（精密仪器及机械专业论文）电子地图在车载导航系统中的应用(精密仪器及机械专业优秀论文).pdf

西北 业大学硕士学位论文ab s tr ac t abs tract i n t h i s p a p e r , t h e a p p l i c a t i o n o f g lo b a l p o s i t i o n s y s t e m ( g p s ) a n d g e o g r a p h i c a l i n f o r m a t i o n s y s t e m ( g i s ) o n v e h i c l e p o s i t i o n i n g a n d n a v i g a t i o n i s s t u d i e d . s t a r t i n g f r o m t h e c o m p o n e n t o b j e c t mo d e l ( c o m) t e c h n i q u e , t h e p a p e r i n t r o d u c e s t h e m a p x a c t i v e x b a s e d o n t h e o l e ( o b j e c t l i n k i n g a n d e m b e d d i n g ) t e c h n i q u e , a c o m p o n e n t g i s . t h e p a p e r d i s c u s s e s h o w t o d e v e l o p t h e s o ft w a r e o f v e h i c le n a v ig a t i o n s y s t e m b y u s in g m a p x c o n t r o l a s a g r a p h i c s t o o l a n d m s c o m m c o n t ro l a s a c o mmu n i c a t i o n t o o l wi t h v i s u a l c + + 6 . 0 t h e s e r i a l c o mmu n i c a t i o n b e t w e e n p c a n d g p s r e c e i v e r i s s o ft w a r e， t h e s o f t w a r e c a n r e c e i v e a n d p r o c e s s g p s d a t a , a n d i t r e a l i z e d b y t h i s a c c o m p l i s h e s t h e b a s i c f u n c t i o n o f e d i t i n g , a n a l y z i n g a n d q u e ry i n g t h e s p a t i a l d a t a a n d a t t r i b u t i v e d a t a . t h e p a p e r d i s c u s s e s t h e t r a n s f o r m a t i o n p r o b l e m b e t w e e n d i f f e r e n t t y p e s o f c o o r d i n a t e s y s t e m s , f o r e x a m p l e : t h e c o o r d i n a t e t r a n s f o r m a t i o n b e t w e e n wg s - 8 4 c o o r d i n a t e s y s t e m a n d b e i j i n g 5 4 c o o r d i n a t e s y s t e m , t h e f o r m u l a f o r g a u s s p r o j e c t i o n p o s i t i v e a n d n e g a t iv e c o m p u t a t i o n i n n a t io n a l s t r i p e s a n d a n y l o c a l p r o j e c t i v e s t r i p e s , a n d p r e s e n t s a n a l g o r i t h m . c o m b i n e d w i t h s o m e c l a s s i c s h o r t e s t p a t h a l g o r i t h m s , t h i s p a p e r p r e s e n t s a n e f f i c i e n t m e t h o d o f r e a l i z e t h e s h o r t e s t p a t h a l g o r i t h m w h i c h i s b as e d o n d ij k s t r a a l g o r i t h m k e y wo r d s : gl o b a l ma p x p o s i t i o n s y s t e m e l e c t r o n i c a l ma p g e o g r a p h i c a l i n f o r m a t i o n s y s t e m v a t s ( v e h i c l e n a v i g a t i o n s y s t e m ) 西北工业大学硕士学位论文第一章绪it 第一章绪论 1 . 1车载导航系统的发展与现状 自1 9 9 4 年由美国国防部发布全球定位系统( g p s ) 以来， 其g p s 导航技术在 民用市场的发展速度远远超出了其系统设计者想象，尤其是近年来，随着微电 子技术的迅速发展和g p s 的芯片制造成本迅速下降， g p s 导航技术的应用领域 己 经扩展到各个领域， 进入9 0 年代后期， 随着地理信息系统、 信息技术和通信 技术的发展，以gps导航和地图数据匹配技术为基础的汽车导航产品开始进入 市场，并高速增长，目 前己 成为g p s 最大的消费市场。 车载导 航系统是集卫星定位技术 g p s ) 、 地理信息系统( g i s ) 、 数据库技术 等为一体的综合应用系统，以g p s 接收机作为地面接收系统， 城市电子地图为 基础数据库，以wi n d o w s 、可视化开发语言、g i s软件为开发平台，只需司机 给出目 标地址， 通过系统的协同工作可显示该城市的电子地图和车辆所在位置， 实时规划出一条最佳的旅行代价的路线。同时，用可视信号和语音提示组合输 出行驶指令，对司机进行路径引导。 车载导航系统 ( v n s )是引导车辆从起点到达目 的地的系统，它是智能运 输系统的重要组成部分。车载导航系统的应用将大幅提高道路通行能力，缓解 交通拥挤和阻塞。 g i s 在车辆导航系统中发挥着十分重要的作用， g i s 条件下的 电子地图数据库为车辆导航系统提供了存放和管理导航信息的一个可视化载 体。 g i s 在车辆导航系统中的应用研究将会成为智能运输系统的一个发展方向。 智能车载导航系统一经问世， 即显示出强大的生命力和广阔的应用前景， 并 产生了巨大的社会和经济效益， 可能成为9 0 年代整个世界新的经济增长点之一。 由于巨大的市场潜力和不可估量的发展前景， 日本几乎所有的汽车生产厂家 都参加了这一高科技角逐，仅近几年投入市场的新系统就有 3 0多个。而根据 西北工 业大学硕士学位论文第一谁绪论 i g p s wo r d ) 杂志刊登的美国工业发展研究机构的预测，到2 0 0 5 年，日本、北 美和欧洲每年将有1 5 0 0 -2 5 0 0 万套产品 售出， 在2 0 1 0 -2 0 1 5 年间， 约有5 0 的汽车在出厂时，就己装备了车载导航系统，在以后时间里该系统的普及率将 会逐渐提高到1 0 0 。 从现实情况来看，由于我国几大轿车生产厂家都有意将g p s导航设备作为 整车出厂的 标准配置。 以目 前了 解的 情况而言， 在2 0 0 1 年己 经启动我国的g p s 车辆导航市场，并且小有成效。实际 情况表明: 长春一汽、 湖北二汽、 上海大 众与通用等大厂都有意在这方面寻求发展，而且重 庆长安也 在有所行动。既然 市场需求已 初露端倪， 接下来最为突出的问题是要求有g p s 车辆导航仪成熟的 硬件和软件产品，到目 前为止，国内尚 无较为完善的软硬件齐全的车辆导航系 统， 并且由于g p s 是美国军方开发的， 抗干扰能力差。 可以引入惯性导航系统， 形成组合导航系统。与己 有一定基础的软硬件相比，电子地图的矛盾更为突出， 更为关键也是国外无法直接引进的产品。虽然国内 有许多公司与单位做了不少 电子地图，但真正符合车辆导航系统应用的功能齐全覆盖较好的导航用的电子 地图却为数不多。首要的问题要切实解除某些从前制定的公众禁用法规，经过 适当的技术处理能对车辆导航系统应用的电子地图网开一面，使这一市场从根 本上能立刻启动;第二点需要强调的是尽快制订并完成车辆导航系统的电子地 图标准，使大家有个切实可行的规范可以遵循、做出全国统一制式能够共用的 电子地图。这样才能实现资源共享，群策群力在短期内做出全国性的实用的电 子地图;第三点是电子地图及时更新的问题，大多数公司和单位所掌握的地图 较为陈旧。近年来得以更新的也不多，即使更新过，但其更新的周期远比城市 建设的速度和导航要求的 周期长得多，从而造成了实际应用中的诸多问题。 g p s 车辆导航系统最早是在日 本独树一帜地发展起来的， 而且到了最近二、 三年欧洲也大规模地出现爆发性的增长。来势比日 本启动时还猛，而且北美又 紧追其后，很快出 现了 产业化发展势头。而更为值得人们注意的一种新动向是 出现了一种新产品t e l e m a t i c s ( 车辆信息系统) ， 它实际上把车辆的导航和监控功 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 能合二为一， 最简捷的 方法是利用p d a与g s m( 或c d ma ) 和g p s 相结合， 既 利用车载电子地图进行自 主导航，也能利用无线移动通信系统与控制中心和其 它信息服务部门实现双向通信。 1 . 2研究内容及主要工作 基于以上原因，g p s受控于美国国防部，这就有可能使我国受制于人，处 于被动局面。为此，在本系统设计中， 拟采用全球导航卫星系统g n s s ( g l o b a l n a v i g a t i o n s a t e l l i t e s s y s t e m) 为自己留出空间， 以防万一。 g p s i g l o n a s s 兼容接收机既可g p s 或g l o n a s s 单独工作， 又可同时利用两 个系统的信号，这样一旦我们在使用某系统受到限制时 ( 如由 于政治原因在某 个时域、某个地域 g p s失效) ，用户就可以立即转换到另外一个导航系统继续 工作 ( 这对于军事应用尤为重要) 。 对于在有阻碍环境中工作时， 如在山 地或是 城市“ 峡谷” 中， 相对单一的g p s 接收机或单一的g l o n a s s 接收机， 兼容性 的接收机就意味着有较多数目的可用卫星数，从而使用户与卫星之间的几何位 置更好，提高可靠性，扩展精度。 开发这个导航系统需要大量的工作，包括系统方面的设计，也需要做软件。 软件集g p s ( g l o n a s s 组合导航定位技术、 g i s 地理信息显示技术一体，能为 车辆导航提供全面的服务。车辆通过车载导航设 备接收g p s 数据和g l o n a s s 数据，在显示屏幕的地图上显示汽车行驶中的位置，以 及达到目的地的方向和 距离等。可在公路网范围内，定向选择最佳行驶路线，为司机提前提供道路信 息，例如道路转弯、交通事故易发区的提示，降低交通事故发生率。 基于电子地图开发的方案有几种， 考虑成本与时间的关系， 本论文拟采用集 成二次开发。 集成二次开发是指利用专业的g i s 工具软件，如m a p l n f o 公司的 m a p x控件， 以 通用软 件开发 工具尤其是可视化开 发工具( v i s u a l c + + ) 为开发 平台， 进行二者的集成开发. 可以充分利用g i s 工具软件对空间数据库的管理、 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 分析功能，又可以 利用其它可视化开发语言具有的高效、方便等编程优点，能 大大提高应用系统的开发效率，而且使用可视化软件开发工具开发出来的应用 程序具有更好的外观效果，更强大的数据库功能，而且可靠性好、易于移植、 便于维护。 本论文主要研究了如下内容: 今 地图浏览功能:主要指对电子地图数据进行操作的功能，包括: ( r ) 地图放大、缩小 ; ( 2 )地图平移、切换 : ( 3 ) 地图随汽车行速方向旋转; ( h )显示模式任选: 平面图、鸟瞰图; 5 )多层图层任意调用 : ( 6 )指北针方向:显示当前指北针方向; 今 路径分析功能: 由 用户通过拖动鼠 标或指定地名的方法在地图窗口中指定起 点和终点， 由 计算机软件按照要求自 动计算最短行驶路线， 并在地图窗口中 予以显示。 用户可以在最短路径的基础上， 利用鼠标拖动. 确定最终的行进 路线。主要包括: ( l )最短路径选择:用户指定起始点、途径地和终点，选择最短路径; ( 2 ) 路径模拟导航: 选好路径后，用户可以 模拟导航; ( 3 )距离量算:量算地图上多点之间的距离; g n s s 接收机与主机的通信功能: g n s s 接收机接收到的信号， 利用r s - 2 3 2 串口与主机进行通信。 软件根据接收到的n m e a 数据:日 期、 时间、 经纬度、 海拔、 速度、 可用的卫星数量， 信号精度等数据， 传递数据， 显示当前卫星 方位和信号接收情况， 上方是星图， 下方是信号接收状态。 保存接收到的数 据。 冷 导航定位功能:利用 g n s s和电子地图可以实时显示出车辆的实际位置， 可以随目 标移动，使目 标始终保持在屏幕上。包括: 西北_ 业大学硕士学位论文 第一章绪沦 ( i )定位功能:定位当前位置; ( 2 )导航功能:自主导航，显示相应的位置信息; ( 3 )轨迹记录功能:保存当前路线轨迹; ( 4 )自 动道路捕捉:捕捉错误位置到正确位置，使得导航更加准确。 1 . 3论文内容的安排 根据自己 所完成的工作，将论文结构安排如下: 第一章主要概述车载导航系统的国内外发展现状，及论文研究内 容等; 第二章 主要论述g p s 全球定位系统原理及g p s / g l o n a s s 集 成接收机的定位原理; 第三章 介绍了 基于m a p x控件的g i s 软件开发方式及m a p x控 件技术; 第四章车载导航软件的分析与实现; 第五章一 - 试验结果分析; 第六章总结。 西北 下 业人学硕士 学位论文 第_章 g p s 定位原理和方法 第二章g p s 定位原理和方法 2 . 1 g p s 卫星全球定位系统概述 全球定位系统( g l o b a l p o s i t i o n i n g s y s t e m一 c p s ) 是美国 从本世纪7 0 年代开 始研制，历时2 0 年， 耗资3 0 0 亿美元， 于1 9 9 4 年全面建成， 具有在海、陆、 空进行全方位实时三维导航与定位能力的新一代卫星导航与定位系统。 其全称 是 n a v i g a t i o n s a t e l l i t e t i m i n g a n d r a n g i n g g l o b a l p o s i t i o n s y s t e m，缩写成 n a v s t a r g p s ， 译为导航卫星授时和测距全球定位系统。 g p s 可在全球范围内、 全天候、连续实时地为海上、空中、陆地、空间各类用户提供高精度的三维位 置 ( 经度、 纬度、 高度) 、 三维速度和时间信息。 g p s 是继惯性导航之后， 在导 航技术领域内的一项重大革命。它实质上是一种无线电导航系统。但因它吸取 了现代最新科技成果，不但为载体导航和定位提供了最有效的手段，同时还具 有精确授时功能。 g p s除了用于军事上载体导航、制导之外，在大地测量、 地 质勘探、 空中交通管制、 车辆导航定位和人员定位等领域都有广阔的应用前景。 ps、 g 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，目前己遍及国民经 济各种部门，并开始逐步深入人们 的日常生活。g p s系统包括三大部 分:空间部分一g p s卫星星座;地 面控制部分一地面监控系统; 用户 设备部分一 - g p s信号接收机。三者 的关系如图2 . 1 0 l g p s 星座 _ _ _ 书 c p s 信号 c p s 信号 / 注入信号/ 布几) 地 团 信号 遇 些 妙 ， 图2 . 1 c p s 卫星全球定位系统的三大组成 西北 下 业大学硕士学位论文第_章g p s定位原理和方去 2 . 2 g p s 伪距定位原理 按定位时g p s 接收机所处的状态， 可以将g p s 定位分为静态定位和动态定 位两类。所谓静态定位， 指的是将接收机置于测站上数分钟至 1 小时或更长的 时间进行观测，以确定一个点在wg s - 8 4 坐标系中的三维坐标 ( 绝对定位) ， 或 两个点之间的相对位置 ( 相对定位) 。 而动态测量则至少有一台 接收机处于运动 状态，测定的是各观测历元相应的运动中的点位 ( 绝对定位或相对定位) 。 利用接收机收到的测距码或载波相位均可进行静态定位。但由于载波的波 长远小于测距码的波长，若接收机对码相位及载波相位的观测精度取至 0 . 1周 每2 ; r 弧度为一周) ， 则c / a码及载波l 1 所相应的距离误差分别约为2 .9 3 m和 1 .9 m m。利用载波相位进行单点定位可以达到比测距码伪距定位更高的精度。 载波相位测量的最主要的 应用是进行相对定 位。 将两台g p s 接收机分别安置在 两个不同的点上，同时观测卫星载波信号， 利用载波相位的差分观测值，可以 消除或消弱各种误差的影响，获得两点间高精度的g p s 基线向量。 然而考虑到本导航系统g p s 接收机采用的是伪距单点定位， 在这里只讨论 测距码伪距单点定位原理。 2 .2 . 1伪距单点定位原理 测距码伪距就是由卫星发射的测距码到观测站的传播时间 ( 时间延迟)乘 以光速所得出的量测距离，习惯上简称伪距. g p s定位的基本原理，是通过测距来确定用户的位置坐标。钡 if 距、测距差 或测距和都是利用无线电电波在空间传播的恒速性和直线性，通过测量电波的 传播时间( 传播延时) 来进行的。因此， 测距的问 题实质上变成了 测时的问 题。 g p s想要实现精密测距，就必须解决精密测时。对于精密测时，系统必须 有精确的时间基准，即精密的时钟。由时钟产生的周期性信号称为时钟信号， 目 前g p s 测距中，基本上使用的是周期性伪随机序列信号。 西北工业大学硕士学位论文 第二章 ( i ll s 定位原理和方法 具体测量传播延时时，有两种方式可供选择，即有源方式和无源方式。 有源方式，由 用户发射信号，卫星接收并转发，再由 用户接收回波信号。 其间用户由发到收的时间延迟即所测传播延时。如用户和卫星之间的距离为: ， 测得的传播延时为: ， 若卫星接收与转发之间无时间延迟，则有关系: i 厂 = 一 cr( 2 - 1 ) 式中:c = 2 .9 9 7 9 2 4 5 8 x i 护 m/s ，电波传播速度。 对( 2 - 1 ) 式进行微分， 可得: d r 1 d r = 一 c- d t 2 d t ( 2 - 2 ) 若用增量代替微分分量，可得: c at+一话 c( 2 - 3 ) 2 2 由 ( 2 - 3 ) 式可知， 测距误差a r 的 大小， 主 要取决 于传播 延时误差 : 及电 波传播 速度误差 c . 因此， 如何保证传播延时的测量精度及校正电波传播速度的误差， 便成为有源测量的关键。 无源方式， 由卫星发射信号， 而用户接收信号， 用户直接从所接收的信号中 测得传播延时。这就要求，用户钟与卫星钟完全同步，即二时钟同频同相，没 有误差。若二时钟有钟差a t ，则用户测量的传播延时扩 并不等于真正的传播延 时: ，所测距离也必然不是真正的距离。我们把扩 对应的测量距离称为我们开 始定义的伪距，并用符号r 表示: r = c r = c ( r + 山 ) = r + c tl t ( 2 - 4 ) 显然， 无源方式下， 除 传播延时测量误差、 电 波传播速度误差引起测距误差 外，钟差a t 也会导致测距误差。因此，在这种方式下，要实现精密测距，卫星 和用户都应配备精密时 钟，且要二钟严格同步，这在实际中往往是有一定困难 的。 但无源工作方式最终还是作为g p s 测量传播延时的基本方式，这是因为用 户不需要发射电波，易于实现无线电静默。也就是我们所说的被动式跟踪。 西北下业大学硕士学位论文 第二章 g n s定位原理和方法 由 ( 2 - 4 ) 式可知， 卫星与用户之间的真距与 伪距之差为c tl t 。 在c 为常数的前 提下，如钟差 t = 1 0 n s = 1 0 x 1 0 - 9 s ，相当距离误差为3 m . 如果 i o n s 的钟差，是两个时钟在一天的时间中形成的，那么对应的时钟日 稳定精度为: a t 1 0 x 1 0 4 t 2 4 x 3 6 0 0 1 . 1 5 x 1 0 - 那么高的稳定度，只有类似艳这样的原子钟可以 达到。 在二十几个卫星装如此 精密和昂 贵的原子钟尚 可， 在成千上万的用户设备上安装如此昂贵的精密钟显 然是办不到的。那么能否寻求一种办法以降 低对用户钟的要求呢? 目 前g p s 卫星上的 钟， 多为日 稳定度为1 0 - ， 的艳原子钟， 依靠地面监控系 统的监测控制，可以 保证给各卫星的原子钟相互同步。而各种用户接收机上的 时钟，可以是精度较低的石英钟。二者有钟差t i t ，这时用户测量到的第 i 颗卫 星的伪距为: 衬 = r, 十 c ) t ( 2 - 5 ) 从几何上讲，一个 距离r , ， 可以 得到一 个 以 卫 星s , 为中 心，r , 为 半径的圆球面; 如果同 时测得用户到3 颗卫星 的距离， 就可以得到三 个圆球面， 即可定出用 户在三维空间的位置。 设地球系o x i y i z i ， 图2 . 2 用户和卫星的三维坐标 西北工业大学硕十 学位论文第止章 g p s 定位原理和方法 用户u在 地球 系一点 上的 三维 坐标为 ( x , y r ) ， 第i 颗卫星凡 在地球系上一点 的三 维坐标为 ( x , y , z ) . 如图2 .2 所示 则 用户u到第i 颗卫星s , 之间的距离可 以表示为: : = /( x - x .) z + ( y - y ) 2 + ( z , - z ) - ( i = 1, 2 , 3 ) ( 2 - 6 ) 这样， 要 解出 ( 2 - 6 ) 式的 用户坐 标x 、 y , 、 , 三 个未知 量， 必须 建立三个类似的 独立方程式， 通过测量3 颗卫星的 距离砚 及解出3 颗卫 星的 坐标 ( x , y ) 之后 可得到用户的坐标。 由 于实 际中 测得的 不是r , ， 而是 伪距犷 。 将 ( 2 - 6 ) 代入到 ( 2 - 5 ) 式， 有: : 二 了 ( x , 一 x , ) 2 + ( y , 一 ， r) i + ( z 。 一 二 ) z + c o t ( ， 二 1 , 2 , 3 , 4 ) ( 2 - 7 ) 可见， 只 要测量到4 颗卫 星的 伪距扩 ， 就可以 解出 用户 位置坐 标。 这 样， 解决 降低用户钟精度 ( 用户不要求使用同卫星上一样的高精度原子钟)的办法，是 再多测一个伪距即可。 式( 2 - 7 ) 中， 卫星坐标 可根 据卫 星轨道 参数 解算出 。 在 研究卫 星导 航时， 常将 地 球系 的 三个 轴 无限 延 展， 并 取名 为宇 宙 直 角 坐 标 系o xvz 。由 于 该 坐 标 系随 地 球有自 转 运 动， 所以 o x , 轴 相 对春 分 点 轴有一 个 偏 转 角只 ， 。 根 据 轨 道参 数。、 b , i , re 及矢 径r 与 坐 标系o x r y r z 之关系， 可列出 卫星 位置 在该 坐标系三 个轴 向上的分量为: x = r c o s ( 8 + w ) c o s ( q 一 f2 c ) 一 r s i n ( 8 + w ) s i n ( s 2 一 。; ) c o s i y 二 r c o s ( b + co ) s i n ( s 2 一 。 ( ) + r s i n ( b + m ) c o s ( 。 一 5 2 , ; ) c o s j z = r s i n ( b + m ) s i n i ( 2 - 8 ) 式中参数定义如下: 西北工业大学硕士学位论文第_章 ( j p s 定位原理和方法 只:升交点赤径升交点， 道的交点。地球环绕太阳 公转的一圈中有一个点 ( 即日 历上所表示的春分 时间) ， 它反映在天球赤道 平面上的固定位置，叫做 春分点。升交点赤径，是 春分点轴向东度量到升交 点的弧度; i :轨道平面倾角卫 是由南向北飞行的卫星，其轨道与天球赤 星轨道平面与 天球赤 道 平图2 .3 卫 星 在 地 球 系 位 置 面的夹角; . 口: 近地点角距由升交点轴顺着卫星运行方向 度量到近地点的弧长， 亦叫做近地点幅角: . b :真近点角- - 一 假设卫星的运行的椭圆轨道的长轴方向为o n，以o n 为基准 ( 对应近地点为n) ， 把卫星s与点心连线o s与o n间的夹角就 定义成真近点角，它确定了卫星在轨道上的具体位置。 这几个轨道参数之间的关系示意图如图2 . 3 所示。 2 . 2 . 2 gdop g d o p ( g e o m e t r i c d i l u t i o n o f p r e c i s i o n ) ， 是 i l 何 精度衰 减因 子， 简称 几何 精 度因子 ( 几何精度系数) 。 它表示用户定位误差随g p s卫星星座几何位置而变 化的关系，确切地讲，g d o p值表示了定位精度衰减系数或定位误差的放大系 数，实际中分为三维空间、二维平面、垂直方向和时间四个不同的凡何精度因 子， 分别为p d o p , h d o p , v d o p和t d o p a 当用户至卫星n q 距误差一定的情 西北工业大学硕十学位论文第三章 gps定位原理和方法 况下， 对应上述四种不同性质的误差大小是测距误差乘以各自的几何精度因子。 它们之间有如下关系: g d o p 2 = p d o p - 十 t d o p z 可见，几何精度因子确为误差的放大系数，自 然希望它越小越好。 2 . 3 g p s 信号接收机 g p s 信号接收机是g p s 导 航卫星的定位的终端仪器， 是一种能够接收、 跟 踪、 变换和测量g p s 卫星导航定 位信号的 无线电 接收设备， 既具有常 用无线电 接收设备的共性，又具有捕获、跟踪和处理卫星微弱信号的特性。本节将讨论 g p s信号接收机的基本结构和工作原理， 着重论述当代卫星信号接收机的一个 重要类型一 一 - g p s / g l o n a s s 集成接收机。 2 .3 . 1 g p s 信号接收机的基本结构 g p s 信号接收机的 种类虽然如此之多， 但是， 从仪器结构的角度来分析， i 不 7 一- 一 -一 一匕 o f w w a.- - - 一一一 门黔 阵 b i g f-es-一j 一 控口 一数接 一1叫! 一 |曰| 料信号波道 a ra 一 州一一 一 - 万一 支 _ ol微处理机 一 匕- 仁 甸 pc#jl i 一 11洲一 接收单元 图2 . 4 g p s 信号接收机的方框图 西北工业大学硕士 学位论文第二章 c p s 定位原理和力法 则可概括为天线单元和接收单元两大部分 ( 如图2 .4 所示) 。对于大多数的 非袖珍式的g p s 信号 接收机而言， 图中的两个单元被分别装成两个独立的部件， 以便天线单元能够安设 在运动载体或地面的适当点 位上，接收单元置于运动载 体内部或测站附近的 适当地方， 进而用长达 1 0 .1 0 0 m的天线电 缆将两者连接 成一个整机， 仅由一个电源对该机供电。 从图2 .4 可以看到接收机主要包括六大 功能模块: 天线单元、 信号波道、 存储器、计算与显控、 频率合成器、电 源等。 综上所述， 接收机的主要任务是，当g p s 卫星在用户视界升起时，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g p s信号， 具有变换、 放大和处理的功能，以便测量出g p s 信号从 卫星到接收天线的 传播时间及其频率， 解译出g p s 卫星所发送的导航电文，实 时地计算出测点的三维位置、 三维速度和时间。 2 . 3 .2 g p s 信号接收机的工作原理 在导航定位测量中，g p s信号接收机一般需要实施下列主要作业程序:检 验接收机的自 身性能， 捕获和跟踪在视待测卫星，校正接收机时钟，采集和记 录导航定位数据，不断选用适宜的定位星座，实时算得点位坐标和行驶速度。 随着超大规模集成电路和固件技术的迅速发展，许多接收机己 经能够自 动地按 序完成这些作业程序。 用2 4 颗卫星组成的g p s 星座作导航定位测量时， 对于某一个用户而言， 能 够同时接收到4 -1 2 颗卫星发送的g p s 信号， 亦即将有8 -2 4 个导航定位信号 同时到达用户的全向接收天线。因此，如何从这些载波频率相同的接收信号中 解析出各自 需要的g p s 导航定位信号， 是g p s 信号接收机必须解决的首要问题。 假定g p s 信号接收机具有4 个平行跟踪式波道， 而有8 颗卫星的g p s 信号 同时到达接收天线，它们经过混频、滤波和中放之后，若暂且略去信号在传播 途径上和接收机内的附加延时，则对于第一波道而言，若令其跟踪和测量来自 西北 下 业大学硕士学位论文第二章g p s 定位原理和方法 第i 颗卫星的g p s 信号，则必须抑制和排斥来自 其他各卫星的g p s信号。其方 法是，依据不同的 g p s卫星具有不同的伪噪声码，通过捕获和跟踪到第i 颗卫 星的伪噪声码，而实现g p s 信号的识别。 g p s 信号接收机均采用先捕获c / a码， 在c / a码l m s 的时间周期共有】 0 2 3 个码元， 若以5 0 6 i t / s 的速率搜索c / a码， 只需2 0 .4 6 s 就能够完成一个周期c / a 码的搜索。然而，c / a码的捕获，需要逐元搜索和精细调节两步才能到位。 第一步，逐元搜索，迫使 c / a码步入跟踪区间。在搜索状态下，存在下述 两种c / a码: 其一是， 接收到的来自g p s 卫星的c / a码， 叫做接收码。 另者是， 接收机c / a码发生器所产生的c / a码， 称之为本地码。与此相对应， 还存在接 收载波和本地载波。因此，搜索c / a码的目 的，既要迫使本地码基本上对准接 收码，又要迫使本地载波频率锁定在接收载波频率上。 第二步，精细调节， 双跟踪环路解译出d码。c / a码的上述搜索，只能解 决本地码和本地载波基本上分别对准接收码和接收载波的问题。换言之，只能 解决 g p s信号接收机的“ 冷启动” 。 两者的一一精确对齐， 还需依靠伪噪声码 跟踪环路和载波跟踪环路 c o s t as环) 。 在g p s 信号接收机搜索、 捕获和跟踪伪噪声码及解调所传送的导航电文后， 才 一 有可能测量测点与卫星之间带有距离偏差的距离 伪距) 。 伪距的测量， 可采 用下述 “ 分步”测量的方法: ( 1 )用导 航电 文6 s 子 帧的同 步 码( 遥测 码的 第1 - 8 6 it - 1 0 0 0 1 0 0 1 ) 测量 1 .8 x 1 0 0 k m以内的站星距离，称之为同步粗测值;或者，用p 码子码x 1 的 1 .5 s 时间周期测量4 . 5 x 1 护k m以内的站星距离，称之为p 码粗测值; ( 2 )用c / a码的 l m s 时间周期测量3 0 0 k m以内的站星距离分量， 称之为 c / a码粗测值; ( 3 )用c / a码的 码元相位测量3 0 0 m以内的站星距离分量， 称之c / a码精 测值; 西北下业大学硕士学位论文 第二章 g p s 定位原理和方法 ( 4 ) 用p 码的码元相位测量3 0 m以内的站星距离分量， 称之为p 码精测值。 上述测量方法， 都是用于测量同一时元的同一个站星距离， 它们也像用尺长 分别为1 .8 x 1 0 k m, 4 .5 x 1 0 5 k m、 3 0 0 k m , 3 0 0 m和3 0 m的5 把“ 电 尺” ， 同时分 别去量测同一站星距离，只不过同步粗测值和 p码粗测值，是为了解决所测站 星距离( 其最大值约为2 6 5 0 0 k m ) 的多值性 ( 模糊度) ，因此， 两种粗测值只需采 用其中之一。但是，无论采用 p码粗测值，还是同步粗测值，其测量误差必须 小于1 5 0 k m ( 0 .5 m s ) ，以 确保3 0 0 k m整倍数值的正确性。 同步精测值，可以按时间扩展测量技术，精确测得6 s 子帧同步码之间的时 全志号 “状信 间之差， 其值乘以电磁波的传播速度， 即为同步粗测值。 c / a码粗测值采用 状态脉冲测量法” 如图2 . 5 所示。图中的本地码发生器输出到l o 全 “ 1 ” 一 il砰 z 一 巡黔 ” 时钟 口 码 粗 测 值 图 2 . 5 码粗测值的测量原理框图 检出器的本地码 接收机的时钟和 是己 经与接收码 “ 对齐” 了的c / a码。 但是，即使g p s g p s 卫星时钟严格同步，由于两地时钟的启动时间之异 ( 即信 号初相不同) ，基准码不能完全代替卫星上伪噪声码，按照图2 . 5 测得的站星距 离，总是存在由 此而引 入的 距离偏差， 亦即所测得的站星距离， 不同于g p s 信 号接收机接收天线和g p s 卫星之间的真实距离， 而是带距离偏差的伪距。 此外， 为了产生基准码，不仅要求严格同步接收机时钟.而且还要知道伪噪声码的结 构，因此，非特许用户一般只能用c / a码作为伪距测量。 西北 工 业大学硕士学位论文第三章 g p s 定位原理和方法 2 .3 . 3 g p s / g l o n a s s 集成接收机 所谓g p s / g l o n a s s 集成接收机，就是一台接收机同时接收和测量g p s 及 g l o n a s s两种卫星信号。g l o n a s s全球导航卫星系统 ( 英文全称为 g lo b a l o r b it in g n a v ig a t io n s a t e l l ite s y s te m ) 是原 苏 联自 己 建 造的由2 4 颗卫 星 组 成工 作 星座的第二代卫星导航系统。g l o n a s s卫星星座采用频分多址的信号识别方 式， 亦即， g l o n a s s 卫星星座不像g p s 卫星星座那样采用一 个公共的射电 频 率， 而是每颗g l o n a s s 卫星采用不同的 射电 频率。 并且， 对于我国 境内能够 见到的高度角在5 度以上的2 4 颗g l o n a s s 卫星是1 1 颗。本导航系统之所以 采取g p s / g l o n a s s 集成接收机， 是考虑到其优越性的。 g p s / g l o n a s s 集成接收机相对于用单一卫星星座的g p s 或g l o n a s s 信 号接收机而言，其优越性体现在如下几个方面: ( 1 )能 够消除间隙时段。当 用单一的g p s 星座作导 航定位测量时， 对于 某地某时也许能见到4 颗g p s 卫星，而这4 颗卫星构成几何图形又较差， 致使 它的三维位置几何精度因子 ( p d o p ) 超过6 ， 而显著地放大位置和时间 误差， 这个时间段称为“ 间隙时段” 。 如果同一台接收机能够同时接收、 跟踪、 变换和 测量g p s 和g l o n a s s 两种卫星信号，则可从4 8 颗卫星的g p s / g l o n a s s 混 合星座中选择适宜的卫星，构成卫星星座。从而消除上述导航定位测量的间隙 时段，以保证高精度导航定位的连续性和可靠性。 ( 2 )能够实现真正的 全球连续的精确导航。当 用单一的g p s 星座作导航 测量时，理论上只需观测4 颗卫星。但试验结果表明，仅仅观测4颗卫星难以 实现连续的精确导航。 特别是在高 动态的 应用场合， 运动载体和g p s 卫星之间 存在着较大的加速度径向分量，易于导致接收机跟踪环路的失锁。若采用 g p s / g l o n a s s 集成接收机， 即可在一天的任何时候接收4 颗以上的卫星信号， 又可选择径向加速度较小的卫星构成定位星座， 而确保精确导航测量的连续性。 ( 3 )能 够以 较短的数据采集时间获得较高的导航定位精度。 试验成果表 西北工业人学硕士 学位论文第二章 cps定位原理和方法 明， 用g p s / g l o n a s s混合星座作导航定位的二维位置精度比 用单一g p s星座 的二维位置精度高达7 0 yo， 用g p s / g l o n a s s 混合星座作单频差分测量的精度 和用单一g p s 星座作双频差分测量的精度，是相似的。 ( 4 ) g p s / g l o n a s s 集成接收机还能 够在繁杂的地形和地物环境下补偿 中断接收的卫星信号， 确保导航定位测量的正常进行。还能够在一个星座因故 不能为我国用户用的情况下，而采用另一个星座，以此提高利用外国导航卫星 的可靠性。 2 .3 . 4 j g g 2 0 集成接收机板 本导航系统采用的是g n s s 双系统集成接收机板 j g g 2 0 板。 j g g 2 0 板 是j a v a d公司推出的一款高品质的双系统单频o e m板。 它体积小， 功耗低， 仅 1 .5 w, 2 0 n s 的授时精度。 独特的 位置保持功能， 使它的 授时非常稳定;同时， 它高精度的定位解算输出，稳定的双系统保证，具有很重要的战略意义。其接 线接口如图2 . 6 所示。 爵那韶灿如邵能 嵘厦 毛 盗， 江 1 石决 图2 .6接线及接口图 1 .接线说明 如图2 . 6 所示，板子上主要有两处接口: g p s 信号接入端口、 3 0 针排 线接 口; 西北工业大学硕十学位论文 第二章g p s定位原理和方法 2 . 3 . 5 n me a - 0 1 8 3 语句 n me a -0 1 8 3 是美国国家海洋电子协会为海用电子设备制定的标准格式。 它是 在过去海用电 子设备的 标准格式0 1 8 0 和0 1 8 2 的 基础上， 增加了g p s 接收 机输出的内容而完成的。目 前广泛采用的 是v e r 2 . 0 0 版本。 现在除少数g p s 接 收机外，几乎所有的接收机均采用了这一格式。这里以一条常用的语句来讨论 n me a - 0 1 8 3 语句格式。 $ g n g n s , 1 1 0 8 5 0 . 0 0 , 3 4 1 4 . 7 6 4 3 0 0 2 , n , 1 0 8 5 4 . 5 7 9 5 0 6 9 , e , a n , 0 9 , 1 . 0 2 , 4 0 9 . 7 3 5 7 . 2 8 . 4 0 3 60 4 2 ( c r ) ( l f ) 以 上是一条完整的 g n s 语句信息， n m e a o 1 8 3的 语句均以“ $ ”开头、 “ * ” 结束， g n g n s 表示g n s 语句信息， 后边的 数据项均以 逗号分隔: 第一项， 第二项， 第三项， 第四项， 第五项， 第六项， 第七项， 第八项， 第九项， 第十项， 第十一项， 第十二项， 1 1 0 8 5 0 .0 0 , u t c( 格林尼治) 标准时间，头两位表示小时，中间 两位表示分钟，后面的带两位小数的表示秒; 3 4 1 4 . 7 6 4 3 0 0 2 ，纬度，头两位是度，后面的是分; n ，纬度符号，n 一北纬，s 一南纬; 1 0 8 5 4 . 5 7 9 5 0 6 9 ，经度，头三位是度，后面的为分; e ，经度符号，e 一东经，w-西经; a n ， 状态标志位; 0 9 ，用于系统定位的总的卫星数; 1 .0 2 ，水平几何因子h d o p ; 4 0 9 . 7 3 5 7 ，相对海平面的海拔高度; 4 2 , 总和校验域; 总和校验数; ( c r ) ( l f ) 回车， 换行 至于其他的语句这里就不具体详细说明，只是简要介绍各个语句的主要信 息。 g p g g a主要包括g p s 卫星定位系统的位置信息;g n r mc主要包括双星 定位系统的 速度和方位等信息: g p g s a和g l g s a分别是g p s 和g l o n a s s 西北工业大学硕 f - - 学位论文第止章 u p s 定位原理和方法