gps位置算法关键技术分析与工程实现

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1、GPS位置算法关键技术分析与工程实现第1章绪论1.1论文的研究背景GPS在1993年初具运行能力，到现在已二十余载，作为全面运行不断更新的卫星导航与定位系统，随着技术的不断进步，GPS以其全球性、全天候、高精度、自动化、高效益等显著特点[2]，及其所具有的定位导航、授时校频、精密测量等多面的强大功能，在军事、民间和商业用户中的需求不断增长。近些年卫星导航尤其在民用领域显示了蓬勃的生机，卫星导航产品在车辆导航、野外救护、户外运动、特殊人士跟踪、地震监测、大气监控以及基于位置服务等方面已经显现了非常广阔的应用前景[3]。卫星导航在生活中的应用越来越多的改变了人类的生活，给人类带来便

2、捷的同时改变着人们的行为和思考方式，对社会产生了深远的影响，定位导航系统是人类收到的又一份神奇的礼物。GPS系统主要有三大组成部分，即空间星座部分、地面监控部分和用户设备部分[1]。全球定位系统的空间部分和地面监控部分，是用户应用该系统进行定位的基础，用户通过接收机设备，实现应用GPS系统定位的目的。用户GPS接收机设备一般由软件和硬件两部分组成，用户设备的主要任务是接收GPS卫星的信号，解析导航电文，获得导航解算所需的伪距、多普勒频移、卫星位置和速度等相关信息，完成导航定位的工作[4]。卫星导航接收机具有体积小、重量轻、成本低、长期稳定可靠等特点，可实现全天候、全球覆盖、实时

3、连续导航定位，其定位精度不随时间积累[5]。同时卫星导航定位系统也存在许多不足，如抗干扰能力弱、更新率低、动态性能差等。接收机采用不同的定位算法会产生不同的定位效果，一般情况下单机接收机的定位误差在10-15米左右，定位精度往往不能令人满意。这是由于定位过程中包含了许多误差，滤波算法是减少GPS定位随机误差的重要方法，利用各种滤波方法可以消除多种随机误差使定位精度得到提高。进一步改进接收机定位算法避免坐标偏差过大、滤波发散，从而使接收机具有较快的收敛速度和较高的定位精度。..1.2选题意义GPS全球定位接收机进行卫星信号的捕获、跟踪，在实现对信号的同步后，获得伪距观测量和多普勒

4、观测量，从而计算用户的位置、速度和钟差，位置、速度和钟差解算又称PVT（PositionVelocityTime）解算，完成解算即确定目标的位置、速度以及时间信息。本文主要介绍了两种最常用的定位解算方法，最小二乘法和卡尔曼滤波方法，最小二乘法是根据当前时刻的测量信息量解算定位，不会受到上一时刻的定位结果影响，同样也不会影响下一时刻的定位过程。可以认为最小二乘法各个时刻的定位计算都是独立的，所以通常情况最小二乘法的定位偏差无定向、杂乱无规律，然而最小二乘法定位收敛速度快、实时性好，可以在很短的时间迅速定位。卡尔曼滤波综合了当前时刻的测量信息和先前时间段的定位测量信息，认为可以根据

5、已存的定位信息按合理的方式预测下一时刻的状态，然后根据状态噪声和测量噪声选定合适的系数去动态的平衡预测值和观测值。定位结果既包含了当前测量信息值，又包含了定位前的各个时刻的信息量，定位解算在时间上是个连续的过程，测量信息值不断的积累，各个时刻的信息相互影响制约[5]。卡尔曼滤波将各个时刻的测量值和状态值结合起来，与现实中接收机稳定连续运动相一致，更加符合实际运动情况。分析不同算法的特点可以将两种算法结合起来，接收机开始工作后首次定位使用最小二乘法定位，接着可以借助卡尔曼滤波进一步滤波优化，最终得到接收机的精确位置，在遇到信号不稳定或者卡尔曼滤波结果偏差值过大时，将再返回使用最小

6、二乘法定位，可以应付连续定位中的突发情况，使得接收机具有动态稳定性和更强的容错性。..第2章GPS系统基本原理2.1GPS系统的组成完整的GPS系统是由紧密联系的三个部分组成，分别是空间星座部分、地面监控部分和用户接收设备部分。整个GPS系统三个部分相互配合的工作原理可简单的描述如下：首先，确定卫星的运行轨迹，地面监控部分通过实时的接收、测量各个卫星信号，计算确定卫星的运行轨道[16]。其次，地面监控部分将确定的卫星的运行轨道信息发射给卫星，卫星接收地面监控系统的数据信息。接着，卫星将各自的定位运行轨道信息加载在卫星信号上，各颗GPS卫星以广播的形式向地面发射卫星信号，转播这些

7、卫星各自的定位运行轨道信息，地面监控部分和卫星实现相互通信。最后，用户设备部分通过接收、测量各颗可见卫星的信号，并从信号中获取卫星的运行轨道信息，确定用户接收机自身的空间位置。接收机只需单向接收卫星信号即可实现定位、定时功能，接收机的使用数量不受限制，具有良好的隐秘性。空间卫星系统即GPS全球定位系统的卫星系统设计为由24颗卫星构成，24颗卫星分布在6个轨道平面中，每个轨道上都分布着4颗卫星[17]。空间卫星系统的设计之初考虑到保证全球均匀覆盖的要求，在地球各处能同时观测到至少4颗高度角15