（通信与信息系统专业论文）基于gps定位和电子地图的最佳路径搜索.pdf

摘要 智能交通系统( i t s ) 是现代交通发展到一定阶段的必然产物，也是国际交 通发展的大趋势。g p s 车辆导航系统借助g p s 卫星和电子地图给用户提供当前的 位置和速度以及周围环境的信息，引导驾驶员快速准确的到达目的地。导航系统 是n s 的重要组成部分，而g p s 定位则是导航的基础。 本文介绍了g p s 的组成部分及其定位原理；简要说明了电子地图的结构和原 理和电子地图中的属性信息；论述了定位的误差来源及地图匹配的必要性，对地 图匹配的原理和常用的方法作了分析和总结，并简述了如何判断匹配的正确性； 详细说明了路径规划的必要性和原理，d i j k s t r a 算法的原理和具体实现，并用 d i j k s t r a 算法实现了基本的最短路径搜索功能并在此基础上实现了最佳路径搜索。 关键字：g p s 电子地图d i j k s t r a 算法最佳路径 a b s t r a c t t h ei n t e l l i g e n t t r a n s p o r t a t i o ns y s t e m ( i t s ) i st h en e c e s s i t yo u t c o m eo ft h e p r o g r e s so fm o d e mt i m e st r a f f i c , a n da l s oi s t h et e n d e n e co ft h ei n t e r n a t i o nt r a f f i c d e v e l o p m e n t t h eg p s v e h i c l en a v i g a t i o ns y s t e ms u p p l yt h ed r i v e r sw i t ht h e i rp o s i t i o n , d i r e c t i o na n dt h es u r r o u n d i n gi n f o r m a t i o nf o rt h e i rf a s ta n da c o u r a t ea r r i v a lb yt h ea i d o fg p ss a t e l l i t ea n de l e c t r o n i cm a p t h eg p sv e h i c l en a v i g a t i o ns y s t e mi sai m p o r t a n t c o m p o n e n to f t h ei t s ，a n dg p sp o s i t i o ni st h eb a s i co f n a v i g a t i o n t h i sp a p e ri n t r o d u c e dt h ec o m p o s eo ft h eg p sa n di t s p o s i t i o nt h e o r y e x p l a i n e dt h es t r u c t u r ea n dt h ep r o p e r t yi n f o r m a t i o no fe l e c t r o n i cm a p 。d i s c u s st h e s o u r c eo ft h ep o s i t i o ne r r o ra n dt h en e c e s s a r yo fm a pm a t c h i n g , a n a l y z ea n ds u m - u p t h ep r i n c i p l ea n dt h em e a n so fm a pm a t c h i n g , a n dh o wt oe s t i m a t et h er e s u l to fm a p m a t c h i n g p a r t i c u l a re x p l a i nt h et h e o r yo ft h ep a t hp r o g r a m m i n g ，a n dt h ep r i n c i p l ea n d t h er e a l i z a t i o no fd i j k s t r aa l g o r i t h m i c ，r e a l i z et h es h o r t e s tp a t hs e a r c ha n dt h eb e s t p a t hs e a r c hb yt h ea i do fd i j k s t r aa l g o r i t h m i c k e y w o r d s ：g p s e l e c t r o n i cm a p s d i j k s t ma l g o r i t h m i c b e s tp a t h s e a r c h 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或其 它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的 任何贡献均己在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处， 本人签名：主：，：j 本人承担一切相关责任。 日期? 。丘、2 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生 在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕业 离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。学 校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文：学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。( 保密的论文在 解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。 本人签名 导师签名 彳一? 、_ j ，。， # 瞄丢一 r 期弦。# 、t 2 日期塾。u 兰 第一章绪论 第一章绪论 导航( n a v i g a t i o n ) ，“n a v i g a t i o n ”原意为航行的意思。它源于海洋船舶航行， 初始形式是罗盘领航和天文导航，此后发展到陆地车辆和航空飞行器的行驶。以 致“n a v i g a t i o n ”被译为领航或导航。广而言之，导航是实时地测定运动载体在运 动中的位置和速度，引导运动载体沿一定的路线最快的或最经济地到达目的地。 卫星导航，是接收导航卫星发送的导航定位信号，并以导航卫星作为动态已知 点，实时地测定运动载体的在航位置和速度，进而完成导航。在第一颗人造地球 卫星于1 9 5 7 年1 0 月入轨运行的次年，美国科学家们就开始了卫星导航系统的研 究，人造地球卫星的最重要的应用，就是全球无线电导航。1 9 6 3 年1 2 月，第一颗 导航卫星的入轨运行，开创了陆海空卫星无线电导航的新时代。1 9 9 4 年，月，第 二代卫星导航系统“g p s 卫星全球定位系统”的全面建成，不仅导致无线电 导航一场深刻的技术革命，而且为大地测量学、地球动力学、地球物理学、天体 力学、载人航天学、全球海洋学和全球气象学提供了一种高精度和全天候的测量 新技术。今天，g p s 已成为名符其实的跨学科、跨行业、广用途、高效益的综合 性高新技术i l i 。 1 1 课题研究的意义 随着道路条件的改善，特别是高速路的建设，要求对交通中的各项要素综合 考虑。2 0 世纪4 0 年代与5 0 年代的交通工程学研究已经开始注意人车一路的相互影 响问题。但是自5 0 年代“汽车化时期”以来，汽车数量的快速增长和道路的慢速 建设、道路堵塞、交通事故、环境污染、能源浪费的现象在世界范围内变得越来 越严重。据美国运输统计局的预测结果，到2 0 2 0 年，美国每天的交通事故将达到 2 9 8 3 8 起，重大事故也将达到1 8 5 起，由此造成的经济损失每年将超过1 5 0 0 亿美 元。据得克萨斯州运输研究所对美国3 9 个主要城市的研究表明，每年因交通过分 拥挤造成的经济损失约为4 1 0 亿美元，1 2 个最大城市的研究表明，每年的损失超 过1 2 亿美元，而且汽油大量的浪费，汽车的废气排放量成倍增加，造成严重的环 境污染。因此，从2 0 世纪6 0 年代末开始，世界各国的交通工程师逐渐利用飞速 发展的电子、信息、系统工程等高科技手段来改善交通状况，将信息技术和交通 系统结合起来研究交通四要素的时空关系。大约历经了2 0 余年的时间，相继在世 界范围内建立了新型交通系统，由此产生智能交通系统的概念，相应地一些试验 系统和实际应用系统已经在世界许多国家和地区取得了良好的经济和社会效益1 2 1 。 基于g p s 定位和电子地图的最佳路径搜索 智能交通系统( i t s ) 能够在现有的道路设施、交通状况下，很好的对车辆进 行管理和调度，按照驾驶员的需求给出足够的信息。如图1 1 所示，在g p s 定位 和电子地图的基础上给驾驶员提供最佳的路径，很大程度上方便了用户的出行， 让用户避开交通比较拥挤的路段，既能使用户很快的到达目的地，又能减轻道路 的拥塞状况。让警车、救护车等比较特殊的车辆得到很好的调度，在很短时间内 到达目的地。所以说i t s 能极大地提高交通运输的效率和能源的利用率，也减轻 了对环境的污染。车辆导航系统就是按照用户的需求，准确、快速的给出最合适 的路径，是i t s 的关键。因此，g p s 导航系统的研究有着重要意义。 厂g 而卜叮一赢藩f 一，。j = 一 二 l 路径规划卜一地图匹配l i 一 。1 二一工二 导航电子地图 图1 1g p s 车辆导航系统原理图 1 2 国内外发展状况 车辆导航系统的概念最初起始于六十年代末，当时采用航位推算地图匹配技 术实现车辆的定位和导航。航位推算系统通常由里程表、角速率陀螺等组成，航 位推算容易产生误差积累，而其定位精度低，所以需要用电子地图来进行地图匹 配，但是尽管如此，航位推算的误差还是比较大，对于动态定位的精度较低，其 实用性受到很大的限制【3 l 。 八十年代末，随着g p s 定位技术的广泛运用，g p s 技术很快在车辆定位和导 航中得到了应用。只要安装了g p s 接收机，地球上的任何一个目标在任何时间都 能得知其三维坐标、速度和准确的时间，由此就能得到车辆的准确位置、速度和 运动方向。但是，g p s 定位也有他的缺点，g p s 接收机的定位精度受到卫星信号 和车辆附近道路状况的影响很大，当车辆行驶在隧道或者高层建筑附近时，接收 机不能接收到正常的卫星信号，从而无法进行定位和导航。因此，g p s 定位导航 系统也存在定位精度有时突然偏低、可靠性不高的问题。 从九十年代开始，国外进行g p s 组合导航技术在车辆导航中应用的研究。国 外几家公司已经提出了自己的车辆导航系统，如法国的c a r m i n a t 车辆组合导航 及信息系统，日本s u m i t o m o 电子公司研制的s u m i t o m o 汽车电子导航系统， 美国f o r dm o t o r 公司提出的i v h s 智能车辆道路系统等。 目前车辆导航技术最发达的是美国、日本和欧洲。日本在1 9 9 6 年发起了智能 司垦 第一章绪论 交通系统综合促进规划，将所有应用研究项目和发展计划综合在一起，提出了“智 能车智能道路，智能枢纽”的橛念，期望推动包括先进交通系统、道路收费系统、 安全驾驶系统和动态实时交通引导系统等在内的核心技术的发展。 2 0 世纪6 0 年代末，美国公路局提出了一种电子路径引导系统，具有无线路径 引导功能，用于控制和疏通交通，该系统被视为美国i t s 的开始。这种系统车辆 和道路是分离的，交通控制与监视分开单独进行。在i v h s 中，车辆和道路需要双 向交换信息，车与路集成为一体。1 9 9 4 年i v i - i s 更名为i t s ，其实施战略是通过实 现面向2 1 世纪的“公路交通智能化”，从根本上解决和减轻事故、低效率、浪费 能源等交通中的各种问题。 欧洲的i t s 试验大规模实施起来是从8 0 年代中期开始的。1 9 8 8 年由欧洲十多 个国家投资5 0 多亿美元，联合执行一项旨在完善道路设施，提高服务质量的d r i v e 计划，其含义是欧洲用于车辆安全的专用道路基础设施，计划在全欧范围内建立 专门的交通无线数据通信网。 我国在g p s 车辆导航方面的研究始于9 0 年代中后期，g p s 导航产品发展速度 较快，已有近百家的国内产商推出了汽车用的g p s 产品，比如“天行者”。但是我 国的研究和开发还都是就某一地区城市进行的，全国范围的i t s 研究计划还没制 定，用户并不能通过那些g p s 产品获得足够的调度信息。i t s 研究才刚刚起步， 不过我国政府非常重视i t s 的研究和开发，科技部已经正式将i t s 列入了中国高 新技术开发和产业计划，而且协同交通部、公安部、建设部、铁道部、信息产业 部和许多研究机构共同开发与研究。 1 3 主要工作和论文的安排 本人在课题的研究过程中主要作了下述工作： ( 1 ) 翻阅资料详细了解了g p s 的各个组成部分、g p s 定位原理、g p s 定位 的误差分析以及卫星信号的数据结构； ( 2 ) 详细研究了g p s 定位后地图匹配的方法； ( 3 ) 在m a p l n f o 中对电子地图的层结构和数据结构进行了详细研究，实现导 航电子地图的基本功能； ( 4 ) 在v b 中实现了g p s 车辆导航的最短路径搜索，并在此基础上实现了最 短时间路径搜索； ( 5 ) 了解了d g p s ，以及结合g s m 通信的车辆定位系统。 本文一共5 章，各章的内容安排如下： 第一章大致介绍了g p s 导航系统，对课题的研究背景、研究意义和发展状 4 基于g p s 定位和电子地图的最佳路径搜索 况进行了大概的介绍； 第二章对g p s 全球定位系统的组成和原理进行了详细的介绍； 第三章较简单的介绍导航电子地图；详细论述了地图匹配的原因、主要方 法，以及如何判断匹配的结果是否可靠； 第四章详细介绍了路径规划的作用、原理和方法；详细说明了d i j k s t r a 算法 的原理和具体实现，通过对电子地图数据的分析，在v b 环境下结合m a p i n f o 使用 d i j k s t r a 算法实现了最短路径和最佳路径搜索； 第五章对全文进行了总结和对车辆导航系统的展望。 第二章g p s 全球定位系统的基本原理 第二章g p s 全球定位系统的基本原理 2 1 1g p s 的产生 2 1g p s 系统简介 1 9 7 3 年1 2 月，美国国防部批准它的陆海空三军联合研制一种新的军用卫星导 航系统n a v i g a t i o nb ys a t e l l i t et i m i n ga n dr a n g i n g ( n a v s t a r ) g l o b a lp o s i t i o n i n g s y s t e m ( g p s ) ，我们称之为g p s 卫星全球定位系统，简称为g p s 系统，它是美国国 防部第二代卫星导航系统。该系统由三部分构成：g p s 卫星星座( 空间部分) ，地 面控制部分( 控制部分) 和g p s 信号接收机( 用户部分) 。g p s 系统的全部投资为 3 0 0 亿美元，计划分配在方案论证、工程研制和生产作业3 个研制阶段上。工程研 制阶段，主要是发射g p s 试验性卫星，检验g p s 系统的基本性能，为生产作业阶 段发射g p s 工作卫星做全面的技术准备。 1 9 7 8 年2 月2 2 日，第一颗g p s 试验卫星的发射成功，标志着工程研制阶段 的开始。1 9 8 9 年2 月1 4 日，第一颗g p s 工作卫星的发射成功，宣告g p s 系统进 入了生产作业阶段。g p s 系统经过1 6 年来的发射试验卫星，到开发g p s 信号应用， 进而发射工作卫星，终于在1 9 9 4 年3 月建成了信号覆盖率达到9 8 的g p s 工作星 座。 在g p s 系统设计之初，美国国防部的主要目的是，g p s 系统能够在陆海空3 个领域内提供实时、全天候和全球性的导航服务，并用于情报收集、核爆检测和 应急通信等一些军事目的。但是，对g p s 试验卫星的应用开发表明，g p s 系统不 仅能够达到上述目的，而且用g p s 卫星发送的导航定位信号( 简称为g p s 信号) 能够进行厘米级精度的速度测量和毫微秒级精度的时间测量，因此，g p s 系统展 现了极其广阔的应用前景。 g p s 系统的广泛应用，不仅吸引着不同行业科学家们的热心研究和开发，而 且激起了g p s 信号接收机制造厂商们的激烈竞争。对于世界各国的广大用户而言， 使用g p s 信号的关键设备是，能够接收、跟踪、变换和测量g p s 信号的接收机。 称之为g p s 信号接收机。它已成为一些电子仪器厂家竞相生产的高技术电子产品， 目前国际上约有5 9 个厂家生产着3 4 2 种用途广泛的g p s 信号接收机，我国机械电 子工业部第2 0 研究所和深圳华达电子有限公司也研制成功了几种型号的g p s 信号 接收机，步入了g p s 信号接收机的制造行列。据报道，在1 9 9 1 年的海湾战争中， 以美国为首的多国部队购买了用于陆海空三军的1 7 0 0 0 多台g p s 信号接收机，5 0 0 0 6 基于g p s 定位和电子地图的最佳路径搜索 多台手持式c a 码商品接收机，8 0 0 0 多台轻小型接收机，4 0 0 0 多台军用接收机。 他们实用后的结论是：g p s 是作战武器的效率各增器，g p s 是赢得海湾战争的重 要技术条件之一。至于g p s 信号接收机在民问的应用，则是一个难以用数字预测 的广阔天空。例如，日本已将g p s 景点导航系统安装在旅游汽车上，实时地为游 客们介绍已入景区的风光和景点；英国人研制成功了g p s 联合收割机系统，它的 g p s 信号接收机不仅用于引导收割，而且辅助检测农田作物的产量，因此，深受 农场主们的青睐。 综观情况，g p s 卫星导航定位技术，能够准确地回答：我在那里? 你离我多 远? 现在何时? 我走的多快? 有否倾斜? 因此，g p s 信号接收机的应用，上至航 空航天器，下达导游、摄影、通信和农业生产，已经“无孔不入了”。 2 1 2g p s 系统的特点 g p s 全球定位系统是美国研制并建立的新一代精密星基无线电导航系统。它 的主要特点是1 4 1 ： ( 1 ) 全球连续覆盖。由于g p s 卫星数目比较多且分布合理，在地面上的任何 比较开阔的地点和近地的天空中都可以连续同时观测到至少4 颗卫星( 隧道和高 楼附近可能会接收不到信号) 。 ( 2 ) 功能多，精度高。g p s 可为各类用户连续地提供动态目标的位置、速度 信息。利用c a 码单点定位精度可达到1 4 m ( 无s a 影响的情况下) ，测速精度可 以达到0 3m s 。利用p 码单点定位精度可达到3 m ，测速精度可以达到0 1m s 。 如果采用差分定位方法，则利用c a 码定位精度可以达到5 m ，利用p 码能达到l m 。 ( 3 ) 实时性。由于g p s 系统可为用户精确、连续的提供动态目标的经纬度和 速度，定时定位的速度快。用户可以根据这些信息实时地监控和修正航行路线， 并根据需求选择最佳航线。 由于g p s 采用了伪码扩频通信技术，因而所发送的信息具有良好的抗干扰性 和保密性。g p s 系统一旦工作，就不断地向全球发送导航电文。这是一种可供无 数用户共享的信息资源，可以说，g p s 已成为世界范围内应用最为广泛的卫星导 航系统，有关g p s 系统的应用技术研究和相关设备的开发在短时间内也得到了迅 速发展。 2 1 3g p s 政策 美国政府建立g p s 的首要目的是提供个精密的军用导航系统。以维持其军 事优势，g p s 的民用只是副产品。为此，美国政府在g p s 设计中计划提供两种服 第一二章g p s 全球定位系统的基本原理 务：一种为精密定位服务( p p s ) ，利用p 码进行定位，只提供本国及其盟国的军 方和特定的民间用户使用，估计其定位精度为1 0 m ；另一种为标准定位服务( s p s ) ， 利用c a 码定位，提供民间用户使用。由于o a 码作为捕获p 码之前的前导码， 是一种粗捕获的明码，因此估计s p s 定位精度约为4 0 0 米。但g p s 试验卫星阶段 的多次试验结果表明，实际定位精度远远高于预测值。利用c a 码的定位精度达 到了1 4 m ，利用p 码的定位精度达到了3 m 。这个出乎意料的结果促使美国军方 认真评估允许民间用户使用c a 码定位带来的影响。于是根据前总统里根1 9 8 3 年 5 月的决策，1 9 8 4 年确立了保护国家安全的两大政策，即防止敌对势力对p 码信 号进行干扰的a s ( a n t i s p o o f r a g ) 政策和降低c a 码定位精度的s a ( s e l e c t i v e a v a i l a b i l i t y ) 政策。 虽然g p s 实质上是一个军用系统，但近年来其民事应用技术的发展却大大超 过了军事应用。随着民间应用开发的不断深入，对定位精度的要求也不断提高， 于是具有较高定位精度的差分g p s ( d g p s ) 技术和广域差分g p s ( w a d g p s ) 技 术应运而生，这些技术的应用将使s a 基本失去作用。同时随着国际用户的增加， 改善c a 码定位精度的要求也日益迫切，如果美国政府不作出让步，有些国际机 构已经具备建立自己的g p s 的经济和技术实力，正在建立类似的系统，如俄国的 g l o n a s s 系统、欧洲全球卫星覆盖业务w b s a ，这将使美国在军事和技术上失 去优势，在经济上蒙受损失。因此，美国政府已于2 0 0 0 年5 月宣布暂时取消s a 政策，这一举动无疑将进一步扩展g p s 的应用范围。 另外，美国政府还希望在2 1 世纪内将导航系统全面向基于空间技术的系统转 变，为此，需要增强g p s 的性能，如提高系统的可靠性和精确性，扩大覆盖面积， 增强信号强度等。具体措施包括：增加在轨卫星数目，由现在的2 1 + 3 颗增加到3 0 颗，保证地球上的每个点能接收到的卫星数不少于5 颗，覆盖面积扩大到南北极、 丛林地带以及2 倍的地球同步轨道高度空间；逐步回收b l o c k i i i n ，研制第三代 g p s 卫星b l o c k i if ，预计今年内发射第一颗，为加载第二民用o f a 码和增设第三 民用频率做好充分准备；加强建立民用广域差分系统w a a s 和军用差分增强系统 w a g e 。尽管如此，美国政府绝对不会放弃其军事上的优势，一旦别国对其构成威 胁，美国就可能宣布有权改变g p s 信号结构或对其重新加密。即使在和平时期， 美国也将采取措施，对广域差分信号进行加密，以防止敌对国的使用。因此，美 国政府的g p s 政策是双重性的：一方面，为了最大程度地获取经济利益，鼓励国 际应用；另一方面，为了维护其军事上的优势，对g p s 进行垄断。 总之，g p s 系统将越来越国际化，定位精度也会更高、更可靠。能使全球的 用户都很方便的得知自己当前的位置。g p s 信号接收的方便也使得车辆导航系统 能为大多数的人使用。 8 基于g p s 定位和电子地图的最佳路径搜索 2 2g p s 的组成 g p s 由3 大主要部分组成：空间卫星部分、地面控制系统和用户接收系统。 2 2 1g p s 空间卫星 g p s 卫星是由洛克韦尔国际公司卫星空i 日j 部研制的，卫星重约7 7 4 k g ，能发射 厶和工，两个波段的信号，其波束方向能覆盖半个地球。g p s 卫星上采用了铯原子 钟作为频率标准，保证了所有卫星能够在个月或更长的时间内独立工作而无需 地面校正，也保证了定位的精确性。 2 1 + 3 颗卫星分布在互成6 0 度的6 个椭圆形轨道面上，轨道倾角为5 5 度，每 个轨道面上布设4 颗卫星，如图2 1 所示。卫星轨道的长半轴为2 66 0 9 k i n ，偏心 率为0 0 1 ，卫星运行高度为2 02 0 0 k i n ，运行周期为1 2 h 。此轨道参数能保证卫星 信号覆盖地面面积3 8 ，地球上任何一点任何时刻均能够同时观测到至少4 颗g p s 卫星。卫星运行到轨道的任何位置上，对地面的距离和波束覆盖面积基本上不变。 在波束覆盖区域内，用户接收到的卫星信号强度近似相等，即用于定位的卫星信 号信噪比近似相等。 图2 1g p s 空同卫星的分布示惹图 g p s 卫星的作用是向广大用户连续不断地发送导航信号( 又称g p s 信号) ，并 用导航电文报告自己的现时位置以及其他在轨卫星的概略位置；接收地面主控站 通过注入站发送卫星的调度命令如实时地改正运行偏差，或者启用备用时钟等命 令；在飞越注入站上空时，接收由地面注入站用s 波段发送到卫星的导航电文和 其他相关信息，并通过g p s 信号实时地发送给广大用户。g p s 卫星在空间的分布 如图2 1 所示。 第二章g p s 全球定位系统的基本原理 9 2 2 2 地面控制部分 g p s 地面控制部分主要用来测量和计算每颗卫星的星历，编辑成电文发送给 卫星，即卫星所提供的广播星历。地面控制部分由1 个主控站、3 个注入站和5 个 监控站组成。主控站位于c o l o r a d os p r i n g s 的联合空间执行中心，3 个注入站分别 设在大西洋、印度洋和太平洋的3 个美军基地内，即大西洋的a s c e n s i o n 岛、印度 洋的d i e g oc a r c i a 岛和太平洋的k w a j a l e i n 岛，5 个监控站设在主控站和3 个注入 站以及h a w a i i 岛。 监控站是数据采集中心，其任务是对每颗卫星进行连续不断的观测，并在主 控站的控制下定时将观测数据送往主控站。5 个监控站提供的观测数据形成了g p s 卫星实时发布的广播星历，主控站的任务是提供g p s 的时间基准，控制地面部分 和卫星的正常工作，包括处理由各监控站送来的数据，编制各卫星星历，计算各 卫星钟的钟差和电离校正等参数，并将这些导航信息送给注入站；控制卫星运行 轨道、启用备用卫星。注入站的任务是在卫星通过其上空时，把导航信息注入卫 星，并负责监控信息的正确性。 2 2 3 用户接收机部分 上述两大部分是由专门机构投资建立、维护和运行的，一旦工作，将不间断 地提供导航信息，该信息可供所有具有g p s 接收机的用户使用。g p s 接收机的基 本构成如图2 2 所示，由天线单元和接收单元两部分组成。 图2 2g p s 接收机的基本构成 天线单元由接收天线和前置放大器组成。接收天线有：定向天线、偶极子天 l o 基于g p s 定位和电子地图的最佳路径搜索 线、微带天线、螺旋天线等。接收单元包括信号通道单元、存储单元、计算和显 示单元、电源4 部分，其中主要是信号通道单元，通常由软件和硬件组成，每一 通道在某一时刻只能跟踪一颗卫星，当此卫星被锁定后便占据该通道，直到失锁 为止。目前广泛应用于g p s 接收机中的为并行多通道技术，即一个g p s 接收机可 同时跟踪多颗卫星，同时锁定多颗卫星，大大缩短了定位时间。 g p s 接收机能接收到至少4 颗g p s 卫星，进行分析计算初步得到目前接收机 所在的经纬度坐标、速度等基础信息。g p s 导航的一切工作都是在这些基础信息 的基础上进行的。 2 3g p s 卫星信号的构成 g p s 卫星信号是由低码率导航电文( d 码) 经过二级调制( 扩频) 形成的， 如图2 3 所示。先以5 0 h z 的d 码调制p 码或c a 码( 码率为1 0 2 3 m h z 或 1 , 0 2 3 m h z ) ，得到的组合码再去调制l 波段的载波，实现d 码的第二次调制， b 1 02 橐3 m h e 1 二0_ z l，。，。一 i 1 5 4 l，t 一主一1 彻l 叫饼，笼舭：。盟童p ，l m q |j 。 厂面面 _ 致痢瓣毓啊i 乌晒面 图2 3g p s 卫星信号形成示意图 形成向用户发送的已调信号。g p s 信号使用两种载频，厶载波为1 5 7 5 4 2 m h z ，用 于p 码及c a 码两种码的调制；厶载波为1 2 2 7 6 m h z ，仅用于p 码的调制1 5 1 。 在厶载频上由数据流和两种伪随机码分别以同相和正交方式进行调制，信号 结构为： s “ = 4 。只( f ) d i ( t ) c o s ( t o l l 件疵) + a cc i d i ( f ) s i n ( 哟l f + 哦) ( 2 - 1 ) 在工，载频上，只有p 码进行双相调制，其信号结构为： s 2 ( f ) = 啡只0 d i ( t ) c o s ( t o l 2 f + 如) ( 2 2 ) 式中 a 。，b ，4 分别为p 码和c a 码的振幅： 只( o ，c 。( f ) 分别为p 码和c a 码； d j ( f ) 为数据流： 第二章g p s 全球定位系统的基本原理 吮。，眈：为载波上1 和l ：的角频率； 疵，戎为信号的起始相位。 c a 码是由m 序列优选对组合码形成的go l d 码( g 码) 。用两个1 0 级反馈移 位寄存器相组合可产生1 0 2 3 种不同结构的c a 码，这些相异的c a 码，其码长、 周期和数码率均相同：码长为2 ”1 = 1 0 2 3 ；码元宽度= 1 1 0 2 3 m h z = 0 9 7 7 5 2 s ( 相 应距离为2 9 3 1 m ) ，周期为l m s ：数码率= 1 0 2 3 m b i t s 。c a 码的码长很短，易于捕 捉，通过捕获c 舱码所提供的信息，又能够进一步捕获p 码，因此c a 码又称捕 获码。不同的卫星具有不同的c a 码，g p s 依此来区分不同的卫星及其信号。在 g p s 定位和导航中，为了捕获c a 码以测定卫星信号传播的时延，通常需要对c a 码逐个搜索。c a 码的码元宽度较大，假设两个序列的码元对齐误差为码元宽度的 1 1 0 0 1 1 0 ，则这时相应的测距误差可达2 9 3 2 9 3 m ，精度较低，所以c a 也称粗 码1 6 1 7 1 。 p 码的产生原理与c a 码相似。p 码的特征有： ( 1 )码长为2 3 5 4 6 9 5 9 2 7 6 5 0 0 0 b i t ： ( 2 ) 码元长度为1 1 0 2 3 m h z = 0 0 9 7 7 5 2 口s ( 相应距离为2 9 3 1 m ) ； ( 3 )周期为2 6 6d 9 h 4 5 r a i n 5 5 5s ； ( 4 ) 数码率为1 0 2 3 m b i 埔。 数据码( d 码) 由地面监控系统生成，又称导航电文，它包括：卫星星历、时钟 改正、电离层时延改正、大气折射改正、轨道摄动改正、卫星工作状态以及c a 码转换到捕获p 码的信息。导航电文的格式为：主帧、子帧、字码和页码，其基 本单位是长达1 5 0 0 b i t 的一个主帧，其传输速率是5 0 b i t s 。每个主帧包括5 个子帧。 前3 个子帧各有1 0 个码字，每个码字3 0 b i t ；第4 、5 码字各有2 5 个页面，共有 1 5 0 0 0 ( = 2 5 + 3 0 0 + 2 ) b i t 。一帧完整的电文共有3 7 5 0 0 b i t ，用时长达1 2 5 r a i n 。图 2 4 为导航电文格式示意图。 子帧。3 0 a 图2 4 导航电文格式示意图 每帧导航电文中各子帧的主要内容如图2 5 所示。 ( 1 ) 遥测字( t l m t e l e m e t r y w o r d ) ，位于各子帧的开头，作为捕获导航电文 的前导，其中所含的同步信号为各子帧提供了一个同步的起点，使用户便于识别 电文数据。 1 2 基于g p s 定位和电子地图的晟佳路径搜索 军黼县 l 一个子帧6 秒长度，1 0 - - j 趴，一 个字每个7 3 0 比特一叫 j 1 t l _ m h o w 数据块1 4 , 时修正参数 2 t l | h o w数据块星历表 1 帧 3 0 * 4 3 删h o w 数据块i l 卫星历书等 5 0 0 比特 4 t l mh o w 数据块1 n 卫星历书等 5 t l m h o w数据块i i i 卫星历书等 图2 5 一帧导航电文的内容 ( 2 ) 交换字( h o w - h 卸do v e rw o r d ) ，紧接着各子帧开头的遥测字，主要是 向用户提供用于捕获p 码的z 计数。所谓z 计数是从每星期六星期日子夜零时起 算的时间计数，它表示下一子帧开始瞬问的g p s 时。通过交换字可以实时地了解 观测瞬时在p 码周期中所处的准确位置，以便迅速地捕获p 码。 ( 3 ) 数据块i ，含有关于卫星钟改正参数及其数据龄期、星期的周数编号以 及电离层改正参数和卫星工作状态等信息。 ( 4 ) 数据块i i ，包括在2 、3 两个子帧里，主要向用户提供有关计算卫星运行 位置的信息。该数据块一般称为卫星星历。数据块提供了用户利用m o p s 实时导 航和定位的基本数据。 ( 5 ) 数据块，包括在第4 、5 两个子帧里，主要向用户提供g p s 卫星的概 略星历及卫星工作状态的信息，所以称为卫星的历书。 当用户捕获到一颗卫星后，便可从其导航电文的数据块i 中知道其他卫星的 概略位置、卫星钟的概略改正数及其工作状态等信息。这对于选择适宜的观测卫 星并构成最佳的几何图形，以提高导航和定位的精度是重要的，同时也有助于缩 短搜捕卫星信号的时间。 2 4g p s 定位基本原理与误差分析 2 4 1g p s 定位的基本原理 g p s 以观测站至g p s 卫星之间的距离作为基本观测量。为获得距离观测量， 就要测量g p s 卫星发射的测距码信号( c a 码或p 码) 到达用户接收机的传播时 间。 在导航和动态定位中，主要有两种定位方式：单点定位和差分定位。所谓单 点定位，就是独立确定待定点在地心坐标中的绝对位置。该方法的优点是只需一 第一二章g p s 全球定位系统的基本原理 台接收机。但由于卫星星历误差和卫星信号传播过程中的大气延迟误差的影响， 单点定位的结果并不是很可靠，定位精度较差。所以就产生了差分定位( d g p s ) ， 差分定位就是将一台接收机安置在地面已知点上作为基准点，并与所有待测点的 接收机进行同步观测。基准点根据其精确已知的坐标可以求出定位结果的坐标改 正数( 位置差分法) 或伪距观测量的改正数( 伪距差分法) ，然后通过数据链把这 些改正数实时传送给相关用户。用户利用这些改正数对自己的定位结果或者伪距 观测量进行改正，从而提高定位结果的精度。 g p s 定位的方法多种多样，但原理都是一样的，下面采用测距码观测方法的 单点定位方式为例，说明g p s 定位的基本原理。 假g t g 和t 分别表示卫星，发射信号时的g p s 时和卫星钟时刻，乙和r 分别 表示接收机收到该卫星信号时的g p s 时和接收机钟时刻，则卫星信号传播时间为 f 。- - t o - t a 但是，实际上我们只能测得t o 和l 因此实际测量得的卫星信号传播时间为 f j = r f ， 以出j 和a r 分别表示卫星钟和接收机钟时刻的偏差，即 a t ，= f ，- t o a t = t - t o 则有 t - j = ( t o f ；) + a f f 再计入信号传播过程中经历的电离层、对流层和多经迟延等误差，得到 t l = t o t 0 ) + a t - a tj + 1 0 + & k + & j 啉 将上式两边同乘以光速c ，得到 p = r + c “f + c f 厶+ c 缸厶+ c 垃二 ( 2 3 ) 式中， r = 一x i ) 2 + ( ) ，一_ ) ，7 ) 2 + 0 一z i ) 2 ，为接收机至- py g 的j l 何距离， ( x ，y z ) ( 工，y ，2 7 ) 为接收机和卫星，在地心空间直角坐标系中的三维坐标；p 是实 际上可得到的距离观测量，由于不同于真实距离尺，所以叫做“伪距”。式( 2 3 ) 就是g p s 定位的基本观测方程。由于卫星钟差a t j 可由地面监控系统测定并通过 卫星发播的导航电文提供给用户，电离层和对流层传播迟延c 如和ca f 厶也可用 导航电文提供的电离层和对流层参数模型进行校正( 当然校正后仍存在残差) ，因 此方程( 2 - 3 ) 中有x b , z ，a t 4 个未知量需要求解。为了求这4 个未知量，至少需要 对4 颗卫星进行观测。假设某一时刻观测到的卫星数为n ( n a 4 ) ，则可得到观测 方程组 p k r 7 + c a 幻a t + c a t 。+ c & 乞+ c 址名，j - l 2 ，n( 2 4 ) 1 4 基于g p s 定位和电子地图的最佳路径搜索 给定接收机的概略位置，0 一o 。，y 。，z 。) ，对上面方程组中的每一式应用t a y l o r 展开 并略去高次项，得到 要( ，0 皿+ 孚( r o ) a y + 要“) & + 6 觑 妙 把 ( 2 5 ) = p i + c a t | 一c & 0 c & k c & 0 一r il r 0 ， = 垃。n 式中，6 = c a t ；a x 一屯一x o ；a y y 。一y o ；a z 一2 。一z o 。求出上式中r 7 的偏导数后， 式( 2 5 ) 可写为 e 妇+ e l 厶y + e a z b 。r i0 0 一p i - c a t i + c f 土+ c 出土托出之，j = l 2 ，( 2 6 ) 式中，e f ，p ! ，e ；为从接收机到第，颗卫星的方向余弦。将上述方程组写为矩阵形式， 得到 g x = l ( 2 - 7 ) 式中 g = q 1 乞1 彳e ； e ：e ； 以一1 岛2 1 e ：一1 屉【缸a y z6 】7 工= 【f 1f 2 z ”】7 i j = r 7 “) p 7 - c a t + c 血土+ c f 。j 一一。j ， 用最小二乘法求解，得方程 g 7 g 署。g 7 三 当g 7 g 为非奇异时，其解为 x = ( g 7 g ) 1 g 7 l 总之，g p s 定位的原理就是接收4 颗卫星的g p s 信号， 距和卫星目前的坐标求出待定位点现在的经纬度坐标。 2 4 2g p s 定位的误差来源 j = l 2 ， ( 2 9 ) 由卫星到定位点的伪 通过对g p s 定位原理的分析，我们可以发现影响伪距观测量的主要误差来源 有3 个方面： ( 1 ) 空间飞行器部分 第二章g p s 全球定位系统的基本原理 卫星星历误差 由卫星星历所给出的卫星在空间中的位置与卫星的实际位置之差称为卫星星 历误差。卫星星历误差主要由地面监控部分监测站的分布及其监控站地址误差、 监测站所取得的观测量精度、卫星所受摄动力模型的精确程度、计算精度和卫星 钟的稳定度等因素所决定。在实施了s a 技术的情况下，星历误差还包括f 技术的 影响。目前通过导航电文所得到的卫星星历误差约为2 0 5 0 m 。随着摄动力模型和 定轨技术的不断完善，预计定位精度可以提升5 - 1 0 m 。 卫星星历误差是影响定位精度的主要因素。 卫星钟误差 尽管g p s 卫星配备了高稳定度的原子钟，但是卫星钟本身以及广义相对论和 狭义相对论引起的频率漂移均将影响卫星钟的准确性。相对论效应导致的卫星钟 频的增长可以通过人为地减少卫星钟频进行校正，其他误差可以利用主控站测定 的参数进行模型改正。卫星钟差或经改正后的残差，可以利用差分的方法消除。 ( 2 ) 信号传播部分 电离层传播迟延 g p s 卫星信号通过电离层时将收到这一介质弥散特性的影响，使信号的传播 路径发生变化，因此而产生的时间延迟在最恶劣的条件下可达到3 0 0 n s ，等效于 1 0 0 m 的测距误差。电离层的影响可以通过双频观测、电离层模型修正或者差分的 方法加以减弱。 对流层传播延迟 对流层传播延迟是电磁波信号通过对流层时其传播速度不同于真空中的光速 所引起的延迟。其中干分量主要与大气的温度和压力有关，湿分量主要与大气湿 度和高度有关。与电离层延迟相比，对流层延迟比较容易预测，估计方法也比较 成熟。利用差分方法消除对流层影响时，同步观测站之间的距离不能太大，根据 经验，距离大于5 0 1 0 0 km 时，对流层传播延迟将成为影响g p s 定位精度的决定性 因素之一。 多径效应 所谓多径效应，就是接收机天线不仅直接收到卫星的信号，还收到了经天线 周围地物反射的卫星信号。信号叠加对定位精度带来很大的影响，它随周围环境 不同而不同。消除办法有多次取均值、选择屏蔽良好的天线或者将天线安置在反 射面少的地方。但在动态定位中，多径效应导致的定位误差是无法消除的。 ( 3 ) 用户系统部分 用户接收机测量误差主要是由相关接收机对测距码的分辨率和接收机噪声造 成的。一般通过提高接收机硬件的灵敏度和稳定度来降低接收机本身对定位精度 产生的影响。 1 6基于g p s 定位和电子地图的最佳路径搜索 以上介绍了伪距定位的误差来源及其相应得改善措旌，所有这些误差最终对 定位精度的影响综合在一起，产生的定位误差将达到1 0 0 m 的数量级。 2 4 3g p s 定位误差分析 用懿表示x 的误