[优秀毕业论文]GPS导航解算仿真系统.doc
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1、GPS 导航解算仿真系统 作者姓名: 专业班级: 指导老师: 摘 要 全球卫星定位系统是具有全球性、全能性(陆地、海洋、航空与航天)、全 天候优势的导航定位、定时和测速系统。它汇集了当代最先进的空间技术、通 讯技术及微电子技术,以其定位精度高,全天候获取信息,用户接收设备轻巧、 价格比较低廉等诸多优点而被世人注目,在很多领域获得了应用。 GPS用户部分的核心是GPS接收机。其主要由基带信号处理和导航解算两部 分组成。导航解算部分主要包括根据导航数据中的星历参数实时进行各可视卫 星位置计算。此次设计是针对导航解算仿真系统的Matlab仿真实现,因要求不 高,所以对卫星运动做了理想化处理,摄动力对
2、卫星的影响忽略不计(所以为 无摄运动) ,采用开普勒定律及最小二乘法计算其轨道参数,对其运动规律进行 简略分析,并使用Matlab编程仿真实现了卫星的运功轨道平面、运动动态、可 见卫星的分布及利用可见卫星计算出用户位置。 关键字:GPS 导航解算 无摄运动 伪距 matlab 仿真 I Simulation On GPS Navigation Solution System Using MATLAB Abstract:The global positioning system is a global, versatility (land, sea and air and space),all-
3、weather advantage of navigation and positioning, timing and speed system. It collects the contemporary most advanced technology, the communication technology and the space of microelectronics technology, with its positioning accuracy, all-weather information, users receive lighter, the price is chea
4、p equipment advantages of men, and in many fields. GPS is the core of the user part of the GPS receiver. The main by the baseband signal processing and navigation solution of two parts. Navigation solution, including some of the major navigation data based on parameters in the ephemeris satellite po
5、sitions in real-time computation of the visual. The navigation solution designed for matlab Simulation Simulation System, for less demanding, so do the idealized satellite motion processing, the impact of the satellite perturbation is negligible (so as not perturbed motion), the use of Kepler Law an
6、d the least squares method to calculate the orbital parameters, its law of motion for a brief analysis and simulation using matlab programming the pump power to achieve the satellite orbital plane, movement dynamics, the distribution of visible satellites and the use of visible satellites to calcula
7、te the location of the user. Key words:GPS navigation solution;Non-disturbed motion;Pseudorange;Matlab simulation II 目录 第 1 章 前言1 1.1 课题背景1 1.2 本课题研究的意义和方法2 1.3 GPS 的发展简史及系统概述3 第 2 章 GPS 的坐标、时间系统和卫星的运动5 2.1 地球坐标系5 2.2 时间系统7 2.3 卫星的运动8 2.3.1 开普勒定律8 2.3.2 无摄卫星运动的轨道参数.10 2.3.3 真近点角的概念及其求解.11 2.3.4 卫星瞬时
8、位置的求解.12 第 3 章 GPS 导航解算15 3.1 GPS 导航系统的基本原理15 3.2 GPS 定位中主要误差及消除算法17 3.3 GPS 星历结构及解算过程19 第 4 章 GPS 导航解算系统的 MATLAB 仿真.23 4.1 卫星可见性的估算23 4.2 GPS 卫星运动的 MATLAB 仿真.24 结 论32 致谢34 参考文献35 附录37 成都理工大学毕业设计(论文) 0 第 1 章 前言 1.1 课题背景 GPS 系统的前身为美军研制的一种子午仪卫星定位系统(Transit),1958 年研制,64 年正式投入使用。该系统用 5 到 6 颗卫星组成的星网工作,每天
9、最 多绕过地球 13 次,并且无法给出高度信息,在定位精度方面也不尽如人意。然 而,子午仪系统使得研发部门对卫星定位取得了初步的经验,并验证了由卫星 系统进行定位的可行性,为 GPS 系统的研制埋下了铺垫。由于卫星定位显示出 在导航方面的巨大优越性及子午仪系统存在对潜艇和舰船导航方面的巨大缺陷。 美国海陆空三军及民用部门都感到迫切需要一种新的卫星导航系统。 1973 年 12 月 ,美国国防部批准它的陆海空三军联合研制新的卫星导航系 统: NAVSTAR/GPS。它是英文“Navigation Satellite Timing and Ranging/Global Positioning Sy
10、stem” 的缩写词。其意为 “卫星测时测距导 航/全球定位系统”,简称 GPS。这个系统向有适当接受设备的全球范围用户提 供精确、 连续的三维位置和速度信息 ,并且还广播一种形式的世界协调时(UTC) 。通过遍布全球的(21+3)GPS 导航卫星,向全球范围内的用户全天候提供高 精度的导航、跟踪定位和授时服务。目前,GPS 已在地形测量,交通管理,导 航,野外勘探,空间宇宙学等诸多领域得到了广泛的应用。 目前全球共有 4 大 GPS 系统,分别是: 美国 GPS ,由美国国防部于 20 世纪 70 年代初开始设计、研制,于 1993 年全部建成。1994 年,美国宣布在 10 年内向全世界免
11、费提供 GPS 使用权,但美 国只向外国提供低精度的卫星信号。 欧盟 “伽利略”,1999 年 欧洲提出计划 ,准备发射 30 颗卫星 ,组成 “伽利略” 卫星定位系统。 俄罗斯“格洛纳斯”,尚未部署完毕。始于上世纪 70 年代需要至少 18 颗 卫星才能确保覆盖俄罗斯全境;如要提供全球定位服务 ,则需要 24 颗卫星。 中国“北斗”2003 年我国北斗一号建成并开通运行,不同于 GPS,“北斗”的 指挥机和终端之间可以双向交流。四川大地震发生后 ,北京武警指挥中心和四 成都理工大学毕业设计(论文) 1 川武警部队运用 “北斗” 进行了上百次交流。北斗二号系列卫星今年起将进 入组网高峰期 ,预
12、计在 2015 年形成由三十几颗卫星组成的覆盖全球的系统。 1.2 本课题研究的意义和方法 GPS 系统是一个很庞大的系统,包含了天文,地理,计算机,电磁学,通 信学,信息学等等。通过本文对 GPS 的学习研究,最重要的还是要学习其原理: 卫星运动原理;卫星定位原理;卫星跟踪原理;卫星导航解算原理等等。通过 基础原理的学习,一方面,可以使我们更进一步的理解卫星运动,定位的实现 方法及导航的解算原理和方法;通过仿真,进一步了解简单定位的方法及其在 仿真平台上的实现途径;另一方面,也可以培养我们自学的能力,训练仿真模 拟的技巧和方法。 至今,基本上完成了课题的要求,通过不断的注入既定参数,可以更加
13、详 细,直观的理解基本的导航解算原理和实现方法! 成都理工大学毕业设计(论文) 2 1.3 GPS 的发展简史及系统概述 图 1-1 GPS 系统结构图 GPS 导航定位以其定位精度高、观测时间短、测站间无需通视、可提供三 维导航、操作简便、全天候作业、功能多、应用广泛等特点著称。组成卫星星 座的 24 颗卫星被安排在 6 个轨道平面上,即每个平面上 4 颗。一个分布在全世 界的地面控制/监视网监视着卫星的运行状态。 用 GPS 信号可以进行海、空和陆地的导航、导弹的制导、大地测量和工程 测量的精密定位、时间的传递和速度的测量等。对于测绘领域,GPS 卫星定位 技术已经用于建立高精度的全国性的
14、大地测量控制网,测定全球性的地球动态 参数;用于建立陆地海洋大地测量基准,进行高精度的海岛陆地联测以及海洋 测绘;用于检测地球板块运动状态和地壳形变;用于工程测量,成为建立城市 与工程控制网的主要手段。用于测定航空航天摄影瞬间相机位置,实现仅有少 量的地面控制或无地面控制的航测快速成图,导致地理信息系统、全球环境遥 感监测的技术革命4。 目前,GPS、GLONASS、INMARSAT 等系统都具备了导航定位功能,形成了多 成都理工大学毕业设计(论文) 3 元化的空间资源环境。这一多元化的空间资源环境,促使国际民间形成了一个 共同的策略,即一方面对现有系统充分利用,一方面积极筹建民间 GNSS
15、系统, 待 2011 年左右,GNSS 纯民间系统建成,全球 将形成 GPS/GLONASS/GNSS 三足 鼎立之势,才能从根本上摆脱对单一系统的依赖,形成国际共有、国际共享的 安全资源环境。世界才可以将卫星导航作为单一导航手段的最高应用境界。国 际民间的这一策略,反过来又影响和迫使美国对其 GPS 使用政策作出更开放的 调整。多元化的空间资源环境的确立,给 GPS 的发发展应用创造了一个前所未 有的良好的国际环境。 GPS 技术广泛应用于武器导航:精确制导导弹、巡航导弹,车辆导航:车 辆调度、监控系统,船舶导航:远洋导航、港口/内河引水,飞机导航:航线导 航、进场着陆控制,星际导航:卫星轨
16、道定位及个人导航:个人旅游及野外探 险等诸多方面。 成都理工大学毕业设计(论文) 4 第 2 章 GPS 的坐标、时间系统和卫星的运动 2.1 地球坐标系 GPS 定位测量当中,要用到两种坐标系,即天球坐标系和地球坐标系。天 球坐标系是指坐标原点和各坐标轴的指向在空间是保持不变的,可以很方便的 描述卫星的运动和状态。而地球坐标系则是与地球体相关联的坐标系,用于描 述地面测量站的位置。所以在导航解算中,我们将采用地球坐标系。 要描述一个物体的位置必须要有相关联的坐标系,地球表面的 GPS 接收机的 位置是相对于地球而言的.因此,要描述 GPS 接收机的位置,需要采用固联于地 球上随同地球转动的坐
17、标系、即地球坐标系作为参照系。 地球坐标系有两种几何表达形式,即地球直角坐标系(平地球坐标系)和 地球大地坐标系(真地球坐标系)。地球直角坐标系的定义是:原点 O 与地球 质心重合,Z 轴指向地球北极,X 轴指向地球赤道面与格林威治子午圈的交点 (即 0 经度方向),Y 轴在赤道平面里与 XOZ 构成右手坐标系(即指向东经 90 度 方向)。 地球大地坐标系的定义是:地球椭球的中心与地球质心重合,椭球的短轴 与地球自转轴重合。地球表面任意一点的大地纬度为过该点之椭球法线与椭球 赤道面的夹角 ,经度为该点所在之椭球子午面与格林威治大地子午面之间的 夹角 ,该点的高度h为该点沿椭球法线至椭球面的距
18、离。设地球表面任意 一点 P 在地球直角坐标系内表达为 P( x,y,z ),在地球大地坐标系内表达为 P ( , ,h)。则两者互换关系为:大地坐标系变为直角坐标系: (2- 1) 式中:n为椭球的卯酉圈曲率半径,e为椭球的第一偏心率。 若椭球的长半径为a,短半径为b,则有 成都理工大学毕业设计(论文) 5 直角坐标系变为大地坐标系,可由下述方法求得 由叠代法获得 c为地心纬度, ep为椭圆率 可设初始值 =c 进行叠代,直到|i=1-i| 小于某一门限为止。 (2-2) 这两种坐标系在定位系统中经常交叉使用,必须熟悉两种坐标系之间的转 换关系。 成都理工大学毕业设计(论文) 6 图 2-1
19、 世界地心坐标系 综合上面的,可以得到以下的结论:在 GPS 定位系统所用的空间坐标系统 当中,我们一般采用天球坐标去研究卫星的空间运动,而采用地球坐标去研究 地面监控站点。 2.2 时间系统 时间系统是卫星定位测量过程中的一个重要概念。现时的 GPS 测量的方法 是通过接收和处理 GPS 卫星发射的无线电信号,以确定用户接收机和观测卫星 间的距离,然后通过一定的数学方法以确定接收机所在的具体位置,为得到接 收机和卫星的准确距离,必须获得无线电信号从卫星传输至接收机这一过程中 的精确时间,因而利用卫星技术进行精密的定位和导航,必须要获得高精度的 时间信息,这需要一个精确的时间系统。现行的卫星定
20、位测量中与之紧密相关 的时间系统有三种:世界时,原子时和动力学时。 世界时是以地球自转为基准的一种时间系统。根据不同的空间参考点,又 可分为恒星时,太阳时,世界时三种。 原子时以物质内部原子跃迁时所辐射和吸收的电磁波频率来定义的,具有 很高的稳定性和复现性,是现时段最为理想的时间系统。在目前的导航定位系 统中,均采用了原子时作为其高精度的时间基准。 动力学时(DynamicTime,DT)是天体力学中用以描述天体运动的时间单位。 当以太阳系质心建立起天休运动方程时,所采用的时间参数称为质心力学时 (BaryeeniricDynamicTime,TDB);当以地球质心建立起天体运动方程时,所采
21、成都理工大学毕业设计(论文) 7 bs 用的时间参数称为地球力学时(Terrestrial Dynamic Time, TDT) 。 2.3 卫星的运动 卫星在空间绕地球运动的时候,除了受到地球重力场引力的作用外,还受 到了太阳,月亮和其它的天体引力以及太阳光压,大气的阻力和地球潮汐力的 影响。卫星的实际运动轨道非常的复杂,很难用非常精确的数学模型加以描述。 在各种力作用对卫星影响的过程当中,以地球的引力场的作用最大,而其它力 的影响则相对的小得多。通常把作用到卫星上的力按其影响的大小分成两部分: 一类是中心力;一类是摄动力,也称为非中心力。假定地球为均匀球体的地球 引力,称为在心力,它决定了
22、卫星运动的基本规律和基本特征,由此决定地球 的轨道,可以视为理想的轨道。非中心力包括地球非球形对称的作用力,日、 月引力,大气阻力,光辐射压力以及地球的潮汐力等。摄动力的作用,使卫星 偏离了既定的理想轨道。而在它影响下,卫星的运动称为卫星的受摄运动。而 上述理想状态的卫星运动则称为无摄运动。卫星在地球的引力场当中所做的无 摄运动,也称为开普勒运动,其规律可以由开普勒三大定律来描述。 2.3.1 开普勒定律 开普勒第一定律:卫星运动的轨道是个椭圆,而该椭圆的一个焦点和地球 的质心重合。 这一个定律表明了,在中心引力的作用下,卫星绕地球轨道运行的轨道面, 是一个通过地球质心的精致平面。轨道椭圆一般
23、称期为开普勒椭圆,其形状和 大小都不变。在轨道上,卫星离地球质心远的一点叫做远地点,近的一点就做 近地点。轨道图形可以表示为如图 2-2: Ms fs 远地点 P 近地点 P 图 2-2 卫星的椭圆运行轨道 Mas 成都理工大学毕业设计(论文) 8 卫星绕地球质心运动的轨道方程为: R= (2-3) fs e e a s s S cos1 ) 2 1( 在该式当中,R 是卫星的地心距离;as 为开普勒椭圆的长半径;es 为开普 勒椭圆的偏心率;fs 为真近点角,它描述了任意时刻,卫星在轨道上面相对于 近地点的位置,是时间的函数,其定义见上图所示。 开普勒定义定律阐述了卫星运动轨道的基本形态及其
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