卡尔曼滤波在GPS中的应用(共40页).doc

《卡尔曼滤波在GPS中的应用(共40页).doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《卡尔曼滤波在GPS中的应用(共40页).doc（40页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、精选优质文档-倾情为你奉上本科毕业论文 (设计) 题 目： 卡尔曼滤波在GPS定位中的应用 学 院： 自动化工程学院 专 业： 自动化 姓 名： 指导教师： 2010年 6月 4日专心-专注-专业The Application of Kalman Filtering for GPS Positioning摘 要本文提出了一种应用卡尔曼滤波的GPS滤波模型。目前在提高GPS定位精度的自主式方法研究领域，普遍采用卡尔曼滤波算法对GPS定位数据进行处理。由于定位误差的存在,在GPS动态导航定位中，为提高定位精度，必须对动态定位数据进行滤波 处理。文中在比较分析各种动态模型的基础上，提出了应用卡尔曼滤

2、波的GPS滤波模型，并通过对实测滤波算例仿真，证实了模型的可行性和有效性。最后提出了卡尔曼滤波在GPS定位滤波应用中的问题和改进思路。关键词 GPS 卡尔曼滤波 定位误差AbstractThis article proposed applies the GPS filter model of the Kalman filtering. At present, to improve GPS positioning accuracy in the autonomous areas of research methods, we commonly use Kalman filter algorith

3、m to process GPS location data.As a result of the position error existence in the GPS dynamic navigation localization, we must carry on filter processing to the dynamic localization data for the enhancement pointing accuracyIn the base of comparing each kind of dynamic model, this article proposed a

4、pplies the GPS filter model of the Kalman filtering，the actual examples of filter calculation are simulated, it confirmed that the model is feasibility and validity. Finally, this article also proposed the existing problems and improving the idea of the applications of Kalman filter in GPS positioni

5、ng. Keywords GPS Kalman filtering Positioning error目 录0345556667031前 言 自从赫兹证明了麦克斯韦的电磁波辐射理论以后，人们便开始了对无线电导航定位系统研究。无线电导航定位系统是根据无线电波的传播特性，利用接收机测定在地面上的方位、距离、距离差等参数，确定测量点的位置，以完成对船舶、车辆、飞机等运载体的定位和导航的系统。早期的无线电导航系统都是由建立在地面或地面载体上的发射台和用户接收机组成，称为地面无线电导航系统或者陆基无线电导航系统。但是陆基无线电导航系统作用距离或者定位精度难以提高，只能满足小部分用户的需求。1957年，原

6、苏联发射了世界上第一颗人造、地球卫星，标志着人类已经进入了空间时代。1958年美国海军武器试验室委托霍普金斯大学应用物理研究室研制美国海军导航卫星系统（Navy Navigation Satellite System，NNSS）。该系统于1964年研制成功并交付使用。卫星导航具有无线电波传播不受地面的影响，可进行全球定位，定位精度高等优点。原苏联于70年代也建成了类似于NNSS 的奇卡达（Tsikada）卫星导航系统。这类卫、星导航系统与陆基无线电导航系统相比具有全球全天候、定位精度较高等优点，但是由于卫星高度低、卫星数目少（仅6颗），系统存在定位不连续、实时性差的缺点，此外定位信息为二维，缺

7、少高度，卫星轨道容易产生摄动，限制了定位精度的进一步提高。因此这种卫星导航系统逐渐不能满足许多用户对定位的要求。全球定位系统（Global Positioning System，GPS）就在这种情况下产生了。全球定位系统GPS(global positioning system)是现代空间科学与其他多个学科高新技术融合发展的结晶。它是一种全新的空基无线电导航定位系统，它不仅能够实现全天候、全天时和全球性的连续三维空间定位，而且还能对运动载体的速度、姿势进行实时测定几精确授时。正是由于GPS具有其它定位技术难以比拟的优越性，所以GPS计划从一开始就引起了世界各国学者的广泛关注，使得GPS的应用开

8、发也几乎与其本身的发展同步进行。20余年的发展与使用历史已经证明，GPS全球卫星导航定位系统具有极其广泛的应用范围，从地面、海上到空中、空间，从高空飞行的卫星、导弹到地壳运动预灾害监测，从地球动力学、地球物理学、大地测量学、工程测量学到交通管理、海洋学和气象学等。毫不夸张地说，GPS的应用几乎触及人类社会生活的每一领域的每一方面，甚至有人形容它的应用“只受到人们想象力的限制”。可以相信，随着“GPS现代化”的逐步实施和完成，GPS必将迅速的向更为宽广的范围与更加深刻的层次发展和普及。卫星导航的应用前景得到世界各国的普遍承认和关注，各国不仅在GPS的应用研究与GPS信息资源开发中倾注了巨大的人力

9、和物力，而且不少国家和地区亦在积极研制自己的卫星导航系统。随着其的不断应用与发展，对GPS定位精度的要求越来越高。这就迫切需要减小GPS定位误差和对其数据的合理处理。本文主要提出了将卡尔曼滤波原理应用到减小GPS定位误差的过程中。第1章 绪论1.1 GPS的简介及应用GPS（全球定位系统）是英文Navigation Satellite Timing and Ranging/Global Positioning System 的字头缩写词NAVSTAR/GPS 的简称。它的含义是，利用导航卫星进行测时和测距，构成全球定位系统。GPS全球卫星定位系统从提出到建成，经历了20年，到1994年24颗工

10、作卫星进入预定轨道，系统全面投入运行。GPS系统因其应用价值极高，所以得到美国政府和军队的重视，不惜投资300 亿美元来建立这一工程，成为继阿波罗登月计划和航天飞机计划之后的第三大空间计划。它也成为目前最先进、应用最广的卫星导航定位系统。GPS由三部分组成：空间部分，地面控制部分和用户设备部分。空间部分，GPS的空间部分是由24颗工作卫星组成,它位于距地表20 200km的上空,均匀分布在6 个轨道面上(每个轨道面4 颗) ,轨道倾角为55。此外,还有3 颗有源备份卫星在轨运行。卫星的分布使得在全球任何地方、任何时间都可观测到4 颗以上的卫星,并能在卫星中预存的导航信息。GPS的卫星因为大气摩

11、擦等问题，随着时间的推移，导航精度会逐渐降低。地面控制系统，地面控制系统由监测站(Monitor Station)、主控制站(Master Monitor Station)、地面天线(Ground Antenna)所组成,主控制站位于美国科罗拉多州春田市(Colorado Spring)。地面控制站负责收集由卫星传回之讯息,并计算卫星星历、相对距离,大气校正等数据。用户设备部分，用户设备部分即GPS 信号接收机。其主要功能是能够捕获到按一定卫星截止角所选择的待测卫星，并跟踪这些卫星的去运行。当接收机捕获到跟踪的卫星信号后，就可测量出接收天线至卫星的离和距离的变化率,解调出卫星轨道参数等数据。根

12、据这些数据，接收机中的微处理计算机就可按定位解算方法进行定位计算，计算出用户所在地理位置的经纬度、高度、速度、时间等信息。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部分。接收机一般采用机内和机外两种直流电源。设置机内电源的目的在于更换外电源时不中断连续观测。在用机外电源时机内电池自动充电。关机后，机内电池为RAM存储器供电，以防止数据丢失。目前各种类型的接受机体积越来越小，重量越来越轻，便于野外观测使用。其次则为使用者接收器,现有单频与双频两种,但由于价格因素,一般使用者所购买的多为单频接收器。GPS系统的空间部分

13、由24 颗卫星组成，均匀分布在6个仰角为55度的轨道面上。GPS系统的利用者接收卫星发送的扩频信号，测量电波传播时间求出卫星到接收机天线的距离，利用空间三球相交一点的原理，解算以接收机位置为未知数的方程，从而确切知道接收机的位置，也就是说，只需接收到3颗卫星的信号，就能确定用户的二维（经度、纬度）位置。美国政府在进行GPS系统设计时，计划提供两种服务。一种为标准定位服务SPS，利用粗测/捕获码（C/A码）定位，预计精度约为400m，提供民间用户使用。另一种为精密定位服务PPS，利用精密码（P码）定位，精度达到10m，提供给军方和得到特许的用户使用。但在GPS实验卫星应用阶段，多次实验表明，实际

14、定位精度远高于此值，利用C/A码定位精度可达到1540m，利用P 码定位精度可达3m。为了维护美国自身利益，美国国防部在GPS 系统中加入了SA（Selective Availability）政策选择可用性政策，人为地将误差引入卫星时钟和卫星数据中，降低GPS的定位精度，以防止未经许可的用户把GPS用于军事目的。采用SA政策后的GPS系统C/A码定位，水平定位精度为100米，垂直测量精度为157米。美国国防部常年对SA 政策进行测量，并根据形势和要求对部分和全部卫星取消SA政策。SA政策的引入，在一定程度上限制了GPS的应用，为了提高定位精度，人们研究和发展出差分GPS技术DGPS（Diffe

15、rential GPS）。但是，DGPS系统需要建立相应的差分基准站和监测站，造价昂贵。随着GPS 应用的不断发展，GPS广大用户要求取消SA 政策的呼声越来越高，考虑到庞大的GPS应用市场，美国政府最终于2000年5月1日取消了SA政策。2000年以后，以波音公司为首，休斯空间和通信公司、计算机科学公司(CSC)、洛克西德马丁管理与数据系统(M&DS)和雷声公司开始研究开发新一代的全球定位系统GPS III。GPS III的结构将基于现有的卫星导航系统，并将开发出具有创新结构的新的GPS系统。实践证明，全球定位系统具有性能好、精度高、应用广的特点，是迄今最好的导航定位系统，从根本上解决了定位

16、和导航的问题。早在1990年的海湾战争中，尽管系统还未全部建成，它为美军及其盟军部队轰炸、炮击敌军目标，引导部队穿越沙漠战斗等方面发挥了重大的作用。随着GPS 应用研究的不断深入，大量的GPS用户设备已应用于舰船飞机等运载工具导航和管制、导弹卫星测控、精密授时、大地测量、工程测量、航空摄影测量、地壳运动监测、工程变形监测、资源勘察、地球动力学等诸多方面。近几年来，车辆的跟踪和导航、农业、公安、和旅游等也纳入了GPS的应用范围。随着全球定位系统的不断改进，硬、软件的不断完善，应用领域正在不断地开拓，目前已遍及各行各业，并开始逐步深入人们的日常生活。1.2 本课题的背景及意义全球定位系统技术成熟可

17、靠，价格不断下降，设备重量体积不断减小，应用范围越来越广，目前已经成为最重要的导航手段之一。民用C/A码导航型GPS接收机是目前在航空、航海以及陆地车辆导航及个人掌上型导航领域最广泛采用的导航设备。但是由于各种误差源的影响，C/A码导航型GPS接收机的定位精度始终不能达到P码接收机的水平。目前典型的C/A码接收机的水平定位精度为15米，垂直定位精度35米，且这一偏差是随机量，而不是固定的。这样的定位精度水平应用于个人导航等对精度要求不高的场合是足够了，但是对于飞机导航、车辆监控与导航等高精度应用显然就不能满足用户的要求了。因此，提高GPS的定位精度成为人们十分感兴趣并且具有巨大潜力的研究课题。

18、目前，可以通过两种方法来减小误差，提高GPS定位精度：一是采用差分GPS（DGPSDifferential GPS）技术。又叫GPS动态相对定位，就是利用已知精确三维坐标的差分GPS基准台，求得伪距修正量或位置修正量，再将这个修正量实时或事后发送给用户（GPS导航仪），对用户的测量数据进行修正，以提高GPS定位精度。它用两台GPS接收机，将一台接收机安装在基准站上固定不动，另一台接收机安置在运动的载体上，两台接收机同步观测相同的卫星，通过在观测值之间求差，以消除具有相关性的误差，以提高定位精度。而运动点位置是通过确定该点相对基准站的位置实现的。二是通过滤波方法处理GPS接收机接收到的定位数据，

19、将真实的状态从各种干扰中实时最优的估计出来，达到自主定位的目标。对比以上两种技术，差分GPS技术的应用受到基站覆盖面积的限制。为了在更为广阔的区域里提供差分GPS服务，需要将多个差分基站与一个或多个主站组网，形成广域差分GPS 系统（WAGPS）。但这样做的结果是造成系统庞大复杂，大大增加了投资。另外，客户端还需要添加差分信号接收机，也造成了成本的提高。从战略上来看，差分GPS因为有发射源，易被敌方干扰甚至摧毁，这是一个潜在的威胁。因此研究提高GPS定位精度的自主式方法就显得格外重要。这也是利用卡尔曼滤波技术提高GPS定位精度的研究在国内外都格外受到重视的根本原因。1.3 国内外研究动态及发展

20、趋势卫星导航定位技术发展趋势：1向多系统组合导航方向发展为了摆脱对美、俄的导航定位系统的依赖，以免受制于人，世界各国、各地区和组织将纷纷建立自己的卫星导航定位系统。今后10年内将会出现几种系统同时并存的局面。这为组合导航技术的发展提供了条件。通过对GPS，GLONASS，Galileo等信号的组合利用，不但可提高定位精度，还可使用户摆脱对个特定导航星座的依赖，可用性大大增强。多系统组合接收机有很好的发展前景。2向差分导航方向发展使用差分导航技术，既可降低或消除那些影响用户和基准站观测量系统误差，包括信号传播延迟和导航星本身的误差，还可消除人为引入的误差，如美国在GPS中采用的选择可用性(SA)

21、技术所引入的误差，因而与传统的伪距导航相比精度大大提高。今后，差分导航将得到越来越广泛的应用，将应用于车辆、船舶、飞机的精密导航和管理；大地测量、航测遥感和测图；地籍测量和地理信息系统(GIS)；航海、航空的远程导航等领域。其本身也会从目前的区域差分向广域差分、全球差分发展，其导航精度将从近程的m级、10cm级提高到cm级，从远程的m级提高到10cm级。3卫星导航定位技术与惯性导航(INS)技术无线电导航技术相结合由于INS是完全自主的导航系统，在GPS失效的情况下，INS仍可保持工作。在实际应用中，惯导系统和GPS接收机之间存在三种耦合方式：松散耦合、紧密耦合和深度耦合。在深度耦合中，GPS

22、接收机作为一块线路板被嵌入到惯导的机箱内，这就是EGI系统。由于EGI系统能充分发挥INS和GPS两者的互补作用，并有极强的保密功能，因而美国军方已确定，在三军的战术和战略飞机上，将用EGI逐步取代单独的GPS接收机，而最终成为作战飞机的主要导航设备。此外，GPS可与增强型定位系统(EPLS)相结合。EPLS是一种先进的无线电装置，它带有一定的自主导航能力。目前，已成功地验证了可以通过网络自动把GPS转换到EPLS。4发展数字化铯钟技术GPS卫星在轨寿命主要取决于原子钟。每个卫星上装有3个原子钟，目前使用的是模拟铯钟，其性能预测困难，而且输出频率会随着卫星运行过程温度和磁场变化而变化，因此需要

23、开发计算机控制的数字化铯钟，通过调整内部参数和补偿环境影响使铯钟性能达到最佳化。1.4 目前GPS定位系统面临着新的困扰和挑战美国的GPS全球定位系统自1993年全面建成并投入使用以来，以其高可靠、高精度、高效益、全天候、全球性和全自动等划时代的成就，把定位技术推向到个崭新的阶段。随着GPS的不断渗透和广泛应用，使军事和国民经济等众多领域发生了变革。不过GPS定位系统也日益面临着新的困扰和挑战。俄罗斯GLONASS全球卫星导航系统于1996年已成功布设完毕并正式投入使用，其定位精度提高到7m(50的测量时间)20m(95的测量时间)，得到用户的普遍欢迎；国际民航组织正在试图分步实施独立的民用G

24、NSS计划；欧洲联盟也已着手研究欧洲静止卫星导航重迭服务的问题，也将企求实现远期目标建立完全民用的卫星导航系统。可以说，诸多卫星导航系统的研制、投入使用和竞争角逐，都向GPS定位系统发出了挑战。为此，美为适应这一挑战，早在1998年就提出并实施了GPS现代化计划，旨在进一步提高GPS系统定位的精度及其完好性和可用性，推动GPS定位系统的新发展。GPS定位系统现代化计划的主要措施所谓“GPS现代化计划”，就是要用更高更新的技术，使GPS定位系统更加完美并进一步领先，其中最主要的是以下四个方面。1扩充和改善地面控制部分目前GPS地面控制部分包括一个主控站，三个注入站和五个监测站。鉴于GPS定位系统

25、的工作原理，用户是通过接收设备处理卫星发射的导航信息进行定位计算的。卫星的工作则完全依赖于地面控制站，因此地面控制部分是定位系统的核心，又正是此核心决定着GPS卫星轨道参数和定时数据的质量，直接影响着用户的定位精度。由于卫星轨道参数和定时数据的精度毕竟随时间的流逝而逐渐降低，因此数据精度又受制于上行数据的更新率。原来每颗卫星的有关数据，每隔8小时才注入一次，即一天只能注入更新三次，每次注入14天的星历，为此，美计划再增加6个地面站，以利于进一步改善GPS系统的跟踪测量和参数计算的质量和时间性，而且还准备增加向卫星加载更新数据的次数，使之达到每颗卫星可在每小时内更新4次其星历与时钟的预测值。据悉

26、，在未来10年内这一措施就可将星历精度提高到亚米级甚至分米级。2增强GPS定位系统的抗毁性能为了增强GPS系统的抗毁性能，美将计划发射并投入使用一种新型的BLOCK II R卫星，并使之具有自治运行能力，即可通过星际间的数据链，进行双向测距，完成星历和时钟估算、完善性监测、导航电文的曲线拟合和格式的形式等工作，而这些工作原来都是由地面控制站来完成的。这样万一地面控制站失灵或受损不能工作，GPS系统仍然可以保证在半年时间内满足导航定位的要求。这一方案，一方面减小了卫星对地面控制站的依赖性，另一方面使整个系统更加完善，增强了系统的抗毁性。3增加新的信号频率GPS信号是GPS卫星向用户发送的用于定位

27、导航的已调波，信号频率一直使用L1频段(1575.42MHz、CA、PY码)和L2频段(1227.60MHz、PY码)。对于使用PY码的军方用户来说，采用双频测量的方法可以消除电离层误差，而提供民用的仅为一个L1频率(CA码)。民用用户使用单频，虽可用模型校正法对电离层误差进行修正，但不可能加以精确校正，从而影响和降低了定位精度。经研究论证，美已确定把1227.60MHz也作为第二频率，并计划在2003年发射的BLOCK II F卫星上，在L2频段上也开始增发CA码。不过选用的第二民用频率与原来的军用频率相同，因此，还必须在L1和L2上采用新的信号调制方案。目前有三种调制方案：一为曼切斯特法，

28、二为偏移载频法，三为陷波Y法，究竟采用哪一种有待进一步论证，总之要能使军用信号与民用信号相互分离。另外，为了进一步满足航空安全的需要，美又宣布同意选用航空无线电导航服务(ARNS)频段的1176.45MHz作为第三民用频率(L3c，又称L5)。GPS系统采用的这部分频段主要用于空地服务，在2005年发射的卫星上实施。当然使用该频率还需与使用该频段的其它系统进行协调。总之，美准备在L2频率上增发第二民用信号，又设法在1176.45MHz频率上增发第三个民用信号，利用这些信号显然就可以有效地校正电离层误差，并可将民用GPS单点定位精度提高到5m左右。同时，现L1和L2频率上的仅供军用的PY码信号较

29、正常，但捕捉PY码通常要首先捕捉CA码才行。美军方正在考虑如何实现直接捕捉军用保密码的问题，并很有可能研究和发射新一组性能更好的M 码以替代PY码，以更进一步满足军用的要求。4进一步改善和扩充GPS星座GPS卫星星座的结构对系统的精度乃至完好性和实用性影响颇大。目前GPS星座的结构还不够完美，尤其是对人命安全的应用方面还存在某些缺陷，不能完全满足用户的要求。比如GPS接收机位于峡谷中或位于城市受四周高大建筑物的影响，可视卫星数便会大大减少，从而影响定位精度甚至还可能定不出位置。虽然GPSGLONASS接收机可接收和处理两个系统共48颗卫星的信号，美方还一直试图进一步改善和扩充GPS星座结构，以

30、便在任何情况下单凭GPS系统就能解决问题。美国就进一步改善GPS星座结构已提出了好几种方案。其一是在现有的星座结构上增加6颗卫星，使卫星数达30颗；其二是增大GPS卫星轨道，即把原来20000km多的中高度轨道提高到36000km多高的地球同步轨道，并使卫星数增至27颗；其三是在原星座上再增加45颗地球同步轨道卫星，使卫星数也有2829颗；其四是将卫星的轨道倾角从原来的55度改为6065度，卫星数也增至30颗。各种方案均有利弊，但从是否能满足使用要求和是否具有较高的效益投资比这两个方面看，应该说第一种设想最为合适，极有可能成为未来新的GPS星座。目前，美已巨额投资并准备在近几年内改变GPS的信

31、号结构，同时加紧与俄罗斯、欧盟、日本等进行磋商，以在有关GPS在导航定位上进行合作。GPS系统的不断发展，必将促使世界导航定位技术等各个领域的不断发展。第2章 GPS全球定位系统及GPS定位误差分析本章将逐一介绍GPS系统的各个组成部分，简要说明GPS的定位原理，并指出影响GPS定位精度的几个误差源及其性质，作为后续章节内容的基础知识。2.1 GPS全球定位系统组成部分GPS系统由GPS卫星星座（空间部分），地面支持系统（地面控制部分）和GPS用户接收机（用户部分）三个部分组成，如图所示。图2.1 GPS系统组成示意图2.1.1 GPS卫星星座GPS空间卫星星座最初（1978年）计划由分布在3

32、个轨道上的24颗卫星组成，1981年因为考虑经费问题改为6个轨道上的18颗卫星星座，1986年将卫星数目增加到21颗，目前在轨的卫星数目为24颗，其中3颗为有源在轨备用卫星。现有的24颗卫星星座如图2.2所示。卫星均匀分布在A，B，C，D，E，F共6个倾角为55度的轨道面上，每个轨道面上配置4 颗卫星。在6个轨道面上，卫星等间隔的通过赤道上空，相邻的两个轨道平面交角为60度。卫星运行平均高度为20183千米，运行周期11h58min1.8s，同一轨道上各卫星的升交角距为90。这样，地面用户在15度的仰角上可同时观测到4至8颗卫星；若仰角进一步降到5度，有可能同时观测到12颗卫星。每颗GPS卫星

33、由收发设备、操作系统、原子钟、太阳能电池、推动系统和各种辅助设备组成。通常每颗卫星都处于正常工作状态。图 2.2 GPS星座卫星分布2.1.2 地面支持系统利用卫星实现定位导航，首先必须知道卫星的位置。而卫星的位置是由卫星向用户实时广播的卫星星历（轨道参数）计算获得。卫星的星历数据来自于地面支持系统，而不是由卫星自己产生。地面支持系统又称为地面控制部分，它由1个主控站、5个全球监测站和3个地面注入站。地面支持系统的任务就是跟踪所有的卫星，进行轨道参数和钟差的测量，计算卫星星历编辑成电文向卫星发送，预测修正模型参数，同步卫星钟等。主控站拥有大型计算机，负责采集数据、编辑导航电文并发送到3个地面控

34、制站、诊断整个地面支持系统及卫星的工作状况并向用户指示以及调度卫星。监测站是无人值守的数据采集中心，装有精密的铯原子钟和能连续测量所有可见卫星的伪距的接收机，对卫星进行常年观测，并采集电离层数据和气象数据。地面控制站的主要组成部分是地面天线。由主控站传送来的卫星星历和钟参数由这里发送注入到经过该站上空的各个卫星。目前对每颗卫星每天注入一次或两次。图2.3为地面支持系统的系统示意图。图2.3 地面支持系统方框图2.1.3 用户部分从GPS实验卫星开始研制到24颗工作卫星填满星座，系统投入正常运行，美国和世界许多国家的公司企业和科研机构相继研制出多种类型的GPS用户设备。GPS用户设备包括独立应用

35、的各类GPS接收机和与其它设备或系统组合应用的各类产品。GPS用户设备按用途分类有军用、民用、导航、授时、测量8等类型；按载体分类有舰载、车载、机载、手持等类型；按编码信息分类有有码接收机和无码接收机等类型；按电子器件分类有数字式接收机、混合式接收机、GPS-OEM板等类型；按工作模式分类有单点定位式接收机、相对定位式接收机和差分接收机等类型。GPS用户设备虽然种类繁多，用途不一，但是它们的基本组成大致相同。天线单元。目前使用较多的GPS接收天线有四线螺旋天线、微带天线、贴面天线、锥形天线和偶极天线，根据接收机的性能要求合理选用。所有的GPS接收天线都要求全乡圆极化。有些天线还可以是有源天线。

36、接收单元。接收单元又分为信号信道部分和内存。信号信道部分输入来自天线单元的GPS信号，经过变频、放大、滤波等一系列处理过程，实现对GPS信号的跟踪、锁定、测量，提供计算的位置信息。每个通道每一时刻只能跟踪一颗卫星信号。现在的接收机多是8到12通道并行接收。内存主要存储导航接收机为实现导航功能而需要的航路点、航线等信息；差分定位接收机和相对定位接收机由于需要进行事后处理，也需要存储一些立即寻址资料、原始观测量以及计算结果。图 2.4 GPS接收机的基本组成计算和控制部分。该部分负责对接收机进行自检；根据采集的卫星星历、伪距和多普勒频移等观测数据计算三维位置和数据信息；进行人机对话，输入指令等功能

37、。电源。GPS接收机通常采用直流供电。GPS接收机通常采用RS-232C串行接口，少数接收机采用RS-422接口。每一种GPS 接收机由接口提供各自的信息类型，这些信息类型内容通常由厂家自行确定。对于导航型GPS接收机，通常采用NMEA（National Marine Electronics Association美国航海电子协会）标准输出格式，例如NMEA 0183格式。2.2 GPS定位原理和测速原理GPS定位方法按照测量方法可以分为：伪距测量法、多普勒频移法、载位法和干涉法四种。其中伪距测量法简单易行，应用较为广泛。本节将主要介绍伪距测量定位原理。2.2.1 卫星无源测距定位和伪距测量定

38、位原理通过测定卫星与用户之间的距离来确定用户位置的方法，称为卫星测距定位。用户接收机接收卫星信号，测定卫星至用户的传播时间，从而确定卫星至用户的距离的方法，称为卫星无源测距。距离和电波传播延迟时间的关系如下： (2.1)式中：c光速；T电波传播延迟时间；R卫星至用户的距离。根据卫星信号所含有的卫星星历信息，可以求得每颗卫星在发射时刻的位置，从而确定用户的位置在一卫星为球心，以R为半径的球面上。用同样的方法，测定用户至三颗卫星的距离，可以确定用户在空间的位置，即三个球面的交点。如果测点在地面上，则只需要测量两维位置，故只需测定用户至两颗卫星的距离就可以测定用户的位置。卫星无源测距定位原理简单。但

39、是要测定用户至卫星的距离，就要测量卫星至用户的电波传播延迟时间，为此用户必须和卫星保持准确的时间同步。这就需要卫星和用户同时配备精确的原子钟。由于原子钟非常昂贵，一般用户是不可能配用原子钟的。因此卫星无源测距定位只能用于地面站测控卫星或某些特种用户。由于用户设备不配用原子钟，用户接收设备测量得到的用户至卫星的距离就包含了由卫星钟和用户钟的钟差引入的误差。称这种含有钟差误差的测量距离为“伪距”。由图2.5所示，测点P至第颗卫星的伪距可由下式确定： (2.2)式中： = 1，2，3，4；第颗卫星至观测点的真实距离; c 光速；第颗卫星电波传播延迟误差和其它误差；用户钟相对于GPS系统时的偏差；第颗

40、卫星的卫星钟相对于GPS系统时的偏差；设卫星和测点P在地心直角坐标系中的位置分别为和(X ,Y, Z)，则 (2.3)将（2.3）式代入（2.2）式得到： (2.4)在（2.4）式中，卫星位置和卫星钟偏差由解调卫星电文并通过计算获得；电波传播延迟误差用双拼测量法修正，或者利用卫星电文所提供的校正参数根据电波传播模型估算得到。伪距由接收机测定。在（2.4）式中观测点位置(X ,Y, Z)和钟差为方程组的4个未知数，通过求解方程组获得。所以必须测量用户至4颗卫星的伪距，可到四个方程才能求解所有未知数。这也就是为什么必须至少观测到4颗卫星才能进行三维坐标定位的原因。对于陆上或者海上用户来说，如果知道

41、天线的高度，则只需要测量用户至3颗卫星的伪距就可以确定二维位置和用户钟相对于GPS系统时的偏差。图2.5 伪距测量原理图2.2.2 多普勒测量定位原理如图2.6 所示，GPS卫星围绕地球运行，某一时刻在S位置，卫星信号在地面观测点P被接受，P和GPS卫星之间存在相对运动，使P点接收的GPS载频信号产生多普勒频移。设卫星能发射频率为，接收机接收到的频率为，卫星和观测点联机方向上的径向速度。 （2.5）式中，为卫星运动速度，为方向和方向的夹角。在P点收到的卫星信号由于该点相对于S运动而产生的多普勒频移为 (2.6)多普勒频移引起接收机接收卫星信号载频的每秒相位周数增加或减少，把某一时间间隔内增加或

42、减少的相位周数用计数器累加起来，称为多普勒积分。根据多普勒积分值，可以求得该时间间隔的起止时刻卫星和测点的距离差。图2.6 多普勒频移原理图GPS接收机接收卫星信号，获得卫星轨道参数、时间和多普勒频移三种信息。根据轨道参数确定卫星位置；根据多普勒积分值，计算相应时刻卫星和观测者的距离差。如图2.7所示，到某一卫星在空间两点S1、S2距离差一定值的点的轨迹，是一这两点为焦点的旋转双曲面。双曲面与地球表面相交的曲线L12就是通过地球观测者的位置线。依次再测得卫星在S2、S3 点，S3、S4 点Sm、Sm+1点的距离差，就可以得到通过地面观测者的m条位置线，这些位置线的任意两线的焦点就是观测者的位置

43、。图2.7 多普勒定位原理2.2.3 GPS测速原理通过对卫星信号的多普勒频移的测量，列出4颗卫星距离变化率方程。按照类似于求解用户位置和钟差的方程式，根据已经测定的伪距和解得的用户位置，可以求得用户的三维速度和钟差的变化率。将伪距方程变化为距离变化方程： (2.7)= 1,2,3,4式中：伪距变化率，由多普勒测量获得；第颗卫星位置坐标；第颗卫星运动速度；用户位置，由定位获得；用户速度，为未知数； 用户钟差变化率；传播延迟误差变化率，由导航电文得知；卫星钟钟差变化率，近似为零。2.3 GPS定位误差分析在GPS定位中，观测量中所含有的误差将影响定位参数的精度。本节将对GPS定位中出现的各种误差

44、进行分析，研究它们的性质，大小及其对定位精度产生的影响，同时亦简要介绍消弱或消除这些误差影响的措施和方法。各种误差因素造成的对定位精度的影响对于民用C/A码型接收机和军用P码型接收机来说是不完全相同的。本文对GPS定位误差的分析仅限于民用C/A码型接收机。2.3.1 卫星时钟误差GPS系统时钟是主控站通过一组高精度的原子钟及附加设备所产生。每一颗GPS卫星也都配备一组原子钟，卫星钟与GPS系统时保持同步。卫星钟的同步是通过地面站测得的每一颗卫星的星钟相对于GPS系统时钟的偏差，计算它们的校正参数并发送给卫星，卫星接收并存储这些参数，然后通过导航电文向用户广播。用户根据这些参数修正卫星钟误差。尽

45、管经过修正，仍然存在剩余误差，即同步误差。同步误差引起的等效测距误差为13米。对于卫星钟的这种偏差，一般可以通过对卫星运行状态的连续监测而精确地确定，并用钟差模型改正。卫星钟差或经钟差模型改正后的残差，在相对定位中可以通过对观测量的差分技术进行消除。2.3.2 星历误差GPS地面监测站不断的对卫星进行距离测定，确定卫星空间位置并发送往主控站。主控站将监测数据经处理后形成星历表，通过注入站注入卫星，存入卫星的内存。卫星通过电文向用户广播，用户由此计算出卫星发射信号时的空间位置。由于受到卫星轨道摄动以及地面站的一些误差因素的影响，卫星星历表会出现一些误差，称为星历误差。另外由于用户接收到的星历并非

46、实时的，而是由某一时刻起的推算值，这又加大了星历误差。星历误差引起的测距误差通常在2.57米之间。为了尽可能削弱星历误差对定位的影响：一般常采用同步观测求差法或轨道改进法。2.3.3 电离层和对流层的延迟误差GPS卫星发送的信号从卫星传播到地面用户需要穿越大气层，大气层中的电离层和对流层使电波传输路径和速度都发生变化，产生附加的电波传播延迟。电离层是指高度位于601000千米之间的大气层。电波在电离层中传播，电离层引起的附加延迟与电波的频率的平方成反比，并与电离层的电子浓度，观测卫星的仰角有关。白天因电离层电子浓度大，电波传播附加延迟大；夜间因为无太阳照射，电子浓度较低，电波传播附加延迟减小。宏观上来说，白天电离层引入的传播延迟误差近似成正弦变化。对流层由于受地面温度地形影响较大，是一种不均匀的大气介质。卫星信号在对流层中传播时，速度和方向都会发生改变，产生电波传播附加延迟，延迟大小与大气温度、压力及观测卫星仰角有关。当卫星仰角小于10度时，该延迟迅速增大；当仰角小于5度时，因误差过大，GPS接收机通常不对该卫星进行跟踪。电离层和对流层引起的附加延迟误差通常都可以通过一定的模型和主控站发送的修正参数进行修正。修正后的残余误差引起的测距误差分别为215米和0.42米。2.3.4 多径误差