GNSS接收机定位解算的研究与实现_图文

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硕士研究生学位论文

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2010年1月12日

独创性(或创新性)声明

本人声明所呈交的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。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 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得北京邮电大学或其他 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了谢意。 申请学位论 本人签名: 处,本人承担一切相关责任。
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关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电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期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。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,允许学位论文被查阅和借 阅;学校可以公布学位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、汇编学位论文。(保密的学位论文在解密后遵守此规定)

保密论文注释:本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论
文注

北京邮l【1人学硕I:研究生学位论文

GNSS接收机定位解算的研究与实现

摘要
GNSS(G1 obal Navigation Satellite System)全名是全球导航卫星系 统,它包括利用美国的GPS、俄罗斯的GLONASS、欧洲的GALILEO 和中国的北斗系统全球卫星导航系统中的一个或多个系统进行导航

定位,并同时提供卫星的完备性检验信。皂,(Integrity Checking)矛H足够 的导航安全性告警信息。本文主要研究GNSS接收机中的定位解算算 法及其实现。 GNSS接收机定位解算模块简单来说就是利用四颗以上的卫星
位置和速度以及相应卫星对应用户的伪距作为输入,解算出某个时刻

用户的位置和速度的过程。本文首先介绍了四大卫星导航系统,紧跟 着介绍了GNSS接收机的组成和定位原理,然后对捕获、跟踪、同步 等各个模块进行了简单的介绍。在这些基础之上设计接收机的硬件和
软件架构,其中详细的介绍了软件架构,设计了总体和各个分模块的

流程图。本文是在VS2005下用C语言编写代码并对各个场景进行仿
真评估,采用了最d,-乘迭代法和卡尔曼滤波法来进行定位解算,重 点对定位解算中的解析卫星导航电文、根据开普勒轨道模型解算卫星

位置和速度、纠正电离层和对流层大气误差、迭代计算用户位置和时 间、利用多普勒计算用户速度进行了仿真和性能评估,并用matlab 对定位结果进行了分析与绘图。仿真结果表明,算法可以满足性能。
然后把平台移植到ADI公司集成开发环境Visual DSP++上对其进行

测试。测试过程中,采取了非线性跟踪微分器来辅助载波相位测速, 大大提高了速度精度。最后还对影响定位精度的关键因素进行详细的 分析并进行纠正,并且编码实现了RAIM算法来监测卫星的健康状态 来提高定位精度。测试结果表明,接收机能够稳定的运转,定位的各
项参数和指标达到测试系统要求。

关键词:GNSS最d,-乘卡尔曼RAIM捕获跟踪伪距

北京邮I【1人学顺f:研究生学位论文

RESEARCH AND

IMPLEMENT OF POSITIONING

ALGORITHM IN GNS S RECEIVER

AB STRACT

GNSS,i.e.Global Navigation Satellite System,uses

one or

several

of American GPS,Russian GLONAS S,European GAILILEO and China’S BD system to provide navigation and location services,and provides satellite integrity checking and navigation safety alarm

information.This thesis mainly studies positioning algorithm and its


realization.

. .

Generally speaking,GNSS receiver location resolution module is the process of utilizing more than four satellites’location and speed,and the pseudorange of the
at
user as

input

to calculate

the

user’S

location and speed

some time.Firstly this thesis introduced the four satellite navigation

systems,and then introduced the components of GNS S receiver and the location theory,and after these simply introduced the modules such capture module,tracking module and synchronization module.Based
as on

these,this thesis designed the hardware and software architectures of the receiver,in which the thesis described the software configuration and designed the flow chart of the general module and every sub—module. This article assessed the results in the various scenarios using C language based
on

V¥2005.and using the least.squares iteration method and the
to

Kalman filter method

positioning;more emphases

are

placed

on

the

simulation and evaluation of parsing navigation ephemeris,satellite positions and velocities,tropospheric and ionospheric model and PVT. And the positioning results
are

analyzed and
can

drew using

matlab,

Simulation results show that the algorithm

satisfy the

performance.

北京Ill,by,人学硕.I:研究生学位论文

and then the positioning algorithms

are

migrated

to

Visual DSP++

of testing, integrated development environment for test.In the process this thesis adopted


nonlinear tracking

differentiator to

support

carder-phase velocity,it improved the speed accuracy greatly.Finally the article analysed and corrected the key factors affecting the positioning accuracy,and realized the RAIM algorithm satellites
to to

monitor the

state

of

the improve positioning accuracy.Test results show that
test

receiver works well for the

system,the parameters and indicators of

the positioning meet the requirement of field test for GNSS receiver product.

KEY

WORDS:gnss
pseudorange

least—squares

kalman

raim

acquisition

tracking

北京邮l【1人学硕Ij卅f究生学位论义

目录

第一章绪论………………



1.1课题背景…………………………………………………………………………………………l 1.2卫星导航系统简介………………………………………………………………………………l
1.2.1 GPS………………………………………………………………………………………………………………………2 1.2.2 GLONASS……………………………………………………………………………………………………………2

1.2.3伽利略……………………………………………………………………………………..2
1.2.4

j匕斗…………………………………………………………………………………………………………………….3

1.3论文结构安排…………………………………………………………………………………..3 第二章GNSS定位原理与卫星信号
2.1

GNSS组成……………………………………………………………………………………………………………………5

2.1.1 GPS……………………………………………………………………………………………………………………..5 2.1.2 GLONASS……………………………………………………………………………………………………………6 2.2

GNSS的定位原理………………………………………………………………………………7

2.2.1工维位置确定………………………………………………………………………………7 2.2.2测距信号确定位置…………………………………………………………………………8
2.3

GNSS卫星信号…………………………………………………………………………………9 GPS-p.星信号……………………………………………………………………………..9 GL()NASS卫星信号………………………………………………………………………9

2.3.1 2.3.2

2.4坐标系统…...…一…………………………………………………………………………….10 2.4.1地心惯性坐标系……………:…………………………………………………………….1l 2.4.2地心地同坐标系………………………………………………………………………….1l 2.4.3世界大地系……………………………………………………………………………….1l 2.4.4坐标转换…………………………………………………………………………………1 2 第三章接收机整体结构设计与实现
14

3.1总体架构……………………………………………………………………………………….14 3.2接收机各个模块介绍…………………………………………………………………………l 5 3.2.1捕获………………………………………………………………………………………1 5 3.2.2跟踪………………………………………………………………………………………16 3.2.3比特同步…………………………………………………………………………………17 3.2.4帧同步……………………………………………………………………………………17 3.2.5导航电文提取……………………………………………………………………………l 8 3.2.6定位解算………………………………………………………………………………….19 3.3硬件架构……………………………………………………………………………………….19 3.4软件架构………………………………………………………………………………………..22 3.4.1接收机主程序……………………………………………………………………………..23 3.4.2其他相关流程图………………………………………………………………………….24 第四章导航定位解算…。

北京邮电人学硕:I:研究生学位论义

4.1伪距测距………………………………………………………o…………………………….29 4.1.1伪距测距原理…………………………………………………………………………….29 4.1.2伪距计算实现………………………………………………………………………………3l 4.2卫星位置与速度计算………………………………………………………………………….32 4.2.1卫星位置计算…………………………………………………………………………….32 4.2.2卫星速度计算…………………………………………………………………………….35 4.3用户位置计算…………………………………………………………………………………35 4.3.1最小二:乘迭代法…………………………………………………………………………36 4.3.2卡尔曼滤波法……………………………………………………………………………38 4.4用户速度计算………………………………………………………………………………….42 第五章提高定位精度 5.1定位误差源…………………………………………………………………………………….44 5.1.1卫星钟差…………………………………………………………………………………44 5.1.2接收机钟差……………………………………………………………………………….45

5.1.3卫星轨道误差…………………………………………………………………………=...…45
5.1.4地球自转修正…………………………………………………………………………….45 5.1.5相对论效应……………………………………………………………………………….46 5.1.6信号传播路径误差………………………………………………………………………..46
5.2

RAIM算法……………………………………………….:……………………………………………………………..49 RAIM可用性判断……………-………………………………………………………..50 RAIM相关计算…………………………………………………………………………。50

5.2.1 5.2.2

第六章仿真结果分析与移植测试 6.1最小二乘仿真结果…………………………………………………………………………….53 6.2卡尔曼滤波仿真结果……………………………………………………………………………55
6.3

DSP’F台调试结果…………………………………………………………………………….57

6.3.1伪距计算结果…………………………………………………………………………….57 6.3.2卫星位置结果…………………………………………………………………………….58 6.3.3定位结果…………………………………………………………………………………60 第七章结论与展望
62

7.1论文总结……………………………………………………………………………………….62 7.2后期工作与展望…………………………………………………………………………………62 参考文献 致谢 攻读学位期间发表的学术论文
……………66

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第一章绪论呻

1.1课题背景

GNSS(G10bal

Navigation Satellite

System)全名是全球导航卫星系统,它包括

利用美国的GPS、俄罗斯的GLONASS、欧洲的GALILEO和中国的北斗系统全 球卫星导航系统中的一个或多个系统进行导航定位,并同时提供卫星的完备性检
验信息(Integrity Checking)和足够的导航安全性告警信息。全球导航卫星系统是

20世纪60年代中期发展起来的一种新型导航系统,到90年代,进入全运行和 盛行时期,应用已扩展至经济和军事的各个领域[11。 1)民用领域


全球导航卫星系统已应用于陆地、海洋和空中交通运输的导航,推动世界交 通运输业发生了深刻变革,它在工业、精细农业、资源调查、测绘、地理信息产 业等领域已得到广泛应用,它还用于宇宙飞船,空间站和低轨道卫星等航天飞行 器的导航和定位,推动了航天事业的飞速发展。 2)军用价值 全球导航卫星系统可为各种军事运载体导航,使武器的命中率大为提高,己 成为武装力量的倍增器。它作为一个功能强大的军事传感器,已经成为电子战、 信息战及导航战的重要利器。可以说,谁拥有了先进的卫星导航系统,谁就掌控 了未来战争的主动权。 目前采用单独的GPS和GLONASS系统还不能满足现代社会发展的需要,伴 随着欧洲的GALILEO系统和中国北斗系统卫星的发射,GLONASS卫星系统的不 断改进和完善以及美国GPS卫星的现代化进程,GNSS卫星导航系统将在新世纪 里迈上新的一个台阶。

1.2卫星导航系统简介
导航装置各种各样,一般分为陆基和星基两类。陆基无线电导航装置的精度 与其工作频率成正比。高精度的系统一般在相对短的波长上发射,用户必须保持 在(LOS)之内。而在较低的频率(较长的波长)上广播信号的系统则不受视线方向 的限制,但精度较低。早期发展的星基系统有美国的海军卫星系统和俄罗斯的 Tsikada系统,它们提供二维的高精度定位服务。然而,获得定位值的频度随纬 度而变化,每一次定位需要大约lO、15分钟。这样的特性适合于速度很低的船用 导航,但不适合于飞机和高动态用户。这些缺点导致了GNSS的发展。

北京OIIl JU人学烦I Olgt.生学位论文

1.2.1

GPS

美国全球导航定位卫星系统(GPS)起步于1973年,1978年首次发射导航 卫星,历时16年、耗资130亿美元,于1994年建成星座系统,并正式投入使用。 该系统是以卫星为基础的无线电导航系统,具有全球,全天候,连续,实时 的导航,定位和授时等功能,能为各种静止或高速运动的用户迅速提供精密的瞬 间三维空问坐标,速度矢量和精确授时等多种服务。 近10年来,该系统经过多次完善后,卫星的寿命由7.5年增加到10年,抗 核辐射和抗激光干扰能力都有所提高,定位精度达到15米以内,授时精度为100 纳秒。如果经过多次定位,其精度可在1米以内。其定位精度比传统方法提高 10倍以上,可为陆地上的部队、装甲车和火炮提供精确的位置,为舰艇和飞机 导航,还可为太空中的航天器和导弹提供精确的位置。美国的GPS已发展到第 三代,共发射了41颗卫星。目前,在轨工作的卫星有28颗[21。 GPS是美国军方为取得军事优势而发展的,因此实际上是一种军事系统,只 在保障美国安全利益的前提下才提供民用,它把用户分为三类:第一类是美国及 其盟国军方,要尽量保证其最大限度地利用精码(P码);另一类是敌对军方使 用,要尽量不让其使用,现在看来主要的措施是在战场上实施干扰;第三类用户 是民用用户。由于不能在GPS信号中区别对待民用和敌对军方使用p1,因此民 用用户也受到了一定的限制。
1.2.2 GLONASS


俄罗斯是传统的航天大国,于1995年完成了由24颗中高度圆轨道卫星加上 1颗备份卫星组成的导航定位卫星星座系统---GLONASS,总耗资30多亿美元。 GLONASS卫星选择了高度为19130公里的轨道,卫星位于3个倾角为64.8度的 轨道平面内,运行周期为11小时15分。尽管俄罗斯由于经济困难无力迅速发射 补网卫星,但俄罗斯并没有放弃建立独立的GLONASS系统的努力。未来20年 俄罗斯将发射76颗GLONASS卫星141,重建导航定位卫星系统,以展示俄罗斯 作为航天和军事大国的雄风。
1.2.3伽利略

伽利略系统,是欧盟一个正在建造中的卫星定位系统,有“欧洲版GPS”之 称,也是继美国现有的“全球定位系统"(GPS)及俄罗斯的GLONASS系统外, 第三个可供民用的定位系统,预计会于2010年开始运作。目的是为了打破导航 定位卫星市场被美国一家独揽的态势,获得巨大的市场利益。这就是著名的“伽 利略导航卫星系统计划”,该计划将分两步实施,第一步是建立一个与美国GPS、 俄罗斯的GLONASS系统相容的第一代全球导航卫星系统GNSS.1。第二步是建 立一个完全独立的第二代全球导航卫星系统GNSS.2。2002年3月26日,欧盟


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15国交通部长会议一致决定,J下式启动“伽利略导航卫星计划”,这标志着欧洲 将拥有自己的卫星导航定位系统,结束美国GPS系统独占鳌头的局面。“伽利略 系统”由30颗卫星组成,运行于中高度圆轨道,公布的卫星高度为24000公里, 卫星位于3个倾角为55度的轨道平面内,工作寿命在20年以上。 “伽利略”系统可以发送实时的高精度定位信息,这是现有的卫星导航系统 所没有的,同时“伽利略”系统能够保证在许多特殊情况下提供服务,如果失败 也能在几秒钟内通知客户。与美国的GPS相比,“伽利略”系统更先进,也更可 靠。美国GPS向别国提供的卫星信号,只能发现地面大约10米长的物体,而“伽 利略”的卫星则能发现1米长的目标。
1.2.4北斗

“北斗一号"卫星导航定位系统采用双星定位的技术路线,比GPS等投资 小、见效快,这是由我国国情决定的。美国的GPS和俄罗斯的GLONASS系统, 都是使用24颗卫星,耗资巨大,运行费用高。“北斗一号”卫星导航定位系统双 星导航定位系统只是一种区域性的导航定位系统f5】。它在定位性能上有所创新, 采用的是有源定位技术,不同于美国和俄罗斯所采用的无源定位技术,定位精度 达数十米。所谓有源定位,是指用户需要通过地面中心站联系导航定位卫星来获 得自己的三位空间位置。“北斗一号”卫星导航定位系统一个突出特点是它强大 的通讯功能,这样用户就不必另外再携带一套通讯设备了。如登山者不仅仅需要 了解自己所处的时间和位置,同时与大本营联系也很重要,通过“北斗一号”卫 星导航定位系统和地面中心站的传输就可以实现双向通讯交流,而不必通过其他 的通讯卫星。 北斗二号,是中国开发的独立的全球卫星定位系统,不是北斗一号的简单延 伸,更类似于,GPS全球定位系统和伽利略。正在建设的北斗二号卫星导航系统 空间站将由5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星组成,提供开放服务和授 权服务。开放服务是在服务区免费提供定位、测速和授时服务,定位精度为lO 米,授时精度为50纳秒,测速精度为O.2米/秒。授权服务是向授权用户提供更 安全的定位、测速、授时和通信服务以及系统完好性信息。

1.3论文结构安排

本文的主要工作是,在介绍GNSS系统构成和GNSS导航定位原理的基础上, 对导航定位的两种常用算法进行分析和编写代码进行仿真。这两种算法其一是利 用最小二乘迭代算法来定位,第二种是利用卡尔曼滤波算法来定位。同时在定位 的基础之上实现接收机自主监测算法,也就是常说的RAIM算法,这个算法的作 用就是检测出故障卫星的存在并且在~定条件下剔除故障卫星,从而提高定位的

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度。



论文分为七章,安排如下: 第一章为绪论,介绍了课题研究的背景,GNSS导航定位系统的历史以及目 的情况。 第二章介绍了GNSS系统的的组成、定位原理、卫星信号、常用的坐标系统 及坐标转换。其中对GPS、GLONASS系统信号和组成进行了比较简单的介绍。 后续工作奠定了基础。 第三章为本课题接收机的整体结构的设计与实现,介绍了接收机的各个模块 及软件和硬件的实现。其中对软件结构的各个流程进行了比较深入的设计,画 了相关的流程图。为后续的实现奠定了很好的基础。 第四章是GNSS接收机定位解算算法的介绍,重点介绍的是伪距计算,卫星 置速度计算,用户的位置速度计算等。其中定位使用了最小二乘迭代法和卡尔 滤波算法,介绍了相关原理以及实现。 第五章对影响定位的各个要素进行了简单的介绍及其纠正方法。其中重点介 了对流层和电离层这两个修正模型,并对其进行了仿真分析。紧跟着对接收机 主安全监测算法进行了介绍,此算法在一定条件下可以监测故障卫星。 第六章对本课题所确定的方案设计进行了性能评估和仿真,给出了大量的仿 结果,以及移植到相关的硬件平台下,从结果来看证实了本方案设计的可行性。 第七章是对论文的总结和展望。



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第二章GNSS定位原理与卫星信号

GNSS接收机的主要功能是接收卫星发送的无线电信号,直至定位出当前用 户的位置为止。本章将先介绍GNSS的组成,接着介绍定位原理,详细的介绍了 到达时间测距原理,然后讨论卫星信号的特性,包括频率分配、调制方式、伪随 机噪声(PRN)码等,最后介绍常用坐标系统以及它们之问的转换方式。
2.1

GNSS组成

GNSS定位系统包括三大部分:空间部分——GNSS卫星星座;地面控制部

分——地面监控系统;用户设备部分——GNSS信号接收机。下面以GPS与
GLONASS为例来进行介绍。
2.1.1 GPS 2.1.1.1

GPS卫星星座

早期的GPS卫星星座由24颗卫星组成,其中包括3颗备用卫星。工作卫星 分布在6个等问隔的轨道面内,每个轨道面分布4颗。卫星轨道倾角为55。,各 轨道平面升交点的赤经相差60。,在相邻轨道上,卫星的升交距角相差30。。轨道 为近圆形,最大偏心率是0.0l,半长轴为26560km,轨道平均高度为20200km, 卫星运行周期为11小时58分钟。GPS卫星的主要功能为:


1)接收和存储由地面监控站发来的导航信息,接收并执行监控站的控制命 令; 2)卫星上设有微处理机,进行必要的数据处理; 3)通过星载高精度原子钟产生基准信号,提供精确的时间标准; 4)向用户连续不断地发送导航定位信号; 5)接收地面主控站通过注入站发送给卫星调度命令。
2.1.1.2 GPS地面监测系统

对于导航定位来说,GPS卫星是一动态已知点。卫星的位置是依据卫星发射 的星历即描述卫星运动及其轨道参数算得的。每颗GPS卫星所播发的星历,是 由地面监控系统提供的。卫星上的各种设备是否正常工作,以及卫星是否一直沿 着预定轨道运行,都要由地面设备进行监测和控制。地面监控系统的另一重要作 用是保持各颗卫星处于同一时间标准—GPS时间系统。这就需要地面站监测各颗 卫星的时间,求出钟差。然后由地面注入站发给卫星,卫星再由导航电文发给用 户设备。GPS工作卫星的地面监控系统包括一个主控站、三个注入站和五个监测

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站。综合一下,地面监测系统的主要功能就是: 1)跟踪观测GPS卫星,计算编制卫星星历; 2)检测和控制卫星的健康状况; 3)保持精确的GPS时间系统; 4)向卫星注入导航电文和控制指令。
2.1.1.3

GPS接收机

GPS信号接收机的任务是:能够捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测 卫星的信号,并跟踪这些卫星的运行,对所接收到的GPS信号进行变换、放大 和处理,以便测量出GPS信号从卫星到接收机天线的传播时间,解译出GPS卫 星所发送的导航电文,实时地计算出接收机的三维位置,位置,甚至三维速度和 时间信息。GPS卫星发送的导航定位信号,是一种可供无数用户共享的信息资 源。对于陆地、海洋和空间的广大用户,只要用户拥有能够捕获、跟踪、变换和 测量GPS信号的接收设备,即GPS信号接收机。可以在任何时候用GPS信号进 行导航定位解算。根据使用目的的不同,用户要求的GPS信号接收机也各有差 异。目前,各种类型的GPS接收机体积越来越小,重量越来越轻,便于野外观 测和使用。GPS和GLONASS兼容的全球导航定位系统接收机已经问世【6】。
2.1.2 GLONASS
2.1.2.1


GLONASS卫星星座

GLONASS系统的空间星座部分,由23+1颗卫星组成,其中23颗为工作卫 星,l颗为备用卫星。卫星分布在3个等间隔的椭圆轨道面内,每个轨道面上分 布有8颗卫星,同一轨道面上的卫星问隔45。。卫星轨道面相对地球赤道面的倾 角为64.8。,轨道偏心率为O.001,每个轨道平面的升交点赤经相差120。。卫星平 均高度为19100km,运行周期为11小时15分,地迹重复周期为8天,轨道同步 周期为17圈。由于GLONASS卫星的轨道倾角大于GPS卫星的轨道倾角,所以 在高纬度(50。以上)地区的可见性较好。在星座完整的情况下,在全球任何地方、 任意时刻最小可以观测5颗GLONASS卫星。
表2-1{;LONASS与GPS星座比较
空间部分 卫星数 轨道数 轨道面倾角 55。 64.8。
19,100km llhl5min GPS 2l+3 6 GLONASS

23+1


轨道高度
运行周期 地迹重复周期

20,000km
l lh58min

1个恒星日

8个恒星日



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GLONASS系统与GPS系统有许多相似之处,如从系统组成上看都可分为 空间部分、地面控制部分、用户设备部分。从卫星数目上说,都是24颗卫星, 都采用被动式测距定位等,但是两者之间也有许多不同,具体见表2.1。
2.1.2.2

GLONASS地面监测站
Control

地基控制部分GCS(Ground

Segment)包括位于莫斯科Geolisyno.2的
Tracking

系统控制中心和分布在全俄罗斯境内的指令跟踪站CTS(Command

Station)组成网络。CTS站为St.Petersurg,Temppol,Eniseisk,Komsomolskna-Amure

等4个。每个CTS站内都有高精度时钟和激光测距装置,它的主要功能是跟踪 观测GLONASS卫星,进行测距数据采集和监测。系统控制中心主要功能是收集 和处理CTS采集的数据.最后由CTS将GLONASS卫星状态、轨道参数和其它导 航信息上传至卫星。
2.1.2.3

GLCINASS接收机

GLONASS接收机主要功能是接收、处理卫星信号,为用户提供坐标、速度 和时间等数据。GLONASS接收机接收卫星发出的信号并测量其伪距和速度,同 时从卫星信号中选出并处理导航电文。接收机的计算机对所有输入的数据进行处 理后,推算出位置坐标、速度矢量的三个分量和时间。
2.2

GNSS的定位原理

全球定位系统是利用到达时间(ToA)测距原理来确定用户的位置f7】。这种原 理需要测量信号从位置已知的发射源发出至到达用户接收机所经历的时间。将这 个称为信号传播时间的时I’丑J段乘以信号的速度,便得到从发射源到接收机的距 离。接收机通过测量从多个位置已知的发射源所广播的信号的传播时间,便能确 定自己的位置。 2.2.1二维位置确定 在海上的船只由雾号角来确定其船位的位置,它正好描述了TOA定位的概 念。假定船只装备有精确的时钟,并且船员知道船只的大概位置,雾号角准确地 在分钟标记时发声,并且船只的时钟与雾号角的时钟是精确同步的。船员记下从 分钟标记到听到雾号角的声音之间所经历的时间。这个传播时间乘以音速便是从 雾号角到船员的距离。将这个距离记为R1。这样,船员便知道船只处于以雾号 角为圆心,半径R1的圆上的某个地方,如图2.1中子图a所示,此雾号角记为 l号雾号角。



图2-2 GNSS定位的基本原理

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,.-2.3

GNSS卫星信号
GPS卫星信号



2.3.1

传统的GPS卫星导航信号在主频率L1和次频率L2两个载波上发射导航信 号。这些载波频率由扩频码和导航数据电文进行DSSS调制。每一颗卫星有其独 特的PRN序列和一个共同的导航数据电文。所有卫星以CDMA的形式在相同的 载波频率上发射信号。GPS接收机为了采用CDMA技术跟踪其视界内的数颗卫 星中的一颗,其内部必须在复现载频信号(包括多普勒效应)的同时,也复现所希
望跟踪的那颗卫星的PRN序列。

L1频率由C/A码和P码两个PRN码外加导航电文数据调制。L2频率由在 任何时刻只用一种PRN码调制,有一种P码模式是没有数据调制的[Sl。在地面 上的观测者看到的标准基准频率毛是10.23MHz。对于地面上的GPS接收机来说, C/A码的码片速率为1.023x106码片/秒(fo/10=-1.023MHz),而P码的码片速率为 10.23x106码片/秒(fo=lO.23MHz)。C/A码采用BPSK.R(1)调制而P码采用 BPSK-R(10)调制。由于控制区段通常将卫星配置为反欺骗(AS)T作模式,所以P 码只能为PPS用户所用而不能为SPS用户所用。当AS启动后P码便被加密以 构成所谓的Y码。Y码与P码具有相同的码片速率,因此,常将精密(加密的) 码简记为P(Y)码。 表2.2对GPS的信号结构进行了详细的总结。
表2—2
信号优先级 主 GPS信号结构 次

幸控制段一般在L2上选用的是P(V)码。 ?}在L2 P(Y)码上一般调制有50 Hz导航数据电文,但控制区段可以关掉这一调制。L2上一 共有三种可能:带数据的P(Y)码,不带数据的P(Y)码,以及带数据的C/A码。
2.3.2

GLONASS卫星信号

GLONASS卫星与GPS卫星一样,发播厶、厶两种载波信号。并且在载波 上采用调相技术(BPSK)调制用于测距的伪随机码和用于定位计算的导航电文。 厶载波上调制的信号有(模2加):伪随机测距码(C/A,P码)、导航电文、辅 助随机序列;厶载波上调制的信号有(模2加):伪随机测距码((P码)、辅助随 机序列。GLONASS.M卫星还计划在厶载波上也调制C/A码,以提高民用导航 精度。 GLONASS采用的伪随机测距码是一种最长移位寄存器序YlJ(M一序列1。与 GLONASS定位服务相对应,分别为用于标准精度通道服务CSA的标准精度测


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距伪随机码(C/A码)和用于高精度通道服务CHA的高精度测距伪随机码((P码)。 P码用一种特殊的码进行加密,只能用于俄罗斯特许用户。 C/A码由511个码元组成,码频率为0.511MHz,周期lms。P码由5.11×106 个码元组成,码频率5.11MHz,周期1s。与GPS不同,由于采用了频分多址方 式识别卫星,所以所有卫星的伪随机码完全相同。 GLONASS导航电文包括瞬时和非瞬时数据。瞬时数据是与发播该导航电文 的卫星有关的数据(卫星星历),非瞬时数据是与所有GLONASS卫星有关的数据 (卫星历书)。导航电文的传输速率位50bps,并以Module一2的形式加载到C/A码
和P码上。

GLONASS卫星识别采用频分多址FDMA方式,按照系统的初始设计,每 颗卫星发播Lt、厶载波信号的频率是互不相同的。每个GLONASS卫星的厶、 厶载波频率设计如下191:

厶-2五t+K?Af, 厶2 2厶+K?AL

(2.1) (2.2)

其中五t=1602MHz,颤=562.5KHz,f02=1246MHz,,馘=437.5KHz。K
为GLONASS频率号(频率通道号)。厶、厶载波设计频率见表2—3。
表2.3 GLONASS卫星的载波设计频率 通道号 Ll频率
(MHz)
13 12 ll 10 09 08 07 06 1609.3125

三2频率 (MHz)
1251.6875
1251.25

通道号

Ll频率 (MHz)

£2频率
(MHz)
l 246.875 1 246.4375 1246.0

02 01 00 -01

1603.125 l 602.5625

1608.75
1608.1875 1 607.625 l 607.0625 1606.5 l 605.9375 l 605.375 1604.8 125 1604.25 l 603.6875

1250.8125
1 250.375 l 249.9375 1249.5 1 249.0625 l 248.625

1602.0
1601.4375 1 600.8750 1600.3125 l 599.7500 1599.1875 l 598.6250 l 598.0625

1245.5625 1245.1250
l 244.6875 l 244.2500

.02 .03
—04

.05 .06 m7

1243.8125
l 243.3750 1 242.9375

05
04

1248.1875
1247.75 1247.3125

03

2.4坐标系统

为建立卫星导航的数学公式,必须选定参考坐标系,以便于表示卫星和接收 机的状态。在建立公式时,比较经典的是用笛卡尔坐标系中测度的位置与速度矢
lO

北京邮也人学倾lj研究生学位论文

量去描述卫星和接收机的状态。两种常用的笛卡尔坐标系是惯性系和旋转系。下 面将介绍常用的坐标系以及相应的坐标的转换关系。 2.4.1地心惯性坐标系 为了测量和确定GPS卫星的轨道,利用地心惯性(ECI)坐标系是方便的,其 原点位于地球的质心,坐标轴指向相对于恒星而言是固定的。在ECI坐标系中, GPS卫星运动服从牛顿运动定律和引力定律。在典型的ECI坐标系中,将xy平 面取为与地球的赤道面重合,X轴相对于天球来说永远指向特定的方向,而Z轴 取与xy平面垂直而指向北极的方向,Y轴的取向选为形成右手坐标系。GPS卫 星轨道的确定与推演在ECI坐标系中进行。
2.4.2地心地固坐标系

为了计算GPS接收机位置,使用称为地心地固(ECEF)的随地球而旋转的坐 标系更为方便。在这一坐标系中,更容易计算出接收机显示出来的纬度、经度和 高度参数。和ECI坐标系一样,GPS所用的ECEF坐标系其xy平面与地球赤道 面重合。然而在ECEF坐标系中,X轴指向0。经度方向,而Y轴指向东经90。 方向。因此,x、Y和Z轴随着地球一起旋转,在惯性空间中不再描述固定的方 向。在这种ECEF坐标系中,将z轴选择为与赤道平面垂直而指向地理北极(亦 即经线在北半球的汇集处),这样便形成了右手坐标系。GPS轨道计算软件包含 ECI和ECEF坐标系的变换。这种变换通过将旋转矩阵用于ECI坐标系中卫星位 置和速度矢量上来完成。 2.4.3世界大地系 在GPS中所使用的标准地球物理模型时美国国防部的世界大地坐标系
1984(WGS 84)。WGS 84的一部分是地球重力不规则性的详细模型【l们。这种信息

对于导出精确的卫星星历信息是必要的。我们关心的是对GPS接收机的纬度、 经度和高度进行估计。为这一目的,WGS 84提供了地球形状的椭球模型,在这 种模型中地球平行于赤道面的横截面为圆,而地球的赤道横截面半径为 6378.137km,这是地球的平均赤道半径。在WGS 84地球模型中,垂直于赤道面 的地球横截面是椭圆。在包含Z轴的椭圆横截面中,长轴与地球赤道的直径相重 合。因此半长轴a的值与上面给出的平均赤道半径相同。椭圆横截面的短轴与地 球的极直径相对应,在WGS 84中半短轴b取为6356.7523142km。因此地球椭 球的偏心率e可由下式确定:

P:丹
WGS 84中取e2=0.006
694 379 990 14。
ll

(2—3)

有时也用另一参数来描述参考椭球的特征,即第二偏心率e’,其定义为:

大地坐标到笛卡尔坐标的转换 下面给出ECEF系中从大地坐标系反变换为笛卡尔坐标的公式。在已知大地 参数入,由和h的条件下,可以如下闭合形式计算u=(吒,咒,乙)眦1:

12

一产::竺兰呈兰垒+Jilcos旯cos缈 √l+(1一e2)tan2缈
—;=======;==.r“o
U=

a,¨,Uo W

下—塑丝—一+Jlzsin名cos妒 √l+(1一P2)tan2缈
_7a(—1-乏e:—)siin—rp+办sin缈

√l_P2 sin2妒

(2-6)

13

中进行处理了。“数字接收机通道”指的是接收机的处理功能。这种处理功能通 常实现诸如坏路鉴别器和滤波器、数据解调、SNR测量、锁相指示器等,许多 基本却又复杂的基带功能。接收机处理功能一般是一个微处理器。这个微处理器 不仅完成基带功能,而且也完成了与控制每个数字接收机通道的信号预处理功能 有关系的决策功能。通常用一个高速微处理器来支持接收机处理、导航处理和用
户界面功能。

14

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图3一l数字接收机方框图



3.2接收机各个模块介绍
3.2.1捕获 GPS接收机的捕获模块是整个数字接收机的第一个信号处理功能模块,只有

在捕获成功的情况下,才会开始后续的跟踪、伪距计算和PⅥ’解算等操作。捕
获模块和跟踪模块关系密切,它们都是为了实现PRN码的同步,并复现卫星所 发送的导航数据。为了实现上面的功能,捕获需要进行时间和频率的二维搜索。 一般传统的捕获算法分为时域串行捕获算法和频域捕获算法。时域串行捕获 算法一般用于传统的GPS数字接收机,常见的时域串行捕获算法有:l、串行顺 序搜索捕获算法;2、唐搜索检测器;3、N中取M的搜索检测器。在最新的GPS 数字接收机中,一般会使用频域捕获算法,因为频域捕获算法能快速的完成GPS 信号的捕获。常见的频域捕获算法有:FFT频域捕获算法。 本方案采用的是基于时频二维搜索算法。该算法利用“多段匹配滤波器 +FFT’’的架构来实现并行搜索从而提高捕获速度。其中主要有数字匹配滤波器、 码多普勒补偿和差分相干累加这三大模块。所提出的捕获方案不但能够获得较高 的灵敏度,同时还能适应一定条件下的高动态捕获,包括P码直捕。GPS系统P 码直捕在性能,精度和时间上都有苛刻的要求。同时,为节省硬件资源,采用“折 叠滤波器”的架构实现多段匹配滤波器,并把捕获算法高度并行化来实现硬件电 路的流水线结构。 DMF是一种抽头间隔即码片周期为T,抽头系数为扩频序列(取值为±1)的 特殊的FIR滤波器.其直接型结构由延迟线和相关运算单元构成。延迟线由L

出端,这称为“载波辅助"的码环。因为信号上的多普勒效应与信号的波长成反 比,所以需要有一个比例因子。由此,对于卫星与GPS接收机之间同样的相对 速度,在扩频码的码片速率上的多普勒比起在L波段载波上的多普勒来说要小的 多。即使载波已下变频到Ⅲ,且NCO载波偏差设在IF上,多普勒效应仍以L 波段载波为基准。用以补偿这种频率差异的比例因子为:

比例因子=鱼
五 (3.1) 载波环的输出应一直对码环提供多普勒辅助,因为载波环颤动比码环颤动的 噪声要小几个量级,因而准确得多。载波环辅助实际上去掉了码环的所有视线方 向上的动态,因此码环滤波器的阶数可以做得较低,更新的速率可以做得较慢,
16



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而码环带宽比起未受辅助的情况可以做得更窄,因而降低了码环测量中的噪声。 3.2.3比特同步 在这个算法里面包括比特同步算法和比特提取两个流程。当跟踪环路能够稳 定的跟踪信号以后,I路就开始输出数据比特。跟踪的FPGA模块会送出相关值, 由于GPS的比特数据流速率是50bps,所以I路每20ms就可以得到一个比特。 结合I路和O路输出就可以得到一个相位输出。由于跟踪是积分时间选取的是 lms,也就是lms就能得到一个相位输出也就是相关值。于是实际中就可以得到 在连续的20ms内有连续的20个“相同”相位的输出,在代码中就是表示为20 个同符号的数据的输出,因此当前输出的数据和前一个的输出的相位也就是相关 值发生跳变时就意味着数据比特发生了变化。接收机每20ms记录一个数据比特, 同时接收机软件负责将连续比特存进本地缓存,提供给后续的帧同步环节。 根据原理本文设计的算法是找10个跳变,每个跳变都发生在第21个相关值 的位置,这样就确定找到了比特同步的边界了,就认为比特同步上了,这个算法 就直接停下来,而只进行比特提取的环节,也就是把20个相关值变成一个比特, 然后把比特数据存储好。当然这个10可以设置的更大或者更少,这要根据具体 的场景来看待。 3.2.4帧同步
. 一

对GPS信号来说,每个子帧的帧头都是固定的8个比特“1000101l’’,所以

帧同步就是找到这个帧头,然后再进行后续的处理。本文采取简单又在实际测试 中非常有效的帧头比对的方法。即将存储在计算机字中的30个比特中的高8比 特与帧头同步比特比对,8个比特相等便认为检测到一个帧头。如果前后3次相 差300个比特的时候又出现一个帧头并且相应的页面和子帧编号满足前后子帧 的编号条件,认为帧同步成功。同步成功后就只需要验证了,验证时这样设计的, 每隔300个比特就自动去对照当前的8个比特是否和帧头一致。在字处理中会去 对照是否满足相应的页面和子帧编号满足前后子帧的编号条件,并且前后子帧的 周内秒参数J下好差一个子帧的时间(6s)。如果上述条件不满足error—count就加1, 计数器超过某个预定值就需要重新启动帧同步了。

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3.2.5导航电文提取
比特l
30 60 300

予帧I

了帧2

际~际■…——1磊■——_
f——r…~一厂一 }TLM
How

L.——一——、.....j...........................、』.....,...........—.............—一——…—.———,一…—.~.—..…一。.一.————….——一————j
] 单历参数

子帧3

L——…——一』-——一一———.一|L~…——..——

嚣~25




TLM卜w

i靴5q2篓徽鬻篇UT、C嚣虬卫f
星眦俄标志、电离层带I
数据
300 kt特(6s。50bps)

翟妥

l!!i!!∑I竺!兰!竺!竺竺兰竺竺!竺竺竺竺:兰竺兰竺!型!!竺竺兰l

L———————一

图3-2导航电文格式

C/A码和P(Ⅵ码信号上均调制有50bps的数据【15J。这些数据为用户计算每 一颗可见星的精确位置和每一个导航信号的传输时问提供必要的信息。数据中也 包括可能会用到的重要辅助信息集合,比如辅助设备捕获新卫星、从GPS系统 时转换到UTC,以及改J下影响测距的一系列误差。 GPS导航电文在5个300比特的子帧中发送。每一子帧本身由10个30比特 的字组成。导航电文中每一个字的最后6个比特用于奇偶校验,以便为用户设备 提供解调时检测比特错误的能力,使用了一种(32,26)汉明码。5个子帧从子帧 1开始顺序发送。子帧4和5均包含25页,故而在5个子帧的首次循环播放中 广播子帧4和5的第1页。在5个子帧的下一次循环中,子帧4和5的第2页被 广播,依次类推。详细见图3.2。 每一子帧的前两个字(第1~60比特)包含遥测(TLM)数据和一个交接字 (HOW)。TLM字是每一子帧的10个字中的第一个,包括一个固定的报头(前同 步码'),即一个从不改变的固定8比特图案10001011。这一图案用来辅助用户设 备找到每一子帧的起始位置。HOW取名的原因是其提供以6s为模的GPS周内 时(TOW),对应下一子帧起始的边沿,从而允许用户从C/A码跟踪“交接"到 PCO码跟踪。HOW还提供两个标志位,其中一个指示防欺骗模式是否开启,另 一个用来作为告警指示。如果告警指示被置位了,表示信号精度可能很差,用户 的处理应自担风险。最后,HOW提供了子帧号(1~5)。 子帧l提供GPS传送的星期数、卫星钟改正数项:细,an,af2和星钟基准

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时刻toc。这些数据项对于精密测距而言是极其重要的,因为它们考虑了卫星广 播信号时间和GPS系统时之间的不完全同步。L2码指示域表明L2上是P(Y)码 还是C/A码有效。最后,L2 P数据标志指出L2 P(Y)码上是否调制有导航数据。 子帧2和3主要包含密切丌普勒轨道根数,使得用户设备能够精确确定卫星 的位置。子帧4的第2.5和7~10页及子帧5的第l~24页包含第l一32颗卫星的 历书数据(粗略的轨道根数,使得用户设备能够确定其他卫星的近似位置以辅助
捕获)。

当帧同步同步上了之后,根据固定的格式去把相应的参数提取出来存放在接 收机的缓存理,用来提供给后续的解算。 3.2.6定位解算 这部分主要包括伪距计算,卫星位置计算,用户位置计算,这些具体在下一 章描述。

3.3硬件架构
确定了接收机的捕获、跟踪、PVT解算等关键的算法后,就可以着手进行 各部分的仿真,性能评估,初步估计所需消耗的硬件资源,开始设计接收机的硬 件框架。本节将对其硬件实现作简单的介绍。

。,. 圭
图3-3

GPS接收机硬件结构图

如图3.3示,接收机在硬件结构上大致分为三部分:射频模块、信号处理模 块、控制及应用模块。射频模块采用石家庄新元电子技术丌发有限公司的单收射 频模块和YHJGFl268B型低噪声放大器构成。信号处理模块的AD部分主芯片 为Analog Divices公司的双通道AD芯片AD9288,而FPGA部分则用了Xilinx 的Vertex-4系列中两款高性能芯片XC4VSX55和XC4VSX35,主要完成捕获以
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及跟踪环路的相关部分功能。控制及应用模块则采用了Analog Divices公司的高 速浮点DSP芯片ADSP.TS201S,负责完成PVT解算、跟踪环路的码/载波相位 调整以及整个系统的协调控制。 射频接收模块要负责将接收到的高频弱信号转换成高质量的可供基带部分 处理的中频信号。它的输入输出均为模拟信号,是基带数字处理部分的基础,所 以它的性能好坏直接影响着高动态GNSS接收机的性能。射频接收模块由两大部 分组成:低噪声放大器和单频点射频模块 信号处理模块就以FPGA(现场可编程逻辑阵列)为核心进行设计。众所周 之,FPGA是一个含有可编程逻辑的芯片,其内在处理是并行的,这就使得处理 速度得到大大提升(一般的FPGA工作时钟能高达500MHz),且FPGA可编程 的特性也降低了开发的风险,使系统的升级更为便利。 本系统选取Xilinx的Vertex.4系列中两款高性能FPGA芯片XC4VSX55和 XC4VSX35构成了信号处理模块,其结构如图3.4所示:

/!一——一——,.—........_j 数据、地址总线
—]

I二型\


Q--…-r--vI\I


图3-4信号处理模块结构图

如图3.4,使用了两片FPGA,两个芯片间连接了80根信号线,用于两者交 互数据和控制信息,同时,它们都并联地接在了DSP的总线上,这样可以各自 与后面的DSP进行数据交互。 XC4VSX55有55296个逻辑单元和24576个slice(相当于6144个可配置逻 辑模块CLB),且还有384Kb的分布式RAM和5760Kb的模块RAMt-61。如此 大量的资源主要用于捕获算法的实现。捕获算法需要做32路的并行处理,且为

北京||i15 IU人学硕I:tot究生学位论义

了达到时间上的高效,算法设计的时域、频域的并行处理结构会消耗大量的资源, 所以也只有XC4VSX55这样资源丰富的芯片能够胜任。 对于XC4VSX35,它的资源相对较少,但也足以用于实现跟踪算法中的相 关器部分。因为跟踪算法中的锁相环部分涉及到很多复杂的数学运算(如求反三 角函数等),不太适合用FPGA这样的高速硬件结构来完成,所以把跟踪的另一 部分放在后端的DSP去实现。这样,XC4VSX35的负担就轻松许多,剩余的资 源用来实现一些低速芯片的驱动。 控制及应用模块本方案是选取DSP来进行控制的。主要是因为跟踪的数字 锁相环和码相位、载波相位调整等需要复杂的数学运算,PVT解算部分也需要 用迭代的方法解方程,而实现些复杂的数学运算非DSP莫属。 本接收机中,DSP选取了Analog Device公司的TS201,它采用超级哈佛结 构,静态超标量操作适合多处理器模式运算,可直接构成分布式并行系统和共享 存储式系统,最高工作主频可达600 MHz,支持IEEE32位、40位浮点数据格式 和8位、16位、32位和64位定点数据格式。如此强大的处理功能,保证了能及 时、高效地处理前端FPGA送来的大量数据。 值得注意的是,TS201的浮点运算能力和它优秀的外部接1:3设计。目前虽然

DSP的主流发展方向大多是定点运算,但在接收机的PⅥ解算中,因为定位精
度的高要求,需要涉及大量的浮点运算,所以TS201每秒36亿次浮点运算(FLOP) 能力十分适合此任。再者,TS201有丰富的外部接口,外部总线是32位地址和 64位数据线,最高总线时钟为100MHz,所以能及时高速的将捕获结果、相关值 等数据送进DSP进行运算;此外还有14通道的DMA控制器,它能在不中断主 处理器的情况下将外部数据搬移到内部RAM中,因此适用于接收一些慢速的数 据,如INS的串1:3数据等。最值得一提的是,TS201中专门为SDRAM的控制提 供了接El,用来完成SDRAM的刷新、读写准备等,使得DSP可利用的内存资 源能够得到进一步的拓展1171。 因此,控制及应用模块和它所能直接调度的其他模块如图3.5所示:

2l

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制 及 应 用

模 块

图3-5 DSP与其控制的芯片结构图

从图可以看到,以DSP为核心,周围连接着FPGA、SDRAM、串口芯片、 等器件。DSP是通过其外部总线和一些控制线来协调各部分工作的,这种 结构使得整个系统的结构简洁、可靠,也便于DSP的编程处理。

软件架构
数字接收机中的中断处理、定位解算、用户接口等是在DSP微处理器中完 。接收机中断0中负责载波和码跟踪基带信号处理,与数字接收机通道的载 码剥离功能,以及预检测积分功能结合起来就形成了一个GPS接收机通道 波和码跟踪环路。定位解算模块负责比特同步、帧同步、导航电文解析、卫 置与速度求解、伪距计算以及PVT。用户接口模块完成GNSS接收机与用 和测试系统的串口通信。

图3-6主程序流程图

GNSS接收机任务相对比较简单,没有使用操作系统,需要实时处理的任务 放在中断相应中执行,没有实时性要求的中断处理程序放在主程序中轮询执行。 主程序流程图如图3-6所示。中断响应函数与中断处理程序的关系为:中断响应 函数只负责从接口接收数据存放在环形缓冲区中,而相应的中断处理程序在主函 数中从环形缓冲区取出数据进行非实时的处理。其中中断0例外,它的构造是比 较特殊的。例如跟踪环程序全部放在中断0中执行。下一节将分别介绍相关的流 程及功能。

图3—7捕获程序流程图

中断0响应函数实现的功能比较复杂,主要有一下几点:一是载波和码跟踪, 二是进行比特同步并将比特值、码相位值、多普勒写入环形缓冲区供PVT使用, 三是作为本地时钟源,因为中断1是以固定周期r0.625ms)产生的。四是查询给外 围接口的数据缓冲区将数据发送出去。除了最后一点不需要进行实时处理外,其 余三点必须在固定的中断周期中完成,否则会影响跟踪环路,特别是需要处理的
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通道数量比较多的情况。因此对代码效率要求比较高。具体流程图也不画出来了。 “中断1处理”模块具体流程如图3.8所示。中断1响应函数负责P码模拟 模块和辅助调试缓冲区数据处理。中断0处理程序负责从缓冲区读数据进行相应 处理。功能分两个:一个是接收P码模拟模块的反馈信息和格式化的导航电文, 另一个是打印出相关调试信息,协助调试。

图3-8中断1数据处理程序流程图

“中断2处理”模块具体流程如图3-9所示,实现加密电文的解析、用户机接 口和RTC时钟读取三个功能。与中断2相应函数配合工作,这里不再详述。

图3-9中断2数据处理程序流程图

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“中断3处理”模块具体流程如图3.10所示,它的主要作用就是处理捕获 指令的反馈信息,功能比较简单。

图3—10中断3数据处理程序流程图 图3—11描述了整个PVT的解算流程,定位至少需要4颗卫星。首先判断卫 星数目,如果大于4的话,就去做帧同步,得到导航电文之后就可以计算卫星的 位置和对应的伪距值。利用这些参数就可以计算用户的位置和速度。

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图3-1l整个PVT解算程序流程图

图3-6描述了TS201芯片上主程序的软件架构。紧跟着图3.7至图3.1l对接 收机的关键模块进行比较详细的介绍。从测试情况来看,GNSS接收机软件的架 构已经能够比较稳定的运行。其中出现的问题也在慢慢修改。

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第四章导航定位解算

有了前几章基础之后,本章正式进入了核心部分PvT解算部分,将详细介 绍伪距观测量的提取,卫星位置速度、用户位置速度的计算方法,其中用户的计 算包括两个常用的算法:最小二乘迭代算法和卡尔曼滤波算法,对这两个算法实 现并进行实现。各个系统的算法区别不大,下面主要以GPS为例子来进行详细
介绍。

4.1伪罡巨;;910昱巨
4.1.1伪足巨钡0足巨原理 卫星的发射信号使用了直接序列扩频(DSSS)调制。DSSS提供了发送测距 信号和基本导航数据(如卫星星历及卫星健康状况等)的信号结构。测距星号是 一些PRN码,通过二进制相移键控(BPSK)调制在卫星的载频上。每颗卫星广 播两种类型的测距码:一种是“短”的粗/捕(C/A)码,另一种是“长’’的精密
(P)码。

_;『_=_巧

图4-I用户位置矢量表示

在图4.1中,希望确定矢量历,它代表用户接收机相对于ECEF坐标系原点 的位置。用户的位置坐标(吒,咒,元)认为是未知的。矢量F表示拥护到卫星的矢 量偏移。矢量;代表卫星相对于坐标原点的位置。矢量i由卫星广播的星历数据

■—一一△r——■——————’
: fl ,2



图4-2利用复现码确定卫星的发送时间

然而卫星和接收机的时钟一般是不同步的。接收机时钟一般与系统时之间有 一个偏移误差。由相关过程确定的距离被记为伪距P。将这一观测量称为“伪距" 是因为它是通过将信号传播速度乘以两个非同步时钟(卫星和接收机时钟)之间 的时间差而确定的距离。这一观测量包含:(1)从卫星到用户的几何距离;(2) 有系统时和用户时钟之间的差异而造成的偏移;(3)系统时和卫星时钟之间的偏 移。定时关系如图4.3所示,其中: P=c【(互+气)一(霉+万f)】=c(毛一e)+c(气一所)=,+c(乞一万f)
(4.3)

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Z表示信号离开卫星时的系统时;瓦表示信号到达用户接收机式的系统时; 函表示卫星时钟与系统时之间的偏移;乙表示接收机时钟与系统时之间的偏 移;Z+8t表示在信号离开卫星时卫星的时钟读数;乇+乞表示信号到达用户接 收机时的用户接收机时钟的读数;c表示光速。几何距离,.=c(毛一Z)=cat (几何距离的时间等效量)





互+St



瓦+tu

(伪距的时间等效量)
图4-3 距离测量的定时关系

4.1.2伪距计算实现

PRN测距【Isl是根据接收端与发送端的扩频码相位差推算出两端之间的距 离。对于C码,周期为lms,对应距离为30万米,远远小于卫星到用户的距离; 对于P码,尽管P码周期长达一周,码片级的计数器数值非常大,对于常见的字 长为4字节的整数不便于实现。因此一般不直接根据码相位推算出伪距。 到卫星SVi(i是PRN的号码)的伪距的定义如下:
Pi(n)2 c[TR(n)。TTi(n)】
(4.4)

式4.4中,TR(n)表示与接收机时钟第n历元相应的接收时间;TTi(n)表示基 于SVi时钟的发射时间。 接收时间TR(n)的处理和计算比较简单,公式为

TR(n)^tart+N蛔×kod

(4.5)

式4-5中,Ts雠表示接收机的初始时间,可以从本地RTC读取,或者根据导航电

文中的SOW进行估计。N岫表示接收机获得初始时间后本地时钟计数器,‰硼
表示本地时钟的周期。为了提高接收时间TR(n)的精度和资源复用,本地时钟源 可由硬件FPGA芯片触发。

表4.1小结了在GPS星历电文中包含的参数,这些参数引自GPS空间段与 用户段的接口规范IS.GPS.200。由表可见,GPS星历电文的前7个参数是历元 时刻和在历元时刻的开普勒密切轨道根数,例外的只是半长轴以其平方根来发 布,并用平近点角取代了过近地点时刻。后面9个参数则用来根据在历元之后的 时刻校正开普勒根数。

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表4-1 GPS星历数据的定义 乙 星历的参考时刻




半长轴的平方根

偏心率 倾角(在乞时) 升交点经度(在每星期历元上) 近地点幅角(在乙时)

lO




Mo
di}dt

平近点角(在‰时) 倾角的变化率 升交点经度的变化率 对平均角速度的校正值 对纬度幅角余弦的校J下值 对纬度幅角正弦的校正值 对轨道半径余弦的校正值 对轨道半径正弦的校J下值 对倾角余弦的校正值


An

缸 知
印 妇


对倾角正弦的校J下值

表4.2给出了GPS接收机根据表4.1中的轨道根数计算在ECEF坐标系中卫
t 号信 GPS 星位嚣矢量(苁,y。,Z)的公式。在表4.2算式(3)中代表 s统系的时射发

时。在表4.2的记法中,在算式(3)及以下的算式中,下标k指此变量是在tk时刻 测量的,tk是从历元到信号发射的GPS系统时所经历的时间(以秒计)。在对表4—2 进行计算时有几个地方需要补充。l、算式(5)是丌普勒轨道方程对于所需要的参 数Ek的超越方程,因此必须用数值方法求解。现成的是用迭代法或牛顿法来求 解。2、算式(6)必须产生在正确象限内的真近点角。因此,必须同时用正弦和余 弦或者用“灵巧的”反正弦函数。而且,在算式(14)的计算中,也必须知道地球 的自转速度。按照IS.GPS.200,这一自转速度缈=7.2921151467x10一rad/s,它与 用于导航的WGS 84中的值相同,尽管在定义椭球时WGS 84中的值可能有细微 的差别。IS.GPS.200定义的用于GPS用户设备的Ⅱ值精确到3.1415926535898。

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一表4-2卫星ECEF位置矢量的计算【12】 (1) (2)

a2【们J

,厂二、2

半长轴 经校正的平均角速度,la=398
10s m3/s2 600.5×

刀=悟幽
厶=t—t。

(3) (4) (5) (6)

从星历历元算起的时间 平近点角 偏近点角(必须使用迭代法解出Ek)

MI=Mo+n(t女) Mk=Ek—esinEk

豳,,一,/1-e2 sin巨
lkEsoce一

slnu—- ecos!

真近点角
cos占。一e

cos一一1一e。8s乓
(7) (8) (9) (10) (11) (12) (13) (14) 05) (16) (17) (18) (19)

唬=u+国

纬度值 纬度校正值 半径校正值 倾角校正值



暾=%sin(2矽k)+c.c cos(2#,)
氓=%sin(2rk)+c。cos(2rk)
6it=cb





sin(2/*)+qc cos(2/*、

Ut=织+暾
气=a(1一ecoS乓)+万气 ‘=io+(di/dt)tk+万‘

经校正的纬度值 经校正的半径 经校正的倾角 经校J下的升交点经度 在轨道面中X的位置 在轨道面中Y的位置
ECEF

g=g+(Q—Q)(气)一Q0


p2 rk

COSUtr






rk sinuk

‘=%COSq—Yp cos/*coSq

X坐标 Y坐标 z坐标

只=‘sing+y|口cos/,COSq
乙2Yp sinIk

ECEF

ECEF

北京邮lb人学硕Ij研究生学位论文

根据表4-2对卫星位置(‘,儿,z,)分别对时间求导, 即可得到卫星速度 (毫,见,之):

小目
『-cosg“nQ cosit
cosq

(4-7)

sin‘]
(4-8)

肛一nq螂曼?乩-咖sin屯i‘j
的某时刻的卫星位置及速度数据。
表4-3某时刻卫星位置和速度计算仿真结果
PRN 1 2 3 4 5 6 7 10

对于卫星导航系统,接口控制文档都会给出计算卫星位置的方法,而不给出 卫星速度的计算公式,只需对卫星位置求导即可得到。表4.3给出了仿真过程中

x(m)
.32437365.649 4099 l 35.420 .1 6377647.574 .39694272.754 21689293.245 -l 802746.882 .16499058.204 .1 0683227.527

y(m)
269375 14.023 41 963734。597 38853 l 04.462 14218903.165 36157l 96.649 39091518.426 33946710.523 12714679.585

z(m)
8142.289
.102381.486 .72504.384 12622.656 .13 123.895 l 5698325.242 l 8794664.452 20520386.870

velocity(m/s)
.O.016 .0.052 .0.074 0.005 .0.226 998.342 253.762 .1366.583

4.3用户位置计算
为了确定用户的三维位置(气,儿,z。)和偏移量t。,对4颗卫星进行伪距测量, 产生方程组【12】:


Pj

11 Sj’ull+ctu

(4.9)

式中,j的范围是1-4,指不同的卫星。方程(4-9)可展开成以屯,几,z“和 气等未知参数表示的联立方程:

一=厄j了丽j了而+c乞 岛=瓜j了丽j了砑+吒

(4?10)
(4—11)

北京邮I【1人学硕’I:妒f究生学位论文

,03=√(‘一吒)2+(儿一儿)2+(z3一乞)2+吼 ,04=√(‘一毛)2+(儿一儿)2+(z4一气)2+c乞
这里■,乃,zj是指第j颗星的三维位置。

(4.1Z)

(4.13)

这些非线性方程可用下列3种方法求解未知数:(1)闭合形式解;(2)基于线 化的迭代技术;(3)卡尔曼滤波。下面对后两种算法尽享介绍以及实现与仿真。 3.1最小二乘迭代法 最4,-乘迭代利用了线性化方法1201,假设用户知道接收机的概略位置,就 以将真位置(毛,咒,z。)与近似位置(曼,多,三)之问的偏移用位移来标记。将式(4一lo)

式(4.13)按泰勒级数在近似位置处展开,便可以将位置偏移(血,缈,位)表示为
知坐标和伪距测量值的线性函数,这个过程描述如下所示。 将单一伪距表示为:

岛=√(x,一吒)2+@,一咒)2+(z,一乙)2+c气=厂(吒,Y。,乙,乞)

(4.14)

利用近似位置(曼,Y,三)和时间偏差估计i:。,可以计算出一个近似伪距:

房=√(_一毛)2+(乃一允)2+(乃一乞)2+c乇=厂(毫,允,乞,;:,)
分组成,即:

(4.15)

如前所述,认为未知的用户位置和接收机时钟偏差由近似分量和增量分量两

一x。=戋u+缸u Yu=》H+△y。

x=乞+包
气=艺+△气
因此有:
(4.16)

ftxH,yH,ZH,t。)=f@u+厶x。,》。+厶yu,2H+厶zu,{u+厶tt)

【4.1 7)

后一个函数可以围绕近似点和相关联的接收机时钟偏差的预测值

(元,允,乞,乇)用泰勒级数展丌成:

厂(毛+瓴,允+蚬,乞+缸,乇+△乙)=/(毛,克,乞,乇)

+鲤嘻越瓴+鲣尝丝觇
UxH

+竿瓴+竿"…
UyH

c‰

d气

(4-18) 【斗一l萏,

为了消除非线性项,上述展开式中省去了一阶偏导数以后的项。各偏导数经 计算为:

v塑墨!立!!当!塑:一兰量



笪血幺!当!型:一巫
劳。 回u

瓯 mH

0 rj


rj

望魄!幺!当:塑:一互量

掣一
氆u

;j



(4-19) (4。9)

其中0=√(_一吒)2+(y,一Y。)2+(z,一z。)2
将式(4.15)和式(4.19)代入式(4-18),得到:

嘞一孚瓴一半蚬一孚蚶一
差源。

件2。,

这样,完成了式(4.14)相对于未知数△气,△咒,厶乞,△乙的线性化。重要的 是记住忽略了诸如地球自转补偿、测量噪声、传播延迟和相对论效应等次要的误

将上述表达式重新安排,使已知量在左边,未知量在右边,可得到:

A一乃=孚瓴+}产觎+孚瓴-c戗


(4捌)

为方便起见,引进下述新变量以简化上述公式:

&p=扫j—pi

%:半




yf—yH

%2■■


%2彳
zi—zH


r,

(4—22) 【4一

式(4.22)中的%,%和%各项表示由近似用户位置指向第j号卫星的单位矢 量的方向余弦。对于第J号卫星,单位矢量的定义为a,=(%,%,吩)。 于是方程(4.21)可简单的记为

△磅=%瓴+ay/~y.+a.jAz。一cat.

(4—23)

现在有4个未知量瓴,觎,瓴和△乞,可以用对4颗星进行距离测量而
将它们解出来。这些未知量可以通过解下述联立线性方程求出:

37

北京邮I【1人学硕.Ij研究生学位论文

^.

APl



axIAx,+ayl饥+呸I瓴一cat.

△岛2 q2△吒+ay2△:耽+哎2Az,一c△乞

AP3=q3瓴+ay3蚬+口:3瓴一czXt。
△p4=nx4敏。+aVI△yH+n:4&H—c△tH
这些方程可以利用下列定义写成矩阵形式:

,02 axl ayi


(4—24)


tl,l

Ap=

H=

ax2 ax3

ay2 ay3



Ax=
1I

两u
AZu —。cat,,

岛 成 最后得到:



nx^a

P4

以.以。以.以一 4

1l

(4—25)

Ap2 HAx


(4.26)


它的解是
Ax=H~Ap

(4.27)

一旦算出了未知量,便可以用式(4—16)算出用户的坐标吒,Y。,Z。和接收机时

偏差乞。只要位移(瓴,哦,Az。)是在线性化点的附近,这种线性化方法便是
行的。可以接受的位移取决于用户的精度要求。如果位移的确超过了可接受的 ,便重新迭代上述过程,即以算出的点坐标吒,儿和Z。作为新的估计值,以代 p。在实际中,用户到卫星的真测量值受到诸如测量噪声、卫星轨道与所报告 星历间的偏差以及多径等非公共(即独立)误差的不良影响。这些误差转换为矢 Ax各分量的误差,即
£,=H叫£。。

(4.28)

这里£,。是由伪距测量误差组成的矢量,£,是表示用户位置和接收机时钟偏 差的矢量。可以通过对多于4颗卫星进行测量,以使8,误差减小。此时,对类似 于式(4.24)的超定联立方程进行求解。一般}兑来,每一个冗余测量值均包含有独 立的误差所产生的影响。冗余测量值可以用最d,-乘估计技术加以处理,以获得 对未知量改善的估计。 4.3.2卡尔曼滤波法 1960年,卡尔曼发表了他著名的用递归方法解决离散数据线性滤波问题的 论文。从那以后,得益于数字计算技术的进步,卡尔曼滤波器已成为推广研究和 应用的主题,尤其是在自主或协助导航领域。 4.3.2.1卡尔曼滤波原理 卡尔曼滤波是一种线性最小方差估计,它采用状态方程和量测方程来描述随
38

北京邮I【1人学硕}:研究生学位论义

机线性系统,按照估计状态误差的方差最小的准则,从被量测噪声污染了的量测 值中实时地估计出系统每一时刻的各个状态。它包括时间更新(外推)和量测更 新(估计)两个更新过程。在计算方法上采用递推形式,即在前一时刻估计的基 础上,递推得到当前的状态预测值,再依据当前的量测值对其进行加权修正。在 计算机上实现卡尔曼滤波时,需要对连续系统离散化,这里讨论离散型卡尔曼滤
波的基本方程。

设离散化后的系统状态方程和量测方程分别为121]:

l X^=西klk-1XH+L—1%一l

【Zt=HIXk+圪
式中:

(4.29)

.k表示k时刻(nxl)维系统状态矢量;x¨则是后一1时刻的系统状态矢量; 咖舭一。为k-1时刻系统的转移矩阵;哌一。是尼一l时亥lJ(nxl)维系统噪声矢量; ‘一。是系统噪声驱动矩阵;乙表示k时刻的(朋×1)维量测矢量;
日。为k时刻的(研X n)维量测矩阵:圪是k时刻(优×1)维量测噪声矢量。

同时,比一,和圪是互不相关的零均值白噪声序列,满足:


日睨一.】_0

cDⅥ%..,%】=研%一。彬】=g一。反¨),l
cDⅥ圪,巧】=E[K哆]=R岛 CDv【%一-,匕]-研%一-叼】=0

E【圪】=0


} J

(4.30)

其中Q为系统噪声序列的方差阵,假设为是非负定阵;R为量测噪声方差 序列的方差阵,假设为正定阵;盈,是Kroneker函数:


10

k≠J
(4-31)

%。ll扣J

根据上面的滤波方程的数学描述及相关的统计特性,按照一组卡尔曼滤波方

程,就可以利用测量值zt和前一时刻求出的估计值t—l,求得k时刻的最优估
计值X。。 卡尔曼滤波方程如下所示,状态一步预测方程:

五肛l=①枞一l以一l
协方差误差预测方程:

(4.32)

足/七-l=巾七/七-lE—l①7七/七-l+r七一lQ七一lr:一l
滤波增益方程:

(4.33)

疋=最肛。风1q最肛。风7’+亿】~
状态估计计算方程:
39

(4.34)

卡尔曼滤波算法要求:(1)模型要尽可能地体现实际模型的状态变化过程;(2) 模型初始条件必须要有一个比较接近理论真值的预测值。对于(1)来说,不同的 场景如静态场景,一般动态场景,加速动态场景,加加速动态场景,随即动态场 景等,其模型肯定是不同的,因此需要根据场景来选择模型参数以体现模型的正 确性,因此本算法通过实际静态和动态场景离线数据的调试获取了静态和动态模 型参数,同时还扩展定义了其它场景,在滤波器进行初始化时,依据场景来动态 选择模型参数,使得该算法能够保证适应不同的状态过程;对于(2)来说,考虑 到最tJ、-"乘法的快速收敛性,才模型初始化时,采用一次最小二乘法运算(迭代 次数拟定200)来获取初值是有效的方法,不仅从精度上还是算法快速性上考虑 都是满足要求的。其次分析稳定性,卡尔曼滤波器采用增益系数来权衡预测值和 观测值的取舍,当出现严重的观测误差或者观测信号丢失时,也不会在短时间内

北京邮电人学顾fj研究生学位论文

立即对预测结果造成很大的影Ⅱl钆这对于GPS信号受到干扰时是很有意义的, 因此卡尔曼滤波算法其本身能够保证PVT解算的可靠性要求。 通过上述分析,将卡尔曼滤波算法总体设计思路总结于下:(1)采用最小二 乘法获取模型初值以保证初值的可用性,防止迭代发散;(2)采用多模型动态选 择策略来适应不同的场景以保证模型的正确性,防止迭代发散;(3)采用卡尔曼

滤波基础方程末保证PⅥ解算值的可靠性并逐步排除噪声干扰;(4)选择被测量
(位置、速度、钟差和时钟漂移率)误差作为系统状念变量以减少数值计算过程 中的舍入误差,从而进一步提高算法的精度。图4.5为卡尔曼滤波的流程图。

r \

开始




、)

l初始化状态量x、系统协方差P、过程噪声Q矩阵


设置状态转移矩阵Phi卜一


状态量一步转移计算


卫星位置和速度地球自转修正


伪距对流层、电离层修正


下 个
循 环

计算观测矩阵H,设置R矩阵


预测P-pre矩阵I


计算增益矩阵K


更新Q、P矩阵


l计算状态量x I


(输出)
图4-5卡尔曼滤波实现流程图

41

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4.4用户速度计算

GPS提供确定用户三维速度的能力,用户速度记为血。现在常用的方法就是 对载波相位测量值进行处理以精确估计所接收卫星信号的多普勒频率,从而对速 度进行测量。多普勒频移是因卫星相对于用户的相对运动而产生的。卫星的速度 矢量v用星历信息和存在接收机中的轨道模型计算出来。在接收机天线上,所接 收到的频率fR可以用传统的多普勒方程近似表示如下[121:

厶:石f 1-(V fi).a.1





(4—37)

式中,fr是卫星发射信号的频率;Vr是卫星与用户的相对速度矢量;a是沿 从用户指向卫星的直线方向的单位矢量;c为传播速度; 户的速度,两者均以公共的ECEF坐标系为参照。 v为卫星速度;讧为用

这种方法中用户位置己确定,而且其离开线性化点的偏移值(峨瓴,Az。)
是在用户所要求的范围内的。除了计算能用户的三维速度d=(克,见,乞)之外,还

确定接收机的时钟漂移乇。对于第J号卫星来说有:

驴.厶㈣(vj-u)oa/])
厶2 fo+%

件38,

式中厶是卫星实际的发射频率。卫星频率的产生与定时是以高精度原子为
晶振,与系统时有一定偏移。为校正这种偏移,由地面监测站周期性地产生校正 值。这些校正值可以在导航电文中得到,提供给接收机获得卫星的实际发射频率。
(4.39)

式中五是卫星标称发射频率,而%是由导航电文更新所确定的校正值。
对于第J号卫星来说,对所接收信号频率的估计值记为,。这些测量值是有

误差的,而且与厶,值差一个频偏偏移。可以把这个偏移与用户时钟相对于GPS 系统时的漂移乇相关联起来。乞的单位是秒数/秒,它是用户时钟相对于GPS系

统时运行快或慢的速率。时钟漂移误差,乃和厶有下列关系式: 厶2乃(1+乞)(4-40)
如果用户时钟走快了,则毛为正号。将式(4—38)、式(4-38)代入式(4—37),得:

萼掣.k V/,ay=li-ay一孕
.,巧 .,巧

【4-41)

将点积用矢量展开,得到:

42

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掣心咿咿一^咄¨蜘∥^一警
这里,

舢0

VJ=(%,%,鸟),a,=(%,%,吗),d,=(屯,见,三。)。式(4—42)左边的

所有变量要么已计算出,要么已从测量值导出。a,的各分量已在解出用户位置 时得到。v,的分量由星历数据和卫星轨道模型求得。厶可由当前频点和由导航 更新电文所导出的频率校正值获得。而.f可以用接收机的距离增量测量值来表 示。为简化方程(4.42),引入一个新的变量di,其定义为

dj:掣+v眵n。+v矿n。+v,d。
JTi

式(4—42)揪fj

(4—43)

I厶项在数值上非常接近于I,典型情况下只差百万分之

几。将其取为I,则所带来的误差很小。经过这些简化后,式(4.43)n-I改写为
dj 2文H口时+y。n时+Zuaj—ci。

(4—44)

这样4个未知数(袁,丸,乞,毛),它们可以对4颗卫星的测量来解出。 用矩阵
算法解联立方程组以计算未知量。这些矩阵用矢量表示为: 盔
d= d2 H=
axl ax2 ayl ay2 aya ayI

口:I
a:2

1 1 1 1 g=




y。


以 以

q3
an

口:3
a:4

Z“


—c气

(4—45)

这里的H与用以求用户位置的公式中的矩阵H完全一样。用矩阵记为:
d=Hg

(4.46)

则速度和时间漂移率的解为:
g=I-I叫d

(4-47)

在速度公式中所用的频率估计是由相位测量得来的,这种相位测量受到测量 噪声和多径等误差的影响。此外,对用户速度的计算取决于用户位置的精度和对 卫星位置及卫星速度的正确掌握。如果对多于4颗卫星进行测量,可以使用最小 二乘估计技术来改善未知量的估计值。 对仿真来说,速度精度已达要求,但是在基带板上调试时,由于跟踪得出来 的多普勒值有抖动,和理论值有一定差距,导致速度精度不能达标,最后采用了 非线性跟踪微分器来辅助载波相位测速,精度在各个场景下都能达到O.1m/s以
下了。

43

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第五章提高定位精度

用户接收机定位以及与GNSS系统时间同步的精度,取决于很多的因素。总 的说来,定位的精度性能主要取决于伪距和载波相位的观测量值以及星历导航数 据的质量。还有一些有关的误差是由控制段、空间段和用户段所引起的Ⅲ,。 本章将会讨论几种测量误差对GNSS接收机定位精度的影响,包括卫星钟 差、接收机钟差、卫星轨道误差、地球自转、大气层效应和相对论效应等,并对 其进行纠正。 还有一种情况是卫星出现故障,导致用户接收的信号是有问题的,因此接收 机还需要有RAIM的功能,也就是接收机自主完好性检测功能检测故障卫星。 下面详细的介绍误差的来源与消除和自主完好性检测这两部分。

5.1定位误差源

卫星和接收机的时钟偏移将直接转变为伪距和载波相位误差。卫星信号的 PRN码分量穿过大气层时会产生延迟,使得其伪距大于它在真空中传输时的伪 距。信号的载波分量经由对流层产生延迟,但实际上在经由电离层时由于“电离 层发散”现象而产生超前。而且,反射(多径)及用户天线相位中心与接收机的码 相关点之间的硬件影响都可能使信号分量延迟(或超前)。所有这些对每个接收信 号的PRN分量的影响所造成的总的时间偏差为:
8tD2万t。nIl+6t。。i。e&jnt+St呻+万th。

(5.1)

式中,艿t咖表示大气层引起的延迟; 6t。;姓h表示接收机噪声和干扰引起的误差; 6t。。表示多径偏差; 万t。。表示接收机硬件偏差。
5.1.1卫星钟差

卫星使用原子钟控制星上所有的定时工作,包括产生广播信号。虽然这些时 钟非常稳定,但是导航电文中的时钟校正参数被限定为卫星时和系统时之间的偏 差最大可能达到lms(1ms的偏移可转换成300kin的伪距误差)。主控站(MCS)确 定时钟校正参数,并发给卫星,以便用导航电文转播出来。这些校正参数由接收 机用二阶多项式来实现: 6t。m=am+fit门(t—t∞)+a12(t—t∞)2+At,
f5-2)

北京邮IU人学硕I:研究生学位论文

式中,a内表示时钟偏移(s);

a九表示时钟漂移(s/s);

af2表示频率漂移(s/s2); At,表示由相对论效应

t。表示时钟数据基准时间(s);t表示当前时间历元(s);

引起的校正值(s)。 5.1.2接收机钟差 接收机钟差是指由于GPS接收机内的时标晶体振荡器的频率漂移,而引起 的接收机钟时间与GPS标准时之间的差值。GPS接收机一般采用高精度的石英 钟,其稳定度约为10.9。在定位计算时,必须考虑这项改正。在进行数据处理中, 接收机钟差的影响表现为两个方面:l、对计算卫星坐标的误差影响;2、对计算 卫星与测站之间距离的误差影响:3、最新研究表明接收机钟差对整周模糊度的正 确求解也有影响。 在定位中,接收机钟差可作为白噪声处理,或采用随机游走过程等方法进行 模拟。当用白噪声处理接收机钟差时,每个历元设一个钟差未知数,并且认为各 历元之问的接收机钟差是相互独立的。实践表明,采用白噪声处理接收机钟差简 单有效,更能逼真描述接收机钟的变化。定位中,可以先利用伪距单点定位解算 出来的钟差概略值消除此影响。利用伪距确定的钟差代入消除接收机钟差对几何 距离的影响,无法满足定位精度。不过,同--N站同一历元所有卫星观测值的这 项误差大小均相同,这样,就可以把接收机钟差当作一个未知参数,在数据处理 过程中一并解算。
5.1.3卫星轨道误差

所有卫星星历的最佳估计值都是计算出来的,并上行加载给卫星,以便和其 他的导航数据电文参数一起重新广播给用户。与卫星时钟校正时的情况一样,这 些校正值是在上传时刻通过对控制段关于每颗卫星位置的最佳估计值进行曲线 拟合的。这种卫星位置残差幅度的典型值在1~6m的范围内。由星历预测误差所 产生的有效伪距和载波相位误差可以通过将卫星位置误差矢量投影到卫星至用 户的视线方向(LOS)矢量上算得。星历误差通常在径向(从卫星到地球中心)最小。 星历误差在切向(卫星运行时的瞬时方向)和横向(与切向和径向均垂直)的分量要 大得多。由于这两个分量在指向地球的视线方向上的投影不大,因而控制段很难 通过地球表面的检测站对其进行观测。不过幸好因为同样的原因,用户不会由于 大的星历误差分量存在而产生很大的测量误差。由于星历预测误差而带来的有效 伪距或载波相位误差在O.8m(1仃)左右。 5.1.4地球自转修正 由于地固系是非惯性坐标系,随地球的自转而旋转变化。因此,卫星信号发 射时刻和接收机信号接收时刻所对应的地固系是不同的。从而在地固系中计算卫 星到接收机的几何距离,以及计算信号发射时刻的卫星坐标时,必须考虑此影响。
45

北京邮电人学顾+l:研究生学位论文

假设测站坐标为(屯,咒,乙),卫星坐标为(t,儿,乙),
真空中光速,则地球自转引起的距离改正为:

国为地球自转角速度,C为

卸=岂儿(气一气)一t(儿一咒)]
考虑地球自转影响,卫星坐标的计算公式为:

(5-3)

[茎]=【.I—CsO::1S口口罨三习/[/y耋,]

。54,

(t,以,之)为改J下后的卫星坐标,口=缈f为地球在信号传播时问内转过的角

北京lllljIll人学硕l:研究生学位论义

方向运动,产生一个附加的辐射波,并叠加到入射波上,从而使入射波的相位传 播速度(相速度)加快相折射,而波内能量传播速度(群速度)减慢一群折射,这就 是电离层对电磁波的折射作用。这些自由电子会影响电磁波的传播,其中包括 GPS卫星信号的广播1241。 Dl中电离层延迟改『F预报模型包括8个参数。用户利用8参数和Klobuchar 模型计算电离层垂直延迟改正,’,(f),具体如下: tI4/A<10 4 05- Z(f)={ I 004 l t 5x10。9, l t-504000|>4/4 【 式中,,’7(f)是电离层垂直天顶延迟,单位为秒。
A2为白天余弦曲线的幅度,用%系数计算得到:

m—15×10。9+A_2

cosl了2z(t-5040 )I,I

(5-6)

以:j%+呸九+%九2+口?九3当4≥o
2【0
当4<o


(5.7)

A4为余弦曲线的周期,用尾系数求得:

4:{善脯“凯>72000
【72000
当4<72000
f5-8)

D2码中,电离层延迟改正模型参数信息(A1,B,%,孱,以,n=O’3)共包 括14个参数。用户利用14个参数和改进后的Klobuchar模型计算电离层垂直延 迟改正J’,(f),具体如下:
,.m

』’z(f)={

t一4 I j 5×10q+4 cosl.2n'(TA3).』,A/4>l 【- j‘




n4



(5+4一B九)x10-9,

4/4_-qf一4 f

(5-9)

式中ItZ(f)是电离层垂直天顶延迟,单位为秒,相应频率为B3,对于计算不 同频率的Iz,需要乘一个与频率有关的因子k(f);t为接收机至卫星联线与电离 层交点(M=375公里)处的地方式,单位为秒;九是电离层穿刺点的大地纬度, 单位为半周(1 80度)。 Al和B为夜『白J电离层延迟的常数和线性变化项; A2为白天电离层延迟余弦曲线的幅度,用口。系数计算得到:

4:{萎%九“当4>o
【0
当4≤0
(5.10)

A3是余弦函数的初始相位,对应于曲线极点的地方时,用以系数求得:

47

北京邮I【1人学硕.1j研究生学位论文



504000+∑以九“
n=0

当43200<4<55800 当4≤43200 当4≥55800
(5-11)

,43=

43200 55800

其中~为余弦曲线的周期, 用成系数求得
172800


当以≥172800 5172800>4>172800

4=

∑属九“
n=0

72000

当A4<72000

(5.12)

2对流层效应 流层延迟一般泛指中性大气层对电磁波的折射。对于直到高达15GHz的 说它是非色散的。中性大气层包括对流层平流层,大约是从地面向上50km 由于折射的80%发生在对流层,所以常叫做对流层折射。对流层折射对载 和测距码的影响是一样的,均使电磁波传播路径比几何距离长,在天顶方 为2-3m,在50高度角方向大约25m,其延迟随温度、大气压、湿度以及 的空问和物理位置而变化。

去除对流层延迟,采用霍普菲尔德(Hopfield)模型[2Sl,公式为:

跏∞+峨=上sin(E2+6.25)I/2+南
%=40136+148.72(T,一273.16)
hw=11000

(5-13)

Kd=77.6"昙木三(%一噍)宰l。一=155?2木1。。7昙(吃一红)

(5.,4)

(5—15) (5—16)

(5-17)

上面相关的符号意义如下:P。为测站的气压;T。为测站的绝对温度;h。为对 流层外缘的高度;h。为测站的高程;e。为测站的水气压;E为卫星的高度角; 为对流层折射改正项。 5.1.6.3仿真结果 图5.1显示了在静态有大气误差场景下,电离层与对流层延迟误差是否纠正


北京邮电人学硕十研究生学位论文

对定位结果的影响。青色的星形线表示没有纠正大气层延迟误差,定位误差 12.1m左右。蓝色的倒三角线表示只纠正了电离层误差,定位误差缩小到9.0m。 绿色的X形线表示只纠正了对流层误差,定位误差由12.1m缩小到3.1m。红色 的圆形线表示完全纠正了大气层误差后,定位误差降到0.02m以内,已经比较理 想。在实际应用中,大气层误差对定位误差的影响比较大,必须采取算法消除。


—◇一对流层电离层均纠正

一.砷=—=-=^

一只进行对流层纠正
一不纠正

—铲一只进行电离层纠正


8 E

划 憨 墨 倒









2 0 2 4 6 8 10 12 14

定位次数

图5-1大气层误差纠正与定位误差

5.2

RAIM算法

随着GNSS卫星导航系统的广泛应用,实际导航中对接收机的导航定位精度 也提出了越来越高的要求。而卫星是有可能出故障的,如果利用错误的卫星信号 来进行结算将导致定位精度变得很差,因此接收机应该有判断出是否存在故障卫 星的功能。目前对此较为有效的方法就是利用RAIM算法来保证,也就是接收机 自主完好性监测。RAIM(Receiver Autonomous
Integrity

Monitoring)技术是设在

用户接收机中的一种算法,它利用导航卫星的冗余信息,对多个导航解进行一致 性检验,及时发现故障并通知用户,以便用户消除故障源的影响,保证用户导航 的正常进行。 RAIM睢61的理论基础是粗差的探测和分离理论,它需要解决两个问题:卫星是 否存在故障和故障存在于哪颗卫星。当可视卫星数大于4颗时,可以进行故障检
钡U(FD:Fault Detection).当可视卫星数大于5颗时,可以进行故障识另JJ(FI:Fault

Identification),从而剔除故障卫星,保障定位精度。 目前看来,GPS接收机的自丰完善性监测丰要有三种方法:l、距离比较法
(range
comparison

method);2、校验法(parity method);3、最d,-乘残差法(1east

矢量,服从零均值高斯分布,方差为仃2。 5.2.2.1伪距残差计算 用户的状态的最tb--乘解是:
X’=(H 7’日)’1H7Y (5—20)

残差矩阵W可表示为:

50

北京邮I乜人学颂一Ij研究生学位论文

W=Y—HX’=is—H(H7’H)叫H 7’]】,

i,

=IS—H(H,H)一H,】(删+s)
=【卜H(H7Ⅳ)一Hrp
:Sg

(5—21)

其中S=I—H(H,Ⅳ)叫Hr,称为映射矩阵。 5.2.2.2统计检测量计算
伪距残差各分量的平方和是

‰=W 7W=F。Se

(5—22)

当系统无故障时,归一化变量‰/仃2服从自由度为(,2—4)的z2分布,即 z2(刀一4)。当存在故障时,‰/o"2服从非中心化分布,为z2(n-4,兄)。因此根 据‰/盯2的这种分布特性即可进行故障检测。实际中去统计检测量
丁=4FssE/(n一4)
(5.23)

将丁与检测门限乙比较,若T<巧,则系统有故障,反之则有故障卫星的存 在。假设第i颗卫星存在故障,设其偏差为b/,其非中心化参数五为:

名=砰S/o"2=(彳+以)舅/(仃2(名+以)/&)
5.2.2.3检测门限计算

(5.24)

根据统计理论,假设卫星测量值服从零均值的高斯白噪声分布,则在卫星无

故障时,给定虚警概率值%,就可以得到检测门限乃: 乙=仃2Q叫(%I(Ⅳ一4))
(5.25)

上式中,仃表示测量的等效误差,Q叫(尸Ir)是Q(pI,.)的逆函数,Q(pI,.)定 义为 Q(z2 I,.)=1一e(z2 I,.)
这里P(Z2 I,.)是自由度为厂的Z2分布,概率密度为
(5.26)

-,’cx,==[2r/2

V(r/2)]一1】,72—1P一。72::三三

。5.27,

由此来看,检测门限和伪距测量误差、卫星数目以及虚警概率有关。
5.2.2.4

RAIM结果及仿真分析

当统计检测量超过门限值时,就认为存在故障星。此时,可以再根据最大似 然估计方法,找到出现故障可能性最大的那颗卫星陋l。根据推导知道:

DF,=【∥7’晖】2/【夥码】

(5.28)

北京邮电人学顾f:研究生学位论文

鹎下标表示的是对应的卫星号,鹎值最大对应的卫星极有可能就是故障
卫星。本系统中RAIM算法是直接做成一个模块,在整个系统中也就是一个函数, 入口参数为用户和卫星对应的位置速度等。如果RAIM不可用,则返回.2。可用

所示。

广亟]

获取相关参数

.‘<≤多


—<石:> N墨竺:少






士Y



计算T=√‰/(n-4)

<逗多’。
+I


N——f右h, \≤ |-:1/



计算明=∥每】z/晖每】


返回故障卫星星号





1 r

无故障卫星

RAIM不可用









1L

1 r

(结束)
图5-2 RAIM算法流程图

本方案中,设虚警率为10一,测距误差等效为20m,通过计算得出的检测门 限见表5.1所示。
表5-1 RAIM算法检测门限
可视卫星数
6 7 8


49.67

lO 46.97

检测门限值

67.86

58.76

53.36

52

北京||I|jIU人学硕lj研究生学位论文

。.第六章仿真结果分析与移植测试

本章主要给出最小二乘迭代法和卡尔曼滤波法的在各个场景下的仿真结果 图,并对其进行分析,然后把代码移植到Visual DSP++平台下,在基带板上直接 进行调试,得出结论。最后证明了算法是能满足系统的要求的。

6.1最小二乘仿真结果

为方便介绍,仿真结果图都是以9个小图合为一个大图的。这罩以从左至右, 从上到下的顺序标为I-9.其中(1)(2)(3)分别代表接收机在ECEF坐标系中的x,y,z 坐标值,(4)(5)(6)分别依次代表用户机在ECEF坐标系中三个坐标方向的速度, (7)代表用户在Y-X平面内的轨迹,(8)代表用户在ECEF三维空间中的运动轨迹。 (9)代表用户的合速度。

x106

positionx

x108

positiony

x,08

positionz

=睁!酬=瞄i i烈i:鬻酬


1矿

涮x





0.5

涮y



1c{

涮z

-,、L————————————————』————————————一 0 1000 2000

。№榭删至黼瓣避|3粼。枣雅淞制 …一 …一
xloe
posi:y.X

一?

¨o

1。000

2,000

小o 0

1000

2000

posi:x—y-Z



104



图6-1静态场景

图6.1是静态无误差场景,也就是用户静止且没有对流层、电离层延迟误差 情况下的仿真结果图,采用最d,-乘迭代算法,仿真时长1小时,取前1000s的 数据画成图。从具体数据得出X,v,z坐标的定位结果都在10_4m数量级抖动;三 维方向的速度是在10_4m/s的速度抖动;用户在此段时间内在x—Y平面内在一个

北京邮I【1人学硕Ij研究生学位论文

很小的点范围内抖动;同样用户在ECEF三维空间中的运动轨迹为基本上为一个 点;而用户合速度在4x10-5m/s左右抖动。由于是静态场景,理论上用户的位置 是固定的,速度为Om/s,仿真结果基本上是和这个场景是一致的,说明了这种 求解位置的最小二乘算法和利用多普勒求用户速度都是可行的,能达到系统的要
求。




10

position.. x



106

positiony



106

positionz

t≯≯14r:≮≥i
-、、u一/一
垤Iy

…~厂一i丽丽石1赢




垤lz

!,卅耐

图6—2 300—900m/s动态场景

图6—2表示的是通过最小二乘算法迭代计算出来的速度为300---900m/s,加速 度lOg,加加速度29的动态场景,历时将近l小时仿真结果。从图来看用户在 三个坐标方向上的运动轨迹都为正弦曲线或者余弦曲线;用户在三个坐标方向上 的分速度是从.900--900的范围内变化,振幅的包络为正弦曲线;(7)显示用户在 Y-x平面做水平圆周运动;(8)表示用户在三维空间的运动轨迹,看上去为一个椭 圆,就是水平圆周运动再加上垂直的正弦运动而成;速度的变化时从0迅速加到 900m/s,然后再900m/s处稳定一段时间,然后又减速到0,如此反复,从放大 图或具体数据可以算用户最大加速度为109,最大加加速度为29。上面的分析和 理论是相当一致的,因为这个场景就是300--900m/s的圆加正弦运动,最大加速 度和最大加加速度分别为109和29。

北京邮l乜人学硕I:研究生学位论义

6——■—一■一一~]



10e posi:Y?X



1醇si:x.Y.Z
_’、.

5}~,,Z:A一-1 4。咒5:彩、o{2,000000 卜~下一. 卜÷i一.II/i 4~一l——L一一一一。
T一7’’,

.3

.,S

-2

.1 5

x譬≮》备‘。

图6—3 O一2000m/S场景仿真图

图6.3是最大速度0~2000m/s,加速度lOg,加加速度lOg的高动态场景, 历时约1小时仿真结果。从图可以看出,用户坐标为正弦运动,速度为0-2000 变化,根据相关数据计算出来的最大加速度和最大加加速度也都符合理论值。在 这早得提出一点就是,超过900m/s的动态场景由于多普勒太大,需要使用INS 辅助来辅助被捕获和跟踪这两个环节。从图可知,PVT解算是适应高动态的场
景的。

6.2卡尔曼滤波仿真结果

图6-6,图6.5,图6-6分别是对应着静态场景,300~900m/s,0—2000m/s 的卡尔曼滤波解算的仿真结果图,从静态场景来看,卡尔曼的结果和最小二乘的 结果很接近,速度比最小二乘精度要好些。单纯的从各个图来看,卡尔曼的结果 也很符合实际场景。不过实际测试过程中,发现卡尔曼解算有时候存在发散的现 象,这和参数的设置有很大的关系,另外钟差等问题也还在讨论中,这些正在调 试中。总的来说,卡尔曼滤波解算基本上也是符合系统要求的。



。plos0

1.:X.Y.Z
1000

Ij
500


lj

一6 10
6 x



惦川¨¨小j



10

图6-5卡尔曼滤波300-900m/s场景仿真图

北京邮电人学硕+研究生学位论文



106

positionx



10



posit.ony



106 positionz




5000 10600si:Y-X
5 4.5 4 6 X10

图6-6卡尔曼滤波0-2000m/s场景仿真图
6.3

DSP平台调试结果

由前两节知道,仿真情况已经很好了,该移植到真实平台里面测试。实验基 带板DSP芯片采用的是AD公司牛产的TS201,该芯片通过J-TAG下载线与PC 机相连,PC机上软件的运行环境是Visual
DSP++。Visual

DSP++与PC机间通过

串口RS232协议进行通信。运行结果经过串口输出到PC机,通过串口软件显示。 下面以静态有误差的场景为例来介绍整个调试情况,依次给出了定位的重要环节 的测试结果与预设值的比较。这些环节丰要包括伪距计算,卫星位置计算,最后 的定位结果的计算。由于卡尔曼参数还在试验中,因此只给出了最小二乘的一组 结果,每个图都是以900次解算为X轴的。 6.3.1伪距计算结果 图6.5代表的是3号卫星,4号卫星,5号卫星,7号卫星对应的伪距的误差 值。图中,X维代表的是定位次数,Y维代表的是通过基带板跑出来的结果与预 设的真实值的差值。从仿真图来看,各颗卫星对应的伪距偏差都在如.3所以内。 图中的抖动丰要是因为跟踪环路的抖动导致的,如果要继续提高伪距精度,就需 要把跟踪环路的进度提高,降低抖动。另外本地守时的精度也是一个影响因素, 总的来说,这个精度是比较好的了,在对900m/s以内的动态环境是可以达到精

57

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度标准的

.O

伪距误差图
0 4 0 3

0 2 O 1 0

一山)遥树筌 n 1 n2 n3 n4
0 100

2∞

300

400

500

600

7∞800

900

定位次数

图6—7四颗卫星伪距误差图

6.3.2卫星位置结果 图6.8,图6-9,图6.10,图6.11描述的是实际计算出来的卫星的三维毕标 与对应的预设真实值之间的差值。前三个对应的是静态的卫星,后一个是动态的 卫星。从图中知道,三颗静态(这里所说的静态指的是地球同步卫星)的卫星的 三维坐标的误差值都达到了10。6的精度,动态的星的精度相对来说要差一些,精 度为0.1聊。这丰要是由于本地的时间并不是特别精确导敏,和本地晶振是有关 系的。这样的误差还是在范围之内的,从后面的定位精度就可以知道,当得到本 地钟差后会对本地时进行修正,让误差变得更小。


10七

Sat3位置误差图

言 、一

靳 ;!if

图6-8卫星3位置误差图

58

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1矿

Sat4{锣簧误差图






4 ,、

、E,3


妆2 悉




-1

-2



100

200

300

400

500

600

700

800

定位次数

图6-9卫星4位置误差图


10"s
,一

Sat5{帽误差图
.一



….jk^。m-州:舳。II-^._m枷凸I卅帅b心c!.堕—』H州¨nH。”w
1”:

—¨.胂W啊
2.5

坐标x误差值 坐标Y误差值 坐标z误差值

曼 g
鞭 憨



-m柙小^Ⅳ* ^^,帅^IH肿 ^^^H_怕1¨I II^驯^^l¨柏 ^‘小帅州叫 Hn^6_~帅n
1.5

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■M啊砌

^一-^q¨,1州 ¨畸P^—^舢

即■栅渺J¨叫一■Ir~-^—M ¨^■咿一一~1■
300 400

”I,l_删P棚 忡一肘帅M ’沁t悄^蚺嗽^3㈣jA
600 700 800 900



100

200

500

定位次数

图6-10卫星5位置误差图
Sat7位置误差图
0.1

0.05

一+一一一一一■一一

坐标xi吴差值 坐标Y误差值 坐标z误差值



艇 憨







-0.05

旬.1

-0.15 0 100 400 500 600 700

定位次数

图6-11卫星7位置误差图

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6.3.3定位结果 图6.12表示的是定位的精度,从图中可以看出,定位精度在±0.3所以内。 这个场景是有误差的场景,这个精度已经达到了测试系统的要求,定位精度已经 很好了。
定位精度图
0.4

——坐标×误芹值
0.3 O.2



0.1







-0.1

-0.2

图6.1 3表示的是速度精度,采用了非线性跟踪微分器应用在载波相位计算

速度的方法,由图可知,使用该方法后速度的精度从0.7m/s的精度改进到了
0.1聊/s以内了。
速度误筹图
0.7

——非线性跟踪微分器 使用前
0.6



非线性跟踪微分器 使用后

0.5 r}


. P

¨

引8
球0.3l¨

0.2Ni
.I,



r_1 9●mi ¨i

0.1



僖Ⅲ…川 Ⅲij儿¨u{●, l

0 300 400 500

州川¨-;¨“ i●Hi●l,『i}
∞0 定位次数

_●¨ ¨ ,1●Ⅲn”

jⅥi』ul●-1.”,
700

,●孙…m¨坩 ¨HⅥX

1.i



0● Lh¨ =_L●r. 广●li虬盯硼"r-L● ¨WiI
∞0

∞O

图6-13速度精度图

图6.14表示的是本地接收机和系统时之间的差值,由于画图的原因,把第 一个比较大的值滤掉了,刚开始的钟差为lms,经过这个补偿后,钟差到了lns 的级别,在经过6次定位后,钟差改进到了10一os的级别,并且稳定下来。由于

本地晶

偏差值



趔 米 嚣

6l

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第七章结论与展望

前六章对GNSS接收机的定位算法进行了研究与实现,本章将对本文做一个 要的总结以及展望。

1总结

本文研究了GNSS接收机定位解算相关算法及其实现,并对其实现进行了仿 与测试。定位解算就是已知卫星位置与速度、伪距、多普勒来求解用户的位置、 度和时间。本文从整个GNSS接收机的角度出发,介绍了定位原理,设计了总 的流程图和各个分模块流程图。详细的介绍了伪距计算,卫星位置速度的计算, 及用户的位置速度的解算。其中用户位置计算实现了两个方法,一个是最小二 迭代法,一个卡尔曼滤波解算法。最小二乘迭代的运算精度仿真结果为:定位 度10-4米,速度精度lO.5米/秒。卡尔曼滤波算法的仿真结果为:定位精度10-4 ,速度精度10-6米/秒。最后移植到硬件平台中,最d'--乘的定位精度满足系统 计的要求。卡尔曼滤波算法的参数设计还在处理中,因此没有给出测试结果。 7.1显示了最小二乘迭代法测试的定位精度。本文采用的是载波相位计算多普 来计算用户速度,在这个过程中为了提高精度,利用了非线性跟踪微分器来获 精确的多普勒。最后本文还对定位精度有影响的各个参数进行的分析与纠正, 且编写了RAIM算法模块来监测故障卫星的存在。
表7-1接收机测试情况
场景
300.900m/s

水平定位精度
0.5m 0.6m 0.4m

垂直定位精度
0.7m 0.7m 0.5m

速度精度
0.08rn/s

伪距一致精度
O.12 O.11 0.10

0.300m/s

0.06m/s
0.04m/s

静态场景

7.2展望

本课题中研究的接收机仍有些问题需要解决和完善。程序代码没有进行太多 优化,耗时太多;接口资源利用率低:中断存取数据浪费资源,部分应该改成查 询法;高动态情况下环路的设计;RAIM算法还只适应于单模情况等,需要在后 续版本中进行修改和完善。相信在实验室老师的指导下和师弟师妹们的努力下 GNSS接收机会取得很好的成果。

62

北京邮IU人学硕Ij研究生学位论文

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致谢

光阴似箭,转瞬即逝,两年半的研究生生涯即将结束,在此期间得到了各位 老师和同学的指导和帮助,不胜感激。

在短短的硕士期问,不论是学习上还是生活上都得到了我的导师——吴晓非
老师的指导帮助和关心,吴老师认真的工作态度,严谨的工作作JxL和严以律己、 宽以待人的优秀品格都使我受益终身。在此向吴老师表示深深的敬意和衷心的感
谢。

感谢810实验室的全体老师和同学,你们在学习和生活中都给予我很多的帮 助和鼓舞。同时还感谢宿舍的兄弟们,在学习之余给予我家的温暖。 感谢我最爱的爸爸妈妈,感谢你们一直给我的爱,给我的鼓励和支持。 最后衷心感谢参加我的论文评审和评议的专家在百忙之中抽出宝贵的时间 评审我的论文,谢谢!

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位测速中的应用,中国科技论文在线,

GNSS接收机定位解算的研究与实现
作者: 学位授予单位: 被引用次数: 刘文博 北京邮电大学 15次

参考文献(5条) 1.胡晓,高伟,李本玉 GNSS导航定位技术的研究综述与分析[期刊论文]-全球定位系统 2009(03) 2.羽佳 双星定位法与北斗1号卫星导航系统[期刊论文]-航天返回与遥感 2004(01) 3.袁运斌,欧吉坤 基于GPS数据的电离层模型和电离层延迟改正新方法研究[期刊论文]-中国科学院研究生院学报 2002(02) 4.任亚飞,柯熙政 GPS定位误差中对流层延迟的分析[期刊论文]-西安理工大学学报 2006(04) 5.黄晓瑞,田巍,李波 GPS接收机的自主完善性监测算法研究[期刊论文]-遥测遥控 2003(01)

引证文献(4条) 1.胡伟华,杨奕飞 一种新型软件接收机定位解算方法[期刊论文]-科学技术与工程 2013(10) 2.胡伟华 GNSS软件接收机定位解算模块设计与实现[学位论文]硕士 2013 3.王海涵 M-GNSS定位接收装置的研究与实现[学位论文]硕士 2013 4.雷静 GPS/北斗定位解算算法的研究[学位论文]硕士 2013

引用本文格式:刘文博 GNSS接收机定位解算的研究与实现[学位论文]硕士 2010


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