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用户部分由用户及 GPS 接收机等仪器设备组成。虽然用户设备的含义较广, 除 GPS 接收机外还可包括气象仪器、微机、钢卷尺、指南针等, 本文主要介绍 GPS 接收机。

1. GPS 接收机

能接收、处理、量测 GPS 卫星信号以进行导航、定位、定轨、授时等项工作的仪器设备叫GPS 接收机。GPS 接收机由带前置放大器的接收天线、信号处理设备、输入输出设备、电源和微处理器等部件组成。根据用途的不同, GPS 接收机可分为导航型接收机、测量型接收机、授时型接收机等。按接收的卫星信号频率数可分为单频接收机和双频接收机。

2. 天线单元

天线单元由天线和前置放大器组成。接收天线是把卫星发射的电磁波信号中的能量转换为电流的一种装置。由于卫星信号十分微弱, 因而产生的电流通常需通过前置放大器放大后才进入 GPS 接收机。GPS 接收天线可采用单极天线、微带天线、锥形天线等。微带天线的结构简单、坚固, 既可用于单频, 也可用于双频, 天线的高度很低, 故被广泛采用。这种天线也是安装在飞机上的理想天线。

( 1 ) 天线平均相位中心的偏差

天线对中时是以其几何中心( 位于天线纵轴的中心线) 为准的, 而测量的却是平均相位中心的位置。由于天线结构方面的原因, 平均相位中心和几何中心往往不重合, 两者之差称为平均相位中心偏差, 其值由生产厂商给出。

天线平均相位中心的偏差

 

例如对 Turbo Rogue SNR 8000 GPS 接收机天线来讲：

L1 载波的平均相位中心偏差值为:

r 1 = 2. 236mm, θ1 = 100. 305°

L2 载波的平均相位中心偏差值则为:

r2 = 1. 552mm, θ2 = 75. 069°

式中: r 为偏心距; θ为偏心角。

( 2 ) 消除天线平均相位中心偏差的影响

由于天线平均相位中心偏差的存在, 所以 GPS 测量所测得的位置并非标石中心的位置。解决上述问题一般有下列方法:

① 归心改正法。进行 GPS 测量时若将天线指标线指北, 则有

 

当基线两端使用不同类型的 GPS 接收机天线时, 可用上述方法分别进行改正, 将成果归算至标石中心。

② 消去法。进行 GPS 测量时, 若各站均已将指标线指北, 且各站使用的均是同一类型的GPS 接收天线, 由于目前的制造工艺已能保证同类天线的平均相位中心偏差均相同, 因而在进行相对定位时这些偏差的影响可自行消去, 而不会影响基线向量, 故无需另加改正。

( 3 ) 天线高

如下图所示

 

天线平均相位中心至标石中心的垂直距离 H 称为天线高。由于天线平均相位中心并无明显标志, 所以有的接收机要求用户量测从标石中心至某一明显标志面( 如天线抑径板下底面) 的垂直距离 H′, 而从该标志面至天线平均相位中心的垂直距离 ΔH 则由厂方提供。然后用下式计算天线高:

H = H′+ ΔH

另有一些接收机没有配备量测垂直距离 H′的专用设备, 往往要求用户量测从标石中心至抑径板外围下( 或上, 由厂方规定) 边缘的斜距 h, 然后按下式计算天线高:

 

式中, R 为抑径板的半径, 由生产厂商提供或用户自行量取。

计算工作一般由厂方提供的软件自动完成, 用户只需按要求量并输入 H′或 h 即可。

3. 接收单元

接收单元由接收通道、存储器、微处理器、输入输出设备及电源等部件组成。

( 1 ) 接收通道

接收机中用来跟踪、处理、量测卫星信号的部件, 由无线电元器件、数字电路等硬件和专用软件所组成, 简称通道。

( 2 ) 存储器

带来记录伪距观测值、载波相位观测值及卫星的导航电文等资料和数据。

( 3 ) 微处理器

作用主要有两个:① 计算观测瞬间用户的三维坐标、三维运动速度、接收机钟改正数以及其他一些导航信息。② 对接收机内的各个部分进行管理、控制及自检核。

( 4 ) 输入、输出设备

GPS 接收机中的输入设备大多采用键盘。输出设备大多为显示屏。

( 5 ) 电源

一般采用厂商配备的专用电池作为电源。