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山 东 科 技 大 学本科毕业设计（论文）开题报告题 目 GPS载波伪距单点定位程序设计学 院 名 称 测绘科学与工程学院 专业班级 学生姓名 学 号 指 导 教 师 填表时间： 2014 年 04 月 10 日填表说明1.开题报告作为毕业设计（论文）答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一。2.此报告应在指导教师指导下，由学生在毕业设计（论文）工作前期完成，经指导教师签署意见、相关系主任审查后生效。3.学生应按照学校统一设计的电子文档标准格式，用A4纸打印。4.参考文献不少于8篇，其中应有适当的外文资料（一般不少于2篇）。5.开题报告作为毕业设计（论文）资料，与毕业设计（论文）一同存档。设计（论文）题目GPS载波伪距单点定位程序设计 设计（论文）类型（划“”）工程实际科研项目实验室建设理论研究其它 一、 本课题的研究目的和意义卫星导航定位技术作为世界上最先进的导航与定位系统，随着其在全球的普及，日益显示了卫星导航的巨大优越性和其在经济、军事领域的重大作用。在导航战中，GPS 实时准确地为地面、空中、海上部队和导航发射、制导提供了导航定位数据。因此研究 GPS 导航定位技术已成为当务之急1。在GPS应用中，一般都采用相对定位的作业方式2。通过观测值差分消除接收机钟差、卫星钟差等公共误差及削弱对流层延迟、电离层延迟等相关性强的误差影响3，来达到提高精度的目的。这种作业方式无需考虑复杂的误差模型，具有解算模型简单、定位精度高等优势。但也存在一些不足，如作业时至少有一台接收机置于已知站上观侧，影响了作业效率，提高了作业成本。另外随着距离的增加，对流层延迟、电离层延迟等误差相关性减弱，必须相应地延长观测时间，才能达到预期的精度。为了克服GPS相对定位的这些缺点，单点定位方法越来越受到关注。传统GPS单点定位利用伪距及广播星历的卫星轨道参数和卫星钟差改正进行定位3。其优点是数据采集和数据处理较为方便、自由、简单,用户在任一时刻只需用一台GPS接收机进行定位测量，但由于伪距（即使是P码伪距）的观测噪声至少也有几十厘米，广播星历的轨道精度为几米，卫星钟差改正精度为几十纳秒，因此这种单点定位的坐标分量精度只能达到10米级（P码单点定位精度约为3米）4,仅能满足一般的导航定位需求。为了满足更高精度的要求，精密单点定位技术孕育而生，随着 IGS 精密轨道和精密钟差精度越来越高，精密单点定位技术已成为当今国际卫星导航定位领域一个研究热点，采用精密单点定位技术，单台双频接收机可以在全球范围内直接得到高精度的ITRF绝对坐标。随着卫星轨道和钟差的精度不断提高，其静态定位精度可达到mm-cm级，动态定位精度可达到cm-dm级5，大大满足生产建设的需求。本文研究利用GPS单点定位的双频载波相位数据及广播星历信息进行标准单点静态定位。二、 本课题的主要研究内容（提纲）1、编程实现RINEX文件的读取。首先掌握RINEX观测值文件和星历文件的内容，其中包含大量的信息，需要定义响应的存储信息的数据结构有观测值的数据结构、气象数据的数据结构。2、通过广播星历求GPS卫星位置计算。计算思路：首先计算卫星在轨道平面坐标系下的坐标；然后将上述坐标分别绕X轴旋转- i角，绕Z轴旋转- k角，求出卫星在地固系下的坐标。3、载波单点定位数学模型线性化推导及编程实现。根据载波相位观测方程进行逐项推导，将观测方程简化为线性方程后编程实现。4、单点定位的改正量计算。主要包括：与卫星有关的误差项、与传播路径有关的误差项、与测站有关的误差项等。各项误差改正的流程：计算卫星位置时，进行卫星钟差改正，相对论效应改正，地球自转改正；对观测值进行以下改正：电离层改正，对流层改正；对计算位置进行以下改正：天线相位中心改正。5、程序的调试。进行编程调试和程序优化工作，尽可能达到简单、高效、易懂的标准。 三、 文献综述（国内外研究情况及其发展）全球实时精密单点定位技术是由Caltech 喷气推进实验室（Jet Propulsion Laboratory，简称JPL） 的 Muellerschoen 等人提出，其原理是在初始化后进行单历元精密单点定位，来实现全球范围内的实时动态定位。他们的实验结果表明，在全球范围内可望实现实时动态精密单点定位的水平定位精度为 10-20cm6。NavCom 的Hatch 提出了利用 JPL 实时定轨软件 RTG 实现全球实时动态定位（Real - time kinematic，简称RTK）计划，该计划原理是通过因特网和地球静止通信卫星向全球用户发送精密星历和精密卫星钟差修正数据，用户通过接收这些修正数据来实时定位解算，实现 2-4dm 的实时动态定位精度，而采用这些修正数据在事后静态定位精度可达 2-4cm7。近年来,随着实时精密单点定位技术发展,美国的 JPL 研究并且已开发了实时全球精密单点定位（precise point positioning，简称PPP）系统；加拿大 NRCan 也开发了区域实 PPP 系统;其服务范围仅限于加拿大及其周边区域；NavCom 公司也已经成功研发出商用实时 PPP 系统；加拿大 Calgary 大学开发了 P3软件，该软件具有事后和实时 PPP 功能(软件在实时 PPP 处理时采用 JPL 提供的实时精密卫星轨道和钟差产品)。国内研究精密单点定位的进程中，魏子卿、葛茂荣在 GPS 相对定位的数学模型中介绍了非差模式的处理方法8；叶世榕在他的博士论文中对 GPS 非差相位精密单点定位的理论与方法进行了系统的研究，他自行研制的定位软件，单天解的精度在 B 方向优于 1cm，在L 方向优于 2cm，在 H 方向优于 3cm。其单点定位进行动态定位时，需要约为 15 分钟的初始化时间，此后单历元解的精度为：B、L、H 方向均优于 20cm 而大部分解的精度优于 10cm。利用 GPS 的精密预报星历和实时估计的卫星钟差进行实时动态定位的精度为 40cm 左右9。陈小明在他的博士论文中提出了建立基于卡尔曼滤波算法的高精度 GPS 动态定位数据处理模型，应用可靠性理论分析卡尔曼滤波在高精度 GPS 动态定位数据处理中探测周跳及机动加速度的能力以及不可发现的机动加速度对滤波估值的影响。在可靠性分析的基础上建立简单、实用的无模糊度参数的卡尔曼滤波高精度 GPS 动态定位数据处理模型10。武汉大学的郭际明教授通过对 GPS 精密单点定位技术的研究，开发出 GPS 精密单点定位软件 GPP。而范士杰依据 GPP，增加了基于宽巷组合相位观测值的精密单点定位软件模块。通过定位解算，在初始化完成之后，其 N 方向和 E 方向的坐标值很快趋于稳定，单历元解算的 N 坐标、E 坐标和高程 H 坐标的真误差分别稳定在0.3m、0.2m、0.9m 以内。武汉大学的张小红教授通过对双频 GPS 精密单点定位技术的深入研究，开发了双频 GPS 精密单点定位软件 Trip，该软件的静态定位精度可达到厘米级，而动态定位精度可达到分米级11。四、 拟解决的关键问题1、通过广播星历求GPS卫星位置计算。2、载波单点定位数学模型线性化推导及编程实现。五、 研究思路和方法采用面向对象编程的方式。将整个研究和程序划分模块进行，研究部分主要解决通过广播星历求GPS卫星位置计算，载波单点定位数学模型线性化推导两个部分。而编程则分为时间转换编程实现、坐标转换编程实现、文件I/O、计算卫星位置、各项误差改正计算、单点定位数学模型编程实现等6个功能模块。单点定位的基本原理单点定位数据需求矩阵函数编程编码实现各个模块GNSS中的时空基准时间转换编程实现坐标转换编程实现文件I/O计算卫星位置各项误差改正计算联合调试单点定位数学模型编程实现六、 本课题的进度安排3月19日-4月8日 开题报告，与指导教师和小组成员讨论，文献资料汇总。4月 9日-4月16日 完成RINEX文件的读取工作。4月17日-5月1日 完成GPS卫星位置计算及相应编程工作。5月 2日-5月8 日 完成载波单点定位数学模型线性化推导及编程工作。5月9日-5月15日 完成单点定位的改正量计算及程序调试工作。5月16日-5月29日 完成联合调试工作。5月50日-6月15日 完成所有研究内容的总结，进行论文写作，与指导教师讨论修改后最终定稿，参加毕业答辩。七、 参考文献1 石小丽.载波相位测量的定位结算算法研究 D ,成都:电子科技大学,20082魏子卿,葛茂荣.GPS相对定位的数学模型M,北京:测绘山版社,19983刘大杰,施一民,过静君.全球定位系统(GPS)的原理与数据处理,同济大学出版社,199741刘经南,叶世荣.GPS非差相位精密单点定位技术探讨J.武汉大学学报,2002,24(3):234-2405张金宝,王少闽.GPS单点定位程序设计与实现J, 武汉大学学报,2009,11(5):60-666 Melbourne W G,The case for ranging in GPS based geodetic SystemsJ,See Goad，1995,21(5):343-386 7Hatch R.Dynamic. Differential GPS at the Centimeter LevelC,Proceedings of the 4th International Geodetic Symposium on Satellite Positioning,DMA,Las Cruees,New Mexico,1982,Feb:8-12 8 叶世榕.GPS 非差相位精密单点定位理论与实现D.武汉:武汉大学,20029 陈小明.高精度 GPS 动态定位的理论与实践D,湖北武汉:武汉大学,199910 张小红.动态精度单点定位(PPP)的精度分析J.全球定位系统,2006，25(1):7-1l11李征航,黄劲松.GPS原理与应用M,武汉:武汉大学出版社,200512李征航,张小红.卫星导航定位新技术及高精度数据处理方法M,武汉:武汉大学出版社,200913Herous, Kouba J, Collons P.GPS Carrier Phase Point Positioning with Precise Oribit Products,The International Symposium on Kinematic Systems in GeodesyJ,GeomaticsandNavigation,Calgary,2001,24(3):12-1314陈兆林,张书毕,咚瑞菊.用拉格朗日多项式内插计算GPS卫星位置J.全球定位系统,2007,32(2):33-3515邱蕾,廖远琴,花向红.基于IGS精密星历的卫星坐标插值J,测绘工程学报,2008,17(4):15-2416李庆扬,王能超,易大义.数值分析M,湖北武汉:华中科技大学出版社,200517党亚明,秘金钟,成英燕.全球导航卫星系统原理与应用M,北京:测绘出版社,200718 程鹏屹,蔡艳辉,文汉江等.全球卫星导航系统GPS，GLONAsS，Glailco及其他系统M,北京:测绘出版社,200919刘基余,李