Каждый приемник, работающий по сигналам СНС после его включения принимает сигналы навигационных спутников, обрабатывает их, производя необходимые измерения, расшифровывает навигационное сообщение и преобразует полученную информацию в значения координат, скорости движения и времени. Для вычисления пространственных координат и времени ему обычно достаточно четырех спутников. Когда геодезический приемник выключается, он сохраняет координаты своей последней позиции в постоянной электронной памяти. Эти координаты становятся предварительным положением при следующем включении. В постоянной памяти сохраняется также последний альманах, который определяет орбиты, параметры часов и состояние всех функционирующих спутников. Эти данные используются при новом навигационном решении, чтобы определить, какие спутники находятся над горизонтом, и какие из них подходят для наиболее точного определения положения. Кварцевые часы приемника продолжают идти, даже когда он выключен и обеспечивают ему необходимую оценку времени, когда он повторно активируется для получения нового решения. Из-за того, что приемники и сопутствующее оборудование постоянно развивается и совершенствуется, представляется нецелесообразным детально
описывать какой-то отдельный приемник. Более того, анализ структурных схем аппаратуры разных потребителей показывает почти полную их идентичность. Разница заключается в конструктивном исполнении, в применении элементной базы, в той или иной степени интеграции. Поэтому далее будут представлены упрощенные концепции общего устройства спутникового приемника.
Несмотря на размеры, цену, назначение или сложность современного приемника, он может быть разделен на пять основных механизмов:
— Антенна и связанная с ней электроника, радиочастотный блок с контурами слежения, навигационный микропроцессор, блок питания, блок команд и контрольного дисплея. Многие приемники также включают устройства для хранения данных и устройства ввода-вывода данных.
В комплект аппаратуры могут входить дополнительные устройства: накопители данных (контроллеры, радиомодемы, метеорологические системы, штативы, штанги, центрир, рулетки, кабели и т. П.
антенна GPS-приемника предназначен для приема радиоволн с правосторонней круговой поляризацией на частотах L1 и / или L2 от выбранных спутников, находящихся выше горизонта. Антенна преобразует модулированные волны несущей частоты в электрический ток, содержит стандартный и точный коды и модуляции потока данных навигационного сообщения. Сигналы L-диапазона, принятые антенной, направляются через малошумящий предусилитель, который увеличивает их мощность, облегчая обработку следующими электронными устройствами. Полосовые фильтры в блоке усилителя пропускают полезные сигналы и подавляют посторонние сигналы. Иногда предусилитель размещается в корпусе антенны, для его питания используется кабель, соединяющий антенну с приемником. Такие антенны называются активными. Антенны для геодезических GPS измерений должны быть прочными, простыми по конструкции, иметь стабильные электрические фазовые центры, быть устойчивыми к багатоколійного и иметь хорошие характеристики диаграммы направленности, одинаковые во всех направлениях верхней полусферы.
Наиболее распространенными являются микрополосковые антенны из-за их жесткости, простоты конструкции, малой массы и размеров, простоты изготовления и дешевизны. Микрополосковая антенна состоит из двух проводящих слоев, разделенных диэлектриком. Нижний проводящий слой представляет собой заземленную плоскость антенны (рис. 5.2-а). По форме антенны могут быть круговыми или прямоугольными, они похожи на небольшой
покрытый медью участок печатной платы. Изготовленные из одного или более элементов, отделенных от основания диэлектрической подложкой, микрополосковые антенны относят к пятновым антеннам. Они могут быть одно — и двухчастотных, а их исключительно низкий профиль делает их идеальными для многих применений. Часто плоскость заземления таких антенн (ground plane) выполняется в виде плоской или изогнутой металлической пластины, которая играет роль отсекателя сигналов, отраженных от земной или водной поверхности, расположенной ниже горизонта антенны. Размеры отсекателя часто значительно превышают размеры самой антенны.
Микрополосковых антенны имеют диаграмму направленности, что обеспечивает всенаправленний прием сигналов с правосторонней поляризацией, что является дополнительным средством для борьбы с багатоколійного сигналов, так как при отражении сигналов СРНС меняется их поляризация. Одной из очень полезных форм микрополосковых антенн стали антенны типа choke ring — заглушающее кольцо. Такие антенны особенно эффективны в борьбе с многоколейного сигналов.
Заземленная плоскость кольцевой антенны состоит из нескольких тонких концентрических стен или колец, расположенных на круглом основании вокруг центра антенны. Пространства между кольцами создают «кольцевые желоба». Принцип работы заземленной плоскости антенны заключается в следующем: Принятый антенной сигнал состоит из двух составляющих: прямой и отраженной. Желобки не влияют
на прямой сигнал, за исключением некоторого уменьшения усиления сигнала на малых высотах; для больших высот заземленная плоскость работает как плоская экранирующая плоскость. Но желобки оказывают гораздо большее влияние на отраженный сигнал, идущий снизу. Электромагнитное поле отраженных сигналов в окрестностях плоскости заземления антенны можно рассматривать как сумму полей первичных и вторичных волн. Задача заземленной плоскости антенны заключается в фактическом тушении одного другим первичных и вторичных отраженных сигналов, в то время как прямой сигнал остается для антенны доминирующим сигналом. Если амплитуды первичных и вторичных волн одинаковы, а их фазы отличаются на 180 °, то две составляющие отраженных сигналов гасятся на выходе антенны, и многопутных подавляется. Таким образом, данная кольцевая антенна оказывает оптимальное влияние только на отдельную частоту, которая имеет резонансный режим. Для заземленной плоскости такой антенны полное подавление многоколейного имеет место только на определенных углах высоты, на других высотах многоколейного подавляется частично. Максимум подавления многоколейного находится на высотах близких к Зениту, а минимум — вблизи горизонта. Антеннами, которые не используют отсекатель, различные виды винтовых спиральных антенн — винтовые (гелікальние, рис. 5.2 б, в), бифиллярные, квадрифиллярные и др. винтовые антенна состоит двух бифилярных спиральных петель, ортогонально ориентированных на общей
ось. Как и предыдущие антенны, она также имеет всенаправленную диаграмму и предназначена для приема сигналов с правосторонней круговой поляризацией. Этот тип антенн имеет больший коэффициент усиления сигналов на малых и средних высотах спутников, хотя влияние многоколейного для них будет больше. Обычно GPS антенны защищены от возможных повреждений пластиковым кожухом (куполом) из радио прозрачной пластмассы, которая минимально ослабляет сигналы. Эти сигналы очень слабы; они имеют примерно ту же силу, что и сигналы от геостационарных TV спутников.
Причина, по которой GPS приемнику не нужна антенна с размерами телевизионных тарелок, кроется в структуре сигнала GPS и способности приемника сужать ее. Способность получать сигнал GPS из общего Одна и та же антенна может обслуживать два или более приемников, если используется разветвитель (сплиттер). Разветвитель должен пропускать до предусилитель постоянный ток только от одного из всех приемников и должен обеспечить определенный уровень изоляции между портами приемников так, чтобы между ними не было никаких взаимных помех. Линии передач. Сигналы, принятые антенной, поступают в приемник по коаксиальной линии передач (кабеля). При прохождении сигналы ослабляются, степень ослабления (внутренние потери) зависят от типа и длины используемого кабеля. Для длинных линий передач необходимы кабели с малыми потерями, иначе между антенной и кабелем нужно ставить
дополнительный малошумящий предусилитель. Сигналы, проходя от антенны к приемнику, испытывают небольшую задержку. Однако эта задержка одинакова для сигналов, принятых одновременно от разных спутников, и поэтому она действует как
дополнительное смещение шкалы часов приемника
Работа радиочастотного блока в GPS / ГЛОНАСС приемники заключается в переводе радио частоты (РЧ), который прибывает на антенну, к более низкой частоте, называемой промежуточной частотой (ПЧ), которой легче управлять в других блоках приемника. Основными элементами радиочастотного блока являются: генератор опорной частоты, умножители для получения более высоких частот, фильтры для подавления ненужных частот и смесители. Промежуточная частота получается путем перемножения в смесителе
входного сигнала с чистым синусоидальным сигналом, который генерируется составной частью приемника, известной как вспомогательный генератор (гетеродин). Большинство спутниковых приемников используют точные кварцевые генераторы, которые выполняют роль регуляторов электронных часов. В результате получается сложное колебание y из низкочастотной f1f2 и высокочастотной f1+f2 составляющих. После прохождения фильтра низких высокочастотная составляющая подавляется. Оставшийся сигнал с низкой частотой обрабатывается. разность частот f1-f2 называется частотой биения или промежуточной частотой (ПЧ). Она легче обрабатывается, чем сигналы с высокой частотой. Сигналы ПЧ содержат все модуляции, которые присутствуют в передаваемом сигнале, изменяется только частота несущей. Большинство приемников используют несколько этапов, снижая частоту несущей по шагам. Конечный сигнал ПЧ становится рабочей частотой приемника в системах слежения за сигналом. Всенаправленная антенна GPS приемника принимает сигналы от всех спутников, находящихся выше горизонта антенны. Приемник должен уметь выделять сигналы каждого отдельного спутника, чтобы измерять кодовые псевдодальности и фазу несущей. Разделение достигается через использование в приемнике ряда сигнальных каналов. Сигналы от разных спутников легко различаются по передаваемому ими уникальному C / A
(Стандартном) кода или части Р кода, и закрепляются за отдельным каналом. Канал в приемнике можно использовать одним из двух основных способов. Приемник может иметь выделенные каналы, на которых непрерывно наблюдаются отдельные спутники. Для определения трех координат пункта и поправки часов приемника необходимо минимум четыре таких канала на L1 для четырех спутников. Дополнительные каналы позволяют наблюдать больше спутников или проводить наблюдения на частоте L2, необходимые для определения ионосферной задержки, или делать обе операции. Приемник использует свои каналы слежения для измерения псевдодальностей и для извлечения навигационного сообщения. Это делается с помощью цепей слежения. Цепь слежения является устройством, что позволяет приемнику «настраиваться» или следить за сигналом, который изменяется или по частоте или по времени. Оно представляет собой прибор с обратной связью, в котором входной (внешний) сигнал сравнивается с локально созданным (внутренним) сигналом. Если сигналы не совпадают, то генерируется сигнал ошибки, который является разницей между ними. Этот сигнал используется для сдвига внутреннего сигнала для того, чтобы он совпал с внешним сигналом таким образом, чтобы ошибка уменьшилась до нуля или была минимизирована. Приемник GPS использует два вида цепей слежения: цепи для захвата задержки (для слежения за кодами) и цепи для слежения за несущей. Цепь захвата задержки используется для совмещения псевдослучайного шума (PRN), который присутствует в сигнале, что приходит от спутника, с идентичным сигналом, который генерируется в приемнике по тому же алгоритму, что и на спутнике Корреляционный компаратор в цепи захвата задержки непрерывно проводит кросс-корреляцию двух потоков кодов . Это устройство выполняет процессы умножения и сложения, которые образуют сравнительно большой выход только тогда, когда потоки кодов совмещены. Временной сдвиг (иногда называется фазой кода), Необходимый для совмещения последовательностей кодов, в принципе, равен времени, необходимому для распространения от спутника до приемника. Умножение этого временного интервала на скорость света дает расстояние или дальность
к спутнику. Но поскольку часы в приемнике и на спутнике в общем случае не синхронизированы и идут с несколько разных ходом, то измерения дальностей оказываются смещенными. Эти смещенные дальности называют псевдодальностей. Поскольку чипы в последовательности кодов спутника генерируются в точно известные моменты времени, совмещение последовательностей кодов спутника и приемника также дает отсчет по часам спутника в момент генерации сигнала. Измеренная величина фазы биения несущей получается, в принципе, просто отсчетом числа прошедших циклов и измерением дробной фазы захваченного сигнала локального генератора. Измерение фазы, когда оно преобразуется в единицы расстояния, оказывается тогда неоднозначным измерением дальности к спутнику. Эта неоднозначность происходит из-за того, что GPS приемник не может отличать один цикл несущей от другого, и, следовательно, предполагает произвольное число полных циклов начальной фазы, когда она первый раз захватывает сигнал. Если наблюдение фазы используется для позиционирования, то эта начальная неоднозначность должна решаться математически вместе с определением координат приемника. Поскольку двусмысленность постоянна, в то время как приемник сохраняет захват принятого сигнала, скорость изменения фазы несущей свободна от этой двусмысленности. Эта величина называется доплеровским сдвигом сигнала спутника, и она используется, например, для определения скорости движущегося приемника, когда он находится на самолете, судне и других средствах.