（通信与信息系统专业论文）gps定位定姿系统研究.pdf

南京理工大学硕士学位论文g p s定位定姿系统研究 abs tract w i t hthe ap p e aranceo f the g p s( g l o bal p o s i t i o ni 雌 s y stem ) ， the newera o f nav i g ationt e c hno l o gyaznv ed. t b e pos i t i o ni ngi n fo n n a t i o n g i v e n b y g p s can bei n di c at e d o ne 一 m a pp rom p t l y ， 即c ura t e 1 yandv i v i d lv. s oth i ssys t e m coul do fferase rvi 优 o f nav ig ation tothe v e h i c lean d而ngs li ke 山 at . as this hi g h 滩 e ch p ro d u c t i on l la s so me 曲v i o us c hi 称 ac t eristic ， for exaj 盯 p l e ， p r o t e cting env l r o 刊 m e 叭 ， v ing ene r g y ) p ro vi di ng fo ts o f i 刘 ro n 力 a t i o neto. i t i s o f gr e a t l m p o 川 刁 n 沈 tod eve l op andapp l ytheg p snav i g a t i 0 n sy s t e mi nto the v eh icle tosoc l e ty . 丁 七 l s p 解 r e l a ber a t e dt h ep ri n c i p l eo f g p s即s i t i omn g ， de s i ，ed a卯s iti o ni 赔 50 丘 w 别 限 b 别 犯 d o n gr a p h l c p r o gr a n ” n l ng l ang u a g e 一 毛 a b v i e w.b y us i ngg p s 卿e i v er，the l a b v i e wsoft w 田 限c an col l ect the pos i ti o n and t hes pee d i n fo n 刀 a l i o n . an d the p r l n c i p l e o f s l n g 】 e 一 a n t e n n a a tt i to d e d e t e n n i nat i 0 nis al soco vered inthis p ap er. w 七 can ge ta gro 叩of 代 a l 一 甜l t u d epositi on d al 匕t hr o u gh 流i ta t i ng the night t r a c eme anw h l le ， we c an get p se u d o 一 atti t u d e posi ti ond a l a byusingsi mul atingsi ngle 一 a n t e nna al gori t h 叭 inma l l ab. a n e r 印m p a n ng the d a t a 加m妇 刀 o g r o ups ， we v e ri fi e d t h e fe asi b i l i tyo f the al 即r i t 加 叮 . k e y w o rds : g p s ， c p s rec e i v er， l abv i e w， p o s i t i on， s i ngl e 一 ante n n a ， a ti i tu d e 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以 标注和致谢的部分外，不包含其他人己经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 己 在论文中作了明确的说明。 研 究 生 签 名 :王埃少。 年 1明 引日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的部分或全部内 容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名:工 南 如 峪年，二月多 旧 南京理工大学硕士学位论文g p s 定位定姿系统研究 1绪论 1 . 1论文背景及意义 本文属于导航定位定姿系统研究领域。 所谓卫星定位导航系统， 就是利用围绕地球运行的一套信标卫星系统， 用户通过 接收信标卫星的信号， 测量其到卫星的距离以达到解算用户位置的目的， 同时卫星定 位导航系统通常具备授时的功能。 随着导航、 授时、 定位和通信需求的增加， 出现了 许多基于卫星的导航、定位、授时系统。 全球定位系统，又称g ps ( g l o b a l p o s i + t i o n i n g s y s t e m )系统，是美国国防部 于1 9 73年正式批准陆海空三军共同研制的国防卫星导航系统，其目 的是要满足美国 陆、 海， 空 等各军兵种的 全天候导航定位以 及定时之用， ， 。 g ps作为新一代卫星导航与定位系统， 不仅具有全球性、 全天候、 连续的精密三 维 导 航 与 定 位能 力， 而 且 具 有良 好的 抗 干 扰 性 和 保 密 性。 在 大 地 测 量、 精 密 工 程 测量 、 地质监测、 交通监测和空间气象等方面都得到了广泛应用， 获得了巨大的经济效益和 良好的社会效益。 全球定位系统的出现， 开创了 人类导航技术的新时代。 特别是把g ps定位的准确 性与电子地图的直接性以及计算机的多媒体特性生动形象地结合在一起的车载定位 导航系统的出现， 使导航技术进入了一个全新的领域。 配合电子地图， g ps的定位信 息可以 通过计算机在电 子地图 上实时、 准确和形象的显示出 来。 不仅使人们知道自 己 所处的 地理位置，还可以对自己 所处的环境及各种所需的专项信息有进一步的了解， 从而大大提高了导航的性能。 车载定位导航系统是随着g ps卫星定位系统应用的普及， 以及城市交通、 远途运 输和公 共安全发展的要求而产生的较为庞大的一项基础设施， 是城市发展的重要标志 之一。 车载定位导航系统可以为车辆等交通工具提供实时具体的导航服务， 是一种环 保节能、 信息化的高科技产品， 因此， 车载g ps导航系统的开发与应用对社会和经济 发展具有重要的意义。 随着人们对g ps认识的加深， g ps不仅在导航、测速、测时等方面得到更广泛的 应用， 而且其应用领域不断扩大， 目 前g ps的最新应用是利用复合多天线系统基于相 位干涉的 原理来确定载体的姿态。 利用复合多天线系统进行载体姿态的 研究获得了巨 大的 成功， 并且随着对载波相位差测量精度的 提高， 姿态测量的 精度也越来越高. 但 复 合多天线系统不仅增加了系统复杂程度， 而且设备的成本不低。 所以， 多天线g ps 测姿系统存在着一些不足之处: 各个g ps接收天线延迟、 噪声相互独立; 运算量大， 实时性难以保证; 天线安装时要求中心严格在一个水平面上， 安装技术难度大。 因此， l 南京理工大学硕士学位论文 g 飞 定位定姿系统研究 国内外都在研究其它测姿方法，以克服这些缺点。 本文首先对目 前国际上实际使用和即将投入使用的导航系统进行了分析比 较， 然 后重点分析了g ps 系统，对利用单天线g ps 实时定位、定姿进行了 研究:先是利用 l a b vie w 编程实现了c ps实时定位信息的 提取、 保存和显示， 然后通过车载实 验验证。 通过与电子地图相比较和精度分析， 说明该程序正确可行。 接着， 本文介绍一种利用 单天线g ps实时测定载体姿态的方法，经过仿真实验验证，该方案理论上是可行的， 用单天线测姿具有成本低廉、 安装方便等优点， 若能开发应用， 将是一种经济而又实 用的载体测姿方案。 1 . 2国际使用的卫星定位导航系统概况 国际上实际使用的卫星定位导航系统有三种:子午仪卫星定位导航系统. g ps/gl onass 全球卫星定位系统和双星定位通信系统。 1 . 2 . 1子午仪卫星导航定位系统 子午仪卫星导航定位系统是基于卫星对用户相对运动所产生的多普勒频移的测 量， 所以又称为多普勒导航定位系统。 用户根据所测得的多普勒频移，以及卫星所预 报的轨道参数和时刻来计算用户的位置. 多普勒频移的测量， 要求在两分钟积分时间 内， 用户钟与卫星钟的频率变化不大于l x l 川. 。卫星发播的时刻由 地面站注人， 其 时 刻要求与utc 同步。 卫星定轨要求各地面站保持统一的时间刻度t 山 . 美国子午仪卫星导航系统，又称为海军导航卫星系统( n ayy阪v i g atio n s a t e l l i t es y s t e m 简写成n n s s ) 。1 9 6 4 年在军事上正式投入使用，1 9 6 7 年开始提供 民用，目前己停止使用。 1 . 2 . 2卫星载钟导航定位系统 gps / gio n a s s 全球卫星定位系统属于卫星载钟导航定位系统。卫星载钟导航系统 能实现高精度的导航定位和钟同步， 它们所采用的标准时间可用作通用标准应用到其 它领域， 因 此该系统具有定时 授时功能。 此系统各部分 之间的同步通过固定传输时延 的通信信道与其本身的标准时间保持一致。 空间部分和控制部分之间的同步采用下行 监测钟误差， 上行注人误差参数校准的方式。 该系统的用户设备通过接收至少4 颗卫 星的信号，完成自 身的定时，并与系统标准时间保持同步。 1 .g p s 全球卫星定位系统 g ps是美国军方1 9 7 3 年开始实施的一项空间技术.被称为继人类登月和研制航天 飞机之后的又一重大航天科技成就。 该系统主要由 绕地球运行的24颗卫星组成， 为军 南京理工大学硕士学位论文g p s 定位定姿系统研究 民 两用系统， 向全球免费开放。 但美国 对自己 提供精确定位信号， 对其他用户则是低 精度信号。 美国政府为了加强其在全球导航市场的竟争力，已于2 0 00年5 月1 日 午夜撤销 对g ps的sa干扰技术， 标准定位服务双频工作时实际定位精度可提高到20米、 授时 精 度 提高到4 0 纳 秒， 并承诺以 后 逐步 增加 两个民 用 频率， 即lz增 加c /a码和民 航安 全专用的ls 频率 1 176 阳2 ，希望以 此来抑制其他国家建立与其平行的另一个系统， 并提倡以g ps和美国政府的增强系统作为国际使用的标准。 2 ，glonass 全球卫星定位系统 俄罗斯的卫星定位导航系统glona ss 由24颗卫星组成，目的在于为空中、海上 以 及陆上太空的目 标提供精确的定位信息。 主要用于守卫俄罗斯的军事秘密以 及保卫 俄罗斯的国家利益。 卫星高度1 9130千米， 位于3 个倾角为64. 8 度的轨道平面内。 这一高 度除避免 和g ps 同一高程以防止两个星座相互影响外，其周期为n小时巧分钟， 8 天内卫星 运行 17 圈回归，3个轨道面内的所有卫星都在同一条多圈衔接的星下点轨迹上顺序 运行。目前在轨道上只有6 颗星可用， 不能独立组网， 只能与g ps联合使用。 其计划 改进型卫星g l onass 一 m 平均寿命7 年， 民用频率将由1 个增加到2 个， 正在对外寻求 合作以弥补经费不足。 3 .g ali l e 。 全球卫星定位系统 目 前欧洲正在研究开发的g ali l eo全球卫星定位系统也属于卫星载钟导航定位系 统，它是欧洲旨 在建设独立于美国 g ps的一项全球卫星导航定位系统计划。 gal i l eo 计划建设总额大约在32亿到36亿欧元之间， 大致上它分三个阶段实现: 项目 定义， 开 发和实现。 按照现行计划， 2 0 0 2 一 2 0 05年进行开发和验证， 在2 0 0 6 一 2 0 07年实 现， 2 0 08 年投入使用。 gal i l eo与g ps相比， 有较大的不同和优越性。 例如， 该系统的卫星数量 多、 轨道位置高、 轨道面少; g ali l eo更多用于民 用， 可为地面用户提供3 种信号: 免 费 使用的 信号、 加密且需交费使用的信号、 加密且需满足更高要求的信号。 其精度依 次提高， 最高精度比 g ps高10倍， 即使是免费使用的信号精度也达到6 米。 误差范围要 远远小于g ps， 其性能比 g ps更安 全、 更准确， 更可靠。 通过营建该系统， 欧盟将大大 推动欧洲太空业的发展阁 【祠 . 欧洲的 “ 伽利略系统”还是世界上第一个完全向民用开放的全球性卫星定位系 统， 并向国际合作伙伴开放。 中国 是参加伽利略计划的第一个非欧洲成员国， 已 投资 2 亿欧元，参与该计划的卫星研制、技术开发、地面设施、用户服务等全部过程。 1 . 2 . 3双星定位通信系统 双星定位通信系统是利用地球同步定点通信卫星作为定位基准点，由地面中心设 3 南京理工大学硕士学位论文g ps 定位定姿系统研究 备进行定位处理的卫星导航定位通信系统， 也称同步卫星转发导航系统。 它与其它卫 星导航定位系统不同，是一种主动式卫星导航通信系统，不仅具有导航定位、定时、 授时功能，也具有通信的能力 12 。 1 .g e o s t ar系统 美国早期的血。 star系统即是 此类系统， 它由空间同步卫星、 地面中 心站、 用户 设备和地面支撑控制设备组成。 六颗同步卫星覆盖全球， 对于每个用户， 利用两颗卫 星进行两维定位， 第三维坐标( 高程) 通过数字地图和测高仪获得， 因此又称双星定位 通信系统. 该系统的时间基准和同步主要由中心站时统分系统完成， 卫星和用户设备 作为转发器使用，星载频标无需进行专门的同步比对。 2 . “ 北斗一号”定位系统 我国建立的“ 北斗一号”定位系统也属此类系统，由 2 0 00年、 2 0 03年发射的3 颗 “ 北斗”卫星组成， 地面时间基准采用多台氢原子钟组成的钟组保持。 北斗导航系统 是全天候、 全天时提供卫星导航信息的区域性导航系统， 可满足当前我国陆、 海、 空 运输定位导航的需求。 但缺点是不能覆盖两极地区， 用户数量受一定限制。 因此， 我 国还需要在第一代导航卫星系统成就的基础上发展第二代导航卫星系统， 以满足今后 国家对卫星导航应用和长远经济发展的需求。 1 . 2 . 4我国 卫星定位系统的现状 当前，我国政府在 “ 多管齐下”地对卫星导航给予高度重视并见诸实际行动， 其力度是空前未有的。 在大量充分利用美国 g ps系统的 情况下， 我国 2 0 00年发射完成 了“ 北斗一号”导航试验卫星， 并在积极筹措 “ 二代星”系统， 在此同时， 处于战略 需要的考虑， 从1 9 99年开始，又在g lon a ss系统上积极地推进对俄全面合作计划，目 前已 进入实质性的最终谈判阶段。就在这样的情况下，2 0 01年6 月起， 我国启动了 与 欧洲的 galil eo系统上的合作计划。 2004年10月9 日， 中国科学技术部和欧盟委员会在 北京正式签署伽利略计划技术合作协议， 中国由此成为参加伽利略计划的第一个非欧 洲成员国。 1 . 3 “ 北斗一号” 卫星导航系统、 g ps系统及g 肚i l e d 系统的比较 下面以 表格的形式对“ 北斗一号” 卫星导航系统、 g ps系统及gal i l eo系统进行 了全方面的比较 ( 如表1 . 1 所示). 南京理工大学硕士 学位论文g ps定 位定姿系统研究 1 . 4本论文的主要工作及预期达到的目的 1 . 4 . 1论文主要工作 1 .将g ps系统、 g a l i l eo系统与中国的“ 北斗一号”系统进行全面的分析比 较， 分析了几种卫星导航系统的定位精度及技术特征。 2 ， 分析ga阴ing ps 0 e m接收机中g p s 1 5 l 系列产品的导航电文内 容， 设计信号 接收模型: 3 ，实 现g ps接收机与 计算机的串口 连接， 用l a b v l 既编写转换程序， 适时 解算 并显示载体的经度、纬度、 速度及地面航向 等信息; 4 .记录并绘出载体经过的路线， 通过计算求出最佳路线， 进行精度分析， 再与 该地区的电子地图相比较验证可行性: 5 .分析由单天线g ps接收机提供数据信号进行载体姿态确定的可能性， 建立数 学模型; 6 . 利用卡尔曼滤波对速度、加速度进行最优估计，用林 atl ab 语言编写系统仿 真方案，进行仿真试验。 第一项工作已 经在论文的1 . 3 节运用表格的形式进行了比 较分析: 第三章主要完 成了第二项工作; 第四章完成了第三、 第四项工作; 第五章完成了第五、 第六项工作。 1 . 4 . 2预期目的 1 .对比国内外的三种导航系统， 全面掌握 “ 北斗一号” 卫星导航系统、 g ps系 统及gal il印系统各自 的特点。 2 ，利用g p s 实现载体定位: 实时、 动态、 直观的 提供载体位置信息。 3 . 利用单天线g ps实现载体定姿:理论证明单天线定姿的可行性。 4 . 利用单天线g ps 实现载体导航:确定载体在当地地理坐标系中的位置( 经、 纬度) ，载体的实时速度，载体的航向。 南京理工大学硕士学位论文 o p s定位定姿系统研究 z g p s 定位原理及相关比 较 2 . ig p s的时空参考系统 1 . g ps 卫星的参考系钾 g s 一 84 礼5 一 8 4 是一个地固坐标系，它的3 个 坐标轴指向与国际时间 局 ( b i h) 于1 9 84 年定 义的地球参考系 ( b t s 一 8 4) 完全一 致， 只是w g s 一 84 的 坐标原点相对于b t s 一 84 的 坐标原点略有偏离。在几何意义上， wgs 一 84 也可看 成是bts 一 84， 即将wgs 一 84看 成国 际协议地球坐标系 (c t s) 的一个实 现。 它是目 前 最高 精度水平的全球大地测量 系统。 它有三维直角坐标系和大地坐标系两种等价的坐标系。 它们之间可以相互转换。 2 . g ps 时间系统( g p s t ) g p s t属于原子时系统， 它的秒长即为原子时秒长， g pst 的原点与国际原子时 iat 相差1 9 5 。 有关系 式 i a t 一 g p s t 二 1 9 (s ) ， g p st与协调时u tc之间的关系式为: g p s t =u tc +i xn 一1 9( 5 )( 2 . 1 ) 2 . zgps 的特点 从 1 9 78 年发射第一颗 g ps 实验卫星以来，利用该系统进行定位的研究、开发和 实验工作， 发展异常迅速。 理论与实践表明， g ps同 其它导 航系统相比 ，其主 要特点 如下: 1 .定位精度高应用实践已 经证明， g ps相对定位精度 在50枷 以内 可达1 0 气 10 于 50 0 心可 达l p 一， 1 0 00 椒可 达1 。 ， . 在3 o 0 一 巧 。 伽工 程 精 密 定 位 中， 1 小 时以 上 观测的 解其平面位置误差小于 1 咖， 与挑一 5 0 00电磁波 测距仪测定得边长比 较， 其边 长误差 最大为0 . 5 咖， 校差中 误差为0 . 3 咖。 2 .观测时间短随着g ps 系统的不 断完善，软件的不断 更新，目 前， 20阴 以 内相 对静态定位， 仅需 1 5 一 20分钟; 快 速静态相对定位测量时， 当 每个流动站与基准 站相距在 15枷 以内时，流动站观测时间只需 卜2 分钟，然后可随时定位，每站观测 只需几秒钟。 3 .测站间无须通视g ps测量不 要求测站之间互 相通视， 只需测站上空开阔即 可， 因 此可节省大量的 造标费 用。 由 于无需点间 通视， 点位位置可根据需要， 可稀可 密， 使选点工作甚为灵活， 也可省去经典 大地网中 的传算点、 过渡点的测量工作。 4 .可提 供三维坐标经典大地测量将 平面与 高程采用不同方法分别施测。 g ps 可同 时精确测定测站点的三维坐标。目 前g ps水准可 满足四 等水准测量的精度。 5 .操作 简便随 着g ps接收机不断改进，自 动 化程度越来越高， 有的已 达 “ 傻 南京理工大学硕士学位论文g p s定位定姿系统研究 正 常工作， 减少信号损失; 能够接收来自 任何方向 的卫星信号， 无死角; 有防 护与 屏 蔽多 径效应:天线的相 位中 心保持高 度的稳定，并与 几何中 心尽量一致。 2 . 接收机主机 接收机的主机主要 包括变频器和中频放大 器: 信号通道; 存贮器和微处理器。 由 于 经过 g ps 前置放大器的信号仍 然比 较微弱，为了使接收机通道得到 稳定的高 效增 益， 并且合l 频段的射 频信号 变成低频信号， 必须采用变频器和中 频放大 器。 信号通道是接收机的 核心部分， g ps信号通道是硬软 件结 合的电 路。 不同的 接收 机其通道是不同的。 g ps信号通道的作 用有三: 搜索并 跟踪卫星; 对广播电文 数据信 号实行解扩， 解调出广播电文; 进行伪距测量、 载波相 位测量 及多普 勒频移测量。 从 卫星接收到的信号是扩频的调制信号， 所以要经过解扩、解调才能得到导航电文. 为 了达到此目的，在相关通道电路中设有伪码相位跟踪环和载波相位跟踪环。 接收 机内设 有存贮器以 存贮卫星星 历、 卫星历书、 接收机采集到的 码相位伪距观 测值、 载波相位观测值及多普勒频 移。目 前， g ps接收机都装有存贮器， 接收 机内 存 数 据可以 通过数据接口 传到微机上，以 便进行数据处理和数 据保存。 微处 理器是g ps接收机的灵魂， 通过指令统一协同g ps接收 机的 工作。 综上所述， g ps接收 机的 主要任务是:当g ps卫星在 用户视界升 起时， 接收机能 够 捕获 到按一定卫星高度截止角 所选择的待测卫星， 并能够跟踪这些卫星的 运行; 对 所 接收 到的g ps信号， 具 有变换、 放大和处理的 功能， 以 便测量出g ps信号从卫星到 接收天线的传播时间， 解译出g ps 卫星所发送的导航电文， 实时地计算出测站的三维 位置，甚至三维速度和时间。 2 . 4gps 观测值的主要误差 g ps测量是 通过 地面接收机接收卫星 传送的 信息来确定地面点的三维坐标。 测量 结果的误差主要来 源于g ps卫星、 卫星信号的传播过 程和地面 接收设 备。 g ps观测值 的 各种误差 按其来 源大致可以 分为以 下 三种类型: 1 .与 卫星 有关的 误差 主要包括卫星星历误 差、 卫星钟的 误差、 地球自 转的影 响和相对论效应的影响等。 2 .与 信号 传播有关的 误差 主要是信号 通过电 离层和对流层产生的 延迟，由 于 大气改正 模型不完善所造成的影响。 3 . 与接收 机相关的 误差 主要包括 接收机钟误差、 接收机安置误差及天线相 位 中心位置误差等。 通常可采用适当的方 法减弱 或消除 这些误差的影响， 如建立误差改 正模型对观 测 值进行改正，或选择良 好的观测条 件， 采用恰当的 观测 方法等。 南京理工大学硕士学位论文g p s 定 位定姿系统研究 2 . sg p s 卫星的导航电文 2 . 5 . 1导航电 文及其格式 所谓导航电文， 是指包含导航信息的数据码。 g ps的导航电文是用户用来定位和 导航的数据基础。 它包含了该卫星的星历、卫星工作状态、卫星历书、时间系统、 星 钟改正参数、 大气折射改正参数、 遥测码以 及由c /a码捕获p 码等导航信息的数据码。 导航电 文采用的是不归零的二进制代码9 。 导航电文分为主帧、子帧两个部分。每主帧电文含有 150 o b it，传送速度为 s o bit / 5 ，所以，一帧电文的传送时间是3 05. ， 石 0 0 议t l 2 3 蔗 叁幸票载 飞 6 共 2 耳 0。 02 5 图2. 2导航电文格式 如图2 . 2 所示，每主帧导航电文含有5 个子帧，每个子帧含有 10个字，每个字 为3 o b i t ，故每一子帧共含有3 0 0 b i t ，需持续传送65。第1 、2 、3 子帧含有广播星 历和卫星钟修正参数，其内 容每小时更新一次，而子帧4 、5 存放所有空中g ps卫星 的历书 ( 24颖卫皇的星历) ， 它的内 容仅在地面注入站注入新的导航数据后才更新， 子帧4 、 5 各含有25页。 子帧1 、 2 、 3 与子帧4 、 5 的每一页均构成一个主帧。实际 上完整的导航电 文共有25帧，3 7 5 0 0 b i t ，需要7 5 05才能传送完。 南京理工大学硕士学位论文g ps 定位定姿系统研究 2 . 5 . 2导航电文内容 导航电文的内 容包括五个部分: 遥测码( t l m ) 、 转换码( h o w)、 第 一数据块、 第二 数据块和第三数据块，各个子帧的主要内容如图 2 . 3 所示。 一个子核 6秒长度 、 0个字， 每个字 30 比特 子杖 号 丁 l植 3 0秒 ， 5 0 0比特 一 图2. 3 帧导航电文的内 容 1 ，遥测字t 晰( ele met ry”rd) ， 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， 便于用户解读电 文数据。 2 .转换字 h ow ( h a n do verw ord)，紧接着 遥测字之后， 主要是向 用户提供用 于捕获p 码的2 计数。 3 .数据块1 ，含有关于卫星钟改正参数及其数据 龄期，星 期的 周数编号，电 离 层改正 参数和卫星工作状态等信息。 4 .数据块n ，包含 在 2 ， 3 两个子帧 里， 是导航电 文的核心部分， 主要向 用户提 供卫星 运行位置的信息，该数据块一般称为卫星星 历。 5 .数据块m，包含在 4 ， 5 两个子帧里，主要向用户提供 g ps 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。 2 . 6gps 定位原理 2 . 6 . 1绝对定位原理 g p s 绝对定位也叫单点定位， 它是利 用一台 接收机观 测卫星 独立地确定出自 身 在 乳 5 一 8 4 地心坐标系中的绝对位置。 这一位置在孤5 一 84坐标系中是唯一， 所以 称为 绝 对定位。 g ps绝 对定 位的实 质是 基于测 量学中 的空间距离后方 交会。 在c p s 观测中， 得到 卫星的 位置和卫星到测点的距离( 伪距 ) ， 然后以 卫星为中心，以 距离为 半径做球面。 如果同时 观测了3 颗卫星， 我们便得到了3 个球面。 这3 个球面相交的 一点， 就是要 l 3 南京理工大学硕士学位论文gps 定位定姿系统研究 2 . 7g ps在测 姿中的 应用 惯性导航系统是当 前最成熟的 可同时提供位置、 速度、 姿态信息的测量系 统。 但 是惯性导 航系统与g ps动态测姿系 统相比 具有位置误差随时间积累， 成本高， 体积大， 功耗大等缺点。 从发展趋势看， g ps 测姿系统己成为 惯导 系统在航空、航天及 其他应用领域的强 有力的竞争对手。国外在利用 g ps进行载体姿态确定方面的技术己经比较成熟。 1 987 年，美国tri mble navigation公司开始为美国海军水面 武器中 心研制用 于 确定位置和姿态的 g ps 接收样机，并于同年 7 月进行了试验。在基线长为 6 0cm的情 况下， 测得的 方位误差为 1 . 5 度。1 9 89 年进行了第一 个利用g ps载波相位差分测量 航向角 和俯仰角的实验， 基线长2 3 c m ， 航向角 和俯仰角的误差低于0 . 0 0 57度. 1 9 91 年a sht e t ch公司 推出 单频24通道直接测量姿态的 接收 机， 对于 l m 长的 基线， 精 度 可以达到 1 二ad 左右。9 0年代以来，实时姿态测量一直是 g ps 应用研究领域极活跃 的研究 方向。 1 9 9 1 年a st ech 和t timble公司 分别推出了机载g ps干涉仪姿态测量系 统的正 式产品， 即 a s t ech公司的 3 d f 姿态 / 航向 测定系统和 t ti mble 公司的t a ns v e c t o r 姿态 / 位置测定系统。 1 9 9 4 年c o h e n ， c .e . 报道tv e c t o r 和l n 9 3 环形激 光 捷联 惯导系统在 k i ng a ir z oo 飞机上的对比试飞结果， l n 93 姿态精度为 0 . 05 度 ( 阴 5)， g ps基线长度为10米左右， 在各种机动及结构变形条 件下， v ect or的姿态 精 度 优于0 . 1 度( 平均为0 . 05度) 。 国内 利用g ps进行测姿方面的研究大多为多 天线g ps载波相位干涉法， 通过测 量 安 装于飞行器表面多 个天线间的载 波相位差来确定飞行器的姿态。 现己 进入工程实 用 阶段。 在本 次课题研究中， 我们采用了 一种新颖的 测姿方法， 即 利用单天线g ps接收 机 输出的 三维速度信息来 解算载体姿态。 该系统具有 硬件结 构简单、 成本低廉、 安 装方 便等优点，是一 种经济、实 用的 载体测姿方案。 我们 采用了ga朋in g ps o 阴 接收机作为输入设备。 在可见 星为三颗以上时， 它 以i h z 的频率输出数 据， 包括三维位置、 三维速度、 载波相位、 可见星数、 世界协 调 时等导航信息，通过我们编写的软件，实现了三维谏度的提取及姿杰的解算. 南京理工大学硕士学位论文 c p s定位定姿系统研究 表 3 . i g ps1 5 l 接口 特性 管脚名称 描述 l 备用电源 为内部的静态存储器和时钟供电。 o em 板内的电池可以维 持大约21天。输入电 压必须为直流+2. s v 飞. 4 vo 2地 电源地和信号地。 3 电源电压 3 . 3 污. 4 v :电流峰值 100 ma，标称值 85ma。 4 串口1( 出) 异步串 行数据输出。 r s 一 2 32 电 平， 提供n m ea 0 1 83 版本 2 . 0 或3 . 0 的数据。 该口 也可以设 置为 输出 相位数据。 波 特率从3 0 0 、 3 8 连 0 0 可 选， 默认值为4 8 0 0 。 5 串口1( 入) 异步串行数据输入。r s 一 2 32 电平，最大输入电压范围为 一 2 5 来 结 束， 也 就 是as cll 字 符“ 回 车 ” ( 十 六 进 制的od ) 和 “ 换行” ( 十六进制的oa) 。 最后的 校验码*hh 是用于做奇偶校验的 数据。 在通常使 用时， 它并不是 必须的; 但是当 周围环境中有较强的电 磁干扰时， 则推 荐使用校验 码。 hh代表了 ，$” 和 “ * ” 之间所有字符的按位异 或值( 不包括这两个字符 ) 。 3 . 3 . 1输入 语句 nmea 的输入信息有 6 种，它们分别是: 1) 历书信息 ( g 队以) 2) 接收机初始化信息 ( pgrmi) 3) 接收机配置信息 ( pgr m c ) 4 ) 附加配置信息 ( p g 阴c l ) 5) 输出语句开关 ( pgr m o ) 6 ) 调谐 dgp s 信标接收机 ( p s l i b ) 3 . 3 . 2输出语句 朋e a 的输出信息有 9 种，它们分别是: 1 )g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e mf i xd a t a ( 弘a ) g ps定位 信息 2 )g ps d o p and act i v es a t e l l i t e s ( g s a )当 前卫星信息 3 )g p ss a t e l l i t e si n v i e ， ( g s v ) 可见卫星信息 4 )r e c 碗 e n d e d m i n i mu ms p e c i f i cg p s / t r a n s i t d a t a ( r m c ) 推荐定位信息 5 )t r a c k 物d e g o o d a n d g r o u n d s p e e d ( v t c ) 地 面 速 度信 息 6 )e s t i mat e d e r r o ri n r o r 呱t i o n ( 民 阴 e ) 估 计 误 差 信 息 7) m a p d at伽( 咫r m m )坐 标系 统信息 8 )s e n s o rs t a t u s l n f o r 朋 t i o n ( 民 燃 ) 工 作 状 态 信息 9 )沉 psb e ac o nl n f o 礴 t i o n ( p c r 阳) 信 标 差 分 信息 下面是2 0 0 6 年0 7月 1 1日1 0 点2 4 分0 4 秒在实验楼 9 楼平台， 用 g a 明i n g p s o e m 接收 机g ps巧l 采集到的一段n 协 ea格式的 数据: 2 0 0 6 年0 7 月 1 1日0 9时5 7 分 1 1 秒 $ g p g g a ， 0 1 5 6 4 1 ， 3 2 0 1 . 7 6 5 8 ， n ， 1 1 8 5 1 . 0 9 3 7 ， e ， 0 ， 0 0 ， ， ， m ， ， m ， ， * 5 7 $ g p g s a ， a ， 1 ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， * i e $ g pgs v ， 3 ， 3 ， 1 1 ， 1 7 ， 0 0 ， 0 8 9 ， 0 0 ， 1 8 ， 3 9 ， 3 1 5 ， 0 0 ， 2 1 ， 5 8 ， 2 9 5 ， 0 0 * 4 a 2 0 南京理工大学硕士学位论文 gp s定位定姿系统研究 4 g p s 定位系统的实现 4 . ilabvl 研 介绍 l a b v i 四( l a b o r a t o r yv i r t u a 1i n s t r u m e n te n g i n e e r i n gw o r k b e n c h 实验室 虚 拟仪 器工程平台 ) 的 概念， 是直观的 前面 板与流程图式的编程方法的结合，是构 建 虚拟仪器的理想工具。l abv i ew 和仪器系统的数据采集、分析、显示部分一起协调工 作， 是简化了 而又更易于使用的基于图形 化编程语言g 的 开发环境 明 . 与传统的编程方式相比 ，使用l abv i ew设计虚 拟仪器， 可以 提高 效率4 10倍。 同时， 利用其模块化和递归方式， 用 户可以 在很短的时间内 构建、 设计和更改自 己的 虚拟仪器系统。 labvi ew 集成了很多仪器硬件库， 如 g p i b / v x i / p xl 基于计算机的仪器、 rs一 232/48 5 协议、 插入式数据采集、 模拟 / 数字/ 计数器1 /0、 信号调理、 分布式数 据 采集、图像获取和机器视觉、运动控制、lc/ 数据 日 志等。 归纳 起来， l abv iew 具有图 形化的仪器 编程环境;内 置的程序编译器;灵活的 程 序调试手 段; 功能强大的函数 库: 支持多 种系统平台: 开放 式的开发 平台; 网 络功能 等许多特点: 。 la bvi ew 软 件系统 可用于 测试、 过 程处理和控制， 应用的范围非常广泛。 具体应 用如下: 1 .测试和测量在这个领域，l abview 己经变成了一种工业的标准开发工具， 利用检 测标准， 图形检测程序 和工业 上的 最大驱动 程序库， 用 户可以有一个 单一的 开 发 和执 行环境。 2 .过程控制和工厂自 动化 l abview 软 件非常 适用于过程监测和控制。 对于大 量的工 业自 动化场合， 推荐使用b rid g evi ew 软 件， 它是l abv i ew 软 件家 族中的 一个 特殊 产品， 专门 为工业自 动化应用而设计。 3 .研究和分析 有力的 软件分析库几乎 提供了 所有的分析函数. 对于特殊的 分 析， lab v i ew软件 提供了 特殊设 计的 信号调理 工具箱， 如调制 解调工 具包， 声音与 振 动工具包等。 本系统使用的是lab vl四最新版本8 . 0 . 1 ( 2 0 06. 3 发行) ，该版本在原 来 了 . 1 的 基础上增加了诸多的新特性， 其中 有增加了 项目 管理功能， 还增加了 对矩阵运算的 支 持等，这里就不展开说明了，具体用到的地方本文会作进一步的说明。 南京理工大学硕士学位论文gps 定位定姿系统研究 4 . 2基于 比b v i 砰 的g ps 定位系统构成 由于比b v i 以 具有上述许多的优点，我们使用它来开发原型系统可以使得我们节 省开发时间， 缩短开发周期zl。 从第三章的分析可以知道， 仅定位的话使用推荐定位信息，即g pr毗 句的信息即 可，流程图如图4 . 1 所示。下面分四部分分别进行阐述。 根据系统需求，本系统有以下几个部分组成: 图41 流程图 4 . 2 . 1串口 通信 g p s接收机一上电，就把 g ps 信息通过串口发出 ( 冷/ 热启动搜星时发出无效的 南京理工大学硕士学位论文g p s 定位定姿系统研究 5单天线 g p s 定姿系统的实现 5 . 1常规姿态和伪姿态的比较 5 . 1 . 1坐标系的定义 在本节将介绍四 种坐标系:当 地地理系 ( 9 ) 、飞机机体系(b) 、 风轴系 ( 们、 稳 定坐标系 ( 5)。为简化分析，假设地球平面是水平的，并且地球在空间中是静止的， 这一假设对于大部分的飞行载体来说是可行的， 可以不用考虑地球自 转带来的影响， 并且对求解的结果影响不大110) 1水 15 。 1)当 地地理系( 9 ) : 这里采用北东地(ne d)坐标系， 原点为 地球表面上任一点， 其x 、 y 、2 轴分别指向北、东和沿当地铅垂向下。 2) 风轴系 ( 的:以 风速， 相对于n ed系平移，坐标轴与n 印系平行。 3 ) 机体系 ( b): 其原点0 位于飞行器质心， 轴凡 平行于机身轴线， 轴y 。 垂直于 对称平面，指向右，轴2 在飞行器对称平面内，垂直于轴凡与y 。 4) 稳定系 ( 的:丸 轴与风速矢量份 相反， y : 与y 。 相同， 根据右手法则由x 。y. 构成 2 ，。 图5 . 1坐标系示意图 5 . 1 . 2载体速度表达形式定义 在求解伪姿态时需要用到对地速度， 而求解常规姿态需要考虑载体相对于风轴系 的速度，下面给出这两种速度形式定义: 1) 对地速度 v g 二(v9 ， ，v g ， ，v g 。 ) : 是载体质心相对当地地理坐标系的 速度 矢量， v 承，vg. ，v 肠分别是东向， 北向， 地向 的速度分量. 2) 相对于风轴系速度v w= ( 呱 ， v 。，殊) r :是载体质心相对风轴系的速度矢 量， 则 有v w 二v g 一 wo 南京理工大学硕士学位论文o ps 定位定姿系 统研究 5 . 1 . 3载体姿态的定义 传统姿态: 是机体坐标系相对于当 地地理坐标系的方位表达， 用欧拉角( v ，e ， 中) 来表示，军 称为偏航角，是y 。 在当地水平面上的投影与 y : 之间的夹角;0 称为 俯仰角，是y 。 与当地水平面的夹角;中 称为滚转角，是从 在水平指向时的x o oy 平面 作为参照面， 凡 oy。 平面绕y 轴转过的角度。 稳定坐标系中的姿态:是稳定坐标系相对于当地地理坐标系的方位， 用欧拉角 ( 平 . ，e . ，中 ， ) 来表示，平 : 称为伪偏航角， 是y 。 在水平面上的 投影与y ， 之间的 夹 角， 在协调飞行状态下 ( p =d) ，平 .=举:e : 称为航迹角，是x : 与当地水平面之间的 夹角;中 。 称为伪滚转角，该姿态角定义为:以x 。 轴在水平状态时指向为参照轴， xs 绕y 。 转动的角度，代表了可观察到的速度矢量的侧向变化率。 伪姿态:与传统的姿态不同， 它是由 飞行器的对地速度 v . 相对于地理坐标系的 角度来描述的， 它包括航迹角和绕速度方向轴的横滚角。 飞机速度矢量与当地水平面 的 夹 角 称 为 航 迹 角( 元 ) ， 伪 滚 转 角( 死 ) 定 义 为 机 体 绕v 。 方 向 轴 的 横 滚 角 。 伪 姿 态 与 传统姿态相比 较， 它反映的是关于速度矢量轴线的姿态信息， 因而更具有反映飞机姿 态的实际应用价值。 5 . 1 . 4稳定坐标系下传统姿态的 求解 偏 航角叭定 义 为y 。 与y ， 之 间 的 夹角 ， 可 直 接由 载体的 东向 和 北向 速 度 分 量 求出 即: ， _ _ _ _ _ _ ( 与 、 俨， 片哪 四且 1 1 、ve 少 ( 5 . 1 ) 叽同时是伪偏航角。 冷 = ( 与， 与， 场丫 表 示 飞 机 重 心 相 对 于 地 面 的 飞 行 速 度 在 当 地 地 理 系 中 的 投 影 ， 、= ( v 初 ， 坛， 与丫 表 示飞 机的 重 心 相 对 于风 轴 系( w ) 的 速 度。 w表 示 风