沈阳航空工业学院
课 程 设 计
题目 班 学 学 生 指 导 （论文）
浅析差分GPS的算法 级 84070401 号 2008040704013 姓 名 贺孝军 教 师 徐光延
目 录
0. 前言 .................................................................... 1 1. 总体方案设计 ............................................ 错误！未定义书签。
1.1 转速计的硬件总体方案设计 ........................... 错误！未定义书签。 2. 硬件设计 ................................................................. 2
2.1 传感器测速实验 ..................................... 错误！未定义书签。 3.软件设计 .................................................................. 2
3.1 键盘扫描程序的设计 ................................. 错误！未定义书签。 3.2 转速测量子程序 ..................................... 错误！未定义书签。 4. 调试分析 ................................................................. 8
4.1 调试分析的一般过程 .................................................. 8 4.2 硬件调试及故障分析 .................................................. 8 5. 结论及进一步设想 ........................................................ 10 参考文献 ................................................................... 10 课设体会 ................................................................... 11 附录1 仿真电路图 ......................................... 错误！未定义书签。 附录2 程序清单 ........................................... 错误！未定义书签。
沈阳航空工业学院课程设计论文 光断续器转速计的设计
浅析差分GPS的算法
贺孝军 沈阳航空航天大学航空航天学部
摘要：全球定位系统（Global Positioning System - GPS）是英文Navigation Satellite Timing and Ranging/Global positioning System的字头缩写词Navstar/GPS的简称。它的含义是利用导航卫星进行测时和测距，以构成全球定位系统。从GPS系统开始发展到现在已经有40多年了，目前应用的是GPS第二代，标志着实验系统的结束。第二代主要解决了GPS系统定位精度的问题，但是系统抗干扰、抗欺骗问题还没有得到根本解决。而抗干扰、抗欺骗问题的研究也是目前全球卫星导航（GNSS）业界研究的热点问题。本文介绍了GPS 25XL的星历数据及位置数据遵从的标准，详述了差分GPS技术在消除电离层、对流层误差方面的算法，同时对RTCM SC-104电文格式进行了分析，并在此基础上给出了构造RTCM SC-104格式差分数据的方法，为相应产品的开发提供了有益的经验。 关键词：全球定位系统；差分GPS；RTCM SC-104；算法。
0. 前言
整个GPS定位系统由三部分组成，即由GPS卫星组成的空间部分、由若干地面站组
成的地面监控系统和以接收机为主体的用户设备。三者有各自独立的功能和作用，但又是有机配合、缺一不可的整体系统。
空间部分由GPS卫星组成。目前，GPS星座共有24颗卫星，均匀分布在倾角为55°的6个轨道上，即各轨道升交点（与赤道交点）之间的角距为60°，每轨道均匀分布4颗卫星，相邻轨道之间还要彼此叉开40°，以保证全球均匀覆盖的要求。3颗在轨的备用工作卫星随时可替代发生故障的其他卫星。地面监控系统由一个主控站、三个注入站和五个监控站组成。其主要作用是：跟踪观测GPS卫星，计算编制卫星星历；监测和控制卫星的健康状况；保持精确的GPS时间系统；向卫星注入导航电文和控制指令。GPS接收机的任务是能够捕获到GPS卫星发送的导航定位信号，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，实时地计算出本地接收机的三维位置、三维速度和时间。
GPS工作卫星上装备了无线收发两用机、铯原子钟、计算机、两块太阳能翼板以及其他装备。每颗卫星以两个L波段频率发射载波无线电信号：
L1=1575.42MHz（波长约19cm） L2=1227.6MHz（波长约24cm）
在L1载波上同时调制P码（精码）和C/A码（粗搜索码），在L2载波上只调制P
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码。在美国政府最初的设计中，GPS向社会提供两种服务：标准定位服务（SPS）和精密定位服务（PPS）。PPS使用P码定位，只提供给军事和特许用户使用，其定位精度为10米左右；SPS使用C/A码定位，向全世界开放，供民间用户使用。GPS的定位精度是受到控制的，控制通过反欺（Antispoofing，AS）和选择可用性（Selective Availability，SA）两种加密特性来实现。P码一般不加密，SPS用户也能接收到。但是当控制区段启动卫星中的AS工作模式时，P码便被加密构成Y码，此时SPS用户就收不到精密码，也就不能应用其进行测距。实施SA的目的是为了让SPS用户不能充分得到系统的精度，通过有意使频率漂移和降低轨道精度，使C/A码原有的定位精度从20～40m降低到100m。
现在美国根据形势对全部卫星取消了SA政策，这使差分GPS（DGPS）的精度有了更大提高，但修正速率因不受SA的影响而放慢。因此，即使取消了SA政策，DGPS仍然具有很高的利用价值，是重要的导航定位产品之一。商用的差分GPS设备已经投入使用，其用户设备采用双工传输的串行I/O通用通信接口，并采用通用的RTCM SC-104电文格式。分析差分数据电文格式有助于我们利用RTCM格式的差分改正信号，修正定位误差。本文将详细介绍差分GPS算法。
1. GPS定位原理
GPS系统的基本定位原理是根据高速运动的卫星瞬间位置作为已知的起算数据，采用空间距离后方交会的方法，确定待测点的位置。其工作原理是基于卫星的距离修正。接收机通过测量到太空各可视卫星的距离来计算其当前位置，卫星的位置相当于精确的已知参考点。每颗 GPS 卫星时刻发布其位置和时间数据信号，这些信号包括可用于授时的准确至纳秒级的时间信息；用于预报未来几个月内卫星所处概略位置的预报星历；用于计算定位时所需卫星坐标的广播星历，精度为几米至几十米（各个卫星不同，随时变化）；以及GPS系统信息，如卫星状况等。卫星上的时钟控制着测距信号广播的定时。本地接收机也包含有一个时钟，假定它与卫星上的时钟同步，接收机接收到一颗卫星发送的数据后，将导航电文解码得到导航数据。定时信息就包含在导航数据中，它使接收机能够计算出信号离开卫星的时刻。同时接收机记下接收到卫星信号的时刻，便可以算出卫星至接收机的传播时间。将其乘以光速便可求得卫星至接收机的距离R，这样就把接收机定位于以卫星为球心的球面的某一个地方。如果同时用第二颗卫星进行同样方法的测距，又可将接收机定位于以第二颗卫星为球心的第二个球面上。因此接收机就处在两个球的相交平面的圆周上。当然也可能在两球相切的一点上，但这种情况只发生在接收机与两颗卫星处于一条直线时，并不典型。于是，我们需要同时对第三颗卫星进行测距，这样就可将接收机定位于第三个球面上和上述圆周上。第三个球面和圆周交于两个点，通过辅助信息可以舍弃其中一点，比如对于地球表面上的用户而言，较低的一点就是真实位置，这样就得到了接收机的正确位置。
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在上述求解过程中，我们假定本地接收机与卫星时钟同步，但在实际测量中这种情况是不可能的。GPS星座内每一颗卫星上的时钟都与一个叫做世界协调时（UTC，即格林尼至时间）的内在系统时间标度同步。卫星钟差可根据导航电文中给出的有关钟差参数加以修正，其基准频率的频率稳定度为10左右。而本地接收机时钟的频率稳定度只有10左右，而且其钟差一般难以预料。由于卫星时钟和接收机时钟的频率稳定度没有可比性，这样，就会在卫星至接收机的传播时间上增加一个很大的时间误差，严重影响定位精度。为解决这一问题，我们通常将接收机的钟差也作为一个未知参数，与本地接收机的ECEF坐标（ECEF坐标系的定义在前序实验中已经给出）一起求解。这样，由于有4个未知量，我们就需要同时观测到4颗卫星，由4个方程将其解出。解出的接收机钟差可以用来校正本地接收机的时钟，这使得GPS接收机同时具有授时功能。
卫星实时位置的解算需要已知这颗卫星的星历和GPS时间，这在前序实验中已经做过相应介绍。由于GPS卫星属于中轨道卫星，卫星信号在传输过程中又会产生诸如对流层误差、电离层误差、相对论效应误差等各种实时传输误差，因此，由上述方法得出的卫星至接收机的传输时间并不准确，而由其乘以光速得出的距离也不是卫星到达接收机的真实距离（Range），只能叫做伪距（Pseudorange）。其含义就是“假的距离”，因为其中包含有各种误差。直接由伪距求解出的接收机位置会出现很大的误差，因此在求解前首先要把各种误差从伪距中消去。
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2. DGPS算法介绍
GPS定位是利用一组卫星的伪距、星历、卫星发射时间等观测量和用户钟差来实现的。要获得地面的三维坐标，必须对至少4颗卫星进行测量。在这一定位过程中，存在3部分误差：第一部分误差是由卫星钟误差、星历误差、电离层误差、对流层误差等引起的；第二部分是由传播延迟导致的误差；第三部分为各用户接收机固有的误差，由内部噪声、通道延迟、多径效应等原因造成。利用差分技术，第一部分误差可以完全消除；第二部分误差大部分可以消除，消除程度主要取决于基准接收机和用户接收机的距离；第三部分误差则无法消除。下面，我们主要介绍消除由于电离层延迟和对流层延迟引起的误差的算法。在算法中使用的时间系统为GPS时，坐标系统为WGS-84坐标系。 2.1消除电离层误差的算法?
我们主要通过电离层网格延迟算法来获得实际的电离层延迟值，以消除电离层误差。具体过程如下：解算星历，得出卫星位置→求电离层穿透点位置→求对应网格点→求网格4个顶点的电离层延迟改正数→内插获得穿透点垂直延迟改正数→求穿透点的实际延迟值。?
2.1.1 卫星位置的计算 ?
解算出星历数据后，加入星历修正和差分信息，便可计算出卫星位置。从GPS OEM板接收到的是二进制编码的星历数据流，必须按照本文前面部分列出的数据结构解算星历数据，再依据IEEE-754标准将其转换为十进制编码的数据。在这里，需要解算的参数有：轨道长半轴的平方根（sqrta）、平近点角改正（dn）、星历表基准时间（toe）、toe时的平近点角（m0）、偏心率（e）、近地点角距（w）、卫星轨道摄动修正参数（cus cuc cis ciccrs crc）、轨道倾角（i0）、升交点赤经（omg0）、升交点赤经变化率（odot）。?
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