（电力电子与电力传动专业论文）基于windows+ce的车载gpsdr组合导航系统研究.pdf

a b s t r a c t t h eg p s d rs y s t e mi so n eo fn p r e f e r a b l ep r o j e c t si nt h e 劬 e 呈印蜘v e h i c l em v i g a t i o n s y s t e m ) n o n e h a n d , t l 埒 c a n o v e r c o m e t h e d i s a d v a n t a g e s o f u s i n g g p s o n l y , f o r e x a m p l e , g p sc a r m o tp o s i l i o l lt h el o c a t i o n c l 呻w h e ni th a sb e e ns h e l t e r e db yo f f e ro b j e 魄o nt h e o i l 】盯h a n d , i t 锄c o m b i n et h ea d v a n t a g e so fg p sa n dd ra n ds oi m p i d v et h ep t t ，c i s i o l lo f p o s i t i o n i n ga n dr e l i a b i l i t y t h el m p e rd i s c u s s e st h e 证驴咖辨o fv e h i c l en a v i 鲥o ns y s t e ma n dt h ep r e s e n ts t a t u so f v e h i c l e 艘v i g 砸d e v e l o p m mi nc h i n a , t h ep a p e rh a s 锄a l y z e dg p sa n dd r b a s i cl x i n c i p l e , a l s o 锄a l y z e dt h en a v i g 蛳 o nt e l e g r a mt e x t 蜘p c 幽a n dt h es 0 1 o nc a l c u l a t e sm d l 媳 p r o p o s e di nv i e wo f 船d r 瑙【v i 洳p 硎伽h 咄t h e f h v 骶t o pb a s i cm o u g h t 肿l 骶s m t e d t h e nl 舭h r e dt h ep r a c t i c a lf e a s i b l eg p s d rc o m b i n e d 瑾【v i 咖s y s t e mc o m b i n a l i o np l 肌i n l h i s f o u n d a t i o n t l 七p 印目j n 响d 珊d 船舶】b c d d e d 碍蜘l s 蜮唧。f r o m l h e e m b e d d e d p l a t f o r m ，t h e 吐匝翟蛔白陆a n dt h e 缸嘲l i g e mv e h i c l eb a v i g a f i o t ls y s t e m 血i i 0 吗p f o p e di m m e d 妇t y p e v e h i c l eb a s e do n w n , d o w sc et oc a r r yt h e 锄t o m a t e d 瑚：v i 细s y s t e mt h eo v c r a p l m l e m # 蜘c a l l ys t u d i e dh a s s o f lt o pt e c h n o l o g y 糟a l j 刎、c o m b i n e d 啦【v i 蛳m 0 ( 啦a n dt h e e m b e d d e ds y s t t 舶3 f $ b s pc o l l i s i o n ，s 灯i l c t m ea n d 位m 咖t ot h e 印旅k i d 僦u s e s o t 地i d ei nv i e wo f 曲n a v 鲫o l l 蛔1 萨s d d i s k , p r o d u c e dt h e 叫o f m a i n ( x ) n t r o la n d b s p t o l h e s d d i s k c o t a x o i o n s u p l x x t f i i 锄b t h et e s tp l a t f o r mh a d 蛔lb u i l ta n dd o n et h e 雌r m m to i lf i l ev e h i c l e t h e 舒弘血i 删r = m i t i n d i m t e d t v a , t h c s y m m h a s b e 蛐e f b l i 2 面o n c u r a c y 越d 把i j a 她t h e r e s u l t s i n a h i g h p e f f o n n a n c e - 面c e - r a f i o k e y w o r d s ：e m b e d d e ds y s t e m 、 c h i n 荡eb o o k sc a t a l o g ：v 2 4 9 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方以外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得塞徼堡 王太堂或其他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已在论文中作了明确的说明并表示谢意 学位论文作者签名：台名隐签字日期：矽舞多月多日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塞筮垄王太堂有保留，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于 安徽理工大学学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和磁盘，允许论文被查阅和借阅本人授权塞鲤王太堂可以 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 后适用本授权书) 同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰 写的文章一律注明作者单位为安徽理工大学 学位论文作者签名：勿艇 签字日期：砷年月么日 导师签名： 豁 签字日期：1 年月日 引言 引言 随着世界城市化的进展和汽车的普及，给人类生活带来了巨大便利的同时，交通拥挤、 交通事故频繁发生，不断恶化的交通状况正越来越严重地困扰着世界各国的大城市，影响 着人类的可持续发展。般来说，解决交通拥挤的直接办法是建设更多的道路交通基础设 施，提高路网的通行能力，但对于个| 赡市而言，可供修建道路的空间和资源是有限的， 由于i 妇蘑系统是个庞大的复杂系统，因而从车辆袭嘞珞单方面考虑，都很难从根本上解 决问题。在这种背景下，从系统的观点出发，把车辆和道路综合起来考虑，运用智能交通 系统( i i w - - t r a e l l i 寥n t t r a n s p o r ts y s t e m ) 提高交通的机动性、安全性和道路通行能力，在不大 量兴建新的道路设施的前提下着重提高运行效率，以节约大量的建设资金和时问1 1 1 车载导航系统是币佣车辆定位技术、交通地理信息系统、计算机和先进的通信技术等， 使车载计算机能够自动显示车辆位置、交通网络图和道路交通状况，为驾驶员找到从当前 位置到目的地的最佳行驶路线，并在出行过程中提供线路引导。因此，它可以最大限度地 防止交通阳塞的发生，减少车辆在道路匕的逗留时间，并最终实现交通流量在网络中各路 段上的最优分配，镁酋路网络得至蜻荛合理、鼋靖搿曲利用。 车辆定位技术是车载导航系统设计过程中依据的关键扫沭之一全球定位系统( g p s g 1 0 嘲i o t 面g 瓣m ) 具有良好的长册误嫠静性较差的短时误差特性，邮 - - - d e a d r e c k o n 删具有良好的短期精度，较差的长期精度。因此，将g p s 和d r 两 个系缬西过数据融合技术组合在_ 起，理论e 可以提供高精度、高频率和高可靠性的定位 数据。但是如何进行数据融合以得到更高精度的定位数据，如何降低成本使其成为种切 实可行的解决方案，直是困扰车载导航系统发展和广泛应用的难题。 本论文研究了基于w m d o w s 的嵌入式车载组合导航系统。针对传统的航位推算( d r ) 采用陀唰义等惯性元件提黼的特点，提出了软件陀螺的基本思想，结合信息融合理论 和a 骶组合导航的软硬件要求，改进了传统的联合卡尔曼滤波侈型，并在此基础e 给 出了种实用可行的a p s d r 组合导航系统解决方案。最后通过实际的试车实验，验证了 方案的可行性，达到了设计要求。 随着我国北斗卫星导航系统的不断完善，必将掀起新轮的研究和应用车载导航系统 的热潮，车载组合导航系统盼爵会有越来越广阔的应用前景，带来巨大的社会和经济效益。 安徽理工大学硕士学位论文 l 绪论 1 i 国内外车载导航系统的发展现状 现代车辆导航系统得到普及和推广是伴随着美国g p s 系统的发展而出现的，就目前的 发展情况看，车辆导航技术最发达的地方是美国、欧洲和日本等地区，其定位导航技术的 觋状代表了本领域研究和应用的发展方向。 2 0 噬豳o 年代，随着美国g p s 全球定位黝的建成，美国将导航系纡研究崩礁统的惯 性导航领域推进到了现代卫星导航领域。g p s 系统由2 4 颗离地面高度为2 万公里的卫星组 成，连同设在美国本土的地面监测中心和采用伪随机编码测控技术的g p s 接收机，可以提 供全球范围从地面到9 0 0 0 公里高空之间任f 可载体的高精度的三维位置、三维速度和系统时 间。该系统于1 9 9 3 年全部建成，随之对民间开放使用。从此促进了美国批从事导航设备 技术研究的公司的发展，如g 啦血、t o p c o n 、j a v a d 、n o v a t e l 公司等。目前i 幽司已 经成为世界e 最主要的g p s 接收设备和测试仪器的生产厂商。 中国目前中高档的删9 量设备和g p s 接收o e m 板大都来自美国的这些公司。美国于 9 0 年代进行许多智能交通系统的实验，如在芝加哥进行的a d v a n 观系统是种基于实时 交i 直条件的分布式路径诱导系绩p 在该系统中，车辆定位主要采用差分g 田s ，在g p s 处于 盲区时用航位推算法进行定位欧洲在年代准出c a r 酣和e 、，a 车辆自主导! 航系统，标志 着欧洲车辆爵航系统的发展。c a i m 栅了推算定位和地图匹配技术，采用c d - r o 】垤夸储 数字地图，彩色显示器来显示地图的导航系绩p 。e v a 除了推算定位、地图匹配和依次转 向路径引导，还可以同时用可视显示和声瞢台成输出信息来给司机提f 碍航 年代中期以来，欧洲的s 主要有p r 饼证册u s 和d 1 w e 计划。前个计划是由汽 车工业界发起的，主要研究车内导航系统和安全装置，后个计划是由欧泔哄同体发起的， 主要研究和改进交通基础设施。这两个计划一直联手合作并有许多正式和非正式的连接。 从9 0 年代中期开始，p r o m e i h u s 己演变为p r o m o t e b 葡d r i v e 也变成i - t a 呲i j ，该计 划主要是发展电讯技术在交通系统及环境中的应用h 。 在8 0 年代，日本的汽车市场推出了种自主导航系统，采用a 倒萌! 储数字地图。 此后又将g p s 、地图匹配、语音引导等新技术应用到车辆导航系统中，各式各样的车辆导 航产品不断被推向市场。在智能交通方耐轫，日本从8 0 年代的蝴和m 嬲发展到当 前的a 1 1 s 、v 磷栅r n 骼。、，l c s 于1 9 9 陴4 月开始推向市场，该系统通过红外线指向标、 微波指向标或者调频广播的副载频作为传播媒介来崩差实时交通信息用以引导车辆安全地 到达各自的目的地。a n s 稠车内的蜂窝电氍受车辆管理中心盼计算稠耥悝泠系统。 i 绪论 由国家警察厅发起的i r r m s 项目具有交通数据采集、交通信息控制和动态导航等功能卿 日本车辆导航产品在市场上的出色表现一方面是因为日本先进的锖蜒敲术，基础设施 配套齐全，更主要的因素是日本导航产品的功能和性能上的设计真正满足了市场需要：【9 i 日本在车辆导航装置方面的研究开发和生产已经处于世界领先水平，形成了批著名的导 航器生产厂商如k e n w o o d ( 建伍) 、c l a r i o n ( 歌乐) 、p a n , 罄o n i c ( 松下) 、d e 糙( 电装) 、 p i i l e ( 阿尔口囝、p i o n e e r ( 先锋) 等。 和国外发达国家相比，国内对r r s 和车辆导航系统的研究起步较晚，目前主要由些 科研院l 新吸少数公司进行研究，近年来，国内有些高校也在从事组合定位导航系统的理 论研究，获得了些有探索意义的试验结果和理论成果，但没有形成实用的系统和进入产 业化f 1 0 1 1 2 北斗卫星导躲缴c n - s s _ 勘n p a 豁n a v i g a t i o ns a t e l l i t es y s t e m ) 2 0 0 7 年4 月1 4 日，我国在西昌卫星发射中心用“长征三号甲”运载火箭，成功将第 硎e 斗引掘式验卫星送入太空。这是中国航天2 0 0 7 年第二次卫星发射，也是。长征”系 列运载火箭的第力l 十七次飞行此前，中国先后于2 0 0 0 年1 0 月3 1 日、1 2 月2 1 日、2 0 0 3 年5 月2 5 日和2 0 0 7 年2 月3 日成功发射四颗北斗导航试验卫星，在此基础e 建立的中国 北斗导航试验系统运行至今工作稳定、状态良好，已茁测绘、电信、水利、交通运输、渔 业、勘探、森林防火和国家安全等诸多领域逐步发挥重要作用 ” 卫星导航系统为人类带来了巨大的社会和经济效益，目前世界上只有少数j 1 介国家能 够自主研制隆产卫星导筋系统。中国自行研制生产的c n s s ，不仅具备了在任何时间、任 何地点为用户确定其所在的地理经纬度和海拔高度的能力，而目在定雠e 能匕有所自嘶。 该系统的建立使我国成为世界e 继美国、俄罗斯之后，第三个拥有卫星导航系统的国家， 同时艺足继美国的g p s ，俄罗斯的c l o n a s s 之后世界上第三个成熟的卫星导航系统。 这次发射的卫星，进步提高了我国北斗导航试验系统的性能和可靠性，此外还将进 行中国北斗卫星导航系统的有关试验目前我国的卫星导航定位系统，只是区域性有源三 维卫星定位与通信系统，具各在中国及其周边地区范围内的定位、授时、报文和g p s 广域 差分功能。在北斗导航谶系统的基础匕我国正在抓紧实施建设北斗卫星导航系统，将 由5 颗静止轨道卫星和3 0 颗非静止勒道卫星组成，计划2 0 年茜茗掰i 足中国及周边地区 用户对卫星导航系统的需求，并进行系统组网和试验，逐步扩展为全球卫星导航系统。这 个系统将主要用于国家经济建设，为我国的交通运输、气象、石油、海洋、森林防火、灾 害预报、通信、公安以及其他特殊行业提供高效的导航定位服务，应用前景十分广阔i l l l 。 安徽理工大学硕士学位论文 i j 车辆导航中的定位技术 车辆定位技术是利用定位传感器实时获取车辆位置信息的技术。目前定位技术有三大 类：自主定位、陆基定位和星基定刨仞其中自主定位技术的代表是推算定位和惯性导航 系统( n & 妇e f i i a in a v i g a t i o ns y s t e m ) 。陆基定位技术是利用地面信标发射的电磁波进行定 位，比如路i 盘无线电信标系统。全球定位系统( g p s ) 、全球卫星导航系统( g l o n a s s ) 是 星基定位的代表。欧洲为了满足本地区导航定位和全球性的星基定位市场的需要，针对g p s 和g io n s s 开发了g a l i l e o 卫星定位系统。g a i 肛肋系统将建成全球性的定位和导航 系统，预计2 0 0 8 年q 缸肛王的系统将全部建成并投入实际应用。由于g a i ，b 0 系统是个 以民用为主的导航系统，因此，它的应用将打破世界e 卫星导航领自脆e 美、俄垄断的格局 可以预测，今后车载导航定位将充分币| j 用各种定位手段，组合定位是发展的必然趋势。 1 g p s0 g 1 0 1 ) a l p 0 蒯叫d 玛s y s t e m 即全球定位系缅 g l s 在导航与定位技术领域内，以其全球性、全天候、低成本等优点显示出强大的生 命力与竞争力，但也有其致命弱点- 动态性能较基n 州g p s 卫星发射的信号受阻挡后 引起失锁和定位精度满足不了需求因此，g i ，s = 芷耙端的应用，如高动态的运载器、 行驶在繁华城市与隧道中的车辆导航和不间断的精确定位，还受到限制所以，虽然g p s 的新应用层出不穷，接收器产品推陈出新，但要进步高效、经济地推广使用g p s ，还有 不少问题有待解决。 2 d r p d 凼妇培即航迹推算法) 车辆航迹推算定位是种常用的自主式车辆定位技术，为了判断运动体与其目标的相 对位置，d r 系统首先通过测量载体的旋转运动角速率和直线运动信息( 速度或加速度信 息) ，然后送至数字计算机运用数学积分讨喜貉出定位数据。它完全依靠载体自身设备猫匣 自主地进行定位，与外界不发生任何光、声、磁、电的联系，从而实现了与外界条件隔绝。 在假想的“封闭”空间内实瑷精确定位，具有隐蔽性好，工作不受气候条件和 为的外界 干扰影响等一系列的优点。d r 定位的缺点是其定位误差会随时间快速积累，另外它得到的 是车辆相对于某起始点的位置。 3 a 强d i 园端合定位 车辆导航和自动驾驶需要精确的知道辅的位置和速赡息。g p $ 卫星定位系缬蓖过 接收机可以在全球的任何地方提供用户精确的位置信息。然而，g p s 测时量中几种误差的 存在使其具有良好的长期误差特性而具有较差的短时误差特性。对许多导航系统来说，g p s 作为个独立的导航系统是不够的。由g p s 和其它导航方式通过数据融合组成的组合导航 系统是种理想的选撂州研，并引起了极大的关注，并开始 涮f 弼l 入到导弹和军事领域。 i 绪论 随着惯性元件新技术的采用和批量化生产，低成本的g p s ，i ) r 组合定位系统出现在车辆导 航、柳器人和特定的无人驾驶车辆中，并可应用于环境监测、农业和矿产勘探等商业领域。 般来说，d r 系统具有良好的短期精度，差的长期精度。d r 系统和g p s 通过数据融合， 在理想情况下，g p s 和d r 的缺点可以被消除。如果g p s 信号中断，d r 系统可以继续定位 直到g p s 信号重新捕获，系统的精确性、有效性和鲁棒性可以得到满足。 目前国内列车萄强那排正挪随臻卜嘲究热潮，研究开发国产化的车馥锭吁亟产品具 有重要意义，但车载组合定位系统的数据蝴论、算法与车载导航实现还需深入研究 车辆在行进中的定位属于动态过程，在a 吲d 贼态定位数据中存在着影响定位精度的随 棚误差，通过性能良好的数据融合算法，来取得高精度的组合导航定位性能是个有效的 解决途径。国内外有些学者在将最优估计方法应用g p 刚d 嘞态方面已做了不少的研究工 作，但是有关如何更合理、更准确地建立车辆的运动漠型，提高滤波器的动态性能以适应 车辆的较商睢撇简化整爪i 觑芝侈型，提高实时性等方面，尚未取得实质俗越膨毗” 1 4 本论文所做的主要工作 本课题主要讨论了种基于晰i 幽粥c e 的嵌入式车载g p 刚) 嫂合导航系统的设计 与实现的方法。该系统主要功能是；通过g p s 接收机接收来自g p s 定位卫星的定位信息， 同时也通过d r 系统得到定位信息，分别将g p s 和d r 系统得到的定位信自进行信息融合， 最后将位置信息实时地以电子地图的形式在车载懒屏上显示出来。车载终端以a i t m 微处理器和w 砌讲 墨a 柞为系统的硬倒障 平台，在此基础e 完成整个车载导航系统功能。 本文中对基于w h i o 腮c e 的嵌入式车载匝踟) r 组合导航进行了研究，在认真分析基 本的组合导航系统联合卡尔曼滤波原理和算法的基础匕，提出了种实用、可行韵改进型 联合卡尔曼滤波模型，并列硼弗疆! 进行了分析针列传统的d r 导航中使用陀螺仪来判断转 向角的方法，提出了种利用车辆撕轮俺摩器和c a n 总线得到类似于陀螺仪提供的信 号来判断转向角的软陀螺技术，降低了组合导航的硬件成本，增加了组合导航的实用性 分析和研究了基于嵌入式w c e 的组合导航系统的软件开发过程，重点研究了 底即中的关键部分：b 0 0 t k 掰系统设计、s 鳅i 嘲辫畔 计、【舶d e f m 抽模块 设计，分别给出了流程框图针对导航卡外挂的特点，分别给出了底层s 帅主控 魄田 与s d d i s k 接口函数及具体的处理方法。最后针对提出的改进型联合卡尔曼滤波模型和 软陀螺技术，进行了实际的试车实验，并对实验数据进行了分析，达到了预期的结果。 论文内容安排： 第一章叙述了国内外车载导航系统的发展现状，说明了本论文所研究的课题的背景和 意义 安徽理工大学硕士学位论文 第二章分析了组合导航的原理。给出了g p s 卫星信号组成和g p s 导航电文的组成及其 含义 第三章介绍了c a n 总线的基本概念、特点和通信协议，提出了d 繇统中软陀螺技术 的基本思想，研究了软陀螺技术的意义和实现方法。 第四章研究了经典的卡尔曼滤波技术和信息融合算法，提出了种实用、可行的改进 型联合卡尔曼滤波模型。 第五章介绍了嵌入式晰n d o 哪a ；的开发，研究了基于砌n 由髑c e5 0 的b 0 0 t k 日d 叮 子系统设计，疵u l 掀设计，l _ 倒k t m a r e 模块设计，分剔给出了漉程框图和部分源代 码 第六章对车载组合导航系统模型和软陀螺技术进行了试车实验，给出了实验数据，分 析了实验结果。 第七章简要总结了本文的主要工作及结论，提出了未来工作的些设想。 2 组合导航原理与定位信号分析 2 组合导航原理与定位信号分析 组合导航技术是指使用两种或两种以上的不同导航系统( 或设备) 对同信息源作测 量，利用不同导航设备性自皂上的互补特性，从这些测量值的比较值中提取各系统得误差并 校正之，以提高整个导航系统性能的方法和手段。采用组合导航的导航设备和系统称为组 合导航系统。它综合两种或两种以上的不同类型的导航传感器信息，使它们优势互补，以 获得比单独使用任一系统时更高的导航性能。 2 1g p s 定位的基本原理 1 9 7 3 年，美国国防部组织海陆空三军，共同研究建立新卅：卫星导航系统： n a v i g a 妇 s a t e t i m i n ga n dr a i l g i l l l 水酗嘲p 0 6 i t i o n i n gs y s t e m ”即。授时与测距导航系统0i 蓖常简 称为“全球定位系统”( g p s ) 。它是新代精密卫星定位系统，是聊代科学技术迅速发展的 结晶g p s 是种可以定时和测距的空间交会定点导航系统，它可以向全球用户提供连续、 实时、高精度的三维位置、三维速度和时间信息，满足军事部门和民用部门的需要掣 全球卫星定位系统( 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代 卫星导航与定位系统。g p s 是g l o b a l p o s i t i o n i n g s y s t e m 的首字母缩略词，意即全球卫星定 位系统，是美国颁布使用的种多卫星系统，通过使用来自其中多个卫星的信号来确定随 面或近地面任何地方的移动接收机的位置以满足军事部门和民用部门对连续实时和三维 导航的迫切要求。g p s 问世以后，即迅速在导航、定位镢嘲钙渺发应用，使以6 瞒为代 表的卫星导航定位应用产业已成为当今国际公认的八大无线产业之一 目前已投n 莲行的卫星导航超匣系统主要有美国的g p s 、俄罗斯的g l o n a s s 、欧洲 的g a l i l e o 以及我国的c n s s 。而几乎全世界历有需要导航、定位的用户，都被g p s 的 高精度、全天候、全球覆盖、方便灵活等特点所吸引。 虽然g p s 系统开始是为军事目的而建立的，但很快在民用方面得到了极大的发展 经近1 0 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场深刻的技术革命。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，目前已遍及国民经济各种部门，并开始逐步深 们 的日常生活 参照测量学中测距交会确定点位的方法，将无线电信号发射台安放到卫星匕利用无 安徽理工大学硕士学位论文 线电测距交会的原理，便组成个卫星导航定位系统，这样由三个以上地面已知点( 控制站) 可交会出卫星的位置。反之利用三介以e 卫星的已知空间位置又可交会出地面未知点( 用户 接收杌) 的位置，这便是g p s 卫星定位的基本原理( 如图1 所示) - i j 星2 卫星3 卫星4 毛) 图1 g p s 基本原理 f 毽lg p s b 8 s i c 脚l 嘲】i e 忆耐+ ( ，j 何心珂+ 电飞) = 4 岱1 ) 厄一妒也彬+ 包耐+ 咄飞) = 畦( 2 - 2 ) 厄耐地新+ 岛一矛吨飞) = 弓 瓴帮+ m 订+ 瓴一矿+ 电) = 西倒) 式中： x 、y 、z 接收机在同 坚标系中的植曩 坐标， x 。、y i 、z 。分别为卫星l 、卫星2 、卫星3 、卫星4 ，t 时亥峪抛球协议坐标系( w g 擎鲫 中的直角坐标，它竹何以拥卫星发播的导航电文中给出的卫星位置信息经剜爿吗帑到， 彭 可以认为是已知量睁1 、2 、3 、4 ) 。 分别为卫星1 、卫星2 、卫星3 、卫星4 的卫星钟的钝差，由卫星星历提 供仁l 、2 、3 、4 ) 。 一按啪雠。 由于卫星时钟和接收机时钟与g p s 原子时不同步，都存在钟差。卫星钟差由g p s 地 面监控系统测定，并通过导航电文提供给用户，可以认为是己知值，因为距离观溅值d i 中 2 组合导航原理与定位信号分析 包含了接收机钟差引起的误差，而不是接收机至卫星的真正距离，故称其为伪距观测值。 所以方程中共有4 个未知参数，需对4 颗卫星同步观测，获得4 个伪距观测值d i _ l 、2 、 3 、4 ) ，通过解方程组即可求出接收机位置y 乃和钟差k 2 2g p s 定位系统的组成 全球定位系统0 g p s ) 由3 部分组成，即空间卫星星座部分、地面监控部分和用户设备 部分( g p s 接收机) 。 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 0 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 懈1 0 c k i i ，其中3 颗为备用卫勤 2 4 颗工作卫星部署在6 个轨道平面中，每个轨道平面升交点的赤经相隔6 0 0 ，轨道平面相 对地球赤道面的倾角为5 5 0 ，每个勒道匕均匀分布4 颗卫星，相邻轨道之间的卫星要彼此 叉开3 0 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 i n ，运行周期 为1 l h 5 $ m i n 。因此，地球e 同地点的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 颗。3 颗在轨的备用工作卫星相间布置在3 个轨道 平面中，随时可以根据指令代替发生故障的其他卫星以保证整个g p s 空间星座正常而高 效地工作。 g p s 空间卫星的设计和发射分为3 个阶段第阶段倒。呔i ) 从1 9 7 8 年到1 9 8 4 年共 研制和发射了l l 颗卫星，卫星的设计寿命为5 年，用于全球定位系统的实验，通常称为 g p s 实验卫星。第二阶良b l o c l 【，i i a ) a 1 9 8 9 年2 月1 4 日发射成功到1 9 9 4 年3 月l o 日研制和发射了2 4 口l + 3 厕理星，卫星的设计寿命为7 5 年，宣告了g p s 系统进入了工程 实用阶段，通常称为g p s 工f 乍雎。与b l o c k i i 相比较，b l o c k i i a 增强了军事应_ 胃功能， 扩大了数据存储容量，b l o c k l l 只能存储供1 4 d 用的导航电文，b l o c k l l a 能存储供1 8 0 d 用 的导航电文，确保在特殊情况下使用g p s 卫星。 第三l 懒更新工作卫星毋枷，i i r ) ，更新卫星于2 0 世纪末2 l 世纪础鼢抗毕， 以逐步g g f f , 第二代卫星，进步改善全球定位系统。 g p s 卫星的主体呈柱形，采用铝蜂巢结构，柱形直径约1 5 m 。卫星重约7 7 4 k g ( 含3 1 0 k g 燃私b 。星体的侧装有两块双叶向日定向太阳能帆扳，全长5 3 3 m ，接受日光面积为7 2 m 2 ， 给3 组1 5 a h 镉镍蓄哇摊l 充电，以保证卫星正常 椎用电。 在星体底部装有多波束定向天线，它是个由1 2 个单元构成的成形波束螺旋天线阵， 安徽理工大学硕士学位论文 发射l i 和k 波段的信号，其波束方向图能覆盖约半个地球。同时，在星体两端面上装有 全遥测遥控天线。它用于与地面监控网通信j 比外，卫星匕还装有姿态控制系统和轨道控 制系统以保证卫星正常运行。 卫星t 的杨d 设备是高精度铯原子钟限淀度为1 0 1 乙1 0 1 | ) ，具有抗辐射性能，它发射 标准频率信号，为g p s 定位提供高精度的时问标准。 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、接收并储存 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 轨道修正或者启用备用卫星。g p s 卫星采用多种编号识别系统。在导航定位中通常采用 p r n 编如n x i o m n d o m n o i s e d e 伪随机噪声码) z 2 2 g 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 主控站又称联合空问执行中心( c s 0 0 它位于美国科罗拉多州普林斯附近的佛肯 ( c o l o r a d os p r i n g sf a l c o n ) 空军基地。它的任务是： ( i ) 采集数路、推掣薪僦电艾。主f 熬的大型电子讨贺期采集本站和5 个l 监测站 的所前9 懒愤料，其主要内容为监测站所侧之伪距和积分多普勒观澳十值、气象参数、卫星 时钟、卫星工作状态参数、各监澳蛹虹作。c i c 态参数。根据搜集的全部数据，推算各卫星的 星历、卫星钟差改正数、状态数据以及大气改正数，并按定的格式编辑成导航电文，传 送到3 个注 站。 圆给定全球定位系统时间基准g p s 的监测站和各个卫星匕都有自己的原子钟，它 们与主控站的原子钟并不同步，全球定位系统中以主控站的原子钟为基准，测出其他星钟 和监测站站钟对于基准钟的钟差，并将这些钟差信息编辑到导航电文中传送到注入站， 转发至各卫星。 ( 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 ) 调整卫弱萄抛态，启动备用卫星。根据观测到的卫星轨道参数以及卫星姿态参 数，当发生偏离时，注入站发出卫星运动修正指令，使之沿特定轨道和正确姿态运行；当 出现失常卫星时，主控站启用备份卫星取代失效卫星，以保证整个g p s 系统的正常工作 2 检测站 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躯w a - j a l e i n ) 、印度洋 2 组合导航原理与定位信号分析 的迭哥伽西亚脚g 撕a ) 、南大西洋的阿松森群岛( a 溉l 函咖以及夏威夷和主控站所在 地佛肯。 监测站装有双频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 后存储和传送到主控站。 3 注入站 g p s 的注入站共有3 个，与前述三大洋的卡瓦伽兰、迭哥伽西亚、阿松森群岛上的监 控站并置注入站主要装有l 台直径3 j 劬的天线，l 台c 波段发射机和l 台计算机。注入 站将主控站传送来的卫星星历，钟差信息，导航电文和其他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，满足用户的需要。 2 2 3 用户设备 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 接收柳- 用户设备随着用户的 使用目的不同而有各种各样的型号。 o p s 的主要目的是为美国军方服务。美军使用的导航型g p s 接收柳可为其飞机、导弹、 舰艇、战车以及野夕t 作战人员提供导航和定位服务近年来出现了阵列美燃如十字形、 子角形或四方7 玢的g p s 握邵嘲。不仅能鼹c l j 箭雅置信息，还能确定运动载体的姿态角。 星载接收机可以为低空侦察卫星定位，比如法国的s p o t 卫星就是利用星载g p s 接收机来 确定遥感图像的精确位置的 目前，国际上用于工程测量工作的g 】添接收阮恫芎众多产品问世，它们被莨地应用 于交通、大地测量、勘探和地球物理等领域。 g p s 接收机的基本结构如下图2 所示 图2g p s 接收机基本结掏 f 够c e s o e i 憎b a s k 卿哪d 峨 1 天线：天线及前置放大器，_ 般密封为体，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 接收机的杨o 单元，内硬件和软件组成。它换b 涞 安徽理工大学硕士学位论文 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广播电文并获得伪距定位信息。 3 存储单元：主要有g p s 接收机的内存硬盘或记录磁卡。 4 控制显示单元：控串| 胙业包括初始自检，接收机的三维坐标和二维速度计算以及 人机对话、根据输入航路进行自动导航、或输入各种指令以便计算和控制屏幕显示。 5 电源；g p s 接收机采用直流( 1 2 v 烘, 电，机内置有专用镍电j 也给接收机时钟供电或 给r a m 供电，亦可外凌蓄电池。 根据需要，g p s 接收机可设置1 - - 1 2 个通道供选择，每1 个通道在某l 时刻跟踪l 颗 卫星，当此卫星被锁定后，便占据这一面道现代技术的发展，使得在g p s 接收机中广泛 采用并行多通道技术或同时相关型通道技7 矧网。 2 3 g p s 卫星信号 g p s 是按单程测距原理建立的，即用户只需通过接收设备来接收卫星发射的信号，并 测定信号传播的单程时间延迟或相位廷迟，进而确定从观测站至g p s 卫星问的距离。这种 单程测距系统，；f f a 相j 于简化地面的接收设备，具有接收设备的所有用户都可以利用。同时， 在军用上还能保证观测目标的隐蔽性。由于卫星信号穿过电离层时将受到电离层的折射影 响，因此，g p s 卫星发射了具有两种频率的电磁波信号，以便利用双频观测技术，消除电 离层的影响。g p s 是美国国防部门主要为军事方面的需要而建立的现代化导航系统，为了 兼顾民用部门的需要，卫星发射的信号包分酐孵修轿同性庞撇的测距码，即所谓 姒码和p 码( 或y 码) ，其中：c a 码精度饺低，码的结构是公开的，可供具有g p s 接 收设备的广大用户使用；p 码精度较高，码的结构是不公开的，专供美国军方使用，为了 满足匕述多方面的要求，g p 8 卫星码信号的产生和结构均比较复杂。我们了解基本概念， 对理解g p s 导航和定位的原理仍是必要的。 ， 2 _ 3 1o p s 卫星信号组成 g p s 卫星信号包含有三种信号分量：载波、测距码和资料码。时钟频率选用1 0 2 3 m h z ， 利用频率综合其产生所需要的频率。g p s 信号的产生如图3 所牙趔： 2 组合导航原理与定位信号分析 i ! ! ! ! ! i兰翌竺! ! 苎皇兰：苎! 竺! 二 图3 g p s 信号的产生 f j 驴o p s s i g n a l p m d u c 曲n g p s 使用l 波段，配有两种载频： l i 载波：五i = 1 5 4 , 五= 1 5 7 5 4 2 m h z ，波长a = 1 9 0 3 c m k 载波：无2 = 1 2 0 * f o = 1 2 2 7 6 m h z ，波长a = 2 4 4 2 c m 两载频之间间隔为3 4 7 8 2 m h z ，相当于k 的2 8 3 所以选择这两个载频，目自钎 测量出或消除掉电离层效应引起的延迟误差。 在l l 载频上由数据流两种伪随机码分别为通向和正交方式进行调制，其信号结构为： l ( f ) = a , e a t ) d , ( ，) c o s ( o , l i f + 磊) + 4 q ( ，) j d l ( t ) s i n ( 铣l ，+ 氟) p 固 在k 载频上，只有p 码进行双相调制。其信号结构为： 2 ( ，) = 吃c ( f ) q ( f ) c o s ( $ 2 t + 妒2 ) ( 2 - 6 ) 式中： 4 ，纬p 码的振幅； 见c a 码的振幅 口( f ) 数据流 嘶载波厶的角频率 q ，一载波厶的角频率 磊载波厶信号白勺j 勘撇 磊载波厶信号的起始相位 g p s 卫星的测距码和资料码是采用调相技术调制到载波e $ j ( p s k ) 。调制码的幅值只 取0 或1 如果当码值取0 时，对应的码状态取为+ 1 ，当码值取l 时，对应的码状态取为 1 ，那么载波和相应的码状态相乘后便实现了载波的调制。这时，当载波与码状态 l 相乘 时，其相位不变，而当与码状态1 相乘时，其相位改变1 8 0 0 ，所以当码值从0 变为1 或 从l 变为0 时，都将使载波相位改变1 8 0 0 ，这时的载波信号实现了调制码的相位调制。根 安徽理工大学硕士学位论文 据这一原理，g p s 中的三种信号将按图4 的线路进行合成，然后向全球发送，形成今天随 时都可以收到的g p s 信号。 如图3 所示，卫星发送的所有信号分量都是由同基本频率五( a 点) 产生的，其中 包括：载波l i ( b 点) 、载波k ( c 点) 、粗测距码c a 码( d 点) 、精测距码( f 点) 和 资料码( g 点) 。经卫星发射天线( h 点) 发射出去。发射的信号分量包括：l i 七a 码( j 点) 、l l - p 码( k 点) 、l 旷p 码( l 点) 。 图4 g p s 卫星信号构成图 f 礤g p s 蛐啦删嚼i 蜘l 其中：o 模2 相加、o 混频器、加法器 2 3 2g p s 导航电文o n b i a - o 1 9 3 格亩 $ o p c 屺a ,皿1 1 1 a m m m l m bb ，m l ，v v w w ；m ，l k m ，y y ，m z z * h h = l i 町f s g p g g a , u t c 位置，北纬，n ，东经，e ，g p s 性质指示g p s l ：唧d g p s ) ，卫 星数，水平定位精度口d o p ) ，天线高度，m ，水平分离度，m ，微分g p s 数据年限，微分 参考位置d 确黜 9 3 p g s a , a , x , x x , x x , x x , x x , x x , x x , x x , x x , x x , x x , ，o 【】o ( 碣弛躲l d 心r p g s a 信息包括g i ，s 接收机的工作模式和导航卫星的数目及d o p 值。s g p g s a , 自动或手 动( a 自动，b - - 手动) ，接收机模式，位置定位中p r n = 瞪e 数，最少要1 2 羁卫星( 3 到1 4 ) ， 位置定位精度伊d 0 固，水平定位精度饵) 0 即，垂直定位精度( v d o p ) 埘趸验码。 2 组合导航原理与定位信号分析 s g p r m c , h l l i 删卫嫡 皿1 l a ”7 y y y y y ，a 酗脒，) o o 【躲，a i h h r m c ：g p s 数据的最，j 潞式。$ o p r 忙，u 1 位置，执蝌录志( a - 有效，v 导航警告) ， 北纬，n ，东经，e ，卫星对地速度( s o g k n a r s ) ，轨道当前状态模式，日期，地磁变化， 位置系统模式指示( a 一自治，d 卜微分， 航迹，m - q 陶j 输入，s _ 仿真模式，b 卜数据无效) 车校验。 s g p g s v , x 焉x x , x x , x x , x x x , x x , ( ，x x , x x x , x x , x x , x x , x x x , x x , x x , x x , x x x , x x 址问踝 qd ， g s v g p s 卫星显示。s g p g s v , g