GPS测距定位系统设计.docx

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GPS测距定位系统设计

1绪论

1.1论文背景意义

GPS是英文Navigationsystemtimingandranging/globalpositioningsystem的字头缩写词NAVSTAR/GPS的简称，通常称之为全球定位系统。

全球定位系统是美国从20世纪70年代由美国国防部开始研制的新一代卫星导航与定位系统，该系统可向人类提供高精度的导航、定位和授时服务。

它由24颗在沿距地球约20200km高度的轨道上运行的GPS卫星组成[1]。

GPS作为继子午卫星系统发展起来的新一代卫星导航与定位系统，具有全球性、全天候、连续性等优点的三维导航和定位能力，以及具有良好的抗干扰性和保密性。

它已成为美国导航技术现代化的最重要标志，并被视为20世纪美国继阿波罗登月计划和航天飞机计划之后的又一重大科技成就[2]。

在测量领域较早就开始采用GPS技术，最初，它主要用于建立各种类型和等级的测量控制网，目前它除了仍大量用于这些方面外，在测量领域的其它方面也得到了充分的应用。

尤其在各种类型的测量控制网的建立这一方面，GPS定位技术已基本上取代了常规测量手段，成为主要的技术手段[3]。

1.2GPS全球定位系统的组成

GPS全球定位系统从1973年方案论证开始，经历了设计、研制、试验、组网，到1994年3月组建完成，前后共历时20多年，同时也耗费了大量的人力财力，是美国继“阿波罗”登月计划和航天飞机后第三大航天技术工程。

GPS全球定位系统有三个独立的段组成:

空间段、地面控制/检测网络和用户接收设备[4]。

1）空间段即卫星星座，由24颗在轨卫星构成，如图1.1所示。

在这种配置下，卫星位于6个地心轨道平面内，每个轨道面4颗卫星。

GPS卫星的额定轨道周期是半个恒星日即1lh58min。

各轨道接近于圆形，且沿赤道以600间隔均匀分布，相对于赤道面的倾斜角额定为550。

轨道半径（即从地球质心到卫星的额定距离）大约为26600km。

位于地平面以上的卫星数随着时间和地点的不同而不同，最少可见到4颗，最多可见到n颗。

这一卫星星座为全球用户提供24h的导航和时间确定能力。

图1.1GPS卫星星座

2）地面控制段负责监测、指挥、控制GPS卫星星座，包括一个主控站、三个注入站和五个检测站，如图1.2所示。

就其功能而言，地面控制段监测下行L波段导航信号，更新导航电文，解决卫星异常情况。

此外，地面控制段还监测卫星的健康状况，管理与卫星位置保持机动和电池充电相关的任务，指挥卫星有效载荷。

地面控制段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。

这就需要地面站检测各颗卫星的时间，并求出时钟差，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。

图1.2GPS地面监控段框图

3）用户设备接收GPS卫星发射信号，以获取必要的导航和定位信息，经各种数据处理，完成导航和定位工作。

用户设备主要由GPS设备、数据处理软件、微处理机及其终端设备组成；GPS设备包括天线、接收机、电源、输入输出设备等，主要用于接收GPS卫星信号，以获得导航和定位信息；GPS软件部分是指各种后处理软件包，其作用是对观测数据进行精加工，以获取精密定位结果。

1.3GPS应用发展现状

随着GPS接收机的逐步商用化，特别是美国政府取消了SA[5]（selectiveAvailability）政策（选择可用性政策，其目的是为了降低非特许用户GPS定位定时的精度）后，GPS的定位定时精度得到了很大的提高；GPS机价格的进一步降低使得其在民用领域得到迅速的发展[6]。

1）精密授时

在定位能力受到普遍注意的同时，GPS作为全球精密时间源，其授时服务也在迅速增长。

实际上，GPS作为精密时间源，它对商业和产业基础设施的影响要比导航或跟踪更大。

因此，有人建议将系统更名为全球定位和时间服务系统（GPTS）。

2）精密定位

大地测量学家采用了原先为无线电天文学开发的技术，利用GPS载波相位测量在相对定位中达到了毫米级精度。

借助这种精密定位的能力可将GPS应用于监测大型工程建筑结构在实际载荷条件下的变形，也可以用于农业、建筑业和采矿业中的机械实时控制。

另外，将GPS和PC组合，可以收集大量位置数据，并将其组织到地理信息系统中（GIS），最简单的典型系统可由背包中带电池和GPS卡的计算机，手持键盘和显示单元组成。

一个如此装备的用户可以边走边采集数据，并随时将信息输入，产生或更新数据库。

3）航空和空间导航

1983年，南朝鲜航班由于导航问题偏离航路，进入苏联空域而被击落，这次灾难引起了人们对GPS应用于民用航空带来的潜在好处的关注。

直到数年前，民用航空仍完全依靠机载导航系统和地面无线电导航设施进行导航，但无线电导航设施的运行和维护成本昂贵，因而世界大部分地方连基本的无线电导航基础设施也甚为缺乏。

GPS被普遍认为是在无线电出现后民用航空最重要的进步，极大地增强了航空运行的经济性和安全性。

在不久的将来，GPS将用做所有飞行阶段导航的主要系统，包括自动着陆、机场避撞以及地面交通预警。

GPS同样也给太空活动带来了极大的好处。

与星载定轨软件组合在一起的GPS接收机和闭环推进系统能实现卫星轨道自主保持。

国际空间站正在设计将GPS用于导航、定姿、跟踪接近空间站的飞行器。

航天飞机的导航系统正在将GPS升级改造为返回和着陆时的主要导航手段。

4）陆上和海事导航

GPS在陆上运输中的应用，特别是车辆导航和跟踪，已成长为一类巨大的产业。

基于GPS的系统和服务，在汽车、商务车队、公共运输和急救响应领域有着巨大的需求铁路公司用GPS进行实时地列车控制。

基于GPS的收费系统，确定商务卡车在收费路段上的行使时间和距离，已在欧洲投入使用。

世界上有数以百万计的游艇、渔船、渡口、巡航线、货运线和油船均从GPS的应用中获益[7]。

5）消费市场

通过与无线电技术、互联网技术和地理数据库等其他技术的结合，GPS的功能在民事应用中发挥的淋漓尽致。

GPS的消费产品市场显示出急剧增长，其推动力是价格低廉的GPS接收机芯片，它可以集成到一系列消费产品中，如手机、个人数字助理（PDA），以及汽车、计算机等个人财物的安全设备。

车辆信息系统技术提供移动信息，使得获取运动物体的位置坐标变得十分容易。

越来越多的汽车用户选择将GPS作为自己的导航工具，利用内置的数据库可以轻而易举的为用户在不熟悉的地方提供更好的到达其目的地的路线，以及方便用户找加油站、饭店或旅游景点等。

GPS潜在的巨大应用是增强GN（E911）。

联邦通信委员会（FCC）法令要求，至2005年年底美国境内的所有移动电话应装备定位功能，以便在急救中精确确定其位置。

总之，GPS在工业、商业、科学和人们日常生活中的应用看来是完全无限的，新的应用正以不可思议的速度飞速发展。

1.4利用GPS进行工程测量

GPS定位技术以其精度高、速度快、费用省、操作简便等优良特性被广泛应用于大地控制测量中，给工程测绘领域带来了根本性的变革。

时至今日，可以说GPS定位技术已完全取代了用常规测角、测距手段建立的大地控制网。

在工程测量领域，GPS定位技术正在日益发挥其巨大作用。

例如利用GPS可进行各级工程控制网的测量、GPS用于精密工程测量和工程变形监测、利用GPS进行机载航空摄影测量、利用实时动态差分法（RTK）技术进行点位的测设等。

在灾害监测领域，GPS可用于地震活跃区的地震监测、大坝监测、油田下沉、地表移动和沉降监测等，此外还可用来测定极移和地球板块的运动。

1.4.1GPS测量的特点

GPS可为各类用户连续提供动态目标的三维位置、三维速度及时间信息。

GPS测量主要特点如下[8]：

1）功能多、用途广

GPS系统不仅可以用于测量、导航，还可以用于测速、测时、测速的精度可达0.1s，测时的速度可达几十毫微妙，其应用领域不断扩大。

2）定位精度高

大量的实验和工程应用表明，用载波相位观测量进行静态相对定位，在小于50km的基线上，相对定位精度可达1×10-6，而在100-500km的基线上可达10-6-10-7。

随着观测技术与数据处理方法的改善，可望在大于100km的距离上，相对定位精度达到或优于10-8。

在RTK和实时差分定位（RTD）方面，定位精度可达到厘米级和分米级，能满足各种工程测量的要求[9]。

3）实时定位

利用全球定位系统进行导航，即可实时确定运动目标的三维位置和速度，保障运动载体沿预定航线运行，亦可选择最佳路线。

特别是对军事上动态目标的导航，具有十分重要的意义。

4）观测时间短

目前，利用经典的静态相对定位模式，观测20Km以内的基线所需观测时间，对于硕士论文基于GPS的无线测量系统单频接收机在lh左右，对于双频接收机仅需15~20min。

采用实时动态定位模式，流动站初始化观测1~5min后，并可随时定位，每站观测仅需几秒钟。

利用GPS技术建立控制网，可缩短观测时间，提高作业效益。

5）观测站之间无需通视

经典测量技术需要保持良好的通视条件，又要保障测量控制网的良好图形结构。

而GPS测量只要求测站15以上的空间视野开阔，与卫星保持通视即可，并不需要观测站之间相互通视，因而不再需要建造规标。

这一优点即可大大减少测量工作的经费和时间（一般造标费用约占总经费的30%~50%）。

同时，也使选点工作变得非常灵活，完全可以根据工作的需要来确定点位，可通视也使电位的选择变得更灵活，可省去经典侧量中的传算点、过渡点的测量工作。

不过也应指出，GPS测量虽然不要求观测站之间相互通视，但为了方便使用常规方法联测的需要，在布设GPS点时，应该保证至少一个方向通视。

6）操作简便

GPS测量的自动化程度很高。

目前GPS接收机已趋小型化和操作傻瓜化，观测人员只需将天线方向调整好，再将电源打开即可进行自动观测，利用数据处理软件对数据进行处理即求得测点三维坐标。

而其它观测工作如卫星的捕获，跟踪观测等均由仪器自动完成。

7）可提供全球统一的三维地心坐标

经典大地测量对平面和高程采用不同方法分别施测。

GPS测量中，在精确测定观测站平面位置的同时，可以精确测量观测站的大地高程。

GPS测量的这一特点，不仅为研究大地水准面的形状和确定地面点的高程开辟了新途径，同时也为其在航空物探、航空摄影测量及精密导航中的应用提供了重要的高程数据。

GPS定位是在全球统一的WGS-84坐标系统中计算的，因此在全球不同点的测量成果是相互关联的。

8）全球全天候作业

GPS卫星较多，且分布均匀，保证了全球地面被连续覆盖，使得在地球上任何地点、任何时候进行项观测工作，通常情况下，除雷雨天气不宜观测，一般不受天气状况的影响。

因此，GPS定位技术的发展是对经典测量技术的一次重大突破。

一方面，它使经典的测量理论与方法产生了深刻的变革；另一方面，也进一步加强了测量学与其他学科之间的相互渗透，从而促进了测绘科学技术的现代化发展。

1.4.2GPS工程应用展望

GPS测量作业有着极高的精度。

使用GPS进行测量不受环境和距离限制，非常适合于地形条件困难地区、常规测量仪器难以施展的地区等。

1）GPS测量可以大大提高工作及成果质量。

它不受人为因素的影响，整个作业过程全由电子技术、计算机技术控制，自动记录、自动数据预处理、自动平差计算。

2）GPSRTK技术将彻底改变公路测量模式。

RTK能实时地获得所在位置的空间三维坐标。

这种技术非常适合路线、桥、隧道勘察，它可以直接进行实地实时放样、点位测量等。

3）GPS测量可以极大地降低劳动作业强度，减少野外砍伐工作量，提高作业效率。

4）GPS高精度高程测量同高精度的平面测量一样，是GPS测量应用的重要领域。

特别是在当前高等级公路逐渐向山岭重丘区发展的形势下，往往由于这些地区地形条件的限制，实施常规水准测量有困难时，GPS高程测量无疑是一种有效的手段[10]。

GPS在公路高程测量中的应用，对高等级公路的勘测手段和作业方法产生了革命性的变革，极大地提高了勘测精度和勘测效率，特别是实时动态（RTK）定位技术将在公路勘测、施工和后期养护、管理方面有着广阔的应用前景[11]。

1.5本论文的主要内容

本文介绍了一种基于GPS的测距硬件系统的设计方法，并在此基础上详细介绍了本系统软、硬件的设计方法。

第一章介绍全球定位系统的发展背景意义及在工程测绘上的应用，以及本论文的主要研究内容。

第二章介绍GPS定位、测距的基本原理，然后引入了全球定位系统所采用的坐标系—WGS84大地系，并在此基础上介绍了两种根据经纬度计算距离的算法，提出测距系统的整体设计方案。

第三章详细说明系统硬件部分的设计，包括GPS模块，无线收发模块，USB串口通信模块，系统电源解决方案，LCD显示模块以及系统的核心部分主控器模块的设计方案以及原理图。

第4章设计系统的灵魂部分软件部分，系统的软件实现主要包括LCD显示，数据处理、存储以及USB读写的实现方法及相关程序设计。

第5章对系统测试的数据进行分析处理，并得出系统的测距精度值，通过与官方公布的数据进行对比，得出此系统测量的准确性，系统统性能指标达到了预期效果，是令人满意的。

2基于GPS的硬件测距系统设计方案

2.1GPS测距系统整体设计方案

2.1.1总体设计

当前，GPSOEM板因其功能全面，使用方便，机械尺寸小，以及功耗进一步降低的优点已经在越来越多的系统中得到应用。

本设计中的无线测量功能实现了对目标距离、运动速度等数据的测量[12]。

置于待测目标上的GPS手持机部分接收卫星信号并解算后，产生包含速度，经纬度等信息的定位语句。

该定位语句一方面可以由SDT11模块接收，保存在片内数据存贮器中，并通过一片分辨率为128×64的LCD屏幕有选择性的将所需信息显示出来；另一方面，也可以通过无线数据发射模块将定位语句整体发送到数据接收端，无线数据接收模块将数据还原后通过MAX232[13]电平转换模块把TTL电平转换为RS232标准，最终实现与计算机的串口通信，最后在PC端使用软件方式对定位信号进行采集和数据处理，求出所需要的各项数据。

具体的系统框图表示如图2.1和图2.2：

图2.1测距发射机系统

在图2.1和图2.2所示的测距系统中，工作过程为：

采用两个GPS分别测量发射机和接收机处的经纬度信息，并利用高速远距离扩频通信设备完成从发射机到接收机的数据传输，接收机将两测试点处的数据通过USB接口传输到电脑中，通过上位机软件完成对数据的转化和距离的测量。

此外，发射机上带有片上Flash，也可完成对接收数据的存储功能，以便进行离线处理。

图2.2测距接收机系统

接收机天线部分完成射频信号的接收，即把卫星播发的电磁波转换成便于处理的电信号。

扩频模块通过将天线馈送来的微弱信号进行放大、变频，最终输出较低的中频信号并经过ADC转换成数字中频，并送到信号处理部分。

微控器是整个接收机系统的核心部分，包括信号的捕获、跟踪、解调，还要根据信号所反映的信息进行测量值的计算，以便测量出GPS信号从卫星到接收机天线的传播时间，解出GPS卫星所发送的导航电文，实时的计算出测站的位置，同时也接受用户输入的信息。

PC机是连接处理器和用户信息的桥梁，用户通过他来输入和接收测量信息并能存储信息，相当于键盘和显示器的功能。

GPS模块是提取有用基带信号，将有用信号传送给信号处理器。

FLASH是接收机的存储单元。

2.1.2系统所实现的目标与功能

完成基于GPS的测距硬件系统设计；并设计相关电路和简易的软件平台；具体要求：

（1）测量距离：

不小于10km

（2）测距精度：

10m以内

（3）USB接口通信速率：

1.22Mbps

2.2通过卫星产生的测距信号确定位置的原理

GPS利用到达时间（TOA）测距原理来确定用户的位置。

这种原理需要测量信号从位置已知的发射源（例如雾号角、无线电信标或卫星）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间段乘以信号的速度（如音速或光速），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（即导航台）所广播的信号的传播时间，便能确定自己的位置[14]。

借助于对多颗卫星的TOA测量，便可以确定出三维位置。

在地心地固（ECEF）坐标系中，假定有一颗卫星正在发射测距信号，该卫星上的一个时钟控制着测距信号广播的定时。

理想情况下，这个时钟和星座内每一颗卫星上的时钟与一个记为GPS系统时的内在系统时标有效同步。

用户接收机也包含有一个时钟，假定它与系统时钟同步，定时信息内嵌在卫星的测距信号中，使接收机能够计算出信号离开卫星的时刻。

记下接收到卫星的时刻，便可以算出卫星至用户的传播时间，将其乘以光速便求得卫星至用户的距离R。

假设当前用户处于以第一颗卫星为球心的球面上的某个位置，此时第二颗卫星发送测距信号进行测量，则用户又处于以第二颗卫星为球心的球面上，这样该用户将同时处于两个球面相交圆周上的一个地方，如图2.3所示。

图2.3用户位于两球相交的圆周上

利用第三颗卫星再次进行上述的测距过程，那么用户又将出现在以第三颗卫星为圆心的球面上，第一颗和第二颗卫星相交产生的圆周与这个球面交于两个点，如图2.4所示，这两个交点相对于卫星平面来说互为镜像。

然而，其中只有一个是用户的正确位置，对于地球表面上的用户来说，很显然较低的一点是真实位置[15]。

图2.4用户位置

了解了用卫星测距信号和多个球体求解用户三维位置的原理后，下面具体的研究一下用户三维位置的求解过程。

图2.5用户位置的矢量表示

在图2.5中，设u代表用户接收机相对于ECEF坐标系原点的位置，矢量s则代表卫星相对于坐标原点的位置，而矢量r表示用户到卫星的偏移量，可以用矢量式表示为

（2.1）

矢量r的幅值为

（2.2）

令γ为r的幅值，有

（2.3）

设用户位置坐标为

卫星的坐标为

，则上式可改写为

，（2.4）

然而接收机的时钟一般与卫星的系统时之间有一个偏移误差

，因此前面的方程式可记为：

，（2.5）

为了确定用户的三维位置

和偏移量

，只要对4颗卫星进行伪距测量，

即可得到方程组

，（2.6）

式中，j的范围是1-4，指4颗不同的卫星。

上式可展开成以

。

和

等未知数表示的联立方程：

（2.7）

（2.8）

（2.9）

（2.10）

求解该方程组就可以得到用户的位置（

）。

2.3用户大地坐标（纬度、经度和高度）的确定

2.3.1WGS84大地坐标系

在GPS中所使用的标准地球模型是图2.7中所示的美国国防部世界大地1984（WGS84）[16]。

其几何定义是:

原点是地球质心，Z轴指向国际时间局（BIH）1984.0定义的协议地球极（CTP）方向，X轴指向BIH1984.0的零子午面和CTP赤道的交点，Y轴与Z轴、X轴构成右手坐标系。

WGS84提供了地球形状的椭球模型，如图2.6所示。

图2.6WGS-84大地坐标系

图2.7地球的椭球模型（与赤道面正交的横截面）

在这种模型中地球平行于赤道的横截面为圆，而地球赤道得横截面半径为6378.137km,这是地球的平均赤道半径。

在WGS84地球模型中，垂直于赤道面的地球横截面是椭圆在包含有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的值与面给出的平均赤道半径相同。

图2.7所示的椭圆横截面的短轴与地球的极半径相对应在WGS-84中半短轴b取为6356.7523152km，因而地球椭球的偏心率e可由式2.23确定:

（2.23）

WGS-84中取

=0.00669437999014。

从导航电文中获取的GPS卫星位置使用WGS-84坐标表示的，计算得到用户位当然也是WGS-84坐标值。

卫星轨道时GPS控制段根据在地面监控站对码和载波相测量的结果计算出来的。

对监控站WGS-84系下的坐标值的精确推算是GPS实际应用WGS-84坐标系关键的一步。

1980年，坐标值的精度为1～2m。

此后根据更精确的监控坐标值（现在到了厘米级）。

有时也用另一参数来描述参考椭球的特征，即第二偏心率

，其定义为

（2.24）

WGS84中取

=0.00673949674228。

表2.1WGS84基本参数（1997年修改）

参数

值

椭球半径

6378137.0m

椭球扁度的倒数

298.257223563

地球角速度

7292225.0×10-11rad/s

地球重力常量

3986004.418×108m3/s3

真空中的光速

2.99792458×108m/s

2.3.2求解大地坐标

ECEF（earthcenteredearthfixed地心地固）坐标系是固定在WGS-84参考椭球上的，图2.6所示，点o相应于地球中心。

现在可以相对于参考椭球来定义纬度、经度和高度参数了。

当用这个方式进行定义时，这些参数称为大地坐标。

在ECEF系中给定了接收机的位置矢量u=（

）的条件下，可以用

平面中测量的用户与x轴之间的角度计算出大地经度（

）:

（2.25）

在式（2.25）中，负的角度相应于西经度数。

纬度（

）和高度（h）等大地参数用用户接收机处的椭圆法线来定义。

在图2.7中，椭球法线用单位矢量n来表示。

GPS接收机相对于WGS-84椭球计算其高度，然而，在一些地方由于WGS-84椭球与大地水面（当地平均海平面）之间的差异，在地图上给出的海拔高度可能与从GPS导出的高度有较大的差异。

大地高度就是用户（在矢量u的末端点）和参考椭球之间的最小距离。

大地纬度椭球法线矢量n和n在赤道（

）平面上的投影之间的夹角。

一般情况下，如果

>0（亦即用户在北半球），必取正值;而如果

<0，少取负值。

对照图2.6，大地纬度就是∠NPA，这里N是参考椭球上最接近用户的那一点，P是沿n的方向上的直线与赤面相交的点，而A就是赤道上最接近于P的那个点。

2.4根据经纬度快速计算两点间距离的算法

目前GPS全球定位系统已经被广泛的应用于各类精确定位的服务之中，正是因为GPS对单点定位的精确性，使得准确计算已知经纬度的两点间距离成为一种替代传统测距方式的趋势。

下面就对两种简易的针对经纬度求解距离的算法进行介绍[17]。

2.4.1地面弧长近似弦长法

已知A、B两点的经纬度，首先在两点间选择一个基准点C，利用公式L=πRα（α为两点间经度或纬度的夹角，R为半径）求得两点间经度圈上和纬度圈上的弧长。

对于经度圈，半径即为地球半径，这里令其值为地球的平均半径6371.004Km；对于纬度圈，半径为地球半径乘以基准点纬度值的余弦。

由于在小范围内地球表面可以视为平面，因此我们能够将弧长近似为弦长，最后利用矩形对角线的求值公式:

求出对角线的长度，即可近似等于地球上两点间的距离。

上述过程的公式表示如式（2.26）:

图2.9由经纬度计算距离原理图

（2.26）

2.4.2空间两点间距离法

由于GPS接收机所结算出来的数据是基于大地坐标系下的地理坐标，不能直接使用空间两点间距离公式来计算，因此，需要先将大地坐标系下单点的经度（L）、纬度（B）和高度（H）转化为地心空间直角坐标，转化公式如式下[18]:

（2.27）

其中，a可取为地球赤道半径6378.137Km，e2=0.00669437999014

假设通过上式转换得到的在地心空间直角坐标系下两点的坐标分别为（x1，y1，z1）和（x2，y2，z2），则由空间两点间距离公式2.28即可求得距离。

，（2.28）

2.5本章小结

本章对GPS导航定位的原理进行了详细的介绍。

首先介绍了卫星信号测距的原理，然后介绍了用户位置的测算、用户大