（交通信息工程及控制专业论文）嵌入式气压高度表辅助GPS定位装置的设计和实现.pdf

南京航空航天大学硕士学位论文 i 摘 要 随着 gps 技术在包括道路测控、汽车导航、交通管理、石油勘探、海上作业和紧急救援等军 事和民用的众多领域中的越来越广泛的应用和发展，gps 系统对生产、生活的影响也愈加深远。 另一方面，在 gps 接收机数据更新间隙、在 gps 天线遮挡的期间以及整个系统系统受到干扰的 过程中，单独依靠 gps 无法提供连续、实时的定位信息，促使了 gps 与各种传感器的组合。气 压高度表辅助 gps 定位系统就提供了一种较好的解决方案。 本文针对气压高度表辅助 gps 定位系统的设计理论及工程应用进行了深入研究。采用高精度 气压高度计、低成本 gps- oem 板、arm 处理器和液晶显示屏设计了一种嵌入式气压高度表辅 助 gps 定位系统，并从硬件、软件上实现了该组合定位系统。针对气压高度表的初始精度不能 满足组合系统精度要求的问题，本文分析了气压高度表的原理性误差，并通过曲线拟合的方法对 气压高度表的输出特性进行了补偿和校正，提高了气压高度表的输出精度。 同时，本文提出了一种气压高度表辅助 gps 定位系统算法，绘制了该算法流程图，并实现了 该算法和 gps 接收、定位程序，设计了人机交互界面，给出了程序流程图。其次，对本课题所 设计的气压高度表辅助 gps 定位系统的实验数据进行了分析，结果表明组合后的系统定位误差 在 2030m 之间，能基本满足一般定位的精度需求，而且精度还有进一步提高的空间。文中还 提出提高系统性能的改进方案。 关键词：全球定位系统，数字式气压高度表，组合定位，误差补偿，嵌入式 linux 系统 嵌入式气压高度表辅助 gps定位装置的设计和实现 ii abstract the first and foremost problem for navigation is to position real- timely and exactly. though global positioning system (gps) is widely used at present, it is restrained due to its intrinsic errors. for instance when a vehicle (helicopter) is running in an urban canyon environment (a place where high buildings are on its both sides) or in a jam- paced place (mountainous area), things get more awful. in these situations, high buildings, high mountains and dense forest block gps signals and there are not enough satellites signals in estimating the positions of the user. these factors will induce the decline of the position precision, which means the positioning precision cannot meet the requirement of the continuous and real time navigation. with a barometric altimeter as an assist device, the solution of position and clock bias during positioning failure can be obtained using a direct method described in this dissertation. this method uses barometric altitude to build an additional equation for position and clock bias computation. our direct method could be used to initialize kalman filter in altitude- hold mode or be used repeatedly in stand- alone mode in the case of satellite insufficiency. precision of any integrated system relies on the precision of each component and the effectiveness of data fusion method. this dissertation begins with the calibration of a high precision barometer and error compensation as an attempt to enhance the precision of the barometric altimeter. this dissertation introduces the software and hardware design flow of the positioning system in detail. the integrated positioning system designed in this dissertation was composed of a gps oem board, a barometer and an embedded system.and the embedded system is consisted of arm cpu, ram, flash, and other interface components. this dissertation developed positioning software on the platforms of embedded linux and qt, and implemented serial communication, positioning algorithm and application program with qt. finally, this dissertation analyzes the whole performance of the integrated system, and suggestes several ways to enhance the precision and performance of the integrated device. keywords： global positioning system， barometric altimeter， atmosphere pressure， integrated positioning, embedded linux system 南京航空航天大学硕士学位论文 v 图表清单 图 1.1 测距交汇示意图.3 图 1.2 城市和山区等 gps 信号被遮蔽示意图.4 图 2.1 gps 空间卫星分布图.7 表 2.1 gps 星历数据的定义.9 图 2.2 开普勒轨道参数示意图.9 图 2.3 gps 测距方法.13 图 2.4 距离测量的定时关系.16 图 3.1 高度的概念示意图.19 表 3.1 -2km20km 国际标准大气温度、温度梯度与高度分层.20 图 3.2 校正前相对误差曲面.21 图 3.3 整体校正后相对误差曲面.22 图 3.4 分片曲面拟合后传感器相对误差.23 图 3.5 相对原理误差图.25 图 4.1 气压高度表辅助 gps 定位系统原理示意图.26 图 4.2 气压高度表辅助 gps 定位系统示意图.27 图 4.3 gps 主要误差及其修正方法示意图.30 图 4.4 klobuchar 电离层延时模型示意图.31 图 4.5 高程异常示意图.34 图 5.1 气压高度表辅助 gps 定位系统组成结构图.35 表 5.1 嵌入式计算机系统主要硬件配置.36 图 5.2 gps 接收机的主要组成单元.36 图 5.3 gps 接收机的工作顺序.37 表 5.2 jns-100 oem 接收机主要性能参数.38 图 5.4 高精度高度表硬件结构框图.39 表 5.3 hpa-200 型高精度气压计主要特性.39 图 5.5 arm920t 架构图.40 图 5.6 外围器件电源模块.42 图 5.7 核心板电源模块.42 图 5.8 时钟晶振电路.43 图 5.9 cpu 工作时钟电路.43 图 5.10 复位电路.43 图 5.11 flash 接口电路 .44 图 5.12 sdram 接口电路.44 图 5.13 串行接口电路.45 图 5.14 软件主要模块及类结构.47 图 5.15 定位系统的工作流程图.48 图 5.16 软件主界面.54 图 5.17 卫星的仰角/方位角俯视图.55 嵌入式气压高度表辅助 gps 定位装置的设计和实现 vi 图 5.18 数据查看界面.55 图 6.1 四星定位和辅助定位经纬度、高度、稳定度曲线对比图.56 图 6.2 辅助定位气压高度曲线图.57 图 6.3 绝对误差曲线图.58 图 6.4 相对定位误差曲线图.58 南京航空航天大学硕士学位论文 vii 注释表 as anti spoofing 反电子欺骗 aodc age of data offset 卫星时钟的数据龄期 aode age of data ephemeris 星历的数据龄期 dr dead reckoning 航迹推算 ecef earth centered earth fixed 地球固连坐标系 egnos euro geostationary navigation overlay service 欧洲静地星导航重叠服务 gast greenwich mean time 格林尼治视恒星时 gdop geometric dilution of precision 几何精度因子 glonass global navigation satellite system 全球导航卫星系统 gnss global navigation satellite system 全球导航卫星系统 gps global positioning system 全球定位系统 gpst gps time gps 时 how handover word 交接字 icao international civil aviation organization 国际民航组织 mm map matching 地图匹配 msas mtsat satellite based augmentation system 多功能卫星增强系统 pps precision positioning system 精准定位服务 rtk real time kinetic 相位差分定位 sa selective availability 选择可用性 sps standard positioning service 标准定位服务 tlm telemetry word 遥测码 utc coordinated universal time 世界协调时间 waas wide area augmentation system 广域增强系统 wmo world meteorological organization 世界气象组织 承诺书 本人声明所呈交的硕士学位论文是本人在导师指导下进 行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和 致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研 究成果，也不包含为获得南京航空航天大学或其他教育机构 的学位或证书而使用过的材料。 本人授权南京航空航天大学可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编学位论文。 （保密的学位论文在解密后适用本承诺书） 作者签名： 日 期： 南京航空航天大学硕士学位论文 1 第一章 绪论 1.1 gps 系统产生和发展 最早， 人们通过观察天上星星的位置变化来确定自己的位置和前进的方向。 进入 20 世纪以 后，随着人类科学技术水平的提高和城市道路状况的日益复杂，各类探险活动的频繁，人们对 导航定位技术的需求范围更广，要求也更高了。 20 世纪电磁场理论和电子技术的蓬勃发展为新导航技术的形成提供了坚实的理论和技术 基础。人们的思维从被动地利用宇宙中存在的参照物扩展到主动地建立和利用人造的参照物来 发展更精密的导航和定位技术1。由此地基电子导航系统诞生了，该系统的诞生标志着人类从 此进入了电子导航时代，具有划时代的意义。地基电子导航系统主要由在世界各地的适当地点 建立的无线电发射参考站组成。接收机通过接收参考站发射的无线电信号并由此计算接收机到 发射站的距离来确定自己的位置。 由于地基电子导航系统的无线电发射站均建立在地球表面上， 因此只能进行海平面和地平面上运动物体的二维定位。这一固有缺陷使得地基电子导航无法用 于空间飞行器的三维定位和导航，这一需求促使人们产生把无线电发射站建立在空中的设想。 1957 年 10 月，世界上第一颗人造地球卫星的发射成功，天基电子导航系统即卫星电子导航系 统应运产生。第一代卫星电子导航系统是美国海军的海军导航卫星系统(navy navigation satellite system， nnss)， 该系统的卫星轨道都通过地极， 故也称 “子午(transit)卫星系统” ， 1964 年建成。实践证明，子午卫星系统具有精度均匀、不受天气和时间限制等优点，只要能观测到 子午卫星，就可以在地球表面的任何地方进行单点定位或联测定位，从而获得测站的三维地心 坐标。但是该系统也存在严重的缺陷：组成系统的卫星少，不能实时定位；卫星轨道低， 难以精密定轨；卫星信号的频率低，难以补偿电离层效应的影响。这些缺点直接导致定位速 度慢(实时性差)和定位精度低，难以满足高动态用户和高精度用户的定位要求。为了克服子午 卫星系统的缺陷，实现全天候、全球性和高精度的连续导航与定位，1973 年美国国防部批准其 陆海空三军联合研制第二代卫星导航系统，即 gps。gps 的实施计划共分三个阶段。第一阶段 为方案论证和初步设计阶段，从 1973 年到 1978 年，发射 4 颗试验卫星，建立地面跟踪网，研 制地面接收机。第二阶段为全面研制和试验阶段，从 1979 年到 1984 年，发射 7 颗 block i 试验 卫星， 研制各种用途的接收机， 包括导航型和测地型接收机。 第三阶段为实际组网阶段， 从 1985 年到 1993 年，发射 block ii 和 block iia 工作卫星。到 1993 年，由分布在 6 个轨道平面内的 24(23+1)颗卫星组成的 gps 工作星座已经建成。gps 与其他导航系统相比，具有明显的优点： 全球地面连续覆盖；功能多，精度高，可以连续提供动态目标的精确的三维位置、三维速 度和时间信息；实时定位，可以实时地确定运动目标的三维位置和速度。 嵌入式气压高度表辅助 gps 定位装置的设计和实现 2 进入二十一世纪后，gps 系统显然已不能适应技术发展以及军民用户的需要，任何事物都 需要发展，在发展中得到进一步的完善，gps 系统也不例外。 gps 系统的主要问题有： 1. gps 的系统组成和信号结构都不能满足当前的需要。例如：目前的卫星星座结构在高 纬度地区严重影响导航和 定位，在中、低纬度地区，每天总有两次盲区、每次盲区历时 20 30 分钟，盲区时，观测条件较差，给导航和定位带来很大的误差。 2. 现行的 gps“双用途政策”矛盾突出，既遭到包括美国在内全世界民间用户的强烈反 对，也得不到美国军方的支持。 3. 实时导航定位的精度低于 glonass 和 gnss 系统。 1999 年 1 月 25 日美国副总统正式提出了几项军用、 民用 gps 导航技术的改进和发展计划， 即 gps 现代化计划2。 gps 现代化的实质是要加强 gps 对美军现代化战争中的支撑和保持全球 民用导航领域中的领导地位。随后美国军方和波音公司（gps 系统主要制造商）发表的文章都 阐明了它的内涵： 一是保护(protection)， 即 gps 现代化是为了更好地保护美方和友好方的使用， 要发展军码和强化军码的保密性能，加强抗干扰能力；二是阻止（prevention） ：即阻扰敌对方 的使用，施加干扰，施加 sa，as 等；三是保持(preservation)，即是保持在有威胁地区以外的 民用用户有更精确更安全的使用。 gps 现代化计划为适应更好地民用导航、定位、大气探测等方面的需求，提出了以下 5 个 主要方面的改进：改善民用导航和定位的精度；扩大服务的覆盖面和改善服务的持续性；提高 导航的安全性（integrity） ，如增强信号功率，增加导航信号和频道；保持 gps 在全球定位系统 中技术和销售的领先地位；注意和现有的和将来的民用其他空间导航系统的匹配和兼容等。 随着 gps 现代化的推进，gps 的性能得到显著提高，这有助于 gps 技术的普及和应用领 域的拓展。但是 gps 仍然是一个军民共用的系统，美国国防部完全控制着 gps 的运行和发展， 其现代化的主要直接目的是为美军提供“导航战”的战略保障。美国已具备了保护 gps 信号不 受干扰并不被敌方用于军事目的的技术，美国军方依然保留对某些特定地区在特定时间内损坏 该系统精确度的权利。因此，基于美国的卫星的 gps 系统存在着不安全因素。从国家安全和经 济持续发展的长远眼光考虑，我国在卫星导航定位系统方面，必须积极加强国际交流与合作， 不断借鉴别国经验，建立发展自主的导航定位系统。我国在与欧盟“伽利略”系统开展合作的 同时，发展自主的“北斗二号”卫星导航定位系统，是一个两全的策略34。 1.2 gps 定位原理和定位方式 gps 定位技术的基本原理是采用测量学中通用的测距交汇确定点位的方法。 如图 1.1 所示， 假设用户接收机在某一时刻采用无线电测距的方法分别测得了接收机到三个发射台的距离的 南京航空航天大学硕士学位论文 3 r1，r2，r3。如果三个发射台的位置已知，则分别以三个发射台为球心，以对应的距离为半径 做出三个球面，即可交汇出接收机的空间位置。 实际 gps 系统通过分布在 6 个轨道上的 24 颗 gps 卫星以全球覆盖的方式向地面发射测距 信号和导航电文(导航电文中含有卫星的位置信息)，保证了在地球上任意天顶开阔的位置任何 时刻都可以接收到 4 颗以上的 gps 卫星信号。用户 gps 接收机在某一时刻接收到 4 颗以上的 gps 卫星信号，测量出测站点至卫星的距离，并通过导航电文解算出该时刻 gps 卫星的空间坐 标，然后采用距离交汇法解算出接收机天线的空间位置坐标。 图 1.1 测距交汇示意图 一、单点定位与相对定位 按定位方式，gps 定位分为单点定位和相对定位（差分定位） 。单点定位就是根据一台接 收机的观测数据来确定接收机位置的方式，也称绝对定位。单点定位只能采用伪距观测量，其 定位的结果是接收机在 wgs-84 系统下的坐标值，可用于车船等的概略导航定位，定位精度 100m 左右。相对定位（差分定位）是根据两台或两台以上接收机的观测数据来确定观测点之间 的相对位置的方法，它既可采用伪距观测量也可采用相位观测量，大地测量或工程测量均应采 用相位观测值进行相对定位。相对定位由于可以消除各个接收机的公共误差，定位精度较高。 单点定位的优点是：只需一台 gps 接收机可实现独立定位、野外作业的实施较为方便、数 据处理较简单；缺点是：受 gps 卫星星历误差和大气延迟误差影响较严重，定位精度一般。 二、静态定位与动态定位 在定位观测时，若接收机相对于地球表面运动，则称为动态定位。如用于车船等概略导航 定位的精度为10030米的伪距单点定位， 或用于城市车辆导航定位的米级精度的伪距差分定 位，或用于测量放样的厘米级的相位差分定位(rtk)，实时差分定位需要数据链将两个或多个 嵌入式气压高度表辅助 gps 定位装置的设计和实现 4 站的观测数据实时传输到一起计算。 在定位观测时，若接收机相对于地球表面静止，则称为静态定位。静态定位中，gps 接收 机在捕获和跟踪 gps 卫星的过程中固定不变，接收机高精度地测量 gps 信号的传播时间，利 用 gps 卫星在轨的已知位置，解算出接收机天线所在位置的三维坐标。在进行控制网观测时， 一般均采用这种方式由几台接收机同时观测，它能最大限度地发挥 gps 的定位精度，专用于这 种目的的接收机被称为大地型接收机，是接收机中性能最好的一类。 1.3 gps 多传感器组合导航定位技术 定位系统最基本的任务是连续地获得用户的精确运动轨迹。目前，全球定位系统的应用越 来越广泛，gps 能迅速、准确、全天候地提供定位信息，实时地提供高精度的三维位置和速度 信息。但是在许多情况下，仅仅依靠 gps 定位，实现连续、准确的导航定位服务是不可能的。 如图 1.2 所示，由于高楼、隧道、树林、山洞、高山等原因，往往造成 gps 信号接收困难 或丢失，不能准确定位。为了准确获得用户所处位置信息，必须采取多传感器信息融合技术， 进行组合定位。 图 1.2 城市和山区等 gps 信号被遮蔽示意图 （1） 车载 gps/航迹推算（gps/dr）组合定位56 从精度、性能、可靠性方面来看，由惯性器件 dr 与 gps 构成的组合定位系统优于 gps 独立导航定位系统，车载 gps/dr 能够在 gps 无法定位或定位误差较大时，切换至航迹推算定 位系统，但是随着时间的增长航迹推算定位将会产生误差积累，当 gps 定位恢复正常后，可用 gps 的定位结果对航迹推算定位传感器进行误差修正或标定。 （2） 车载 gps/dr/地图匹配（gps/dr/mm）组合定位7 将 gps、dr、gis、mm 有机结合，互相取长补短，保证了车辆在各种环境下都能准确、 实时、低成本地导航与定位，应用的领域包括智能交通系统（its）中交通信息的采集、车辆指 挥与调度、道路几何参数的快速测量等许多领域。 卫星 1 卫星 2 卫星 3 建筑物 高山 卫星 4 南京航空航天大学硕士学位论文 5 （3） gps 气压高度表组合定位89 gps 的精确定位结果用于辅助气压高度表的初始化，给出精确的初始位置。当 gps 信号丢 失一段时间之后，气压高度表可以提供 gps 精确定位所需的约束条件，缩短 gps 定位时间。 另外， 由于目前技术和其它方面因素限制， gps 接收机计算出来的高度值误差都在几十米左右， 导致 gps 接收机不能准确显示海拔高度数据。想比较精确测量海拔高度值，就需要采用气压高 度表来测量。 1.4 课题研究目的和意义 一、gps 和气压高度表的组合的应用前景 目前来看，gps 和气压高度表的组合至少有以下几方面的应用前景： （1）在手持 gps 接收机中组合气压高度表 手持 gps 接收机用户一般都是些喜欢旅游、登山、野外探险的年轻人。他们需要了解的是 经纬度、方向和高度等数据，当用户位于树林里或悬崖下时有可能会接收不到 gps 卫星信号， 目前有些型号手持 gps 接收机就附加有电子罗盘和气压高度计1011，如 garmin vista、麦 哲伦探险家 600 等。之前高精度磁阻传感器和气压传感器成本比较高，导致手持 gps 接收机成 本也降不下来，限制了市场规模。现在低成本高精度气压传感器逐渐出现，肯定会为在 gps 接 收机中嵌入气压传感器带来比较大的市场。 另外， gps 接收机中增加一个高精度气压传感器， 一个湿度传感器， 一个温度传感器， gps 接收机就变成了一个便携式气象站，既可以做成手持式，也可以做成车载式。可以测量空气温 度、空气湿度、大气压力、海拔高度，并由大气压力变化预测出未来 12 小时内的晴、阴、雨变 化。 （2）车载 gps 接收机中组合气压高度表提高 gps 垂直定位精度 车载 gps 接收机价格不断降低，越来越多人购买了车载 gps 接收机。然而汽车行驶在立 交桥或高架路上时，gps 经常会发出错误导航指令。比如车辆在桥上正常行驶时候，gps 突然 指示右转，桥上根本没有右转出口，gps 接收机没有准确判断出车辆实际是桥上还是桥下，发 出了错误指令。这是由于 gps 接收机根据卫星信号计算出来高度数据误差一般有几十米，而一 般立交桥和高架路上下两层高度差通常也就几米到十米范围，导航图上不考虑高度数据，直接 把三维立交桥当成二维交叉路口来处理， 再加上 gps 接收机水平定位误差就会经常出现桥上桥 下判断错误的现象。错误导航指令会给用户带来不便，用户完全根据导航指令来操作会发生危 险，之前这个问题一直没有到很好解决。 如果在车载 gps 接收机里增加一个高精度气压传感器来辅助测量高度数据， 就可以很好解 决这个问题。高精度气压传感器用来测量高度可以做到 1 米左右的分辨率，用来判断桥上、桥 嵌入式气压高度表辅助 gps 定位装置的设计和实现 6 下高度差是完全可以胜任的。 二、嵌入式系统在 gps 领域的应用前景 嵌入式系统是以应用为中心，以计算机为基础，软硬件可裁剪，适用于对功能、可靠性、 成本、功耗严格要求的专用计算机系统。嵌入式系统应用于特定环境下，面向专业领域的应用 系统，不同于通用计算机的多样化和适用性12。它具有软硬件一体化，集计算机技术、微电子 技术、特定专业技术于一体；操作系统和应用软件程序代码少；执行速度快；能满足实时性的 要求等特点。 早在嵌入式系统兴起初期就有人提出使用嵌入式系统组建民用 gps 接收机13，减小成本， 加快 gps 民用化的普及 。近年来，linux、windows ce、cos，vxworks 等实时操作系统， 各种嵌入式处理器纷纷得到应用。考虑到 linux 系统的开放性和 gps 定位的实时性要求，本课 题最终采用了 arm-linux 和 arm9 处理器的系统作为开发平台。 1.5 论文的主要任务和章节安排 本文开展了对高精度气压高度表与 gps 数据融合技术的研究工作，从软件到硬件设计、研 制了一种气压高度表辅助 gps 定位装置的原理样机， 并完成了气压高度表误差分析和参数标定 等工作。结合课题研究内容，本文的主要内容分为以下几个部分： 第二章介绍了 gps 导航、定位系统的原理，给出了导航定位的一般数学模型，为随后的组 合定位算法打下了理论基础。 第三章分析了气压高度表的基本工作原理，误差补偿方法，并通过多次试验进行了参数标 定等工作，使气压高度表可以稳定地输出准确的气压高度值。 第四章介绍了系统的总体组成，使用最小二乘法融合气压高度表和 gps 信息解决了 gps 信号被遮蔽时接收机无法完成定位的问题。之后分析了系统的误差来源，提出了修正误差的算 法，最后介绍了高程异常的概念，通过实验测量了本地高程异常值。 第五章主要介绍了原理样机的硬件和软件设计和实现方法。主要内容包括硬件电路的设计 和实现，软件开发平台的建立过程，数据采集过程，算法实现，显示模块的设计等。 第六章分析了试验数据，评估了系统的性能，验证了系统的可行性。 第七章总结了全文的工作，指出了值得进一步改善的地方和今后研究工作的方向。 本论文仅完成了组合定位系统中“低一级”的硬件组合方案，即主要设计其原理样机实验 板，编制基本的算法程序，而“高一级”的数据融合方法由实验室博士师兄进一步研究。 南京航空航天大学硕士学位论文 7 第二章 gps 全球定位系统 2.1 gps 系统的组成和特点 gps 系统包括三大部分： 空间部分(gps 卫星星座)、 地面控制部分(地面监控系统)和用户设 备部分(gps 接收机)14。 （1） 空间部分 如图 2.1 所示，按目前的方案，全球定位系统的空间部分使用 24 颗高度约 20200 千米的卫 星组成卫星星座，其中，工作卫星 21 颗，备用卫星 3 颗。各个卫星的轨道均为近圆形轨道，运 行周期约为 11 小时 58 分，分布在六个轨道面上（每轨道面四颗） ，轨道倾角为 55 度。卫星的 空间分布使得在全球任意天顶开阔的地方，任何时间都可观测到四颗以上的卫星，并能保持良 好定位解算精度的几何图形，这就提供了在时间上连续的全球导航能力。 图 2.1 gps 空间卫星分布图 （2） 地面控制部分 地面控制部分由 1 个主控站，5 个全球监测站和 3 个地面控制站组成。监测站将取得的卫 星观测数据，包括电离层和气象数据，经过初步处理后，传送到主控站。主控站从各监测站收 集跟踪数据，计算出卫星的轨道和时钟参数，然后将结果送到 3 个地面控制站。地面控制站在 每颗卫星运行至上空时，把这些导航数据及主控站指令注入到卫星。 （3） 用户设备部分 导航系统采用无源工作方式，凡是 携带 gps 接收设备的用户都可以使用 gps 系统。用户 设备包括天线、接收机、微处理器、控制显示设备等。微处理器是 gps 接收机的核心，承担整 个系统的管理、控制和实时数据处理工作。 平面abcd ef 160 120 80o 40o 320 280 240 200 0o 赤道 升交点赤经 平面 a b cdef 嵌入式气压高度表辅助 gps 定位装置的设计和实现 8 gps 是一个军民两用系统，提供两个等级的服务，即为军事用户提供 l1(频率为 1575.42 mhz)和 l2(频率为 1227.6mhz)双频 p(precise)码测距，优于 22 米的水平精度，27.7 米的垂直精 度的精密定位服务（pps） ；为其他用户提供 l1单频 c/a（coarse/acquisition）测距，加选择可 用性(sa)人为干扰的标准定位服务(sps)，位置精度降低到 100 米。为了提高 gps 的导航精度， 世界各地发展了各种差分系统。特别是利用地球静止轨道卫星建立的地区性广域差分增强系统 (如美国民航局开发的 waas，欧洲的 egnos 及日本的 msas)，可提供附加区域卫星导航测 距信号、导航精度校正数据和在轨导航卫星的可用性信息，成为显著提高导航精度和可靠性的 重要手段，并使 sa 干扰失去作用。美国政府为了加强其在全球导航市场的竞争力，已于 2000 年 5 月 1 日午夜撤消对 gps 的 sa 干扰技术，标准定位服务定位精度双频工作时实际可提高到 20 米。 2.2 gps 卫星瞬时位置的计算 2.2.1 卫星的参考坐标系 卫星的空间位置并未由 gps 接收机直接向用户提供， 用户要用卫星的星历数据计算卫星的 位置。为了表示 gps 卫星和用户接收机的状态，必须先选定参考坐标系。所谓坐标系指的是描 述空间位置的表达形式，即采用什么方法来表示空间位置。本课题选用了地心地球固连坐标系 （ecef，earth-centered earth-fixed） 。 ecef 坐标系的原点处于地球的地心，其 xy 平面与地球赤道平面重合，x 轴指向零经度 方向，y 轴指向东经 o 90的方向，x、y 轴随地球一起旋转，z 轴与赤道平面正交而指向地理北 极。因此用它计算和表达 gps 卫星和用户接收机的位置比其他的坐标系更为方便。 2.2.2 开普勒轨道及星历数据 卫星在空间运行的轨迹称为轨道，描述卫星轨道位置和状态的参数称为轨道参数。由于利 用 gps 进行导航和测量时，卫星作为位置已知的高空观测目标，在进行绝对定位时，卫星轨道 误差将直接影响用户接收机位置的精度1516。 卫星的位置是由卫星发来的星历参数计算出来的。这些参数是特定卫星轨道开普勒轨道的 具体描述，而其中某些修正项则用来描述地球扁率和轨道平面的旋转。ecef 坐标系是卫星定 位的参照。开普勒卫星运动三定律是卫星运动的计