政大楼的桥梁监察室内， 由两台电脑工作站组成： （1） 第一台为运作工作站 （GPS-OWS） ， 用作信息和图像处理， 以活动图像实时显示初步的桥身和塔顶三轴向位移动态， 及运算桥身 扭转振动的幅度，同时以时程数据形式显示各定点的度量位移，GPS 一 OWS 亦负责系统运 作和控制，用作监察 GPS 测量仪和光纤通讯网络的运作状况，当系统出现问题或位移数超 出预设极值时，这系统会发出警号和红色灯号，提醒系统管理员。 （2）第二台为分析工作站 （GPS-AWS） ，将经过初步处理和分析的信息进行结构分析和评估，并用作进阶图像处理和 执行图输入蹦出工作。这两组电脑工作站均与现存的&桥监系统'充脑系统联系在一起，供数 据整台之用。表 1 及表 2 列出了这两台工作站的主要硬件和操作软件，在需要的情况下， GPS-AWS 操作系统作为后备工作站以维持正常运作。四、桥架结构侵康检测和评估的应用[1,2] GPS 监测系统为&桥监系统&中的一个新增设施，其主要作用为直接测量三座 悬吊体系桥梁的桥身和桥塔的瞬间度量位移，并推算其截面中线相应的导量位 移， 继而再配合其他结构分析软件来评估各相应主要构件的应力状况。目前&桥监 系统&对大桥结构的评估有三大方面，分别为承载能力、营运状态和耐久能力。 承载能力是有关大桥结构或构件的极限强度、稳定性能等，其评估目的是要找出 大桥结构的实际安全储备， 以避免桥梁发生灾难性的损毁。营运状态则与大桥结 构或其构件在日常荷载下的变形。裂缝、振动等有关，其评估结果有助于安排合适的定期养护维修， 而这类评估亦较为重要。耐久能力的评估则专注于大桥的损 伤及其成因以及其对材料物理特性的影响。 GPS 监测系统对大桥整体结构的位移监测，可更直接改进&桥监系统&的一般 检测和评估工作，例如：（1）报告大桥整体结构的位移从而反映其工作环境和 荷载的变化；（2）进一步分析运算主要构件的实际内力分布，例如主悬索缆、 纵向主梁等；（3）验证不寻常荷载记录，例如台风、地震、超重交通荷载或被 车船撞击事故等；（4）从而推算大桥主要构件有否损坏或累积性的损坏；（5） 推算大桥的承载能力及论证设计施工假设和参数的有效性；（6）为大桥营运和 维修决策者提供大桥超载的警告信息。 五、桥梁整体性营运状态监测【1，2】 1．风力效应监测 大桥设计中所进行的抗风能力分析和风洞测试， 是基于一所离开大桥桥址较 远的气象站所收集到的风结构资料。 由于桥址和气象站所处的位置有高度上的和 地形上的差别， 再加上悬吊体系桥梁对风振有较大的反应，因此测量大桥桥址的 风结构和论证大桥的抗风设计假设和参数的有效性， 成为大桥抗风振监测的主要 部分。配合&桥监系统&的风速、风向监测，利用从 GPS 监测系统得出的桥身、塔 顶、 主悬索缆的三轴向位移资料，可对大桥进行风力效应监测及结构的抗风振验 算复核；测量特定风速的持续周期，用以检测桥梁的涡激共振的平均持续周期。 另外， 亦会与在桥身中同步测量的加速仪数据互相验证，确定大桥结构的抗风振 的效应。 2．温度效应监测 由于温度变化是与太阳辐射强度、材料热能散发率、环境温度及风速风向等 因素有关， 因此大桥的温度参数的极值不能从个别因素去推论。监测大桥环境温 度和桥梁结构上温度的分布状况， 可用作推算大桥的有效桥梁温度和差别温度的 极值，此为大桥温度荷载监测的主要部分。GPS 监测系统长时间监测大桥整体结 构的位移变化， 可引证因环境温度而引发的日夜和季节性的位移变化周期，例如 主悬索缆的垂直位移。桥身的纵向、横向及垂直位移，与相应的塔顶的横向及垂 直位移等， 再与&桥监系统&的结构有效温度和差别温度的极值互相验证，增强大 桥整体温度荷载监测的可靠性。 3．交通荷载效应监测 对一般大跨度桥梁而言， 交通挤塞是交通 （车辆） 荷载的主要设计考虑因素， 而大桥的交通荷载长度（Loaded Lengths）设计是基于：（1）每天交通挤塞形 成的次数；（2）交通挤塞发生的位置，持续时间和车辆的分布模式；（3）交通 挤塞时的交通流量等假设。 测量和论证交通荷载设计假设和参数的有效性，是大 桥交通荷载监测的主要项目。从 GPS 监测系统得出的桥身、塔顶、主悬索缆的三轴向位移资料， 可与&桥监系统&的交通荷载及分布状况的监测资料互相验证，协 助进一步制定桥梁结构的各级应力阶段，并用作大桥主要构件的疲劳估算。 4．铁路荷载效应监测 对青马大桥和汲水门大桥而言， 铁路机车的荷载亦成为另一主要的设计考虑 因素。 青马大桥和汲水门大桥的铁路路轨承台是由纵向工字钢梁承托的，铁路机 车荷载从纵向工字钢梁传到大桥桥身的加劲梁构件，再分布到其内的横向框架 上。由于&桥监系统&中没有传感器能直接测量铁路机车在大桥上所产生的荷载， 因此， 只能通过安装在大桥中跨的纵向工字钢梁上的应变仪，进行铁路荷载的监 测， 绘制相应的感应线来推算单一机车车盘的荷载， 再进一步推算整列车的荷载。 同样地，GPS 监测系统得出的桥身、塔顶住悬索缆的三轴向位移资料，可作进一 步验证结构应力与位移的相互关系系数。 5．大桥钢索索力的监测 大桥的钢索索力状态是衡量大桥是否处于正常运作状态的一个重要标志。 利 用 GPS 监测系统的青马大桥主悬索缆得出的三轴向位移资料， 运用有关的素力公 式去推算钢索承受的拉力， 定期监测钢索索力的状况，并进一步分析桥身和主悬 索缆的应力分布相互关系。 6．大桥主要构件应力监测 大桥的结构设计普遍上是基于导量位移， 任何索塔和主梁轴线偏离于设计轴 线， 都会影向大桥的承载能力和构件的内力分布，结构评估工作先从 GPS 监测系 统得出的桥身截面中线度量位移， 将其输入其模拟桥身等效刚度的鱼骨结构分析 电脑模型，藉矩阵运算，得出全桥整体的内力分布；再利用局部的结构分析模型 来模拟桥身的主要构件， 再推算出主要构件的个别应力状况。在恒载和交通荷载 作用下， 大桥主梁与各构件有着不同的内力分布，通过&桥监系统&对主要构件部 位进行的应力监测， 整台 GPS 位移数据对相应构件的应力推算，不仅能多方面验 证各构件的应力和位移相互关系，从而为评估大桥的承载能力、营运状态及耐久 能力提供更有力的依据； 此外还能通过监测应力或位移的变异来侦查大桥结构有 否损坏或潜在损坏的状态。 六、结论 近年人造卫星定位系统提供的实时位移测量精度有显著的提升， 将此测量技 术应用于直接量度桥梁整体的三维位移， 直接监测大桥主跨梁及索塔轴线的位移 变化， 配合结构分析模型来模拟桥身主要构件的内力状况，可增强桥梁结构健康 监测和评估的可靠度， 并侦查大桥结构有否潜在损坏的危机，提高养护维修工作 的效率和效果。一、专业车载 GPS 导航仪方案 问：专业车载 GPS 导航仪是什么？有什么特点？ 专业车载 GPS 导航仪是专门用于车载导航的机器，大小和 PDA 掌上电脑一样，主要用于导航，内置正版的专业导航软 件（如灵图、城际通、凯立德等） ，一般安装直流平板陶瓷 天线，接受 GPS 信号能力强大，搜星速度快，可以实现快速 开机导航。由于整个机器都是用于导航的，所以比 PDA、手 机的 GPS 导航更流畅，很少出现死机、顿机等情况，搜索目 的地也快很多。 （相当于专业数码相机和手机自带的拍照功 能的差别，虽然手机也有 300 万像素的拍照功能，但毕竟不 是专业的相机） ，同时还有 mp3 播放/mp4 播放/图片浏览 的功能。问：都有那些主流专业导航仪？ 答：主流导航仪有朗视通、奥可视、城际通、任我游、新科 等品牌。 这些品牌的主流产品， 常州帕博 GPS 卫星导航总汇 都有现货供应。我们推荐国内各大 GPS 专业论坛所推荐的 “朗视通”。理由如下： 1、内置灵图 5 地图，灵图公司是最大的 GPS 导航软件地图 公司，刚刚获得 2.4 亿元的风险投资，灵图 5 更是目前性能 最好、地图最新最全的导航软件，也是灵图 5 的第一个定制 公司。同时您也可以选择内置正版城际通地图的版本。2、在采用最新的 sirf 三代芯片的同时，采用了直流平板陶 瓷天线，让接受 GPS 信号的能力达到最强。这样，在贴了比 较厚的膜的车内，也能有十分好的接收性能。不用添加外置 在车外的天线。 3、由于专门用于导航，搜星速度快。开机 28 秒就可以搜索 到卫星，开始定位导航。不会出现汽车已经发动，开了 5 分 钟后才能导航的情况。 4、导航声音大。一般的 pda/手机的外放声音都不是很大， 尤其是在行驶的车内，或者是在城市内，总感觉语音导航的 声音不是很大。有些被迫使用耳机来听导航声音。朗视通专 门的针对车载导航的设计，采用大功率扬声器，让导航声音 满足在嘈杂的城市内的需求。 5、 mp3/mp4 功能， 都采用专业级的模块， 音质、画面一流。 是一个很好的车载娱乐终端。 6、标配 1G 金士顿行货卡和读卡器，方便和电脑联通，可 以使用别人的灵图 5 航迹进行导航。 7、3.5” TFT 液晶显示屏幕，比手机的屏幕大，有利于导航。二、GPS 一体机方案 问：GPS 一体机是什么，有什么特点？ 答：一体机就是 PDA 具备 GPS 功能，有的甚至自带正版地 图，买回来就可以用。问：都有那些主流的一体机？ 答：PDA 带 GPS 的一体机的主流机型是神达 P350, 自带 512M 内存， PDA 掌上电脑功能也十分强大， windows moblie 5.0 最新 PDA 系统，看电影、处理 word/excel 文档，装金 山词霸；自带车载支架,可手持、可车载。三、手机/掌上电脑 GPS 方案选择 问：我的手机是否适合配置 GPS，什么方案？ 回答： 1、推荐使用蓝牙 GPS 方案。因为蓝牙 GPS 是主流 GPS 设 备，通用性强，可以和笔记本、PDA、手机等具有蓝牙功能 的设备配合使用。不同档次的，价格在 600―1000 元之间。 2、只要你的手机具备蓝牙功能，同时是智能手机（具有操 作系统：比如 s60 系统、ppc 系统等） ，你的手机就具备了 使用蓝牙 GPS 实现导航功能的条件。 3、 如果是车载导航使用， 推荐同时选配 PDA/手机两用车架。 团购有 60 元-80 左右两款。可以把手机/PDA 固定在车上， 抬头就可以看到。很酷的感觉。 4、 GPS 导航地图软件一般在 200M 以上， 而且往往你喜欢 装几款软件同时测试。如果你的手机存储卡不够用，可以选 配一个大一些的容量的 MMC 卡、RS－ MMC 卡、SD 卡、 MINI SD 卡。推荐 1G 容量的。这个容量的价格最合适，而且你还可以存储其他很多自己喜欢的 mp3/电影等东西。四、蓝牙 GPS 的选择 问：如何选择蓝牙 GPS 配合我的手机/PDA？ 答： 现在的蓝牙 GPS 有 20 多款，到底选择哪一款？我们通过长 期对各款 GPS 的研究， 查看网友的使用心得， 和经销商交流 保修情况和用户反馈，推荐以下几款供大家根据不同需求选 择： 我们推荐选择 sirf 三代芯片的蓝牙 GPS，这种 GPS 具有 20 个卫星通道，接受效果好。这个芯片就相当于 CPU 厂家中 的 intel。具体选择哪一款，要根据个人追求的功能、想要的 投入等综合考虑。 1、与诺基亚手机搭配，追求性能好，推荐诺基亚的三代芯片 GPS LD-3W， 2006 年 6 月诺基亚最新产品， 全球同步上市， 软件算法好，定位准确。诺基亚全国客服服务。 2、追求高性能，高品质，有科技感，蓝牙 GPS 的最高端产 品，同时追求时尚小巧，可以选择 Holux GPSlim 240 。十 分小巧，精致，有质感。sif 三代 gps 芯片，性能特好。 3、追求兼容性，推荐 haicom 406BT，sif 三代 gps 芯片， 性能好。 4、追求性价比高，推荐 Holux 236，sif 三代 gps 芯片，性能好。 5、想较低投入，就能获得不错的性能的蓝牙 GPS，就选择 NaviBe 731。也是三代 sirf 芯片。问：是否需要外接天线？ 答： 三代芯片在绝大部分使用情况下， sirf 都不用 GPS 天线。 在贴金属膜的车内，一般也不需要。但是在特殊的情况下， 比如天气情况不好、高层建筑物遮挡等情况下，可以购买天 线最为备用。 信号好的时候， 安装天线也可以提高信号强度。五、笔记本方案 问：我有一个笔记本，但是笔记本没有蓝牙，什么方案好？ 答：笔记本没有蓝牙，可以购买 USB 口的 GPS 模块，我们 提供的 USB 口 GPS 接受器都是使用 sirf 三代芯片，而且价 格也较为低廉，但我认为 USb 口的 GPS 在通用性方面只能 和有 USB 口的笔记本配合使用，而且还有连接线，使用起 来是有点小小的不便。GPS 入门术语大全GPS 作为野外定位的最佳工具， 在户外运动中有广泛的应用， 在国内也可以越来越经常地看见有 人使用了。GPS 不象电视或收音机，打开就能用，它更象一架相机，你需要有一定的知识。 首先大家要弄清使用 GPS 时常碰到的一些术语： 1.坐标(coordinate)有 2 维、3 维两种坐标表示，当 GPS 能够收到 4 颗及以上卫星的信号时，它能计算出本地 的 3 微坐标：经度、纬度、高度，若只能收到 3 颗卫星的信号，它只能计算出 2 维坐标：精度 和纬度，这时它可能还会显示高度数据，但这数据是无效的。大部分 GPS 不仅能以经/纬度 (Lat/Long)的方式，显示坐标，而且还可以用 UTM(Universal Transverse Mercator)等坐标系统 显示坐标但我们一般还是使用 LAT/LONG 系统，这主要是由你所使用的地图的坐标系统决定的。 坐标的精度在 Selective Availability(美国防部为减小 GPS 精确度而实施的一种措施)打开时， GPS 的水平精度在 100-50 米之间，视接受到卫星信号的多少和强弱而定，若根据 GPS 的指示，说你 已经到达，那么四周看看，应该在大约一个足球场大小的面积内发现你的目标的。 在 SA 关闭时，精度能达到 15 米左右。高度的精确性由于系统结构的原因，更差些。经纬 度的显示方式一般都可以根据自己的爱好选择，一般 有”hddd.ddddd”,”hddd*mm.mmm”“，”hddd*mm”ss.s”““(其中的”*”代表”度”，以下同)地球子午 线长是 39940.67 公里，纬度改变一度合 110.94 公里，一分合 1.849 公里，一秒合 30.8 米，赤 道圈是 40075.36 公里，北京地区纬在北纬 40 度左右，纬度圈长为 40075*sin(90-40),此地经度 一度合 276 公里，一分合 1.42 公里一秒合 23.69 米，你可以选定某个显示方式，并把各位数字 改变一对应地面移动多少米记住， 这样能在经纬度和实际里程间建立个大概的对应。 大部分 GPS 都有计算两点距离的功能， 可给出两个坐标间的精确距离。 高度的显示会有英制和公制两种方式， 进 GPS 的 SETUP 页面，设置成公制，这样在其他象速度、距离等的显示也都会成公制的了。 2.路标(Landmark or Waypoint) GPS 内存中保存的一个点的坐标值。在有 GPS 信号时，按一下”MARK”键，就会把当前点记 成一个路标，它有个默认的一般是象”LMK04”之类的名字，你可以修改成一个易认的名字(字母 用上下箭头输入)，还可以给它选定一个图标。路标是 GPS 数据核心，它是构成”路线”(见 3)的基 础。标记路标是 GPS 主要功能之一，但是你也可以从地图上读出一个地点的坐标，手工或通过 计算机接口输入 GPS，成为一个路标。一个路标可以将来用于 GOTO 功能(见 5)的目标，也可以 选进一条路线 Route，见 3.)作为一个支点。一般 GPS 能记录 500 个或以上的路标。 3.路线(ROUTE) 路线是 GPS 内存中存储的一组数据，包括一个起点和一个终点的坐标，还可以包括若干中 间点的坐标，每两个坐标点之间的线段叫一条”腿”(leg)。常见 GPS 能存储 20 条线路，每条线路 30 条”腿”。各坐标点可以从现有路标中选择，或是手工/计算机输入数值，输入的路点同时做为 一个路标(Waypoint/Landmark)保存。实际上一条路线的所有点都是对某个路标的引用，比如你 在路标菜单下改变一个路标的名字或坐标， 如果某条路线使用了它， 你会发现这条线路也发生了 同样的变化。可以有一条路线是”活跃”(Activity)的。”活跃”路线的路点是导向(见 5)功能的目标。 4.前进方向(Heading) GPS 没有指北针的功能，静止不动时它是不知道方向的。但是一旦动了起来，它就能知道自 己的运动方向。GPS 每隔一秒更新一次当前地点信息，每一点的坐标和上一点的坐标一比较，就 可以知道前进的方向，请注意这并不是 GPS 头指的方向，它老人家是不知道自己的脑袋和运动路线是成多少度角的。不同 GPS 关于前进方向的算法是不同的，基本上是最近若干秒的前进方 向，所以除非你已经走了一段并仍然在走直线，否则前进方向是不准确的，尤其是在拐弯的时候 你会看到数值在变个不停。方向的是以多少度显示的，这个度数是手表表盘朝上，12 点指向北 方，顺时针转的角度。有很多 GPS 还可以用指向罗盘和标尺的方式来显示这个角度。一般同时 还显示前进平均速度，也是根据最近一段的位移和时间计算的。 5.导向(Bearing) 导向功能在以下条件下起作用： 1.)以设定”走向”(GOTO)目标。”走向”目标的设定可以按”GOTO”键，然后从列表中选择一个 路标。以后”导向”功能将导向此路标。 2.)目前有活跃路线(Activity route)。活跃路线一般在设置-&路线菜单下设定。如果目前有活 动路线，那么”导向”的点是路线中第一个路点，每到达一个路点后，自动指到下一个路点。 在”导向”页面上部都会标有当前导向路点名称(“ROUTE”里的点也是有名称的)。它是根据当 前位置，计算出导向目标对你的方向角，以与”前进方向”相同的角度值显示。同时显示离目标的 距离等信息。读出导向方向，按此方向前进即可走到目的地。有些 GPS 把前进方向和导向功能 结合起来，只要用 GPS 的头指向前进方向，就会有一个指针箭头指向前进方向和目标方向的偏 角，跟着这个箭头就能找到目标。 6.日出日落时间(Sun set/raise time) 大多数 GPS 能够显示当地的日出、日落时间，这在计划出发/宿营时间时是有用的。这个时 间是 GPS 根据当地经度和日期计算得到的，是指平原地区的日出、日落时间，在山区因为有山 脊遮挡， 日照时间根据情况要早晚各少半个小时以上。 GPS 的时间是从卫星信号得到的格林尼制 时间，在设置(setup)菜单里可以设置本地的时间偏移，对中国来说，应设+8 小时，此值只与时 间的显示有关。 7.足迹线(Plot trail) GPS 每秒更新一次坐标信息， 所以可以记载自己的运动轨迹。 一般 GPS 能记录 1024 个以上 足迹点，在一个专用页面上，以可调比例尺显示移动轨迹。足迹点的采样有自动和定时两种方式 自动采样由 GPS 自动决定足迹点的采样方式，一般是只记录方向转折点，长距离直线行走时不 记点；定时采样可以规定采样时间间隔，比如 30 秒、一分钟、5 分钟或其他时间，每隔这么长 时间记一个足迹点。在足迹线页面上可以清楚地看到自己足迹的水平投影。你可以开始记录、停 止记录、设置方式或清空足迹线。”足迹”线上的点都没有名字，不能单独引用，查看其坐标，主 要用来画路线图(计算机下载路线?)和”回溯”功能。很多 GPS 有一种叫做”回溯”(Trace back)的功 能，使用此功能时，它会把足迹线转化为一条”路线”(ROUTE)，路点的选择是由 GPS 内部程序完 成的一般是选用足迹线上大的转折点。同时，把此路线激活为活动路线，用户即可按导向功能原路返回。要注意的是回溯功能一般 会把回溯路线放进某一默认路线(比如 route0)中，看你 GPS 的说明书，使用前要先检查此线路 是否已有数据，若有，要先用拷贝功能复制到另一条空线路中去，以免覆盖。回溯路线上的各路 点用系统默认的临时名字如”T001”之类，有的 GPS 定第二条回溯路线时会重用这些名字，这时 即使你已经把旧的路线做了拷贝，由于路点引用的名字被重用了，所以路线也会改变，不是原来 那条回溯路线了。请查看你 GPS 的使用说明书，并试用以明确你的情况。有必要的话，对于需 要长期保存的 TraceBack 路线，要拷贝到空闲路线，并重命名所有路点名字。GPS 原理及应用提起 Gps 我们中间有些人可能对这个名词比较陌生，提起伊拉克战争大家应该都比较熟悉。 2003 年 3 月 20 日，伊拉克战争爆发。大批轰炸机、战斗机猛扑向伊拉克首都巴格达，用炸弹准 确地将一座建筑彻底摧毁，行动代号：“斩首行动”；4 月，一架 B-1B“枪骑兵”轰炸机临时接 到任务，用炸弹摧毁了另一座建筑。他们的目标都是一个人：萨达姆.侯赛因，他们所使用的炸 弹都是一种：联合攻击炸弹(JDAM)，这些炸弹之所以都能够精确的打击目标，是因为他们都是通 过卫星定位来实现定位，提供这种定位服务的正是由 24 颗美国卫星组成的全球定位系统--GPS。 GPS 是英文 GLOBAL POSITIONING SYSTEM 的缩写。原名为“导航星”(NAVSTAR),是美国国防部 于 1973 年 11 月授权开始研制的海陆空三军共用的美国第二代卫星导航系统,是美国继阿波罗登 月飞船和航天飞机之后第三大航天工程。1994 年全面建成，历时 20 年，耗资 300 亿美元。 GPS 全球定位系统是一个无线电空间定位系统,它利用导航卫星和地面站为全球提供全天候p高 精度p连续p实时的三维坐标(纬度， 经度,海拔)p三维速度和定位信息,地球表面上任何地点均 可以用于定位和导航. GPS 系统包括三大部分：空间部分―GPS 卫星星座；地面控制部分―地面监控系统；用户设备部 分―GPS 信号接收机。 空间部分―GPS 卫星星座 GPS 空间部分使用 24 颗高度约 2.02 万千米的卫星组成卫星星座，其中由 21 颗工作卫星和 3 颗 在轨备用卫星组成 GPS 卫星星座，记作（21+3）GPS 星座。 24 颗卫星均匀分布在 6 个轨道平面 内，轨道倾角为 55 度，各个轨道平面之间相距 60 度， 即轨道的升交点赤经各相差 60 度。每个 轨道平面内各颗卫星之间的升交角距相差 90 度， 一轨道平面上的卫星比西边相邻轨道平面上的 相应卫星超前 30 度。 卫星的分布使得在全球的任何地方， 任何时间都可观测到四颗以上的卫星， 并能保持良好定位解算精度的几何图形（DOP）。这就提供了在时间上连续的全球导航能力。 地面控制部分―地面监控系统 地面监控部分包括四个监控间、 一个上行注入站和一个主控站。 监控站设有 GPS 用户接收机、 原子钟、 收集当地气象数据的传感器和进行数据初步处理的计算机。 监控站的主要任务是取得卫 星观测数据并将这些数据传送至主控站。 主控站设在范登堡空军基地。 它对地面监控部实行全面 控制。主控站主要任务是收集各监控站对 GPS 卫星的全部观测数据，利用这些数据计算每颗 GPS 卫星的轨道和卫星钟改正值。 上行注入站也设在范登堡空军基地。 它的任务主要是在每颗卫星运 行至上空时把这类导航数据及主控站的指令注入到卫星。这种注入对每颗 GPS 卫星每天进行一 次，并在卫星离开注入站作用范围之前进行最后的注入。 用户设备部分―GPS 信号接收机GPS 接收机可接收到可用于授时的准确至纳秒级的时间信息； 用于预报未来几个月内卫星所处概 略位置的预报星历；用于计算定位时所需卫星坐标的广播星历，精度为几米至几十米（各个卫星 不同，随时变化）；以及 GPS 系统信息，如卫星状况等。 GPS 接收机对码的量测就可得到卫星到接收机的距离， 由于含有接收机卫星钟的误差及大气传播 误差，故称为伪距。对 0A 码测得的伪距称为 UA 码伪距，精度约为 20 米左右，对 P 码测得的伪 距称为 P 码伪距，精度约为 2 米左右。 GPS 接收机对收到的卫星信号，进行解码或采用其它技术，将调制在载波上的信息去掉后，就可 以恢复载波。严格而言，载波相位应被称为载波拍频相位，它是收到的受多普勒频移影响的卫星 信号载波相位与接收机本机振荡产生信号相位之差。 一般在接收机钟确定的历元时刻量测， 保持 对卫星信号的跟踪， 就可记录下相位的变化值， 但开始观测时的接收机和卫星振荡器的相位初值 是不知道的，起始历元的相位整数也是不知道的，即整周模糊度，只能在数据处理中作为参数解 算。相位观测值的精度高至毫米，但前提是解出整周模糊度，因此只有在相对定位、并有一段连 续观测值时才能使用相位观测值，而要达到优于米级的定位精度也只能采用相位观测值。 按定位方式，GPS 定位分为单点定位和相对定位（差分定位）。单点定位就是根据一台接收机的 观测数据来确定接收机位置的方式，它只能采用伪距观测量，可用于车船等的概略导航定位。相 对定位（差分定位）是根据两台以上接收机的观测数据来确定观测点之间的相对位置的方法，它 既可采用伪距观测量也可采用相位观测量， 大地测量或工程测量均应采用相位观测值进行相对定 位。 在 GPS 观测量中包含了卫星和接收机的钟差、大气传播延迟、多路径效应等误差，在定位计算时 还要受到卫星广播星历误差的影响， 在进行相对定位时大部分公共误差被抵消或削弱， 因此定位 精度将大大提高， 双频接收机可以根据两个频率的观测量抵消大气中电离层误差的主要部分， 在 精度要求高，接收机间距离较远时（大气有明显差别），应选用双频接收机。 如：某品牌车载终端技术参数 （1） （2） （3） 电源：12VDC，300mA（待机状态下典型值）； 24VDC，150mA（待机状态下典型值）， 电源抗反接特性：&28V 尺寸：170mm × 110mm × 55mm 省电模式下小于 33mA。（4） 重量：0.5kg （5） 数字信号传输指标： 传输方式：GPRS 传输速率：9600bps 传输频段：900 MHz /1800 MHz GSM 通信模组：SONY-ERICSSON 输出功率：2W 电流消耗：发射：150mA 空闲：35mA 工作温度：-20~60℃ 支持 GPRS 功能 GPS 性能指标 接收板结构：美国 SIRF 车载级模组 12 通道 C/A 码 L1 波段 平均 平均 工业级模组 GR47 使用频段：900MHz/1800 MHz定位精度：&25 米（无 SA）在差分下达到 10 米以内 最大加速度：4g 最大速度：545 米/秒 热启动时间：&8 秒 典型重俘获时间：1 秒 天线：有源微带扁平天线 接收板电源要求：25mA 工作温度：-40~85℃ （7） 工作温度：-20~60℃ （8） （9） 储存温度：-40~85℃ 相对湿度：≤93 % 5VDC.GPS 不仅用于导弹、飞船的导航定位，更是广泛用于飞机、汽车、船舶的导航定位，公安、银行、 医疗、消防等用它建立监控、报警、救援系统，企业用它建立现代物流管理系统，农业、林业、 环保、资源调查、物理勘探、电信等都离不开导航定位，特别是随着卫星导航接收机的集成微型 化，出现各种融通信、计算机、GPS 于一体的个人信息终端，使卫星导航技术从专业应用走向大 众应用，成为继通信、互联网之后的 IT 第三个新的增长点。以 GPS 为代表的卫星导航定位应用 产业越来越吸引众多人的关注。有关专家预测，到&十五&末期，我国的卫星导航定位应用市场的 总产值将超过 100 亿元，导航定位运营服务产值超过 30 亿元。卫星导航定位产业在国内是一个 具有巨大发展空间的朝阳产业。以上讲的是ＧＰＳ原理， 下面我们再来讲 GPS 系统在实际应用中是如何实现？GPS 系统只是一个 单一的定位系统，需要结合 GSM 等通讯网络系统来实现定位信息的传递。 GSM（Global System for Mobile Communications 环球移动通讯系统），是一个开放、不断演 变改进的系统。这个系统最强的优点之一在于拥有国际漫游的功能，消费者可以凭一个号码，在 全球超过 159 个国家不受阻各地接受同等质量的电话服务。 GSM 标准将会继续演变改进，与无线、卫星和移动系统配合下提供大幅增多的服务，包括高速多 媒体数据服务、为同步使用该项服务而设的内置支援，以及将互联网与固网完美结合。 传统的定位信息是靠短信息 SM 方式来传递， 现在又出现了一种新的分组数据承载业务， GPRS， 即 GPRS 是通用分组无线业务(General Packet Radio Service)的英文简称。我们先来介绍传统的 SM 方式传递定位信息的方式。 ① ② ③ 移动交换中心（MSC）同公众有线网（PSTN）、短消息中心（SMS）、监管维护通过有线方式 蜂窝基站（BSS）同移动单元（MS）通过无线方式进行相互连接，无线工作频段为 900M。 短消息中心（SMS）是实现短讯收发的信息平台。其在基站与移动单元 连接；同蜂窝基站（BSS）通过有线或无线（如微波）方式连接。之间的数据传输是通过无线信令信道进行传输。GPS 系统工作流程是：移动目标―监控中心①移动目标接收 GPS 卫星信号，并解算出所在位置的定位信息； ②移动目标将解算出的位置信息通过无线信令信道传送至蜂窝基站； ③蜂窝基站接收移动目标发射的信息，并将数据信息通过短消息中心传至监控中心； ④监控中心利用短消息中心传来的数据信息实现对移动目标的定位监控。监控中心―移动目标①监控中中心执行相关监控指令；（如：询位置指令、监听指令、断电指令等） ②监控指令通过短消息中心传至蜂窝基站； ③蜂窝基站将监控指令信息进行调制发射，通过信令信道传至移动目标； ④ 移动目标接收蜂窝基站发射的信息并执行相关指令。监控中心由数据库服务器、短信接口机、通信中心管理机、数据中心管理机、监控座席构成，可 以增加 GPRS 接口和全国联网接口，还可以增加分中心和远程座席。 GPRS 的连接方式如图所示。 关于 GSM 方式和 GPRS 方式的比较我们在后面会讲到。 刚才我们介绍了监控中心的组成， 当车在马路上行使时， 我们可以通过监控座席来监控车辆的位 置，要在监控地图上看到监控车辆，必须要安装 MapX 软件。 MapX 是 MapInfo 公司向用户提供的具有强大地图分析功能的 ActiveX 控件产品，能够把基于位 置信息的数据以高清晰可视化效果的显示与分析，使车辆位置清晰准确的在计算机中反映出来， 更好的服务于用户。在监控座席中它起到了调用地图的功能。 MapInfo Professional 世界领先的绘图和地理分析软件，使用它可以创建高度精密、准确的地图，你可以随意的修改地 图软件， 可以自己添加新建的道路和地图中绘制不详细的地点。 在监控座席中它起到了修改地图 的功能。GSM 定位应用系统与 GPRS 定位应用系统的比较 1 技术 GSM 传统的数据通信方式，包括短信息 SM 方式和 DATA 方式。SM 方式存在延时大（一般在 6―8 秒）、通道有阻塞等缺点；DATA 方式存在拨号时间长（10 秒左右）、通信费用高等缺点。GSM 属于移动通信中的 2G（第 2 代）技术。 与 GSM 传统的电路交换技术不同，GPRS 采用分组交换技术，具有“永远在线”、“自如切换”、 “高速传送”等优点， 属于移动通信中的 2.5G （2.5 代） 技术， 它能全面提升移动数据通信服务， 目前下行传输速率理论上可达到 40kbit/s，上行传输速率可达 9.6kbit/s，特别适用于象 GPS系统那样具有突发性、每次数据流量小、总体数据流量大、实时性要求高等特点的移动数据通信 的应用。 2 覆盖范围 GPRS 依托于 GSM 系统，需要在 GSM 系统上进行改造，才能实现 GPRS。目前，国内只有中国 移动采用了 GPRS 技术（中国联通选用了 CDMA 技术）。根据中国移动的网络铺设计划，大中城市 已经普及 GPRS，GPRS 网络的质量也一直在优化中。在某些地区，还没有开通 GPRS 业务。 3 通信费用 GPRS 采用包月+流量计费，可以一直在线，按照接收和发送数据包的数据量来付费，也可以采用 包月方式计费。方式 自由套餐 经济套餐 时尚套餐 商务套餐 月租费（元） 0 20 100 200 赠送的免费流量数（MB） 0 1 20 500 超过赠送流量费（元/KB） 0.03 0.01 0.01 0.01由于可以自由选择计费方式， 对需要密切跟踪的车辆可以选择包月方式， 而对于不需要密切跟踪 的车辆可以采用按流量计费方式，从而降低整个系统的使用费用。 GPS 数据根据不同的指令，其长度不完全一样，平均按 60 个字节计算，加上打包数据，每传一 次在 100 个字节左右。如果一辆车要求每天监控 10 个小时，每分钟自动回传一次位置信息，每 月 30 天，则每月的 GPRS 信息量为： 100 字节*10 小时*60 分钟*30 天=1，800，000 字节=1.8M，采用包月 20 元时，约一个月 28 元。 但如果选择 SM 方式，则费用为： 1 条/分钟*60*分钟*10 小时*30 天*0.1 元/条=1800 元 因此，GPRS 特别适用于需要频繁地发送数据、数据总流量较大的场合。 4 系统设备 GPRS 的系统设备相对复杂一些。与 GSM 方式的 GPS 系统相比，需要增加 GPRS 通信接口；因为必 须考虑系统在 GPRS 通信出现故障的情况下， 仍能与车台保持联系， 还须增加 GSM/GPRS 通信的切 换程序。 在接入方式上，GSM 系统可以采用点对点、DDN、INTERNET 等方式；GPRS 系统则要看当地中国移 动的接入条件，有的需要固定 IP，有的只须接入 INTERNET 即可，目前，以后一种方式越来越普 及。 5 车载终端比较项目 实时性 上报的最小间隔 数话兼容 数据通信方式 价格 GPRS 方式 通常 1 秒以内 1秒 需切换 GPRS、SM 比 GSM 稍贵 GSM 方式 通常 6-8 秒 8 秒左右 是 SM、DATAGPS 天线介绍和应用GPS 接收天线的作用， 是将卫星来的无线电信号的电磁波能量变换成接收机电子器件可摄取应用 的电流。天线的大小和形状十分重要，因为这些特征决定了天线能获取微弱的 GPS 信号的能力。 根据需要，天线可设计成可以工作在单一的 L1 频率上，也可以工作在 L1 和 L2 两个频率上。由 于 GPS 信号是园极化波， 所以所有的接收天线都是园极化工作方式。 尽管有多种多样的条件限制， 仍然有许多不同的天线类型存在，如单极的，双极的，螺旋的，四臂螺旋的，以及微带天线。微带天线由于其耐用性和相对地容易制作，所以成了应用最为普遍的一类天线。其形状可 以是圆的也可以方的或长方的，如同一块敷铜的印刷电路板。它由一个或多个金属片构成，所以 GPS 天线最常用的形状是块状结，像个烧饼。由于天线可以做得很小，因此适合于航空应用和个 人手持应用。 天线的另一个主要特性，是其的增益图形，即方向性。利用天线的方向性可以提高其抗干 和抗多径效应能力。在精确定位中，天线的相位中心的稳定性是个很重要的指标。但是，普通的 导航应用中， 人们希望用全向天线， 至少能接收天线地平以上五度视野内所有天空中的可见卫星 信号。微带天线通常有个接地平板作为地网。由于到达接收机的 GPS 信号一般都比较微弱，所以 往往采用有源天线，所谓有源天线，是指天线中装有 RF 前置放大器或低噪声放大器GPS 系统如何组成GPS 系统包括三大部分：空间部分―GPS 卫星星座；地面控制部分―地面监控系统；用户设备 部分―GPS 信号接收机。GPS 卫星星座GPS 工作卫星及其星座 由 21 颗工作卫星和 3 颗在轨备用卫星组成 GPS 卫星星座，记作 （21+3）GPS 星座。 24 颗卫星均匀分布在 6 个轨道平面内，轨道倾角为 55 度，各个轨道平面 之间相距 60 度， 即轨道的升交点赤经各相差 60 度。每个轨道平面内各颗卫星之间的升交角距 相差 90 度， 一轨道平面上的卫星比西边相邻轨道平面上的相应卫星超前 30 度。 在两万公里高空的 GPS 卫星，当地球对恒星来说自转一周时，它们绕地球运行二周， 即绕地球一周的时间为 12 恒星时。这样，对于地面观测者来说，每天将提前 4 分钟见到同一颗 GPS 卫星。位于地平线以上的卫星颗数随着时间和地点的不同而不同，最少可见到 4 颗， 最多可见 到 11 颗。在用 GPS 信号导航定位时，为了结算测站的三维坐标，必须观测 4 颗 GPS 卫星，称 为定位星座。 4 颗卫星在观测过程中的几何位置分布对定位精度有一定的影响。 这 对于某地某时， 甚至不能测得精确的点位坐标，这种时间段叫做“间隙段”。但这种 时间间隙段是很短暂的，并 不影响全球绝大多数地方的全天候、高精度、连续实时牡己蕉ㄎ徊饬俊?GPS 工作卫星的编号和 试验卫星基本相同。地面监控系统对于导航定位来说，GPS 卫星是一动态已知点。星的位置是依据卫星发射的星历―描述卫星 运动及其轨道的 的参数算得的。每颗 GPS 卫星所播发的星历，是由地面监控系统提供的。卫星 上的各种设备是否正常 工作，以及卫星是否一直沿着预定轨道运行，都要由地面设备进行监测 和控制。地面监控系统 另一重要作用是保持各颗卫星处于同一时间标准―GPS 时间系统。这就 需要地面站监测 各颗卫星的时间，求出钟差。然后由地面注入站发给卫星，卫星再由导航电文 发给用户设备。 GPS 工作卫星的地面监控系统包括一个主控站、三个注入站和 五个监测站。 GPS 信号接收机 GPS 信号接收机的任务是：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，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， 位置，甚至三维速度和时间。 静态定位中，GPS 接收机在捕获和跟踪 GPS 卫星的过程中固定不变，接收机高精度 地测量 GPS 信号的传播时间， 利用 GPS 卫星在轨的已知位置， 解算出接收机天线所在位置的 三维坐标。 而动态定位则是用 GPS 接收机测定一个运动物体的运行轨迹。 GPS 信号接收机 所位于的运动物 体叫做载体（如航行中的船舰，空中的飞机，行走的车辆等） 。载体上 的 GPS 接收机天线在跟 踪 GPS 卫星的过程中相对地球而运动， 接收机用 GPS 信号实时地 测得运动载体的状态参数 （瞬 间三维位置和三维速度） 。 接收机硬件和机内软件以及 GPS 数据的后处理软件包，构成完整的 GPS 用户设备。GPS 接 收机的结构 分为天线单元和接收单元两大部分。 对于测地型接收机来说， 两个单元一般分成 两 个独立的部件，观测时将天线单元安置在测站上，接收单元置于测站附近的适当地方， 用电缆 线将两者连接成一个整机。 也有的将天线单元和接收单元制作成一个整体， 观测时将其安置在测 站点上。 GPS 接收机一般用蓄电池做电源。 同时采用机内机外两种直流电源。 设置机内电池的目的 在 于更换外电池时不中断连续观测。在用机外电池的过程中，机内电池自动充电。 关机后，机内 电池为 RAM 存储器供电，以防止丢失数据。近几年，国内引进了许多种类型的 GPS 测地型接 收 机 。 各 种 类 型 的 GPS 测 地 型 接 收 机 用 于 精 密 相 对 定 位 时 ， 其 双 频 接 收 机 精 度 可 达 5mm+1PPM.D，单频接收机在一定距离内精度可达 10mm+2PPM.D。用于差分定位其精度可达 亚米级至厘米级。 目前， 各种类型的 GPS 接收机体积越来越小， 重量越来越轻，便于野外观测。 GPS 和 GLONASS 兼容的全球导航定位系统接收机已经问世。GPS 卫星定位测量概述1. GPS 卫星技术测量 GPS 是 全 球 定 位 系 统 （ Navigation Satellite Timimg and Ranging/Global Positioning System,NAVSTAR/GPS)的英文缩写.它的含义是利用卫星的测时和测距进行导航， 以构成全球定位 系统。现在国际上公认，将这一全球定位系统简称为 GPS.它是美国国防部主要为满足军事部门 对海上、陆地和空中设施进行高精度导航和定位的要求而建立的 ，该系统自 1973 年开始设计、 研制，历时 20 年，于 1993 年全部建成。 GPS 是目前世界上最先进、最完善的卫星导航系统与定位系统，它不仅具有全球性、全天候、实 时高精度，三维导航与定位能力，而且具有良好的抗干扰和保密性。因此引起世界各国军事部门 和广大民用部门的普遍关注，由于 GPS 定位技术的高度自动化信其所达到的高精度和具有潜力， 也引起测绘界的高度重视，特别是近几年来，GPS 定位技术在应用基础的研究、新应用领域的开 拓、 软件和硬件的开发等方面都取得了迅速的发展， 广泛的科学实验活动也为这一新技术的应用 展现极为广阔的前景！ 目前，GPS 精密定位技术已广泛的渗透到经济建设和科学技术的许多领域，尤其是在大地测量学 及相关学科领域，如地球动力学，海洋大地测量学，地球物理勘探、资源勘察、航空与卫星遥感、 工程测量学等方面的广泛应用，充分的显示了这一卫星定位技术的高精度和高效益。 近年来，GPS 精密定位技术已在我国得到广泛的应用，在大地测量中、工程测量与变形监测、资 源勘察及地壳动力监测等方面取得了良好的效果和成功经验， 充分地证明了 GPS 精密定位技术瓣 优越性和巨大潜力，在新的世纪里。GPS 导航与定位技术将会获得进一步的发展，应用将更为广 泛，效益会更为显著，将为我国经济建设、国防建设的发展和科学技术的进步发挥更大的作用。 GPS 卫星定位技术与常规测量相比，具有以下优点： 1) GPS 点之间不要求相互通视，对 GPS 网的几何图形也没有严格的要求，因而使 GPS 点位的选 择更为灵活，可以自由布设。 2) 定位精度高。目前采用载波相位进行相对一位，精度 可达 1ppm。 3) 观测速度快。目前，利用静态定位方法，完成一条基线的相对定位所需要的，根据要观测的 精度不同，一般约为 1-3h。如果采用快速静态相对定位技术，观测时间可缩短到数分钟。 4) 功能齐全。GPS 测量可同时测定测点的平面位置和高程，采用实时动态测量可进行施工放样。 5) 操作简便。GPS 测量的自动化程度很高，作业员在观测是只需要安置和开启、关闭仪器，量 取天线高度，监视仪器的工作状态及采集环境的气象数据，而其它如捕获、跟踪观测卫星和记录 观测娄数据待一系列测量工作均由仪器自动完成。6) 全天候、全球性作业。由于 GPS 卫星有 24 颗而且分布合理，在地球任何地点、任何时间均可 连续同步观测到 4 项以上的卫星，因此在任何地点，任何时间均可进行 GPS 测量。GPS 测量一般 不受天气况的影响。 2. GPS 的开发过程主要有三个阶段： 第一阶段为方案论证和初步设计阶段，从 1973 年到 1979 年，共发射了 4 颗试验卫星，研制了地 面接收机及建立地面跟踪网，从硬件到软件进行了试验，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，又陆续的发射了 7 颗试验卫星。这一阶 段称之为 Block Ⅰ.与此同时，研制了各种用途的接收机，主要是导航型接收机，同时测地型接 收机也相继问世，试验表明，GPS 的定位精度远远超过设计标准。利用粗码的定位精度几乎提高 了一个数量级，达到 14m。由此证明 GPS 计划是成功的。 第三阶段为实用网组网阶段。1989 年 2 月 4 日，第一颗 GPS 工作卫星发射成功，宣告了 GPS 系 统进入了工程建设阶段，这种工作卫星称为 Block Ⅱ和 BlockⅡA 型卫星。这两组卫星差别是： Block Ⅱ只能存储 14 天用的导航电文（每天更新三次）；而 BlockⅡA 卫星能存储 180 天用的导 航电文，确保在特殊情况下使用 GPS 卫星。实用的 GPS 网即(21+3)GP