（计算机应用技术专业论文）卫星定位数据的处理与分析.pdf

摘要 预期在2 0 1 0 年左右，下代g n s s ( g l o b a ln a v i g a t i o ns a t d l i t es y s t c m s ) 将 提供大约1 0 0 多颗人造卫星用于定位和导航。这其中包括美国的g p s ，俄罗斯 的g l o n a s s ，欧洲的g a l i l e o ，日本的q u a s i z e 砌m ，以及中国的北斗。尽管全球定 位系统( g p $ 已经是目前精度最高的无线电导航系统，但仍有许多用户不满足 于g p s 定位的原始精度，希望获得更高的性能。在实际应用中g p s 导航数据中 断经常发生，但是导航本身却是不能因数据中断而暂停的。所以数据中断的处理 具有重要的实用意义。同时，在g p s 单点定位过程中，由于观测信号受到各种 误差源的影响，定位结果的精度也常常参差不一。本文通过运用快速傅立叶变换， 将时域数据变换到频域，在提取原始信号中的有效成分后，经过傅立叶反变换， 来恢复中断的数据。试验结果说明，对于低动态飞行数据在相对短时间内中断， 此方法能有效地恢复中断的数据。由于粗差通常呈高频特性，同样通过应用快速 傅立叶变换，可以有效地滤掉g p s 定位导航结果所受到的误差干扰，从而提高 导航定位的精度。本文描述了上述方法的理论基础，并给出了试验数据分析对比 实例。同时在试验的过程中完成了一个完整的快速傅立叶正、反变换的c + + 程 序。 。 m f g s o f t ( 多功能g p s g a l j l e o 软件) 的第一个版本，是由德国波茨坦地学 研究中心研发的多功能g p s 软件，用于适应欧盟g a l i l e o 系统发展和模拟的需要。 它的目标是开发一个能够同时处理g p s 和g a l i l c o 导航定位数据的应用软件。 m f g s o f t 是由c 语言开发的，目前运行环境为u n ，用户控制单一。本文通过 用户界面需求分析，对该软件进行w i n d o w sx p 下的界面包装。本文设计的用户 界面简洁、专业且具有易用性。同时编写了复杂的专业配置文件，完成了输入文 件的读入和导出，为g p s 专业人员提供了更有效的研究工具。 关键宇：全球定位系统快速傅立叶变换数据中断数据平滑 界面设计 a b s t r a c t i ti sa n t j c i p a t e dt h a ta r o u n d2 0 l ot h en e x tg e n e r a t i o no gg n s sw i l l o f f e ra r o u n do n eh u n d r e ds a t e l l i t e sf o rp o s i t i o n i n ga n dn a v i g a t i o n t h i s i n c l u d e sc c m s t e l l a t i o 岫sf i o mt h eu sm o d e r n i z e dg 1 0 b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ， t h er u s s i o ng 1 0 n a s 岛t h ee u r o p e a ng a l i l e o ，t h ej a p 锄e s eq ua _ s i z e n i t h s a t e l l i t e ss y s t e ma n dt h e ( ：h i n e s eb e i d 叫a l t h o u g ht h e9 1 0 b a lp o s i t i o n i n g s y s t e i st h em o s ta c c u r a t er a d i o n a v i g a t i o ns y s t e m ， al o to fu s e r sa r e s t i l ln o ts a t i s f i e dw i t ht h ea c c u r a c yo ft h eo r i g i n a lp d s i t i o n i n g t h eg p s p o s i t i o n i n gd a t aa r eo f t e ni n t e r r u p t e di np r a c t i c a ls i t u a t i o n ，h d w e v e r ， f o rn a y i g a t i n gp u r p o s et h ep o s i t i o n i n gd a t aa r er e q u i r e dc o n t i n u o u s l y a s ar e s u l td fo b s e - r v a t i d ns j g n a lf a l l e du n d e rs o m ee r r d r s i n f l u e n c e ， t h e p r e c i s i o no fp o i n tp o s i t i o n i n ga r eg e n e r a l l yi n h o 0 9 e n e o u s s ot h e d i s p o s a ld fi n t e r r u p t i o nd a t ah a si 加p o r t a 力ta n dp r a c t i c 8 ls i g n i f i c a 力c e t h i sp a p e rd e s c r i b e sam e t h o d ， f i r s t ，t r a n s f o r m i n gt h et i m e d o m a i nd a t a t of r e q u e n c y d o m a i nb yf f t ，a n dt h e n ，r e s t o r i n gi n t e r r u p t i o nd a t ab yi f f t a f t e rp i c k e ( 卜u pe f f e c t i v ec o m p o n e n tf r o mp r i m a r ys i g n a l s e x a m p l e ss h 0 w t h a tt h i s 功e t h o dc a nr e s t o r i n gi n t e r r u p t i o nd a t ae f f e c t i v e l yf o rl o w d y n a h 】i cf l y i n gd a t ai n8s h o r tt i m e r e s u l t i n 9 1 yg r o s se r r o r su s u a l l ya r e o fh i g hf e q u e n c yp r o p e r t i e s ，t b ep o s i t i o nd a t ac a nb es m o o t h e d e f f e c t i v e l yb yu s i n gs u t r am e t h o d f f t i nt h i sw a y ， a c c o r d i n g l y ， t h e p o s i t i o np r e c i s i o no fn a 、r g a t i o nc a nb ej 】1 0 d i f i e d t h i sp a p e rd e s c r i b e dt h e r e l a t e dt h e o r i e s u s e di n t h i ss t u d y ，a n dp r e s e n t e daf e we x p e r i m e n t a l e x a l d p l e st ds h o wr e s u l t s m e a n w h i l e ，t h i sp a p e rp r e s e n t e dai n t e g r a t e dc + 十 p r o g r 鲫a b o u tf f ta n di f f t m f g s o f t ，i ni t sf i r s tv e r s i o n ， i sar e a lt i m em u l t i f u n c t i o n a lg p s s o f t w a r ed e v e l o p e da tt h eg e o f o r s c h u n g s z e n t r 硼p 0 t s d 锄f o rf 0 1 1 0 w i n gt h e d e v e l o p m e n to ft h ee ug a li l e os y s t e ma n df o rs i m u l a t i n gt h em e a s u r e m e n t o ft h eg a l i l e os y s t e i 玑t h e9 0 8 li st od e v e l o pas o f t w a r ew h i c hi sa | b l e t op r o c e s sb o t ht h eg p sa n dg a l i l e on a v i g a t i n ga n dp o s i t i o n i n gd a t a m f g s o f ti sd e v e l o p e db yt h ec1 a n g u a g e ， a n dr u n su n d e ru n i x ，t h eu s e r c o n t r 0 1i su n i t a r y t h isp a p e ra n a l y z e dt h eu s e ri n t e r f a c er e q u i r e m e n t s ， a n dp a c k e dt h ei n t e r f a c eo ft h es o f t w a r eu n d e r w i n d o w sx po p e r a t i n g s y s t 哪t h eu s e ri n t e r f a c ed e s i g n e di nt h i sp a p e ri sn e a t ，p r o f e s s i o n a l a b s 仃a d a n du s a b i l i t y s i m u l t a n e o u s l yi nt h i sp a p e rw ea l s oc o m p i l e dt h e c o i n p l e x p r o f e s s i o n a lc o n f i g u r a t i o nf i l e s ，a n dc o r l l p l e t e dr e a d i n gi na n dd e r i v i n g t h ei n p u t d o c u i e n t i nt h i sp a p e rw ep r o y i d et h eg p ss p e c i a l i s tam o r e e f f e c t i v er e s e a r c ht 0 0 1 k e y w o r d ：g l o b a lp o s i h j n gs y s t 哪姗i 蛔帆p 咖nd a 协 d a t as m 咖且gd 郫i 詈阻o f 璐盯i n 蛔f a j 独创性( 或创额性) 声明 y858 81 5 本人声明所呈交的论文是我个人在导师的指导下进行的研究工作及所取得的 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 中不包含其它人已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为本研究所 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，本人承担一切相关责任。 本人签名：盔翌日期： 兰! 1 6 ，主! ! 兰 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 生在校攻读学位论文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) 。 本人签名：盔盏 导师签名：丑匐鲰：一 日期： 日期： 兰生生：兰：互兰 0 4 5 金：兰j 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景 1 1 1 卫星定位技术的发展 卫星导航定位系统的成功产生，促进了卫星导航定位市场这一新兴产业 的发展。全球卫星导航业务一直被美国的g p s 系统所垄断。目前，g p s 以其技 术优势和廉价的使用成本，在全球得到广泛应用，涉及野外勘探、陆路运输、 海上作业及航空航天等诸多行业，其相关产品和服务市场的年产值达8 0 亿美 元，成为当今国际公认的八大无线产业之一。 全球卫星定位导航系统( ( ；l o b a lp 0 s i t i o n i n gs y s t e 旷g p s ) 是美国从本世纪 7 0 年代开始研制，历时2 0 年，耗资2 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。 经近l o 年我国测绘等部门的使用表明，g p s 以全天候、高精度、自动化、高效 益等显著特点，赢得广大测绘工作者的信赖，并成功地应用于大地测量、工程 测量、航空摄影测量、运载工具导航和管制、地壳运动监测、工程变形监测、 资源勘察、地球动力学等多种学科，从而给测绘领域带来一场深刻的技术革命。 然而在海湾战争和阿富汗战争期间，欧洲使用的g p s 系统曾经受到限 制，而且定位精度也有所下降；尤其在科索沃战争中，美国还曾经单方面关闭 过巴尔干地区的民用导航信号源，这一举动加速了欧盟国家为避免受制于美国， 决心建造自己的卫星导航定位系统一“伽利略”系统的进程。 ， 欧洲独立自主的导航卫星系统g 8 l i l e o 系统是第一个民用的全球卫星 导航定位系统，其配置、频率分布、信号设计、安全保障及其多层次、多方位 的导航服务特点，使得它的性能比g p s 系统更为先进、高效和可靠。g a l i l e o 项目邀请第三世界国家参与。旱在2 0 0 1 年中、欧高层领导就开始商讨卫星导航 领域的合作，欧盟与我国建立了联合工作组，我国政府对任l i l e o 系统的积极 参与和投资使我国成为欧盟g a l il e o 系统的主要合作伙伴。 预期在2 0 1 0 年左右，下一代g n s s ( g l o b a ln a v i g a t i o ns a t e l l i t es y s t e i l l s ) 将提供大约1 0 0 多颗人造卫星用于定位和导航。这其中包括美国的g p s ，俄罗 斯的g l o n 8 s s ，欧洲的g a l i l e o ，日本的q l _ i a s i z e n i t h ，以及中国的北斗i ”。 3 4 卫星定位数据的处理与分析 1 1 2 定位数据处理的研究现状与发展 全球定位系统最初的设计目的是提供两种单点定位服务，一是采用c a 码 提供标准定位( s p s ) 服务作为民用，二是采用p 码提供精密定位服务( p p s ) 作为军用或授权用户使用嘲【3 1 。这两种服务都只有个接收机，而且受到g p s 所有误差源的影响，以及s a 政策引起的误差等。如果在上述误差的综合影响下， s p s 的实时定位精度为水平面内1 0 0 米( 2 d r m s ，9 5 ) ，p p s 的实时定位精度为水 平面内2 2 米( 2 d r m s ，9 5 ) 。因此为了消除s a 政策引起的误差，提出了差分g p s ( d i f f e r e n t i a lg l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ) 。尽管美国于2 0 0 0 年5 月1 日 取消了s a 政策的影响，s p s 的定位精度提高了大约3 0 米，但是s p s 和p p s 还 是无法达到米到毫米级的定位精度。 随着全球科学家二十多年的努力，差分g p s 技术逐渐走向成熟和完善，差 分g p s 可以提供米到毫米级的定位精度，它可以完全消除每一个用户接收机所 公有的误差，部分消除不能由用户测量或由校正模型来计算的传播延迟误差， 这主要取决于用户接收机设备性能，基准接收机和用户接收机之闻的距离，以 及所采用的数据处理方法【4 】。因此，差分g p s 技术在许多需要高精度定位的领 域得到了广泛应用。但是，差分g p s 定位技术需要建立必要的参考站。 近年来随着精确g p s 数据和双频接收机的发展，引入了精确单点定位 ( p r e c i s ep o i n tp o s i t i o n i n g ) 的概念聊在这项研究中，单频接收机可以达 到厘米级的近似与d g p s 的定位精度。在实际的应用中g p s 单点定位仍然会受到 各种误差源的影响，定位结果的精度常常参差不一。 g p s 载波相位测量也是目前高精度定位的主要方法之【6 】【”。在g p s 载波 测量中，由于g p s 信号接收机自身故障或g p s 信号意外中断，导致载波锁相环 路的短暂失锁，面引起多普勒计数的短暂中断；当载波锁楣环路重新锁定后， 多普勒计数又重新开始，以致造成载波滞后相位整周数变化值的不连续计数。 这种多普勒计数的中断现象，称为周跳。周跳的探测与修复，是载波相位动态 定位中的一个重要课题。但是动态环境下周跳的探测与修复与静态测量相比更 为困难。通常在g p s 相位测量中，观测数据中大于1 0 周的周跳。在数据预处 理时不难发现，可以消除。然而小于1 0 周的周跳，特别是1 5 周的周跳，以 及半周跳和1 4 周跳，不易被发现，而对含有周跳的观测值，周跳的影响视为观 测的偶然误差，因而严重影响坐标的精度。 综合上述，随着8 0 年代后期差分g p s 的发展，g p s 作为标准授时和精密定 位传感器，测量精度越来越高，在许多领域已经广泛应用。但不可避免地，测定 第一章绪论 的数据里仍然含有一定的误差。大气和轨道误差，载波相位周跳修正不彻底， 多路径效应误差和g p s 接收机测量噪声都会不同程度地影响g p s 的测量精度。 因此想要获得更高的测量精度，除了分析各种主要误差源的影响，采用先进的 测量技术，对g p s 测量设备先行作业前的检验外，还需要做好后续的数据处理 工作。所以，尝试不同的方法对g p s 动态测量数据的处理是很有意义的创新工 作。 同时，g p s g a l i l e o 导航定位，这是目前国际上相当热门的课题。特别是 中国加入了欧盟的g a l i l e o 项目，中国投资2 0 亿元，所以与之有关的科技活动 相当活跃。软件解决硬件问题，是计算机应用发展的动力，软件的界面化和网 络化是应用科学里的一个趋势。数据处理方法是一个软件解决具体问题的基础， 数据处理方法的研究包括算法的研究以及软件的界面设计，同样也具有良好的 发展趋势。 l 。2 问题的提出及意义 g p s 技术是目前精度最高的无线电导航系统，在飞行器和航海的导航定位 中起到了越来越重要的的作用，但是，g p s 技术在实时、客观地获取定位信息 的过程中，同时也接纳了各种干扰信号。检测所得的结果是一种多波谱的混合 波，多波谱使得航迹的预报和分析变得极为复杂。所以在这些应用领域仍不满 足于g p s 定位的原始精度，希望获得更高的定位。基于g p s 输出信息的数据处 理就是目前广泛讨论的热点问题1 8 】【”。 本文研究的第一个问题为，提出利用快速傅立叶变换的方法，探讨数据中 断拟合估计的可能性，解决当前g p s 数据中断处理的问题。由于实际导航过程 中有时会出现g p s 卫星信号的遮挡，或者g p s 接收机偶然的异常等原因， g p s 导航中数据中断是经常发生的，但是导航是不能因数据中断而暂停的。以往的载 波相位钡4 量中，短时间内的的数据中断，可以通过重设模糊度参数等方法来处 理m 】，如果中断时间太长，就很难再接得上，如果全部数据中断就只有再重新 划分一个弧段从头开始处理。对于事后g p s 数据，发生信号中断时，有时就只 保留下最长的一段数据，其它的数据就丢弃不用了。所以除了程序内部的滤波 推估以外，直接对导航结果数据进行处理，同时建立此时刻的误差模型，通过惯 导信息组合就可以在以后数据处理时校正这一误差，也可以通过此模型的建立 来有效的预报和预攫i 航迹l ”l f “l 。 在本文采用的机载g p s 实时捡测数据中，有针对性的进行了人为数据中断， 5 卫星定位数据的处理与分析 最长达1 8 0 s ，经过本试验方法的处理，取得了良好的效果。其原理简述为，对 于接收到的g p s 定位数据，当把原始信号从时域变换到频域后，低能量的项可 视为噪声，不代表信号的主流信息，经过小于某一值的幅度置零处理后，就可以 提取出原始信号的主要频域特征。再通过傅立叶反变换，就可以恢复滤波后的 主要频率信号，从而修补了中断的定位数据。试验证明，这是一种行之有效的 g p s 测量数据修复方法。 本文研究的第二个闯题为，通过经典滤波方法快速傅立叶交换来解决高动 态、大数据量g p s 检测数据的误差处理闯题。单个g p s 接收机的数据处理分接 收机内部处理和输出数据处理两方面，内部处理虽然包括提高精度的各种方法 但多数用户还没有条件实现，因此平滑滤波是单个接收机数据处理的有效方法。 平滑滤波的前提是假设g p s 输出数据中存在加性平稳噪声，在本文采用 的试验方法中，可以把诸如多路径、大气延迟或导航中一些客观因素的影响， 所造成的偏差看成高频噪声，来通过傅立叶变换的频率分辨消除原始的g p s 测 量偏差。其原理简述为，将受到严重噪声污染的原始信号经过傅立叶正变换以 后，可以看到噪声信号主要集中在频谱的高频部分，因此。通过将不同的高频 项系数置零，然后再经过傅立叶反变换，就可以得到不同平滑效果的处理数据。 试验说明，快速傅立叶变换的平滑滤波方法对此类噪声的处理效果很好。 本文第三个研究问题为，为德国波茨坦地学研究中心研发的多功能g p s 软 件( 姬g s o f t ) 设计界面软件m f g s o f t 是一个非常优异的g p s 研究工具，是一 个能够同时处理g p s 和g a l i l e o 导航定位数据的应用软件。其目前运行环境为 u n i x ，用户控制单一，需要编写复杂的专业配置文件，将该软件向目前通用的 p c 下的w i n d o w s 平台移植。使其具备良好的用户控制界面的性能和易用性，并 具有用户在使用时可针对性选择软件的优异功能，为g p s 专业人员的研究提供 更有效的研究工具。 1 3 本文的研究内容及组织结构 本文的工作内容主要分为三个方面： 【1 ) 设计有效算法解决导航定位过程中的数据中断问题； ( 2 ) 设计有效算法解决导航定位过程中的数据平滑问题； ( 3 ) 在w i n d 0 w s 卯下对m f g s o f t 软件进行界面包装。 全文共分为六章，结构安排如下： 第一章绪论 第一章绪论部分，简要介绍了本文的研究背景，提出了本文的三个研究课 题，简述了本文所傲的主要研究工柞。 第二章g p s 导航定位技术基础，主要包括g p s 全球定位系统的组成、定位 原理以及g p s 测量的误差分析。 第三章g p s 定位数据的中断处理，首先简要介绍了常规g p s 测量数据的校 正方法以及产生数据中断的原因，随后阐述基于快速傅立叶变换数据中断的修 复原理和程序流程，并根据实际情况提出了改进方法，给出了详细的试验步骤 和算例。 第四章g p s 定位数据的平滑处理，首先介绍了g p s 测量数据处理的主要内 容，随后阐述了基于快速傅：立叶变换的数据平滑处理原理，以及详细的试验步 骤和算例，最后给出了实验的结果分析。 第五章多功能g p s g a l i l e o 软件的界面实现，首先简要介绍了建设中的 g a l i l e o 卫星导航定位系统。其次，依据软件设计中的重要步骤对m f g s o f t ( 多 功能g p s g a l i l e o 软件) 傲了需求分析，然后在需求分析的基础上，参照常用的 用户界面设计原则，制定了合理的m f g s o f t 用户界面系统结构，并针对此结构， 对m 粥s o f t 用户界面方案的实现做了细致的介绍。 第六章结论，总结了本文所做的研究工作，就每一个课题指出待解决的问 题以及尚需进一步研究的发展方向。 兰一一 墨里塞垡墼堡塑竺堡兰坌堑 第二章g p s 导航定位技术基础 2 1g p s 卫星定位系统的组成 g p s 卫星全球定位系统是美国国防部的第二代导航系统。该系统有三大部 分构成：g p s 卫星星座( 空间部分) ，地面监控系统( 控制部分) 和g p s 信号接 收机( 用户部分) f ”l 【1 ”。三者的关系如图2 1 1 所示。 图2 1 由三大部分构成的g p s 卫星全球定位系统 2 1 1g p s 空间星座部分 g p s 空间卫星星座，必须保证在地球各处能同时观测到高度角1 5 。以上的至 少4 颗卫星。 g p s 全球定位系统的空间星座由2 4 颗工作卫星构成( b 1 0 c k1 i ，其中3 颗 为备用卫星) 。2 4 颗卫星部署在6 个轨道平面中，每个轨道平面升交点的赤经 相隔6 盯，轨道平面相对地球赤道面的倾角为5 ，每根轨道上均匀分布4 颗卫 星，相邻轨道之间的卫星要彼此叉开3 0 。，以保证全球均匀覆盖的要求。g p s 卫 星轨道平均高度约为2 0 2 0 0 k m ，运行周期为1 l h 5 8 m i n 。因此，地球上同一地点 的g p s 接收机的上空，每天出现的g p s 卫星分布图形相同，只是每天提前约 4 m i n 。同时，位于地平线以上的卫星数目，随时间和地点的不同而相异，最少 亦有4 颗，最多时可达l l 颡。 。 3 颖在轨的备用卫星相间布置在3 个轨道平面中，随时可以根据指令代替 发生故障的其它卫星，以保证整个g p s 空间星座正常而有效地工作。 g p s 卫星的主要功能是：向用户发送定位信息；提供高精度的时间标准； 第二章g p s 导航定位技术基础 接收并存贮地面监控站发来的导航信息；必要的数据处理；接收并执行监控站 指令，调节卫星姿态和轨道修正，或启用备用卫星。 2 1 2g p s 地面监控部分 全球定位系统的地面监控部分由3 部分组成：1 个主控站，3 个注入站和5 个监测站，分布于地球的5 个地点。 1 主控站 主控站又称联合空间执行中心( c s o c ) ，它位于美国科罗拉多州扑林斯附近 的佛肯( c 0 1 0 r r 8 曲s p r i n gf a l c o n ) 空军基地。它的任务是： ( 1 ) 采集数据、推算编制导航电文； ( 2 ) 给全球定位系统时间基准； ( 3 ) 主控站负责协调和管理所有地面监测站和注入站系统，诊断所有地面 支撑系统和天空卫星的健康状况，并加以编码向用户指示，使得整个系统正常 工作。 。 ( 4 ) 调整卫星运动状态，启动备用卫星。 2 监测站 g p s 的地面监测站共有5 个，它们分别位于太平洋的卡瓦加兰岛 ( k w a j a l e n ) 、印度洋的迭哥嘉西亚( d i o g og a r c i a ) 、南大西洋的阿松森群岛 ( a s c e n c i o n ) 以及夏威夷和主控站佛肯。 监钡4 站装有双频g p s 接收机和高精度铯钟，在主控站的直接控制下，自动 对卫星进行持续不断的跟踪测量，并将自动采集的伪距观测量、气象数据和时 间标准等进行处理，然后存储和传达到主控站。 3 注入站 g p s 钧注入站共有3 个，与前述三丈洋的卡瓦加兰、迭哥嘉西亚、阿松森 群岛上的监控站并置，注入站主要装有1 台直径3 6 m 的天线，1 台c 波段发射 机和1 台计算机。注入站将主控站传送来的卫星星历，钟差信息，导航电文和 其它控制指令等注入到卫星的存储器中，使卫星的广播信号获得更高的精度， 满足用户需要。 9 1 0 卫星定位数据的处理与分析 2 1 3 用户设各 g p s 的空间星座部分和地面监控部分是用户应用该系统进行导航定位的基 础，而用户只有使用g p s 接收机才能实现其定位、导航的目的。g p s 接收机一 用户设备随着用户使用目的地不同而有各种各样的型号。 g p s 接收机的基本结构如图2 2 所示，它包含： ( 1 ) 天线：天线及前置放大器，一般密封为一体，要求灵敏度高和抗干扰 性能强。 ( 2 ) 信号接收处理单元：它是g p s 接收机的核心单元，有硬件和软件组成。 它接收来自天线的信号，经过中频放大，滤波和信号处理，实现对信号的跟踪、 锁定、测量，由跟踪环路重建载波解码得到广播电文并获得伪距定位信息。 图2 2g p s 接收机基本结构 2 2g p s 的定位原理 2 2 1g p s 绝对定位原理 绝对定位是以地球质心为参考点，确定接收机天线在w g s 一8 4 坐标系中的 绝对位置。由于定位作业仅需要一台接收机工作，因此又称为单点定位。 由于单点定位结果受卫星星历误差、信号传播误差及卫星几何分布影响显 著，所以定位精度较低。一般适用子低精度的测量领域，例如车辆、船只、飞 机的导航、地质林业调查等。 利用g p s 进行绝对定位的原理是：以g p s 卫星和用户接受天线之间的距离 观测量为基准，根据已知的卫星瞬时坐标，来确定用户接受天线所对应的位置。 g p s 绝对定位方法的实质是空间距离后方交会。因此，在一个测站上，只 需3 个独立距离观测量。但是，由于g p s 采用的是单程测距原理，同时卫星钟 第二二章g p s 导航定位技术基础 与用户接收机钟又难以保持严格同步，实际上观测的是测站至卫星之间的距离， 由于受卫星钟和接收机钟向步差的共同影响，故又称伪距测量。当然，卫星钟 钟差是可以通过卫星导航电文中所提供的相应钟差参数加以改正的，而接收机 的钟差，一般难以预先准确测定。所以，可将其作为一个未知参数与观测站坐 标在数据处理中一并解出。因此，在一个测站上，为了实时求解4 个未知参数 ( 3 个点位坐标分量及1 个钟差参数) ，至少应有4 个同步伪距观测量，即至少 必须同步观测4 颗卫星。 g p s 绝对定位，根据用户接收机天线所处的状态不同，又可以分为动态绝 对定位和静态绝对定位。 当用户接受设备安置在运动的载体上，确定载体瞬时绝对位置的定位方法， 称为动态绝对定位。动态绝对定位一般只能得到没有( 或很少) 多余观测量的 实时解。这种方法被广泛地应用于飞机、船舶以及陆地车辆等运动载体的导航 中。另外，在航空物探和卫星遥感等领域也有广泛的应用。 当接收机天线处于静止状态时，来确定观测站绝对坐标的方法，称为静态 绝对定位。这时，由于可以连续地测定卫星至观测站的伪距，所以可获得充分 的多余观测量，以便在测后通过数据处理提高定位的精度。静态绝对定位方法， 主要用于大地测量，以精确测定观测站在协议地球坐标系中的绝对坐标。 目前，无论是动态绝对定位还是静态绝对定位，所依据的观测量都是所测 卫星至观测站的伪距，通常也成为伪距定位法。由于伪距有测码伪距和测相伪 距之分，所以，绝对定位又可分为测码伪距绝对定位和测相伪距绝对定位。 2 2 2g p s 相对定位原理 g p s 相对定位，也叫差分g p s 定位，是目前g p s 测量中定位精度最高的定 位方法，它广泛地应用于大地测量、精密工程测量、地球动力学研究及精密导 航中。用两台接收机分别安置在基线的两个端点，其位置静止不动，同步观测 相同的4 颗以上g p s 卫星，确定基线两个端点在协议地球坐标系中的相对位置， 这种定位模式称为相对定位。在实际工作中常常将接收机数目扩展到3 台以上， 同时测定若干条基线向量，这样做不仅可以提高工作效率，而且可以增加观测 量，提高观测成果的可靠性。相对定位主要分为静态相对定位和动态相对定位。 静态相对定位采用载波相位观测量为基本观测量，由于载波波长较短，其 测量精度远高于码相关伪距测量，并且采用不同载波相位观测量的线性组合可 以有效的消弱卫星星历误差、信号传播误差以及接收机不同步误差对定位的影 1 1 1 2 卫星定位数据的处理与分析 响。天线长时间固定在基线两个端点上，可保证取得足够多的观测数据，从而 可以准确确定整周未知数。上述这些优点，使得静态相对定位可以达到很高的 精度。在通常情况下，采用广播星历定位，精度可达1 0 。6 1 0 一，如果采用精 密星历和轨道技术，那么精度可提高到1 0 一1 0 4 。 由于g p s 测量误差具有较强的相关性，因此，可以在g p s 动态定位中引入 相对定位作业方法，即g p s 动态相对定位。该作业方法实际上是用两台g p s 接 收机，将一台接收机安设在基准站上固定不动，另一台接收机安置在运动的载 体上，两台接收机同步观测相同的卫星，通过在观测值之间求差，以消除具有 相关性的误差，提高定位精度。而运动点位置是通过确定该点相对基准站的相 对位置实现的，这种定位方法也叫差分g p s 定位。 在g p s 动态相对定位中，鉴于载波相位测量的精度要高于测码伪距测量的 精度，因此可将载波相位测量用于实时g p s 动态相对定位。载波相位动态相对 定位法，是通过载波相位修正值发送给用户站来改正其载波相位实现定位，或 是通过将基准站采集的载波相位观测值发送给用户站进行求差解算坐标实现定 位。其定位精度在小区域范围内( 区间内的所有z ( 七) 值，这就大大节省了运算。 ( 3 1 4 ) 即可求出0 ( 3 一1 3 ) 式和( 3 一1 4 ) 式的运算可以用图3 一l 的蝶形信号流图符号表示。 当支路上没有标出系数时，则该支路的传输系数为l 。 置 ) 五 )驱 孵 一j 二 置q ) + 嘭盖：( 七) z ，0 ) 一眩x ：佧) - 1 图3 一l 时间抽选法蝶形运算流图符号 3 2 1 基一2 h 啊算法的编程实现 f f t 计算程序主要包括变址和m 级递推计算两大部分，下面给出这两个部 分算法的简单介绍和具体实现。以下基一2 f 阿算法程序是在w 佃d o w s9 8 系统 下采用b o d a l l dc + + b u i l d e r6 0 开发，在w 蛔d a w s2 0 0 0 和w i n d o w s 系统下 运行通过。 ( 1 ) 复数描述和交址运算 在基一2 踊运算过程中，要按照“蝶型图1 行描述的计算方法对输入的时域 序列按奇偶分解后的序列排序，而输出的频域序列仍是按自然顺序排列。这就 需要通过反向进位加法，即雷得( r a d e r ) 算法f 纠f ”1 实现变址运算。 如果输入序列的序号n 用= 迸制数( 例如n ：一) 表示，贝8 其倒位序二进 制数 就是( n 。一n ：) ，这样原来自然顺序时应该放z o ) 的单元，现在倒位序后 应该放x ) 。表3 1 列出了n = 8 时酌自然顺序二进制数以及相应的何位序二 进制数。 表3 一l 码位的倒位序( n = 8 ) 1 9 自然颧自；( n )二进翻数锄位序二进翻数截位亭顺枣( 矗) oo o o0 0 0 o l0 0 l1 0 0 4 卫星定位数据的处理与分析 20 1 00 1 02 30 1 1 l l d6 4l o o 0 0 1 1 51 0 11 0 15 61 1 00 1 13 71 1 1 1 1 17 由表3 1 可见，按自然序列排列的二进制数，它下面一个数总是比它上面 一个数大1 ，即下面一个数是上面一个数在最低位加l 并向高位进位而得到的。 而倒位序二进制数的下面一个数是上面一个数在最高位加1 并由高位向低位进 位而得到，这就是反向进位加法。 同时，进行傅立叶变换时不可避免地要用到复数，在b o d a n dc + + b u n d e r 6 0 中的复数的使用方法为，首先加载头文件和编译开关如下，然后定义复数， 具体c + + 程序如下所示。 # i n c l u d e 加载头文件和编译开关 u s i n gn 锄e s p a c es t d ： c o m p l e x 4 p o ，丰p 1 ，却2 ，术p 3 ； 复数定义 f o r ( i = 0 ：i 舳l ：i + + )雷德倒序 i f ( i 早1 ： 第三章g p s 定位数据的中断处理 翌 j + = k ： ) ( 2 ) 蝶形算法 基2 一h 可算法的基本原理为将一个n 点的计算分解为两个点，每个 点的计算再进一步分解为点的计算，依此类推。其中，每一个2 点f l 玎称为 蝶形( b u n e 川y ) 侧。因此，快速傅立叶变换主要由蝶形运算来完成。快速傅 立叶算法程序同样适用于快速傅立叶反变换( 删盯) ，所以f f t 运算和i f f t 运 算共用了一个子程序。以下蝶形算法c + + 程序包含了快速傅立叶正、反变换 程序。 c o m p l e x c a ，c b ： f o r( i n ts = 0 ：s 1 e n l ；s + + ) c 叩p l e x w = e x p ( c o m p l e x ( o ，( p o s i t i v e ? 一1 ：1 ) p i ( 1 s ) ) ) ： f o r ( i n ta = 0 ：a ( 1 1 e n 卜s 1 ) ：a + + ) c o m p l e x - 1 ： f o r( i n tb = ：o ：b ( 1 s ) ：b + + ) c a = p p p a 书( 1 s + 1 ) + b ： c b = p p p ( ( a 1 ) + 1 ) 爿= ( 1 s ) + b 卑m ： p p p a 术( 1 s + 1 ) + b = c a + c b ： p p p ( ( a 1 ) + 1 ) 毒( 1 s ) + b = c a c b ； m 牢= w ： ) j i f ( ! p o s i t i v e ) 判断反变换 f o r ( i n tc = o ；c ll ；c + + ) p p p c = 1 l ： 卫星定位数据的处理与分析 3 2g p s 测量数据的校正处理 3 0 1 常规的校正处理方法 预报校正处理技术是提高g p s 定位精度的简单有效方法。因为g p s 中的 s a 干扰、电波传播误差、时钟及其他系统误差，对两个不同点的g p s 接收机 存在强的相关性，如果基准点的位置已知，则可以容易地获得偏差量，通过数 据通信链路把偏差量向附近的用户广播，用户基于接收到的偏差量来校正自己 的定位结果，就可以获得更高的精度。如简单的位置差分、伪距和伪距变化率 差分、载波相位差分以及基于大型监测网的广域增强校正网。 位置差分是利用基准站的位置偏差量来校正用户位置。校正量可以是地理 坐标系的经纬高偏差，也可以是宇宙直角坐标系的xyz 偏差。其特点是简单， 但由于用户与基准站的可见星不一定一样，选取的四颗星也不一定相同，所以 精度不高、作用距离有限。伪距和伪距变化率差分是直接修正用户观测到的伪 距，可以较好地抵消伪距中的公共误差。近距差分精度提高十分明显，如用差 分g p s 的飞机进场着陆等。然而，当用户到基准站的距离加大时，同一颗卫星 到基准站和到用户的两条电波，在电离层中的传播时延就明显不一样，电离层 误差残差限制了差分作用距离的提高。在广域差分中，电离层误差可采用时延 误差预报或网格预报方法进行消除。 载波相位差分是基于相位和相位整周数观察值的差分定位技术。它的主要 难点是如何确定起始相位的模糊度。由于g p s 接收机内相位整周数是相对的， 存在着多值性，定位解也有多值性。多值性的消除可基于多个观测方程，用最 小误差方法来搜索似然定位点。对运动定位，除要解决搜索算法的实时性问题 外，还要解决网络各点的时钟定时、数据传输链路和传输协议。 差分校正技术的最新发展是将多个差分站连成网，利用大型监测网对g p s 星的位置、信号状况、电波传播误差量进行联测预报，向网内用户广播。用户 可以尽量不用或少用g p s 的电文，以减小对美国的依赖性，提高用户的定位精 度和可靠性。广域差分网在以后g p s 应用中将会起着非常重要的作用。基本的 差分已经能消除g p s 中的大部分误差，特别是在近距差分中误差抵浦得更好， 但是由于来自反射面的多径干扰在基准站和用户接收机是不相关的，不能用差 分抵消。为进一步提高精度，在差分基础上的高精度定位数据处理技术已成为 第三章g p s 定位数据的中断处理 近来的一个研究热点。 3 2 2 产生数据中断的原因 产生g p s 定位数据中断的情况的出现主要分为以下两类，一是在大多数 g p s 测量方式中，由于g p s 接收机的故障或其它原因，造成信号的长时间意外 中断，也有可能信号完全消失，这种情况较少出现；二是在g p s 载波相位测量 中。由于g p s 接收机的故障或其它原因，造成信号的短暂中断，导致载波锁相 环路的失锁，面引起的多普勒计数短暂中断，即发生了信号的整周跳变。第一 种g p s 导航数据中断的发生，信号很难再