卡爾曼濾波在gps中的應(yīng)用畢業(yè)論文

1、<p>　　本科畢業(yè)論文 (設(shè)計(jì))</p><p>　　題 目： 卡爾曼濾波在GPS定位中的應(yīng)用 </p><p>　　學(xué) 院： 自動(dòng)化工程學(xué)院 </p><p>　　專 業(yè)： 自動(dòng)化 </p><p>　　姓 名： <

2、;/p><p>　　指導(dǎo)教師： </p><p>　　2010年 6月 4日</p><p>　　The Application of Kalman Filtering for GPS Positioning</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　本文

3、提出了一種應(yīng)用卡爾曼濾波的GPS濾波模型。目前在提高GPS定位精度的自主式方法研究領(lǐng)域，普遍采用卡爾曼濾波算法對(duì)GPS定位數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。</p><p>　　由于定位誤差的存在,在GPS動(dòng)態(tài)導(dǎo)航定位中，為提高定位精度，必須對(duì)動(dòng)態(tài)定位數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波 處理。文中在比較分析各種動(dòng)態(tài)模型的基礎(chǔ)上，提出了應(yīng)用卡爾曼濾波的GPS濾波模型，并通過(guò)對(duì)實(shí)測(cè)濾波算例仿真，證實(shí)了模型的可行性和有效性。最后提出了卡爾曼濾波在GPS定位濾波

4、應(yīng)用中的問(wèn)題和改進(jìn)思路。</p><p>　　關(guān)鍵詞 GPS 卡爾曼濾波 定位誤差</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　This article proposed applies the GPS filter model of the Kalman filtering. At present, to im

5、prove GPS positioning accuracy in the autonomous areas of research methods, we commonly use Kalman filter algorithm to process GPS location data.</p><p>　　As a result of the position error existence in the G

6、PS dynamic navigation localization, we must carry on filter processing to the dynamic localization data for the enhancement pointing accuracy．In the base of comparing each kind of dynamic model, this article proposed app

7、lies 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 problem

8、s and im</p><p>　　Keywords GPS Kalman filtering Positioning error</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　前 言1</b></p><p><b>　　第1章 緒論2<

9、/b></p><p>　　1.1 GPS的簡(jiǎn)介及應(yīng)用2</p><p>　　1.2 本課題的背景及意義3</p><p>　　1.3 國(guó)內(nèi)外研究動(dòng)態(tài)及發(fā)展趨勢(shì)4</p><p>　　1.4 目前GPS定位系統(tǒng)面臨著新的困擾和挑戰(zhàn)5</p><p>　　第2章 GPS全球定位系統(tǒng)及GPS定位誤差

10、分析8</p><p>　　2.1 GPS全球定位系統(tǒng)組成部分8</p><p>　　2.1.1 GPS衛(wèi)星星座8</p><p>　　2.1.2 地面支持系統(tǒng)9</p><p>　　2.1.3 用戶部分10</p><p>　　2.2 GPS定位原理和測(cè)速原理11</p><

11、p>　　2.2.1 衛(wèi)星無(wú)源測(cè)距定位和偽距測(cè)量定位原理11</p><p>　　2.2.2 多普勒測(cè)量定位原理13</p><p>　　2.2.3 GPS測(cè)速原理14</p><p>　　2.3 GPS定位誤差分析15</p><p>　　2.3.1 星鐘誤差15</p><p>　　2.3.

12、2 星歷誤差15</p><p>　　2.3.3 電離層和對(duì)流層的延遲誤差16</p><p>　　2.3.4 多路徑效應(yīng)引起的誤差16</p><p>　　2.3.5 接收設(shè)備誤差16</p><p>　　2.3.6 GPS測(cè)速誤差17</p><p>　　第3章 卡爾曼濾波理論18</p>

13、;<p>　　3.1 卡爾曼濾波理論的工程背景18</p><p>　　3.2 卡爾曼濾波理論18</p><p>　　第4章 卡爾曼濾波在GPS定位中的應(yīng)用23</p><p>　　4.1卡爾曼濾波在GPS定位中的應(yīng)用概述23</p><p>　　4.2 運(yùn)動(dòng)載體的動(dòng)態(tài)模型23</p><p>

14、;　　4.3卡爾曼濾波模型24</p><p>　　4.3.1 狀態(tài)方程24</p><p>　　4.3.2系統(tǒng)的量測(cè)方程25</p><p>　　4.4 濾波仿真和結(jié)論26</p><p>　　第5章 卡爾曼濾波在GPS定位應(yīng)用中的問(wèn)題和改進(jìn)思路27</p><p>　　5.1 對(duì)野值的處理27<

15、/p><p>　　5.2 對(duì)狀態(tài)以及觀測(cè)噪聲方差陣的處理27</p><p>　　5.3 對(duì)觀測(cè)噪聲和測(cè)量噪聲的處理28</p><p><b>　　結(jié) 論30</b></p><p><b>　　謝 辭31</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)3

16、2</b></p><p><b>　　前 言</b></p><p>　　自從赫茲證明了麥克斯韋的電磁波輻射理論以后，人們便開始了對(duì)無(wú)線電導(dǎo)航定位系統(tǒng)研究。無(wú)線電導(dǎo)航定位系統(tǒng)是根據(jù)無(wú)線電波的傳播特性，利用接收機(jī)測(cè)定在地面上的方位、距離、距離差等參數(shù)，確定測(cè)量點(diǎn)的位置，以完成對(duì)船舶、車輛、飛機(jī)等運(yùn)載體的定位和導(dǎo)航的系統(tǒng)。</p><p

17、>　　早期的無(wú)線電導(dǎo)航系統(tǒng)都是由建立在地面或地面載體上的發(fā)射臺(tái)和用戶接收機(jī)組成，稱為地面無(wú)線電導(dǎo)航系統(tǒng)或者陸基無(wú)線電導(dǎo)航系統(tǒng)。但是陸基無(wú)線電導(dǎo)航系統(tǒng)作用距離或者定位精度難以提高，只能滿足小部分用戶的需求。1957年，原蘇聯(lián)發(fā)射了世界上第一顆人造、地球衛(wèi)星，標(biāo)志著人類已經(jīng)進(jìn)入了空間時(shí)代。1958年美國(guó)海軍武器試驗(yàn)室委托霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理研究室研制美國(guó)海軍導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)（Navy Navigation Satellite System

18、，NNSS）。該系統(tǒng)于1964年研制成功并交付使用。衛(wèi)星導(dǎo)航具有無(wú)線電波傳播不受地面的影響，可進(jìn)行全球定位，定位精度高等優(yōu)點(diǎn)。原蘇聯(lián)于70年代也建成了類似于NNSS 的奇卡達(dá)（Tsikada）衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。這類衛(wèi)、星導(dǎo)航系統(tǒng)與陸基無(wú)線電導(dǎo)航系統(tǒng)相比具有全球全天候、定位精度較高等優(yōu)點(diǎn)，但是由于衛(wèi)星高度低、衛(wèi)星數(shù)目少（僅6顆），系統(tǒng)存在定位不連續(xù)、實(shí)時(shí)性差的缺點(diǎn)，此外定位信息為二維，缺少高度，衛(wèi)星軌道容易產(chǎn)生攝動(dòng)，限制了定位精度的進(jìn)一步提高

19、。因此這種衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)逐漸不能滿足許多用戶對(duì)定位的要求。全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）就</p><p>　　全球定位系統(tǒng)GPS(global positioning system)是現(xiàn)代空間科學(xué)與其他多個(gè)學(xué)科高新技術(shù)融合發(fā)展的結(jié)晶。它是一種全新的空基無(wú)線電導(dǎo)航定位系統(tǒng)，它不僅能夠?qū)崿F(xiàn)全天候、全天時(shí)和全球性的連續(xù)三維空間定位，而且還能對(duì)運(yùn)動(dòng)載體的速度、姿勢(shì)進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)定幾

20、精確授時(shí)。正是由于GPS具有其它定位技術(shù)難以比擬的優(yōu)越性，所以GPS計(jì)劃從一開始就引起了世界各國(guó)學(xué)者的廣泛關(guān)注，使得GPS的應(yīng)用開發(fā)也幾乎與其本身的發(fā)展同步進(jìn)行。</p><p>　　20余年的發(fā)展與使用歷史已經(jīng)證明，GPS全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)具有極其廣泛的應(yīng)用范圍，從地面、海上到空中、空間，從高空飛行的衛(wèi)星、導(dǎo)彈到地殼運(yùn)動(dòng)預(yù)災(zāi)害監(jiān)測(cè)，從地球動(dòng)力學(xué)、地球物理學(xué)、大地測(cè)量學(xué)、工程測(cè)量學(xué)到交通管理、海洋學(xué)和氣象學(xué)等。

21、毫不夸張地說(shuō)，GPS的應(yīng)用幾乎觸及人類社會(huì)生活的每一領(lǐng)域的每一方面，甚至有人形容它的應(yīng)用“只受到人們想象力的限制”?？梢韵嘈牛S著“GPS現(xiàn)代化”的逐步實(shí)施和完成，GPS必將迅速的向更為寬廣的范圍與更加深刻的層次發(fā)展和普及。</p><p>　　衛(wèi)星導(dǎo)航的應(yīng)用前景得到世界各國(guó)的普遍承認(rèn)和關(guān)注，各國(guó)不僅在GPS的應(yīng)用研究與GPS信息資源開發(fā)中傾注了巨大的人力和物力，而且不少國(guó)家和地區(qū)亦在積極研制自己的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。

22、隨著其的不斷應(yīng)用與發(fā)展，對(duì)GPS定位精度的要求越來(lái)越高。這就迫切需要減小GPS定位誤差和對(duì)其數(shù)據(jù)的合理處理。本文主要提出了將卡爾曼濾波原理應(yīng)用到減小GPS定位誤差的過(guò)程中。</p><p><b>　　第1章 緒論</b></p><p>　　1.1 GPS的簡(jiǎn)介及應(yīng)用</p><p>　　GPS（全球定位系統(tǒng)）是英文Navigation

23、Satellite Timing and Ranging/Global Positioning System 的字頭縮寫詞NAVSTAR/GPS 的簡(jiǎn)稱。它的含義是，利用導(dǎo)航衛(wèi)星進(jìn)行測(cè)時(shí)和測(cè)距，構(gòu)成全球定位系統(tǒng)。GPS全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)從提出到建成，經(jīng)歷了20年，到1994年24顆工作衛(wèi)星進(jìn)入預(yù)定軌道，系統(tǒng)全面投入運(yùn)行。GPS系統(tǒng)因其應(yīng)用價(jià)值極高，所以得到美國(guó)政府和軍隊(duì)的重視，不惜投資300 億美元來(lái)建立這一工程，成為繼阿波羅登月計(jì)劃和航

24、天飛機(jī)計(jì)劃之后的第三大空間計(jì)劃。它也成為目前最先進(jìn)、應(yīng)用最廣的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)。</p><p>　　GPS由三部分組成：空間部分，地面控制部分和用戶設(shè)備部分?？臻g部分，GPS的空間部分是由24顆工作衛(wèi)星組成,它位于距地表20 200km的上空,均勻分布在6 個(gè)軌道面上(每個(gè)軌道面4 顆) ,軌道傾角為55°。此外,還有3 顆有源備份衛(wèi)星在軌運(yùn)行。衛(wèi)星的分布使得在全球任何地方、任何時(shí)間都可觀測(cè)到4 顆以

25、上的衛(wèi)星,并能在衛(wèi)星中預(yù)存的導(dǎo)航信息。GPS的衛(wèi)星因?yàn)榇髿饽Σ恋葐?wèn)題，隨著時(shí)間的推移，導(dǎo)航精度會(huì)逐漸降低。地面控制系統(tǒng)，地面控制系統(tǒng)由監(jiān)測(cè)站(Monitor Station)、主控制站(Master Monitor Station)、地面天線(Ground Antenna)所組成,主控制站位于美國(guó)科羅拉多州春田市(Colorado Spring)。地面控制站負(fù)責(zé)收集由衛(wèi)星傳回之訊息,并計(jì)算衛(wèi)星星歷、相對(duì)距離,大氣校正等數(shù)據(jù)。用戶設(shè)備部分

26、，用戶設(shè)備部分即GPS 信號(hào)接收機(jī)。其主要功能是能夠捕獲到按一定衛(wèi)星截止角所選擇的待測(cè)衛(wèi)星，并跟蹤這些衛(wèi)星的去運(yùn)行。當(dāng)接收機(jī)捕獲到跟蹤的衛(wèi)星信號(hào)后，就可測(cè)量出接收天線至衛(wèi)星的偽距離和距離的變化率,解調(diào)出衛(wèi)星軌道參數(shù)等數(shù)據(jù)。根據(jù)這些數(shù)據(jù)，接收機(jī)中的微處理計(jì)算</p><p>　　GPS系統(tǒng)的空間部分由24 顆衛(wèi)星組成，均勻分布在6個(gè)仰角為55度的軌道面上。GPS系統(tǒng)的利用者接收衛(wèi)星發(fā)送的擴(kuò)頻信號(hào)，測(cè)量電波傳播時(shí)間求

27、出衛(wèi)星到接收機(jī)天線的距離，利用空間三球相交一點(diǎn)的原理，解算以接收機(jī)位置為未知數(shù)的方程，從而確切知道接收機(jī)的位置，也就是說(shuō)，只需接收到3顆衛(wèi)星的信號(hào)，就能確定用戶的二維（經(jīng)度、緯度）位置。</p><p>　　美國(guó)政府在進(jìn)行GPS系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，計(jì)劃提供兩種服務(wù)。一種為標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)—SPS，利用粗測(cè)/捕獲碼（C/A碼）定位，預(yù)計(jì)精度約為400m，提供民間用戶使用。另一種為精密定位服務(wù)——PPS，利用精密碼（P碼）定位，

28、精度達(dá)到10m，提供給軍方和得到特許的用戶使用。但在GPS實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星應(yīng)用階段，多次實(shí)驗(yàn)表明，實(shí)際定位精度遠(yuǎn)高于此值，利用C/A碼定位精度可達(dá)到15~40m，利用P 碼定位精度可達(dá)3m。為了維護(hù)美國(guó)自身利益，美國(guó)國(guó)防部在GPS 系統(tǒng)中加入了SA（Selective Availability）政策——選擇可用性政策，人為地將誤差引入衛(wèi)星時(shí)鐘和衛(wèi)星數(shù)據(jù)中，降低GPS的定位精度，以防止未經(jīng)許可的用戶把GPS用于軍事目的。采用SA政策后的GPS系統(tǒng)

29、C/A碼定位，水平定位精度為100米，垂直測(cè)量精度為157米。美國(guó)國(guó)防部常年對(duì)SA 政策進(jìn)行測(cè)量，并根據(jù)形勢(shì)和要求對(duì)部分和全部衛(wèi)星取消SA政策。SA政策的引入，在一定程度上限制了GPS的應(yīng)用，為了提高定位精度，人們研究和發(fā)展出差分GPS技術(shù)——DGPS（Differential GPS）。但是，DGPS系統(tǒng)需要建立相應(yīng)的差分基準(zhǔn)站和監(jiān)測(cè)站，造價(jià)昂貴。</p><p>　　實(shí)踐證明，全球定位系統(tǒng)具有性能好、精度高、

30、應(yīng)用廣的特點(diǎn)，是迄今最好的導(dǎo)航定位系統(tǒng)，從根本上解決了定位和導(dǎo)航的問(wèn)題。早在1990年的海灣戰(zhàn)爭(zhēng)中，盡管系統(tǒng)還未全部建成，它為美軍及其盟軍部隊(duì)轟炸、炮擊敵軍目標(biāo)，引導(dǎo)部隊(duì)穿越沙漠戰(zhàn)斗等方面發(fā)揮了重大的作用。隨著GPS 應(yīng)用研究的不斷深入，大量的GPS用戶設(shè)備已應(yīng)用于艦船飛機(jī)等運(yùn)載工具導(dǎo)航和管制、導(dǎo)彈衛(wèi)星測(cè)控、精密授時(shí)、大地測(cè)量、工程測(cè)量、航空攝影測(cè)量、地殼運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)、工程變形監(jiān)測(cè)、資源勘察、地球動(dòng)力學(xué)等諸多方面。近幾年來(lái)，車輛的跟蹤和導(dǎo)航

31、、農(nóng)業(yè)、公安、和旅游等也納入了GPS的應(yīng)用范圍。隨著全球定位系統(tǒng)的不斷改進(jìn)，硬、軟件的不斷完善，應(yīng)用領(lǐng)域正在不斷地開拓，目前已遍及各行各業(yè)，并開始逐步深入人們的日常生活。</p><p>　　1.2 本課題的背景及意義</p><p>　　全球定位系統(tǒng)技術(shù)成熟可靠，價(jià)格不斷下降，設(shè)備重量體積不斷減小，應(yīng)用范圍越來(lái)越廣，目前已經(jīng)成為最重要的導(dǎo)航手段之一。民用C/A碼導(dǎo)航型GPS接收機(jī)是目前

32、在航空、航海以及陸地車輛導(dǎo)航及個(gè)人掌上型導(dǎo)航領(lǐng)域最廣泛采用的導(dǎo)航設(shè)備。但是由于各種誤差源的影響，C/A碼導(dǎo)航型GPS接收機(jī)的定位精度始終不能達(dá)到P碼接收機(jī)的水平。目前典型的C/A碼接收機(jī)的水平定位精度為15米，垂直定位精度35米，且這一偏差是隨機(jī)量，而不是固定的。這樣的定位精度水平應(yīng)用于個(gè)人導(dǎo)航等對(duì)精度要求不高的場(chǎng)合是足夠了，但是對(duì)于飛機(jī)導(dǎo)航、車輛監(jiān)控與導(dǎo)航等高精度應(yīng)用顯然就不能滿足用戶的要求了。因此，提高GPS的定位精度成為人們十分感

33、興趣并且具有巨大潛力的研究課題。</p><p>　　目前，可以通過(guò)兩種方法來(lái)減小誤差，提高GPS定位精度：</p><p>　　一是采用差分GPS（DGPS——Differential GPS）技術(shù)。又叫GPS動(dòng)態(tài)相對(duì)定位，就是利用已知精確三維坐標(biāo)的差分GPS基準(zhǔn)臺(tái)，求得偽距修正量或位置修正量，再將這個(gè)修正量實(shí)時(shí)或事后發(fā)送給用戶（GPS導(dǎo)航儀），對(duì)用戶的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，以提高GPS定位

34、精度。它用兩臺(tái)GPS接收機(jī)，將一臺(tái)接收機(jī)安裝在基準(zhǔn)站上固定不動(dòng)，另一臺(tái)接收機(jī)安置在運(yùn)動(dòng)的載體上，兩臺(tái)接收機(jī)同步觀測(cè)相同的衛(wèi)星，通過(guò)在觀測(cè)值之間求差，以消除具有相關(guān)性的誤差，以提高定位精度。而運(yùn)動(dòng)點(diǎn)位置是通過(guò)確定該點(diǎn)相對(duì)基準(zhǔn)站的位置實(shí)現(xiàn)的。</p><p>　　二是通過(guò)濾波方法處理GPS接收機(jī)接收到的定位數(shù)據(jù)，將真實(shí)的狀態(tài)從各種干擾中實(shí)時(shí)最優(yōu)的估計(jì)出來(lái)，達(dá)到自主定位的目標(biāo)。</p><p>

35、　　對(duì)比以上兩種技術(shù)，差分GPS技術(shù)的應(yīng)用受到基站覆蓋面積的限制。為了在更為廣闊的區(qū)域里提供差分GPS服務(wù)，需要將多個(gè)差分基站與一個(gè)或多個(gè)主站組網(wǎng)，形成廣域差分GPS 系統(tǒng)（WAGPS）。但這樣做的結(jié)果是造成系統(tǒng)龐大復(fù)雜，大大增加了投資。另外，客戶端還需要添加差分信號(hào)接收機(jī)，也造成了成本的提高。從戰(zhàn)略上來(lái)看，差分GPS因?yàn)橛邪l(fā)射源，易被敵方干擾甚至摧毀，這是一個(gè)潛在的威脅。因此研究提高GPS定位精度的自主式方法就顯得格外重要。這也是利用

36、卡爾曼濾波技術(shù)提高GPS定位精度的研究在國(guó)內(nèi)外都格外受到重視的根本原因。</p><p>　　1.3 國(guó)內(nèi)外研究動(dòng)態(tài)及發(fā)展趨勢(shì)</p><p>　　衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)：</p><p>　　1．向多系統(tǒng)組合導(dǎo)航方向發(fā)展</p><p>　　為了擺脫對(duì)美、俄的導(dǎo)航定位系統(tǒng)的依賴，以免受制于人，世界各國(guó)、各地區(qū)和組織將紛紛建立自己的衛(wèi)星導(dǎo)

37、航定位系統(tǒng)。今后10年內(nèi)將會(huì)出現(xiàn)幾種系統(tǒng)同時(shí)并存的局面。這為組合導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展提供了條件。通過(guò)對(duì)GPS，GLONASS，Galileo等信號(hào)的組合利用，不但可提高定位精度，還可使用戶擺脫對(duì)個(gè)特定導(dǎo)航星座的依賴，可用性大大增強(qiáng)。多系統(tǒng)組合接收機(jī)有很好的發(fā)展前景。</p><p>　　2．向差分導(dǎo)航方向發(fā)展</p><p>　　使用差分導(dǎo)航技術(shù)，既可降低或消除那些影響用戶和基準(zhǔn)站觀測(cè)量系統(tǒng)誤差

38、，包括信號(hào)傳播延遲和導(dǎo)航星本身的誤差，還可消除人為引入的誤差，如美國(guó)在GPS中采用的選擇可用性(SA)技術(shù)所引入的誤差，因而與傳統(tǒng)的偽距導(dǎo)航相比精度大大提高。今后，差分導(dǎo)航將得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，將應(yīng)用于車輛、船舶、飛機(jī)的精密導(dǎo)航和管理；大地測(cè)量、航測(cè)遙感和測(cè)圖；地籍測(cè)量和地理信息系統(tǒng)(GIS)；航海、航空的遠(yuǎn)程導(dǎo)航等領(lǐng)域。其本身也會(huì)從目前的區(qū)域差分向廣域差分、全球差分發(fā)展，其導(dǎo)航精度將從近程的m級(jí)、10cm級(jí)提高到cm級(jí)，從遠(yuǎn)程的m級(jí)

39、提高到10cm級(jí)。</p><p>　　3．衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)與慣性導(dǎo)航(INS)技術(shù)</p><p>　　無(wú)線電導(dǎo)航技術(shù)相結(jié)合由于INS是完全自主的導(dǎo)航系統(tǒng)，在GPS失效的情況下，INS仍可保持工作。在實(shí)際應(yīng)用中，慣導(dǎo)系統(tǒng)和GPS接收機(jī)之間存在三種耦合方式：松散耦合、緊密耦合和深度耦合。在深度耦合中，GPS接收機(jī)作為一塊線路板被嵌入到慣導(dǎo)的機(jī)箱內(nèi)，這就是EGI系統(tǒng)。由于EGI系統(tǒng)能充分發(fā)揮

40、INS和GPS兩者的互補(bǔ)作用，并有極強(qiáng)的保密功能，因而美國(guó)軍方已確定，在三軍的戰(zhàn)術(shù)和戰(zhàn)略飛機(jī)上，將用EGI逐步取代單獨(dú)的GPS接收機(jī)，而最終成為作戰(zhàn)飛機(jī)的主要導(dǎo)航設(shè)備。此外，GPS可與增強(qiáng)型定位系統(tǒng)(EPLS)相結(jié)合。EPLS是一種先進(jìn)的無(wú)線電裝置，它帶有一定的自主導(dǎo)航能力。目前，已成功地驗(yàn)證了可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)把GPS轉(zhuǎn)換到EPLS。</p><p>　　4．發(fā)展數(shù)字化銫鐘技術(shù)</p><p&

41、gt;　　GPS衛(wèi)星在軌壽命主要取決于原子鐘。每個(gè)衛(wèi)星上裝有3個(gè)原子鐘，目前使用的是模擬銫鐘，其性能預(yù)測(cè)困難，而且輸出頻率會(huì)隨著衛(wèi)星運(yùn)行過(guò)程溫度和磁場(chǎng)變化而變化，因此需要開發(fā)計(jì)算機(jī)控制的數(shù)字化銫鐘，通過(guò)調(diào)整內(nèi)部參數(shù)和補(bǔ)償環(huán)境影響使銫鐘性能達(dá)到最佳化。</p><p>　　1.4 目前GPS定位系統(tǒng)面臨著新的困擾和挑戰(zhàn)</p><p>　　美國(guó)的GPS全球定位系統(tǒng)自1993年全面建成并投入

42、使用以來(lái)，以其高可靠、高精度、高效益、全天候、全球性和全自動(dòng)等劃時(shí)代的成就，把定位技術(shù)推向到個(gè)嶄新的階段。隨著GPS的不斷滲透和廣泛應(yīng)用，使軍事和國(guó)民經(jīng)濟(jì)等眾多領(lǐng)域發(fā)生了變革。不過(guò)GPS定位系統(tǒng)也日益面臨著新的困擾和挑戰(zhàn)。</p><p>　　俄羅斯GLONASS全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)于1996年已成功布設(shè)完畢并正式投入使用，其定位精度提高到7m(50％的測(cè)量時(shí)間)～20m(95％的測(cè)量時(shí)間)，得到用戶的普遍歡迎；國(guó)際

43、民航組織正在試圖分步實(shí)施獨(dú)立的民用GNSS計(jì)劃；歐洲聯(lián)盟也已著手研究歐洲靜止衛(wèi)星導(dǎo)航重迭服務(wù)的問(wèn)題，也將企求實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)期目標(biāo)—建立完全民用的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)?？梢哉f(shuō)，諸多衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的研制、投入使用和競(jìng)爭(zhēng)角逐，都向GPS定位系統(tǒng)發(fā)出了挑戰(zhàn)。為此，美為適應(yīng)這一挑戰(zhàn)，早在1998年就提出并實(shí)施了GPS現(xiàn)代化計(jì)劃，旨在進(jìn)一步提高GPS系統(tǒng)定位的精度及其完好性和可用性，推動(dòng)GPS定位系統(tǒng)的新發(fā)展。</p><p>　　GPS定位

44、系統(tǒng)現(xiàn)代化計(jì)劃的主要措施</p><p>　　所謂“GPS現(xiàn)代化計(jì)劃”，就是要用更高更新的技術(shù)，使GPS定位系統(tǒng)更加完美并進(jìn)一步領(lǐng)先，其中最主要的是以下四個(gè)方面。</p><p>　　1．?dāng)U充和改善地面控制部分</p><p>　　目前GPS地面控制部分包括一個(gè)主控站，三個(gè)注入站和五個(gè)監(jiān)測(cè)站。鑒于GPS定位系統(tǒng)的工作原理，用戶是通過(guò)接收設(shè)備處理衛(wèi)星發(fā)射的導(dǎo)航信息進(jìn)行

45、定位計(jì)算的。衛(wèi)星的工作則完全依賴于地面控制站，因此地面控制部分是定位系統(tǒng)的核心，又正是此核心決定著GPS衛(wèi)星軌道參數(shù)和定時(shí)數(shù)據(jù)的質(zhì)量，直接影響著用戶的定位精度。由于衛(wèi)星軌道參數(shù)和定時(shí)數(shù)據(jù)的精度畢竟隨時(shí)間的流逝而逐漸降低，因此數(shù)據(jù)精度又受制于上行數(shù)據(jù)的更新率。原來(lái)每顆衛(wèi)星的有關(guān)數(shù)據(jù)，每隔8小時(shí)才注入一次，即一天只能注入更新三次，每次注入14天的星歷，為此，美計(jì)劃再增加6個(gè)地面站，以利于進(jìn)一步改善GPS系統(tǒng)的跟蹤測(cè)量和參數(shù)計(jì)算的質(zhì)量和時(shí)間性

46、，而且還準(zhǔn)備增加向衛(wèi)星加載更新數(shù)據(jù)的次數(shù)，使之達(dá)到每顆衛(wèi)星可在每小時(shí)內(nèi)更新4次其星歷與時(shí)鐘的預(yù)測(cè)值。據(jù)悉，在未來(lái)10年內(nèi)．這一措施就可將星歷精度提高到亞米級(jí)甚至分米級(jí)。</p><p>　　2．增強(qiáng)GPS定位系統(tǒng)的抗毀性能</p><p>　　為了增強(qiáng)GPS系統(tǒng)的抗毀性能，美將計(jì)劃發(fā)射并投入使用一種新型的BLOCK II R衛(wèi)星，并使之具有自治運(yùn)行能力，即可通過(guò)星際間的數(shù)據(jù)鏈，進(jìn)行雙向測(cè)距

47、，完成星歷和時(shí)鐘估算、完善性監(jiān)測(cè)、導(dǎo)航電文的曲線擬合和格式的形式等工作，而這些工作原來(lái)都是由地面控制站來(lái)完成的。這樣萬(wàn)一地面控制站失靈或受損不能工作，GPS系統(tǒng)仍然可以保證在半年時(shí)間內(nèi)滿足導(dǎo)航定位的要求。這一方案，一方面減小了衛(wèi)星對(duì)地面控制站的依賴性，另一方面使整個(gè)系統(tǒng)更加完善，增強(qiáng)了系統(tǒng)的抗毀性。</p><p>　　3．增加新的信號(hào)頻率</p><p>　　GPS信號(hào)是GPS衛(wèi)星向用戶

48、發(fā)送的用于定位導(dǎo)航的已調(diào)波，信號(hào)頻率一直使用L1頻段(1575.42MHz、C／A、P／Y碼)和L2頻段(1227.60MHz、P／Y碼)。對(duì)于使用P／Y碼的軍方用戶來(lái)說(shuō)，采用雙頻測(cè)量的方法可以消除電離層誤差，而提供民用的僅為一個(gè)L1頻率(C／A碼)。民用用戶使用單頻，雖可用模型校正法對(duì)電離層誤差進(jìn)行修正，但不可能加以精確校正，從而影響和降低了定位精度。經(jīng)研究論證，美已確定把1227.60MHz也作為第二頻率，并計(jì)劃在2003年發(fā)射的B

49、LOCK II F衛(wèi)星上，在L2頻段上也開始增發(fā)C／A碼。不過(guò)選用的第二民用頻率與原來(lái)的軍用頻率相同，因此，還必須在L1和L2上采用新的信號(hào)調(diào)制方案。目前有三種調(diào)制方案：一為曼切斯特法，二為偏移載頻法，三為陷波Y法，究竟采用哪一種有待進(jìn)一步論證，總之要能使軍用信號(hào)與民用信號(hào)相互分離。另外，為了進(jìn)一步滿足航空安全的需要，美又宣布同意選用航空無(wú)線電導(dǎo)航服務(wù)(ARNS)頻段的1176.45MHz作為第三民用頻率(L3c，又稱L5)。GPS系統(tǒng)

50、采用的這部分頻段主要用于空——地服務(wù)，在2005年發(fā)射的衛(wèi)星上實(shí)施。當(dāng)然使用該頻率還需與使用</p><p>　　總之，美準(zhǔn)備在L2頻率上增發(fā)第二民用信號(hào)，又設(shè)法在1176.45MHz頻率上增發(fā)第三個(gè)民用信號(hào)，利用這些信號(hào)顯然就可以有效地校正電離層誤差，并可將民用GPS單點(diǎn)定位精度提高到5m左右。同時(shí)，現(xiàn)L1和L2頻率上的僅供軍用的P／Y碼信號(hào)較正常，但捕捉P／Y碼通常要首先捕捉C／A碼才行。美軍方正在考慮如何實(shí)

51、現(xiàn)直接捕捉軍用保密碼的問(wèn)題，并很有可能研究和發(fā)射新一組性能更好的M 碼以替代P／Y碼，以更進(jìn)一步滿足軍用的要求。</p><p>　　4．進(jìn)一步改善和擴(kuò)充GPS星座</p><p>　　GPS衛(wèi)星星座的結(jié)構(gòu)對(duì)系統(tǒng)的精度乃至完好性和實(shí)用性影響頗大。目前GPS星座的結(jié)構(gòu)還不夠完美，尤其是對(duì)人命安全的應(yīng)用方面還存在某些缺陷，不能完全滿足用戶的要求。比如GPS接收機(jī)位于峽谷中或位于城市受四周高大建

52、筑物的影響，可視衛(wèi)星數(shù)便會(huì)大大減少，從而影響定位精度甚至還可能定不出位置。雖然GPS／GLONASS接收機(jī)可接收和處理兩個(gè)系統(tǒng)共48顆衛(wèi)星的信號(hào)，美方還一直試圖進(jìn)一步改善和擴(kuò)充GPS星座結(jié)構(gòu)，以便在任何情況下單憑GPS系統(tǒng)就能解決問(wèn)題。</p><p>　　美國(guó)就進(jìn)一步改善GPS星座結(jié)構(gòu)已提出了好幾種方案。其一是在現(xiàn)有的星座結(jié)構(gòu)上增加6顆衛(wèi)星，使衛(wèi)星數(shù)達(dá)30顆；其二是增大GPS衛(wèi)星軌道，即把原來(lái)20000km多的

53、中高度軌道提高到36000km多高的地球同步軌道，并使衛(wèi)星數(shù)增至27顆；其三是在原星座上再增加4～5顆地球同步軌道衛(wèi)星，使衛(wèi)星數(shù)也有28～29顆；其四是將衛(wèi)星的軌道傾角從原來(lái)的55度改為60～65度，衛(wèi)星數(shù)也增至30顆。各種方案均有利弊，但從是否能滿足使用要求和是否具有較高的效益投資比這兩個(gè)方面看，應(yīng)該說(shuō)第一種設(shè)想最為合適，極有可能成為未來(lái)新的GPS星座。目前，美已巨額投資并準(zhǔn)備在近幾年內(nèi)改變GPS的信號(hào)結(jié)構(gòu)，同時(shí)加緊與俄羅斯、歐盟、日

54、本等進(jìn)行磋商，以在有關(guān)GPS在導(dǎo)航定位上進(jìn)行合作。GPS系統(tǒng)的不斷發(fā)展，必將促使世界導(dǎo)航定位技術(shù)等各個(gè)領(lǐng)域的不斷發(fā)展。</p><p>　　第2章 GPS全球定位系統(tǒng)及GPS定位誤差分析</p><p>　　本章將逐一介紹GPS系統(tǒng)的各個(gè)組成部分，簡(jiǎn)要說(shuō)明GPS的定位原理，并指出影響GPS定位精度的幾個(gè)誤差源及其性質(zhì)，作為后續(xù)章節(jié)內(nèi)容的基礎(chǔ)知識(shí)。</p><p>

55、　　2.1 GPS全球定位系統(tǒng)組成部分</p><p>　　GPS系統(tǒng)由GPS衛(wèi)星星座（空間部分），地面支持系統(tǒng)（地面控制部分）和GPS用戶接收機(jī)（用戶部分）三個(gè)部分組成，如圖所示。</p><p>　　圖2.1 GPS系統(tǒng)組成示意圖</p><p>　　2.1.1 GPS衛(wèi)星星座</p><p>　　GPS空間衛(wèi)星星座最初（1978年

56、）計(jì)劃由分布在3個(gè)軌道上的24顆衛(wèi)星組成，1981年因?yàn)榭紤]經(jīng)費(fèi)問(wèn)題改為6個(gè)軌道上的18顆衛(wèi)星星座，1986年將衛(wèi)星數(shù)目增加到21顆，目前在軌的衛(wèi)星數(shù)目為24顆，其中3顆為有源在軌備用衛(wèi)星?，F(xiàn)有的24顆衛(wèi)星星座如圖2.2所示。衛(wèi)星均勻分布在A，B，C，D，E，F(xiàn)共6個(gè)傾角為55度的軌道面上，每個(gè)軌道面上配置4 顆衛(wèi)星。在6個(gè)軌道面上，衛(wèi)星等間隔的通過(guò)赤道上空，相鄰的兩個(gè)軌道平面交角為60度。衛(wèi)星運(yùn)行平均高度為20183千米，運(yùn)行周期11

57、h58min1.8s，同一軌道上各衛(wèi)星的升交角距為90°。這樣，地面用戶在15度的仰角上可同時(shí)觀測(cè)到4至8顆衛(wèi)星；若仰角進(jìn)一步降到5度，有可能同時(shí)觀測(cè)到12顆衛(wèi)星。每顆GPS衛(wèi)星由收發(fā)設(shè)備、操作系統(tǒng)、原子鐘、太陽(yáng)能電池、推動(dòng)系統(tǒng)和各種輔助設(shè)備組成。通常每顆衛(wèi)星都處于正常工作狀態(tài)。</p><p>　　圖 2.2 GPS星座衛(wèi)星分布</p><p>　　2.1.2 地面支持系統(tǒng)

58、</p><p>　　利用衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)定位導(dǎo)航，首先必須知道衛(wèi)星的位置。而衛(wèi)星的位置是由衛(wèi)星向用戶實(shí)時(shí)廣播的衛(wèi)星星歷（軌道參數(shù)）計(jì)算獲得。衛(wèi)星的星歷數(shù)據(jù)來(lái)自于地面支持系統(tǒng)，而不是由衛(wèi)星自己產(chǎn)生。地面支持系統(tǒng)又稱為地面控制部分，它由1個(gè)主控站、5個(gè)全球監(jiān)測(cè)站和3個(gè)地面注入站。地面支持系統(tǒng)的任務(wù)就是跟蹤所有的衛(wèi)星，進(jìn)行軌道參數(shù)和鐘差的測(cè)量，計(jì)算衛(wèi)星星歷編輯成電文向衛(wèi)星發(fā)送，預(yù)測(cè)修正模型參數(shù)，同步衛(wèi)星鐘等。主控站擁有大型計(jì)

59、算機(jī)，負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)、編輯導(dǎo)航電文并發(fā)送到3個(gè)地面控制站、診斷整個(gè)地面支持系統(tǒng)及衛(wèi)星的工作狀況并向用戶指示以及調(diào)度衛(wèi)星。監(jiān)測(cè)站是無(wú)人值守的數(shù)據(jù)采集中心，裝有精密的銫原子鐘和能連續(xù)測(cè)量所有可見衛(wèi)星的偽距的接收機(jī)，對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行常年觀測(cè)，并采集電離層數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)。地面控制站的主要組成部分是地面天線。由主控站傳送來(lái)的衛(wèi)星星歷和鐘參數(shù)由這里發(fā)送注入到經(jīng)過(guò)該站上空的各個(gè)衛(wèi)星。目前對(duì)每顆衛(wèi)星每天注入一次或兩次。</p><p>

60、　　圖2.3為地面支持系統(tǒng)的系統(tǒng)示意圖。</p><p>　　圖2.3 地面支持系統(tǒng)方框圖</p><p>　　2.1.3 用戶部分</p><p>　　從GPS實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星開始研制到24顆工作衛(wèi)星填滿星座，系統(tǒng)投入正常運(yùn)行，美國(guó)和世界許多國(guó)家的公司企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)相繼研制出多種類型的GPS用戶設(shè)備。GPS用戶設(shè)備包括獨(dú)立應(yīng)用的各類GPS接收機(jī)和與其它設(shè)備或系統(tǒng)組合應(yīng)

61、用的各類產(chǎn)品。GPS用戶設(shè)備按用途分類有軍用、民用、導(dǎo)航、授時(shí)、測(cè)量8等類型；按載體分類有艦載、車載、機(jī)載、手持等類型；按編碼信息分類有有碼接收機(jī)和無(wú)碼接收機(jī)等類型；按電子器件分類有數(shù)字式接收機(jī)、混合式接收機(jī)、GPS-OEM板等類型；按工作模式分類有單點(diǎn)定位式接收機(jī)、相對(duì)定位式接收機(jī)和差分接收機(jī)等類型。</p><p>　　GPS用戶設(shè)備雖然種類繁多，用途不一，但是它們的基本組成大致相同。</p>

62、<p>　　天線單元。目前使用較多的GPS接收天線有四線螺旋天線、微帶天線、貼面天線、錐形天線和偶極天線，根據(jù)接收機(jī)的性能要求合理選用。所有的GPS接收天線都要求全鄉(xiāng)圓極化。有些天線還可以是有源天線。</p><p>　　接收單元。接收單元又分為信號(hào)信道部分和內(nèi)存。信號(hào)信道部分輸入來(lái)自天線單元的GPS信號(hào)，經(jīng)過(guò)變頻、放大、濾波等一系列處理過(guò)程，實(shí)現(xiàn)對(duì)GPS信號(hào)的跟蹤、鎖定、測(cè)量，提供計(jì)算的位置信息。每個(gè)

63、通道每一時(shí)刻只能跟蹤一顆衛(wèi)星信號(hào)?，F(xiàn)在的接收機(jī)多是8到12通道并行接收。內(nèi)存主要存儲(chǔ)導(dǎo)航接收機(jī)為實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航功能而需要的航路點(diǎn)、航線等信息；差分定位接收機(jī)和相對(duì)定位接收機(jī)由于需要進(jìn)行事后處理，也需要存儲(chǔ)一些立即尋址資料、原始觀測(cè)量以及計(jì)算結(jié)果。</p><p>　　圖 2.4 GPS接收機(jī)的基本組成</p><p>　　計(jì)算和控制部分。該部分負(fù)責(zé)對(duì)接收機(jī)進(jìn)行自檢；根據(jù)采集的衛(wèi)星星歷、偽距和多

64、普勒頻移等觀測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算三維位置和數(shù)據(jù)信息；進(jìn)行人機(jī)對(duì)話，輸入指令等功能。</p><p>　　電源。GPS接收機(jī)通常采用直流供電。</p><p>　　GPS接收機(jī)通常采用RS-232C串行接口，少數(shù)接收機(jī)采用RS-422接口。</p><p>　　每一種GPS 接收機(jī)由接口提供各自的信息類型，這些信息類型內(nèi)容通常由廠家自行確定。對(duì)于導(dǎo)航型GPS接收機(jī)，通常采用NM

65、EA（National Marine Electronics Association——美國(guó)航海電子協(xié)會(huì)）標(biāo)準(zhǔn)輸出格式，例如NMEA 0183格式。</p><p>　　2.2 GPS定位原理和測(cè)速原理</p><p>　　GPS定位方法按照測(cè)量方法可以分為：偽距測(cè)量法、多普勒頻移法、載位法和干涉法四種。其中偽距測(cè)量法簡(jiǎn)單易行，應(yīng)用較為廣泛。本節(jié)將主要介紹偽距測(cè)量定位原理。</p&

66、gt;<p>　　2.2.1 衛(wèi)星無(wú)源測(cè)距定位和偽距測(cè)量定位原理</p><p>　　通過(guò)測(cè)定衛(wèi)星與用戶之間的距離來(lái)確定用戶位置的方法，稱為衛(wèi)星測(cè)距定位。用戶接收機(jī)接收衛(wèi)星信號(hào)，測(cè)定衛(wèi)星至用戶的傳播時(shí)間，從而確定衛(wèi)星至用戶的距離的方法，稱為衛(wèi)星無(wú)源測(cè)距。距離和電波傳播延遲時(shí)間的關(guān)系如下：</p><p><b>　　(2.1)</b></p>

67、;<p><b>　　式中：</b></p><p><b>　　c——光速；</b></p><p>　　T——電波傳播延遲時(shí)間；</p><p>　　R——衛(wèi)星至用戶的距離。</p><p>　　根據(jù)衛(wèi)星信號(hào)所含有的衛(wèi)星星歷信息，可以求得每顆衛(wèi)星在發(fā)射時(shí)刻的位置，從而確定用戶的位置

68、在一衛(wèi)星為球心，以R為半徑的球面上。用同樣的方法，測(cè)定用戶至三顆衛(wèi)星的距離，可以確定用戶在空間的位置，即三個(gè)球面的交點(diǎn)。如果測(cè)點(diǎn)在地面上，則只需要測(cè)量?jī)删S位置，故只需測(cè)定用戶至兩顆衛(wèi)星的距離就可以測(cè)定用戶的位置。</p><p>　　衛(wèi)星無(wú)源測(cè)距定位原理簡(jiǎn)單。但是要測(cè)定用戶至衛(wèi)星的距離，就要測(cè)量衛(wèi)星至用戶的電波傳播延遲時(shí)間，為此用戶必須和衛(wèi)星保持準(zhǔn)確的時(shí)間同步。這就需要衛(wèi)星和用戶同時(shí)配備精確的原子鐘。由于原子鐘非

69、常昂貴，一般用戶是不可能配用原子鐘的。因此衛(wèi)星無(wú)源測(cè)距定位只能用于地面站測(cè)控衛(wèi)星或某些特種用戶。</p><p>　　由于用戶設(shè)備不配用原子鐘，用戶接收設(shè)備測(cè)量得到的用戶至衛(wèi)星的距離就包含了由衛(wèi)星鐘和用戶鐘的鐘差引入的誤差。稱這種含有鐘差誤差的測(cè)量距離為“偽距”。</p><p>　　由圖2.5所示，測(cè)點(diǎn)P至第顆衛(wèi)星的偽距可由下式確定：</p><p><b&

70、gt;　　(2.2)</b></p><p>　　式中： = 1，2，3，4；</p><p>　　——第顆衛(wèi)星至觀測(cè)點(diǎn)的真實(shí)距離;</p><p><b>　　c ——光速；</b></p><p>　　——第顆衛(wèi)星電波傳播延遲誤差和其它誤差；</p><p>　　——用戶鐘相對(duì)于G

71、PS系統(tǒng)時(shí)的偏差；</p><p>　　——第顆衛(wèi)星的衛(wèi)星鐘相對(duì)于GPS系統(tǒng)時(shí)的偏差；</p><p>　　設(shè)衛(wèi)星和測(cè)點(diǎn)P在地心直角坐標(biāo)系中的位置分別為和(X ,Y, Z)，則</p><p><b>　　(2.3)</b></p><p>　　將（2.3）式代入（2.2）式得到：</p><p>

72、;<b>　　(2.4)</b></p><p>　　在（2.4）式中，衛(wèi)星位置和衛(wèi)星鐘偏差由解調(diào)衛(wèi)星電文并通過(guò)計(jì)算獲得；電波傳播延遲誤差用雙拼測(cè)量法修正，或者利用衛(wèi)星電文所提供的校正參數(shù)根據(jù)電波傳播模型估算得到。偽距由接收機(jī)測(cè)定。</p><p>　　在（2.4）式中觀測(cè)點(diǎn)位置(X ,Y, Z)和鐘差為方程組的4個(gè)未知數(shù)，通過(guò)求解方程組</p><

73、;p>　　獲得。所以必須測(cè)量用戶至4顆衛(wèi)星的偽距，可到四個(gè)方程才能求解所有未知數(shù)。這也就是為什么必須至少觀測(cè)到4顆衛(wèi)星才能進(jìn)行三維坐標(biāo)定位的原因。對(duì)于陸上或者海上用戶來(lái)說(shuō)，如果知道天線的高度，則只需要測(cè)量用戶至3顆衛(wèi)星的偽距就可以確定二維位置和用戶鐘相對(duì)于GPS系統(tǒng)時(shí)的偏差。</p><p>　　圖2.5 偽距測(cè)量原理圖</p><p>　　2.2.2 多普勒測(cè)量定位原理<

74、/p><p>　　如圖2.6 所示，GPS衛(wèi)星圍繞地球運(yùn)行，某一時(shí)刻在S位置，衛(wèi)星信號(hào)在地面觀測(cè)點(diǎn)P被接受，P和GPS衛(wèi)星之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使P點(diǎn)接收的GPS載頻信號(hào)產(chǎn)生多普勒頻移。設(shè)衛(wèi)星能發(fā)射頻率為，接收機(jī)接收到的頻率為，衛(wèi)星和觀測(cè)點(diǎn)聯(lián)機(jī)方向上的徑向速度。</p><p><b>　?。?.5）</b></p><p>　　式中，為衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)速度，

75、為方向和方向的夾角。在P點(diǎn)收到的衛(wèi)星信號(hào)由于該點(diǎn)相對(duì)于S運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的多普勒頻移為</p><p><b>　　(2.6)</b></p><p>　　多普勒頻移引起接收機(jī)接收衛(wèi)星信號(hào)載頻的每秒相位周數(shù)增加或減少，把某一時(shí)間間隔內(nèi)增加或減少的相位周數(shù)用計(jì)數(shù)器累加起來(lái)，稱為多普勒積分。根據(jù)多普勒積分值，可以求得該時(shí)間間隔的起止時(shí)刻衛(wèi)星和測(cè)點(diǎn)的距離差。</p>

76、<p>　　圖2.6 多普勒頻移原理圖</p><p>　　GPS接收機(jī)接收衛(wèi)星信號(hào)，獲得衛(wèi)星軌道參數(shù)、時(shí)間和多普勒頻移三種信息。根據(jù)軌道參數(shù)確定衛(wèi)星位置；根據(jù)多普勒積分值，計(jì)算相應(yīng)時(shí)刻衛(wèi)星和觀測(cè)者的距離差。</p><p>　　如圖2.7所示，到某一衛(wèi)星在空間兩點(diǎn)S1、S2距離差一定值的點(diǎn)的軌跡，是一這兩點(diǎn)為焦點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)雙曲面。雙曲面與地球表面相交的曲線L12就是通過(guò)地球觀測(cè)

77、者的位置線。依次再測(cè)得衛(wèi)星在S2、S3 點(diǎn)，S3、S4 點(diǎn)……Sm、Sm+1點(diǎn)的距離差，就可以得到通過(guò)地</p><p>　　面觀測(cè)者的m條位置線，這些位置線的任意兩線的焦點(diǎn)就是觀測(cè)者的位置。</p><p>　　圖2.7 多普勒定位原理</p><p>　　2.2.3 GPS測(cè)速原理</p><p>　　通過(guò)對(duì)衛(wèi)星信號(hào)的多普勒頻移的測(cè)量

78、，列出4顆衛(wèi)星距離變化率方程。按照類似于求解用戶位置和鐘差的方程式，根據(jù)已經(jīng)測(cè)定的偽距和解得的用戶位置，可以求得用戶的三維速度和鐘差的變化率。將偽距方程變化為距離變化方程：</p><p><b>　　(2.7)</b></p><p><b>　　= 1,2,3,4</b></p><p><b>　　式中：&

79、lt;/b></p><p>　　——偽距變化率，由多普勒測(cè)量獲得；</p><p>　　——第顆衛(wèi)星位置坐標(biāo)；</p><p>　　——第顆衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)速度；</p><p>　　——用戶位置，由定位獲得；</p><p>　　——用戶速度，為未知數(shù)； </p><p>　　——用戶鐘差變化

80、率；</p><p>　　——傳播延遲誤差變化率，由導(dǎo)航電文得知；</p><p>　　——衛(wèi)星鐘鐘差變化率，近似為零。</p><p>　　2.3 GPS定位誤差分析</p><p>　　在GPS定位中，觀測(cè)量中所含有的誤差將影響定位參數(shù)的精度。本節(jié)將對(duì)GPS定位中出現(xiàn)的各種誤差進(jìn)行分析，研究它們的性質(zhì)，大小及其對(duì)定位精度產(chǎn)生的影響，同時(shí)

81、亦簡(jiǎn)要介紹消弱或消除這些誤差影響的措施和方法。各種誤差因素造成的對(duì)定位精度的影響對(duì)于民用C/A碼型接收機(jī)和軍用P碼型接收機(jī)來(lái)說(shuō)是不完全相同的。本文對(duì)GPS定位誤差的分析僅限于民用C/A碼型接收機(jī)。</p><p>　　2.3.1 衛(wèi)星時(shí)鐘誤差</p><p>　　GPS系統(tǒng)時(shí)鐘是主控站通過(guò)一組高精度的原子鐘及附加設(shè)備所產(chǎn)生。每一顆GPS衛(wèi)星也都配備一組原子鐘，衛(wèi)星鐘與GPS系統(tǒng)時(shí)保持同步

82、。衛(wèi)星鐘的同步是通過(guò)地面站測(cè)得的每一顆衛(wèi)星的星鐘相對(duì)于GPS系統(tǒng)時(shí)鐘的偏差，計(jì)算它們的校正參數(shù)并發(fā)送給衛(wèi)星，衛(wèi)星接收并存儲(chǔ)這些參數(shù)，然后通過(guò)導(dǎo)航電文向用戶廣播。用戶根據(jù)這些參數(shù)修正衛(wèi)星鐘誤差。盡管經(jīng)過(guò)修正，仍然存在剩余誤差，即同步誤差。同步誤差引起的等效測(cè)距誤差為1~3米。</p><p>　　對(duì)于衛(wèi)星鐘的這種偏差，一般可以通過(guò)對(duì)衛(wèi)星運(yùn)行狀態(tài)的連續(xù)監(jiān)測(cè)而精確地確定，并用鐘差模型改正。衛(wèi)星鐘差或經(jīng)鐘差模型改正后的殘

83、差，在相對(duì)定位中可以通過(guò)對(duì)觀測(cè)量的差分技術(shù)進(jìn)行消除。</p><p>　　2.3.2 星歷誤差</p><p>　　GPS地面監(jiān)測(cè)站不斷的對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行距離測(cè)定，確定衛(wèi)星空間位置并發(fā)送往主控站。主控站將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)處理后形成星歷表，通過(guò)注入站注入衛(wèi)星，存入衛(wèi)星的內(nèi)存。衛(wèi)星通過(guò)電文向用戶廣播，用戶由此計(jì)算出衛(wèi)星發(fā)射信號(hào)時(shí)的空間位置。</p><p>　　由于受到衛(wèi)星軌道攝

84、動(dòng)以及地面站的一些誤差因素的影響，衛(wèi)星星歷表會(huì)出現(xiàn)一些誤差，稱為星歷誤差。另外由于用戶接收到的星歷并非實(shí)時(shí)的，而是由某一時(shí)刻起的推算值，這又加大了星歷誤差。星歷誤差引起的測(cè)距誤差通常在2.5~7米之間。</p><p>　　為了盡可能削弱星歷誤差對(duì)定位的影響：一般常采用同步觀測(cè)求差法或軌道改進(jìn)法。</p><p>　　2.3.3 電離層和對(duì)流層的延遲誤差</p><p

85、>　　GPS衛(wèi)星發(fā)送的信號(hào)從衛(wèi)星傳播到地面用戶需要穿越大氣層，大氣層中的電離層和對(duì)流層使電波傳輸路徑和速度都發(fā)生變化，產(chǎn)生附加的電波傳播延遲。電離層是指高度位于60～1000千米之間的大氣層。電波在電離層中傳播，電離層引起的附加延遲與電波的頻率的平方成反比，并與電離層的電子濃度，觀測(cè)衛(wèi)星的仰角有關(guān)。白天因電離層電子濃度大，電波傳播附加延遲大；夜間因?yàn)闊o(wú)太陽(yáng)照射，電子濃度較低，電波傳播附加延遲減小。宏觀上來(lái)說(shuō)，白天電離層引入的傳播延

86、遲誤差近似成正弦變化。</p><p>　　對(duì)流層由于受地面溫度地形影響較大，是一種不均勻的大氣介質(zhì)。衛(wèi)星信號(hào)在對(duì)流層中傳播時(shí)，速度和方向都會(huì)發(fā)生改變，產(chǎn)生電波傳播附加延遲，延遲大小與大氣溫度、壓力及觀測(cè)衛(wèi)星仰角有關(guān)。當(dāng)衛(wèi)星仰角小于10度時(shí)，該延遲迅速增大；當(dāng)仰角小于5度時(shí)，因誤差過(guò)大，GPS接收機(jī)通常不對(duì)該衛(wèi)星進(jìn)行跟蹤。電離層和對(duì)流層引起的附加延遲誤差通常都可以通過(guò)一定的模型和主控站發(fā)送的修正參數(shù)進(jìn)行修正。修正

87、后的殘余誤差引起的測(cè)距誤差分別為2~15米和0.4~2米。</p><p>　　2.3.4 多徑誤差</p><p>　　多路徑效應(yīng)是指GPS用戶接收機(jī)除了直接接收到來(lái)自衛(wèi)星的信號(hào)以外，還接收來(lái)自其它路徑的該衛(wèi)星的二次輻射信號(hào)，這些信號(hào)的合成，使信號(hào)特征發(fā)生變化，形成測(cè)量誤差。該誤差的大小和天線位置、天線附近反射體的位置性質(zhì)等因素密切相關(guān)。多路徑效應(yīng)引起的測(cè)距誤差為2~4米。</p&

88、gt;<p>　　2.3.5 接收設(shè)備誤差</p><p>　　接收機(jī)的信道硬件性能不完全一致產(chǎn)生信道間的信號(hào)延遲誤差；對(duì)信號(hào)的處理過(guò)程，如量化過(guò)程引起的誤差等統(tǒng)稱為接收設(shè)備誤差。接收設(shè)備誤差引起的測(cè)距誤差通常為1.2~2.2米。表2.1列出了各項(xiàng)誤差因素引起的偽距測(cè)量誤差的估算值、誤差范圍和總的等效誤差。需要注意的是，隨著GPS技術(shù)的進(jìn)步，表中列出的各項(xiàng)誤差因素對(duì)測(cè)距誤差的影響會(huì)逐步減小。<

89、/p><p>　　表2.1 GPS偽距測(cè)量誤差預(yù)測(cè)值</p><p>　　2.3.6 GPS測(cè)速誤差</p><p>　　引起GPS定位誤差的因素也同樣適用于速度的測(cè)量誤差。接收機(jī)的動(dòng)態(tài)性能是影響速度測(cè)量的主要因素，接收機(jī)其它誤差源影響不大。接收設(shè)備動(dòng)態(tài)特性對(duì)速度測(cè)量的影響是由于它使接收設(shè)備鎖相跟蹤環(huán)路引入噪聲，產(chǎn)生虛假的多普勒頻移。高質(zhì)量的接收機(jī)的距離變化率誤差小，

90、引入的測(cè)速誤差也就比較小。</p><p>　　表2.2 給出距離變化率誤差分別為0.015和0.065時(shí)，三種置信度的用戶速度測(cè)量誤差</p><p>　　表2.2 GPS測(cè)速誤差</p><p>　　第3章 卡爾曼濾波理論</p><p>　　在本文第一章曾經(jīng)提到，利用卡爾曼濾波處理GPS定位數(shù)據(jù)是提高GPS定位精度的一種有效而實(shí)用的技

91、術(shù)。相比差分GPS技術(shù)，它不需要添加額外的硬件，降低了系統(tǒng)的復(fù)雜程度，降低了用戶成本，而且這是一種自主式定位技術(shù)，具有戰(zhàn)略上的意義。所以，卡爾曼濾波方法在GPS定位領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，并且不斷有新的研究成果問(wèn)世。</p><p>　　本章將簡(jiǎn)要介紹卡爾曼濾波的基本原理，是本論文研究工作的理論基礎(chǔ)。</p><p>　　3.1 卡爾曼濾波理論的工程背景</p><p>　　

92、在處理隨機(jī)系統(tǒng)的狀態(tài)的估計(jì)問(wèn)題中，有用信號(hào)和噪聲干擾都是隨機(jī)過(guò)程，二者在頻譜上可能有相當(dāng)大的重迭部分。因此，這時(shí)候如果仍然按照處理確定性信號(hào)的濾波問(wèn)題的方法，使用低通（或帶通等）濾波器等傳統(tǒng)濾波技術(shù)，難以從隨機(jī)信號(hào)中濾出隨機(jī)干擾。于是，在第二次世界大戰(zhàn)末期，針對(duì)防空戰(zhàn)斗的需要，在處理信號(hào)和噪聲都是功率譜固定的一維平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程的問(wèn)題中，提出了維納濾波理論，據(jù)此可以導(dǎo)出濾波器的最佳沖激響應(yīng)或傳遞函數(shù)。但是，在現(xiàn)代隨機(jī)信號(hào)處理中，信號(hào)和噪聲往

93、往是多維非平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程。因?yàn)槠鋾r(shí)變特性和不固定的功率譜等因素，使得維納濾波理論不再適用。為此，1960年提出了卡爾曼濾波理論。它拋棄了維納濾波理論使用的傳統(tǒng)的頻域處理方法，而采用時(shí)域上的遞推算法，在數(shù)字計(jì)算機(jī)上進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，開創(chuàng)了隨機(jī)估值濾波理論的新的道路。它具有以下特點(diǎn)：(1)處理對(duì)象是隨機(jī)信號(hào)。(2)被處理對(duì)象無(wú)有用和干擾之分，濾波是要估計(jì)出被處理的信號(hào)。(3)系統(tǒng)的白噪聲激勵(lì)和量測(cè)噪聲并非要濾除，而是估計(jì)所需要的統(tǒng)計(jì)特征。卡爾曼濾

94、波是一種遞推線性最小方差估計(jì)，它是一種數(shù)據(jù)處理技術(shù)，能將僅與部分狀態(tài)有關(guān)的量測(cè)值進(jìn)行處理，得出從統(tǒng)計(jì)意義上講，估計(jì)誤差最</p><p>　　自從卡爾曼濾波理論提出以來(lái)，就受到廣泛得關(guān)注，美國(guó)著名的“阿波羅”登月工程中對(duì)飛船的軌跡的估計(jì)問(wèn)題的成功解決就是卡爾曼濾波理論取得的第一次重大的成功。到今天為止，它已經(jīng)成為控制、信號(hào)處理與通信等領(lǐng)域最基本最重要的計(jì)算方法和工具之一，并且已經(jīng)成功地運(yùn)用到航空、航天、工業(yè)過(guò)程甚

95、至社會(huì)經(jīng)濟(jì)等廣泛領(lǐng)域。</p><p>　　3.2 卡爾曼濾波理論</p><p>　　本節(jié)將以離散時(shí)間線性隨機(jī)系統(tǒng)為例，來(lái)簡(jiǎn)要介紹卡爾曼濾波理論的基本思路和離散時(shí)間線性隨機(jī)系統(tǒng)的卡爾曼濾波遞推算法。</p><p>　　考慮如圖3.1所示的離散時(shí)間線性隨機(jī)系統(tǒng)</p><p>　　圖3.1 離散時(shí)間線性隨機(jī)系統(tǒng)</p>&l

96、t;p>　　其中,有下列假設(shè)條件：</p><p>　　假設(shè)一，和均為白噪聲序列，這時(shí)有</p><p><b>　?。?.1）</b></p><p>　　式中為p階非負(fù)定對(duì)稱陣；</p><p><b>　?。?.2）</b></p><p>　　式中為m階正定對(duì)稱

97、陣。</p><p><b>　　假設(shè)二，和獨(dú)立，即</b></p><p><b>　?。?.3）</b></p><p>　　假設(shè)三，為正態(tài)隨機(jī)變量，其一、二階矩為：</p><p>　　EX(0)=μX(0)， varX(0)=PX(0)

98、 （3.4）</p><p>　　假設(shè)四，和均與獨(dú)立，即</p><p>　　根據(jù)現(xiàn)行最小方差估計(jì)理論和正交投影定理及其理論，可以得出下列表達(dá)式：</p><p><b>　?。?.5）</b></p><p>　　下面分步驟簡(jiǎn)略推導(dǎo)出卡爾曼濾波遞推算法。</p><p>　　第一步，推求狀態(tài)

99、的一步最佳預(yù)報(bào)值的表達(dá)式。</p><p><b>　　（3.6）</b></p><p>　　式中，，是截止到第個(gè)采樣時(shí)刻的全部觀測(cè)結(jié)果。并利用了條件。</p><p>　　第二步，推求觀測(cè)的一步最佳預(yù)報(bào)表達(dá)式。</p><p><b>　?。?.7）</b></p><p&g

100、t;<b>　　式中，利用了條件。</b></p><p>　　至此，一步最佳預(yù)報(bào)誤差可以表達(dá)為：</p><p><b>　　（3.8）</b></p><p>　　根據(jù)正交投影定理(文獻(xiàn))可以得出最佳狀態(tài)估值表達(dá)式為:</p><p><b>　?。?.9）</b><

101、/p><p>　　第三步,推求狀態(tài)和觀測(cè)的一步最佳預(yù)測(cè)誤差相關(guān)陣表達(dá)式。</p><p><b>　?。?.10）</b></p><p>　　第四步，推求觀測(cè)的一步最佳預(yù)測(cè)誤差方差陣表達(dá)式。</p><p><b>　?。?.11）</b></p><p>　　至此，由正交投影

102、定理得：</p><p><b>　?。?.12）</b></p><p>　　第五步，推求狀態(tài)的一步最佳預(yù)報(bào)誤差方差陣表達(dá)式。</p><p><b>　　（3.13）</b></p><p><b>　　所以</b></p><p><b>

103、;　　（3.14）</b></p><p><b>　　式中利用了條件</b></p><p>　　第六步，推求狀態(tài)的一步最佳濾波誤差方差陣表達(dá)式。</p><p><b>　?。?.15）</b></p><p>　　而誤差方差矩陣表達(dá)式為：</p><p>&

104、lt;b>　?。?.16）</b></p><p>　　綜上所述，式（3.6）~（3.16）組成了完整的卡爾曼濾波遞推算法:</p><p><b>　　（3.17）</b></p><p>　　啟動(dòng)遞推算法所需的濾波初值一般分別設(shè)定為狀態(tài)初值的一、二階矩：</p><p><b>　　.&l

105、t;/b></p><p>　　圖3.2 卡爾曼濾波遞推算法流程圖</p><p>　　整個(gè)卡爾曼濾波遞推算法的流程圖如圖3.2 所示。可以看出，卡爾曼濾波的遞推算法其實(shí)就是一種“一步預(yù)報(bào)——修正”的循環(huán)漸進(jìn)的過(guò)程。</p><p>　　第4章 卡爾曼濾波在GPS定位中的應(yīng)用</p><p>　　4.1卡爾曼濾波在GPS定位中的應(yīng)用概

106、述</p><p>　　從前面幾章的介紹中可以看到，為了充分發(fā)揮GPS定位功能的作用，拓寬GPS的應(yīng)用領(lǐng)域，必須盡可能的提高GPS的定位精度。而差分GPS（包括廣域差分WGPS）技術(shù)雖然可以較為有效的達(dá)到這一要求，但是由于其需要建設(shè)基站，不僅大大增加了投入，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，而且從戰(zhàn)略上來(lái)看，這種非自主式的定位方式也必然存在著一定的安全隱患；而客戶端必須配備通訊模塊以接收基站信息的特點(diǎn)也大大增加了用戶的成本。因

107、此，研究提高GPS定位精度的自主式的方法就提上了日程。</p><p>　　卡爾曼濾波理論自從提出以來(lái)，在各個(gè)工程領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用，特別是在信號(hào)處理和控制領(lǐng)域已經(jīng)成為最重要也是最基本的計(jì)算方法和工具之一。近十幾年來(lái)，卡爾曼濾波理論在GPS動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)處理與導(dǎo)航計(jì)算領(lǐng)域也得到了深入研究和廣泛應(yīng)用。</p><p>　　卡爾曼濾波器可以通過(guò)量測(cè)結(jié)果對(duì)估計(jì)結(jié)果進(jìn)行不斷的修正來(lái)得到最優(yōu)估計(jì)，且其采

108、用時(shí)域上的遞推算法，簡(jiǎn)單易行，所以將卡爾曼濾波理論應(yīng)用于GPS動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)處理和導(dǎo)航計(jì)算是很自然合理的結(jié)果。但是卡爾曼濾波算法的使用條件也是比較苛刻的，它要求：</p><p>　　第一， 目標(biāo)系統(tǒng)的狀態(tài)方程和觀測(cè)方程是線性的并且不存在模型不匹配的現(xiàn)象。</p><p>　　第二， 初始狀態(tài)和噪聲模型的先驗(yàn)統(tǒng)計(jì)特性都服從方差已知的零均值高斯分步。</p><p>　　如

109、果上述條件不能滿足的話，濾波結(jié)果一般就不是最優(yōu)的。另外由于計(jì)算機(jī)字長(zhǎng)有限的原因，使用軟件進(jìn)行卡爾曼濾波遞推計(jì)算的時(shí)候，有可能會(huì)發(fā)生計(jì)算舍入誤差過(guò)大，破壞卡爾曼濾波算法的計(jì)算條件而引起濾波發(fā)散的情況。這時(shí)，看起來(lái)預(yù)測(cè)誤差方差陣漸趨近于零，但是實(shí)際上濾波結(jié)果卻和真實(shí)值越差越大，完全失去了濾波的作用。</p><p>　　所以，將卡爾曼濾波應(yīng)用于GPS動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)處理和導(dǎo)航計(jì)算的時(shí)候，必須要結(jié)合GPS定位數(shù)據(jù)自身的特點(diǎn)，分