GPS卫星

关键词： 测时 定位精度 设点 导航

GPS卫星（精选十篇）

GPS卫星 篇1

但是,不可避免的,GPS卫星定位测量仍然存在着测量误差,影响其定位精度因素分为以下四大类:与GPS卫星有关的因素、与传播路径有关的因素、与观测接收设备有关的因素以及其它因素。

1 与GPS卫星有关的因素

1.1 星历误差

在进行GPS定位时,计算在某时刻GPS卫星位置所需的卫星轨道参数是通过各种类型的星历提供的,但不论采用哪种类型的星历,所计算出的卫星位置都会与其真实位置有所差异,这就是所谓的星历误差。星历误差是GPS测量的重要误差来源。

消除星历误差的方法主要有:①建立卫星观测网独立定位法。这对于保证定位的可靠性和精度都是至关重要的措施。如果跟踪站的数量和分布选择得当,实测星历有可能达到10-7的精度,这对提高精密定位的精度将起着显著作用。②相对定位差分技术法。因为星历误差对相对不太远的两个测站的影响基本相同,采用接收机间的一次差分观测值可消除卫星星历误差的影响。③轨道松弛法。所谓轨道松弛法,就是在平差模型中引入表达卫星位置的附加参数,通过平差求得测站位置和轨道改正数,从而改善轨道精度。不过这种方法不适合范围较小的测区,计算过程较复杂,不宜在作业单位普遍推广。

1.2 卫星钟差

卫星钟差是GPS卫星上所安装的原子钟的钟面时与GPS标准时间的误差。卫星钟有偏差和漂移,差1ms,相当于300km。

消除方法:使用同步观测相对定位方法。

1.3 卫星信号发射天线相位中心偏差

卫星信号发射天线相位中心偏差是GPS卫星上信号发射天线的标称相位中心与其真实相位中心之间的差异。

2 与传播路径有关的因素

2.1 离层延迟

由于地球周围的电离层对电磁波的折射效应,使得GPS信号的传播速度发生变化,这种变化称为电离层延迟。电离层折射误差与频率、时间及地点等因素均有密切相关。对GPS卫星频率来说,对测距的影响一般在50～100m[1]内变化。可见它对测量精度影响是不可忽略的,必须采取有效的措施来削弱它的影响。

对于电离层时延改正,双频接收机和单频接收机应采用的方法是不同的:①单频接收机,采用电离层模型来补偿它的影响。其基本思想是假定把整个电离层压缩到等效高度为H的一个单层L上,用该层代表整个电离层。②对双频接收机码相位测量或载波相位测量,由于电离层对L1和L2频率有色散作用,故可利用两个频率的相位观测值求出免受电离层折射影响的相位观测值。

2.2 对流层延迟

对于地球周围的对流层对电磁波的折射效应,使得GPS信号的传播速度发生变化,这种变化称为对流层延迟。对流层折射率与大气压力、温度和湿度密切相关。由于大气的对流作用很强,大气状态变化复杂,所以大气折射率的变化及其影响比较复杂。

减弱对流层折射的措施主要有:采用对流层模型加以改正;引入描述对流层影响的附加待估参数,在数据处理中一并求得;利用同步观测值求差;利用水气辐射计直接测定信号传播的影响。此法求得的对流层折射湿分量的精度可优于1cm。

2.3 多路径效应

由于接收机周围环境的影响,测站周围的反射物所反射的卫星信号进入接收机天线,使得接收机所接收到的卫星信号中还包含有反射和折射信号的影响,这就是所谓的多路径效应。多路径效应是GPS测量中的一种重要的误差来源,它严重影响GPS测量的精度。反射物可以是地面、山坡、高层建筑等。由于反射波一部分能量被反射面吸收,GPS接收天线为右旋圆极化结构,也能抑制反射波,因此反射波除了存在相位延迟外,信号强度一般也会减少。

目前减弱多路径误差的方法有:选择合适的站址;测站应远离大面积平静的水面,不宜选择在山坡、山谷和盆地中,应尽量远离高层建筑物;在天线中设置抑径板,接收机天线对于极化特性不同的反射信号应有较强的抑制作用。

3 与观测接收设备有关的因素

3.1 接收机钟差

接收机钟差是GPS接收机所使用的钟的钟面时与GPS标准时之间的差异。

减弱接收机钟差的方法有:①把每个观测时刻的接收机钟差当作一个独立的未知数,在数据处理中与观测站的位置参数一并求解。②把各观测时刻的接收机钟差间作相关处理,将接收机钟差表示为时间多项式,并在观测量的平差计算中求解多项式的系数。③通过卫星间求一次差来消除接收机的钟误差。

3.2 接收机天线相位中心偏差

接收机天线相位中心偏差是GPS接收机天线的标称相位中心与其真实的相位中心之间的差异。

在实际工作中若使用同一类天线,在相距不远的两个或多个测站同步观测同一组卫星,可通过观测值求差来减弱相位偏移的影响。但这时各测站的天线均应按天线附有的方位标进行定向,使之根据罗盘指向磁北极。

3.3 接收机软件和硬件造成的误差

在进行GPS定位时,定位结果还会受到诸如处理与控制软件和硬件等的影响。

3.4 天线相对旋转产生的相位增加效应

4 其它误差

4.1 GPS控制部分人为或计算机造成的影响

由于GPS控制部分的问题或用户在进行数据处理时引入的误差等。

4.2 数据处理软件的影响

数据处理软件的算法不完善对定位结果的影响。

4.3 固体潮、极潮和海水负荷的影响

4.4 相对论效应。

卫星钟和地面钟由于存在相对运动,从地面观测,卫星钟走得慢,影响电磁波传播时间的测定。

结论

因为在GPS测量中受以上各种误差的影响,所以我们在实际工作中要严格按照测量规程的要求进行操作,尽量减弱各种误差的影响。又因为高精度GPS仪器设备较昂贵,一般的单位或部门很难承受,所以建议对从事一般测量的单位来说选用一般精度的GPS仪器或用传统测量仪器即可;对于承接高精度精密定位的较大单位就要用高精度的GPS仪器,以保证测量成果精度满足要求。

参考文献

[1]孔祥元,梅是义.控制测量学上册(第二版) [M]]武汉大学出版社,2002.2.

[2]付水旺.浅谈GPS测量与误差分析[J].世界采矿快报,2000.16(10/11):406-407.

GPS卫星定位管理系统 篇2

座落于厦门软件园的都飞（福建）信息科技有限公司(flygps.com.cn/)，成立于2008年，注册资金500万元，拥有一体化的办公环境，一支专业的研发和服务队伍。

本着“诚信务实，以人为本”的经营理念，以“塑造最受客户尊敬和信赖的合作伙伴”为企业宗旨，致力于GPS卫星定位、GIS地理信息、RFID射频技术等专业领域的研发、生产、销售和运营。经过四个年头的发展，公司取得美国最大的flying gps(军工类）定位器于国内首家的福建总代理权，并且先后获得《诚信商家》称号、厦门市技术贸易机构、厦门市双软认证企业、福建省交通厅GPS运营资质、厦门、三明、龙岩等运管处GPS运营资质，拥有多项自主知识产权（软件著作权，专利）等等。

都飞信息科技公司正是凭借着优质的服务和务实的作风，树立了良好的企业形象，在智能交通，GPS卫星领域奠定了坚实的基础，并创造了辉煌的成就，为城市的交通智能化，信息完善化作出了巨大的贡献。

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一站式GPS整体解决方案，移动位置应用解决方案；GPS卫星定位管理系统、ERP管理系统、OA办公系统、RFID射频技术应用、智能交通系统、安防监控系统等软件和相关硬件产品的开发与销售，并提供优质的技术咨询与服务。企业目标

客户至上，服务第一 科技领先，再创佳绩 管理理念 诚信 协作 责任 创新

发展愿景

纽曼GPS-E666卫星导航系统 篇3

对于每一个司机来说，GPS设备是非常有用的，但在目前的国内市场障碍其普及发展的最大问题是产品售价，与国外相对低廉的售价相比，国内GPS动辄四五千元的价格这让很多有此需求的用户望而却步，这种情况下售价低廉的GPS当然更受关注。近期纽曼推出了一款具备卫星导航系统GPS-E666，以1999元的低价显示了纽曼不仅致力于打造强势的影音娱乐品牌，同时也开始进军新领域以求更大发展的决心。

MP4式外观设计

GPS1：E666采用了3.5英寸屏幕，显示效果清晰，色彩还原真实

GPS-E666的包装很有特点，一个方方正正的红色大盒子，并且采用了很新颖的三层抽屉式开关设计，这样的好处是可以最大化的利用空间。 E666的配件可以算得上非常丰富，包含布套、数据线、耳机、车载充电器、交流充电器、吸盘支架以及用来进行触摸屏操作的触控笔等。

也许是由于以数码影音产品起家的原因，纽曼把GPS-E666的外观也设计得要比一般概念里的GPS小巧许多，倒是更像一部MP4播放器。它采用了正面黑色、背面黑色以及透明塑料固定架结合搭配，几个按键被喷成了金属银色。在机身的背后，是一个可以翻起150度的GPS信号接收天线，一般来说，当这个天线与地面保持平行市会有最好的接收效果。机身右侧上方，是触控笔的插槽，不过个人感觉有些松散，当遇到翻转或是比较大的颠簸时，触控笔很容易掉出来。USB数据/充电接口以及耳机输出口也被放置在了机身右侧，小USB口既可以作为传输数据用，又是充电器的接口，平时插到电脑上，还可以利用电脑为系统充电。不过与触控笔插槽同样的问题在于做工不够精细，USB口外用于保护的塑胶封口甚至很难能严实的合上。机身左侧分布有电源开关和SD/MMC存储卡槽，虽然E666已经内置有大概1GB的空间，但存放导航软件和地图数据后所剩空间就不多了，所以外置存储卡可以让用户得到更多想要的空间。

E666采用了3.5英寸26万色低温多晶硅触摸液晶显示屏，分辨率为320×240像素，显示效果清晰锐利，色彩还原真实，过渡自然。屏幕右侧是E666的主要控制按键，上半部分圆形区域是四向导航键，控制前进后退和音量大小。中间是ok确认键。往下是主菜单“MENU”键、录音“REC”键和推出“EXIT”键。另外，在这排按键的上端还有一个MIC孔，下端左侧还分布有外置扬声器，这两功能部位设计在机身正面有利录音和声音的发散，比较合理。

娱乐为先的功能设计

GPS-E666采用了凯立德V2.0.0版本导航软件以及SiRF第三代高效能芯片，接收传送搜寻卫星信号灵敏度更高，定位时间非常快，最多可同时接收20颗卫星，定位误差可以确保在15米之内。使用者设定目的后，系统就能自动计算出一条最佳路径，同时在行进过程中会有自动语言提示，不仅如此，在行车的过程中，还有剩余距离、剩余时间等行程信息说明，帮助使用者安全快捷地到达目的地。

既然是纽曼的产品，那么E666在MP4播放功能上也决不会逊色，它支持AVI视频以及SWF格式动画播放，支持MP3、WMA等格式音乐播放及歌词同步显示和播放列表，五种EQ音效播放模式，支持喇叭、耳机两种选择方式。同时，支持Internet最流行的各种MacroMedia Flash7动画SWF格式播放，支持JPEG、BMP、GIF格式的图片浏览和内置高品质MIC实现高清晰录音等，娱乐功能十分强大。

实际路测表现

用随机附带的车载点烟器电源与E666连接，并选择卫星导航功能后经过大约5分多钟便与卫星建立了有效连接。需要说明的是，大概是由于E666采用USB口连接的原因，当接通电源后会出现“是否开启USB与电脑连接”的提示，这时需要选择“否”，才能进入正常页面。在行驶中笔者发现，卫星一直维持在4至5颗，由此可以看出E666的信号接收能力还是相当不错的。

具体到导航效果而言，还是让人满意的，刷新速度也较为及时，没有明显懈怠。语音提示非常清晰，“开始导航”、“前方300米左转”的提示即使在嘈杂的环境中也能清楚传入耳中。特别值得表扬的是在地图的详尽程度上，以往笔者测评过几部GPS都没能涵盖自家的小区，但在E666的导航点上却赫然出现了“小井润园”的名字，这让笔者颇有些激动不已。不过，这款GPS的缺点是当选择“北方向上”时，方向提示也以其为中心轴改变，因此有时当车往南开时会出现应当右转，提示却是左转的情况，让人有些摸不着头脑。

总结

纽曼这款将价格控制在2000元以内的多功能型GPS具有相当的性价比，导航质素毋庸置疑，而在整体性能上音乐播放、视频播放、录音和图片浏览功能都全都具备，这使得E666的市场前景非常看好。

亮点

1、类似于MP4造型的小巧机身

2、强大的多媒体娱乐功能

3、价格经济，具有较高的性价比

缺憾

细节做工稍显粗糙，不够精细

总体评价

用MATLAB计算GPS卫星位置 篇4

1 标准格式RINEX格式简述

在进行GPS数据处理时,由于接收机出自于不同厂家,所以厂家设计的数据格式也是五花八门的,但是在实际中,很多时候需要把来自不同型号的接收机的数据放在一块进行处理,这就需要数据格式的统一,为了解决这种矛盾,RINEX(英文全称为:The Receiver Independent Exchange Format)格式则应运而生,该格式存储数据的类型是文本文件,数据记录格式是独立于接收机的出自厂家和具体型号的。由此可见,其特点是:由于是通用格式,所以可将不同型号接收机收集的数据进行统一处理,并且大多数大型数据处理软件都能够识别处理,此外也适用于多种型号的接收机联合作业,通用性很强。

RINEX标准文件里不是单一的一个文件,而是包括如下几种类型的文件[1]。

(1)观测数据文件(ssssdddf.yyo),记录的是GPS观测值信息,(OBServation data,简写OBS,为接收机记录的伪距、相位观测值;O文件,如XG012191.100)。

(2)导航电文文件(ssssdddf yyn),记录的是GPS卫星星历信息(NAVavigation data,简写NAV,记录实时发布的广播星历;N文件,如XG012191.10N)。

(3)气象数据文件(ssssdddf.yym),主要是在测站处所测定的气象数据(METerological data,简写MET,记录气象仪器观测的温、压、湿度状况;M文件,如XG012191.10M)。

(4)GLONASS导航电文文件(ssssdddf.yyg),记录的是地球同步卫星的导航电文。

由上述可见,RINEX文件的命名规则为ssssdddf.yyt(t指的是数据类型,不同的文件,t所代表的字母不同),其中文件名前四个字母(ssss)指的是测站名,一般是用字母和数字的组合来定义,方便识别,用户自己定义。紧跟着的三个字母(ddd)指的是第一组数据的年积日(年积日是仅在一年中使用的连续计算日期的方法,是从当年1月1日起开始计算的天数。例如:每年的1月1日为第1日,2月1日为第32日,以此类推)如219表示8月7号,年积日的计算可通过在网上下载软件进行快速计算,也可自己编一个小程序计算。f指的是观测当天文件的观测序列号,其可以在0～9或A～Z中取值,如果文件序号取值为0,则其意味着今天一天观测的所有数据都放在该文件中,用户则不用在所有文件中一一去找当天的某个文件,只需在此文件中进行查询即可。对于f的理解,还有一点需要注意,通过下面的例子来进行说明:在某一天,用GPS测量进行某一项目的时候,共使用了3台GPS接收机,由于各种原因,用户分为三个时间段来进行:第一时间段,三台接收机全部启用;第二时间段,启用两台接收机;第三时间段,三台接收机又全部工作,那么在第一时间段,三台接收机所接收到的数据文件编号则都为1,在第二时间段,参与工作的两台接收机接收到的观测数据文件编号为2,在第三时间段,又是所有三台接收机参与观测,那么在该时间段,这三台接收机所对应的文件编号就为3。由此可见,文件序号的编排不是以某台接收机在该天的观测时段为基础定义,而是用用户所进行的整体项目在该天的同步观测时段为基础的。RINEX文件命名里的yy指的是年的后两位数字,如对于2013年,则yy为13。

RINEX文件命名里后一位o,n,m,g则标识的分别是观测数据文件、导航电文文件、气象数据文件以及GLONASS导航电文文件。此标准文件是纯ASCII码文本文件,所有类型的文件都由两部分组成,文件头和数据记录。文件头和数据记录的区分界是END OF HEADER,文件头里每条记录占一行,列宽不超过80,并且第61～80列是对前面列数据记录内容的说明,称为标签。数据记录里如果一行写不下,则在第二行继续数据的记录。

1.1 GPS观测数据文件

GPS观测数据文件中储存的数据是与确定GPS整周未知数息息相关的信息,主要包括星历、卫星数、测站概略坐标、伪距信息、载波相位观测量信息等。下面分别通过表1和表2对GPS观测数据文件的文件头和数据记录里每个记录的含义进行详细说明,以便更清楚的看懂观测数据文件。

GPS观测数据文件的文件头里每个标签的含义如表1所示。

GPS观测数据文件里数据记录里每一行的含义如表2所示。

本文中所使用的算例里观测数据文件XG032191.100的头文件和部分数据记录如图1与图2所示。

1.2 导航数据文件

GPS导航文件也是计算卫星瞬时位置必不可少的文件,因为卫星星历、时钟改正、偏心率、轨道摄动改正、大气折射改正等导航信息是用户用来实时定位和精确导航的必备数据。

导航文件仍然包括头文件和数据记录两部分,数据文件中数据之间是用空格或回车符隔开的,因为有这样的规律,所以用MATLAB编程读取数据的时候就可利用这点进行数据的获取的控制。

GPS导航数据文件的头文件不像观测数据文件那样信息丰富,其仅仅只是对RINEX版本号、观测类型、文件纲要名称、文件机构名称、文件建立日期相关信息进行说明,同观测文件一样,前60列是数据,61～80是标签说明,并以END OF HEADER作为文件头的结束标志。

GPS导航数据文件里的数据记录部分相对较复杂,牵扯到的内容较多,其每一行每一项的含义如表3所示。(如图3,4)

2 卫星坐标的计算步骤

由于在GPS定位和导航的时候,用户都是把GPS卫星的位置作为已知量来对待,并且GPS定位所用的坐标系是世界大地坐标系WGS-84。所以就先必须根据GPS接收机观测的相应星历数据,解算出GPS卫星在WGS-84坐标系中的瞬时位置。

为了后面计算方便,先对广播星历中涉及到的计算卫星坐标的一些轨道参数进行说明,如表4所示。

由于每隔两个小时,GPS接收机收到的广播星历才更新一次,所以用户在根据接收机收到的卫星导航电文汇总的广播星历参数推算GPS的瞬时坐标的时候,一定要选取与GPS卫星的瞬时坐标时刻最相近的那组广播星历数据[2],否则误差将会很大。

首先由已知的GPS接收机接受时刻的钟面时tr,根据公式换算出GPS卫星发射时刻的钟面时ts[3]:

ts=tr-ρ/c (1)

其中:tr可由观测文件直接读取,ρ为伪距,是观测GPS卫星与观测GPS接收机之间的距离(由于这个距离里含有电离层误差、对流层误差等各种误差,不是GPS卫星与GPS接收机之间的真实距离,所以称为伪距),本次算例读取的是P2码伪距观测量,c为光速,值为3×108m/s。

下面就是按照公式,读取相应的广播星历参数,计算观测时刻ts的GPS卫星瞬时坐标:

(1)GPS卫星在空中运行的平均角速度n:

式中:GM为地球引力常数,GM=3.986005×1014m3/s2;为卫星轨道长半轴的平方根,Δn为摄动改正数,这两个数值都可在导航电文中直接读取。

(2)归化时刻。

对观测时刻ts进行卫星的钟差改正:

为求得观测时刻ts所对应的轨道参数,则需从导航电文中给出的对应于参考时刻toe的GPS卫星轨道参数推算而得。两个历元的时间差(归化时间)tk计算如下:

其中:toe、a0、a1、a2可直接从导航文件中读取,为已知量。

GPS卫星发射时刻的GPS标准时ts计算方法如下:由具体事例可知,RINEX标准文件里记录的观测时刻t是用年、月、日、时、分、秒表示的,然而GPS广播星历中的参考时刻t是用GPS秒表示的,因此我们需要一个转化过程,把时间单位进行统一,于是把民用日中的年月日时分秒根据相应的公式换算为GPS秒,首先将观测时刻里的时分秒化为实数时,即:

UT=H+(min/60)+(sec/3600)(5)

然后将民用日的Y、M、D、UT化为儒略日(不记年月,只记日的历法),即:

JD=INT(365.25×y)+INT(30.6001×(m+1))

+D+(UT/24)+1720981.5 (6)

式中:INT表示的是对括号里的值进行取整运算。对于y、m的取值遵循下面的规则:如果月的值不大于2,则y=Y-1,m=M+12;否则y=Y,m=M。

最后把JD的值代入下列公式计算GPS秒:

GPS周=INT((JD-2444244.5)/7)(7)

GPS秒=(JD-2444244.5-GPS周×7)×24×3600 (8)

此外对于计算出来的tk还应做如下处理:tk>302400 s时,tk=tk-604800 s;当tk<-302400s时,tk=tk+604800 s。

(3)计算观测时刻卫星平近点角Mk。

Mk=M0+ntk (9)

式中:M0为参考时刻的平近点角,在导航电文中直接读取;n为GPS卫星运行的平均角速度,在第一步已算出,tk在第二步已算出。

(4)计算偏近点角Ek:

式中各个字母的含义如下:e为卫星轨道偏心率,在导航电文中直接读取;Mk在第三步中已算出,Mk和Ek单位均为弧度,从该式中中可以看出,计算偏近点角必须采用迭代法。偏近点角Ek的初始值可取

Ek=Mk,代入上式,计算出偏近点角Ek1,再代入上式,计算出偏近点角Ek2,依次一直迭代,直至两次迭代结果之差δE<ε=10-12时停止迭代,取该值为最终的偏近点角Ek。

(5)相对论效应:

其中,C为光速。

当tk1>302400 s时,tk1=tk1-604800 s;当tk1<-302400 ss时,tk1=tk 1+604800 s。

由于相对论效应的影响,规划时间tk发生变化,于是需要把tk1代到式(9)和式(10)中重新计算后续过程需要的Mk和Ek的值。

(6)真近点角fk:

在用M ATLAB计算真近点角fk时应注意:式中的arctan函数应采用atan2函数。

(7)升交距角Φk:

其中:fk已在上一步计算出来了,ω为近地点角距,可在导航电文中直接读取。

(8)计算升交距角Φk的摄动量δu、卫星失径r的摄动量δr、轨道倾角i的摄动量δi:

其中:Cus,Cuc,Crs,Crc,Cts,Cic均可从导航电文直接读取,为已知量。

(9)计算经过摄动改正的升交距角uk、卫星的地心距离rk及轨道倾角ik:

式中:i0为参考时刻的轨道倾角,(di/dt)为轨道倾角变化率,均可从导航电文直接读取,为已知量。

(10)计算卫星在轨道坐标系中的位置:

(11)计算卫星在世界大地坐标系中的坐标修正后的升交点经度Ωk:

其中:Ω为升交点赤经变化率;Ω。为参考时刻的升交点赤经;、Ω。均可从导航电文直接读取;ωe为已知量,为地球自转速率,值是一个定数,ωe=7.2921151467×10-5(rad/s)。

(12)最后将卫星在轨道坐标系的坐标经坐标转换,换算出卫星在WGS-84坐标系的瞬时位置:

3 卫星坐标的计算实例

为了验证本文的计算卫星坐标的理论,本人经过实地设置观测点XG01和XG03,从8月7日1:37:00开始观测,8月7日2:47:30结束观测过程。数据格式为RINEX标准格式,无需转换。观测数据文件XG012191.100里观测数据的读取、观测数据按照定义的卫星名存放,XG012191.10N里定义卫星名的相关的导航数据的读取和存放,GPS卫星瞬时位置的计算,以上的这些过程都在MATLAB环境中实现,图5就是在M ATLAB环境里计算、绘制出的GPS卫星名为14、20、29、31和32在观测时间段的空间运行轨迹图。

4 结论

快速准确计算出GPS卫星在WGS-84坐标系下的瞬时位置是GPS定位里很基础、很重要的问题,由文中描述可知,计算步骤比较繁琐,需要注意的细节也很多,牵扯到的符号也很多。从自己对实例的计算经历中来看,我觉得在使用卫星计算公式计算卫星瞬时坐标的时候特别要注意以下三个问题。

(1)由于每隔两个小时,GPS接收机收到的广播星历才更新一次,所以用户在根据接收机收到的卫星导航电文汇总的广播星历参数推算GPS的瞬时坐标的时候,一定要选取与GPS卫星的瞬时坐标时刻最相近的那组广播星历数据,否则误差将会很大。

(2)由于GPS定位系统的高空动态性,又因为卫星的发射时刻可唯一表征该时刻GPS卫星的坐标,因此应先由接收机钟面时计算出公式中所需的GPS卫星发射时刻的钟面时。

(3)必须把GPS接收机的观测历元换算成GPS秒,方可进行下一步。

摘要：本文主要介绍了GPS测量数据的常用格式RINEX标准文件格式,并利用MATLAB工具计算出所观测卫星里的五颗卫星(14、20、29、31和32五颗)在283个历元的瞬时位置,即所观测时间段里五颗卫星在WGS-84坐标下的空间运行轨迹。

关键词：RINEX标准文件,WGS-84下卫星位置,MATLAB工具

参考文献

[1]张妮,王标标.基于Matlab读取标准RINEX格式的GPS星历数据[J].电子设计工程,2010,18(8):23-25.

[2]王猛,张志伟.利用广播星历计算卫星的瞬时坐标[J].城市勘测,2010,2:89-90.

[3]刘勤志,尹长林,易重海.计算GPS卫星发射时刻的两种方法[J].长沙电力学院学报,2004,19(1):65.

关于终止GPS卫星定位服务申请函 篇5

清远市长宝信息科技有限公司:

为适应我省道路运输车辆卫星定位监控系统的使用和管理，强化各级交通运输主管部门、道路运输管理机构的监督责任和道路运输企业的安全监控主体责任，提高道路运输安全监管科技化水平，发挥道路运输车辆动态安全监管和安全事故的事前预防作用。

我车队原安装贵公司（长宝）GPS卫星定位设备14台，因根据上级管理部门的指示精神，需要提升及发挥GPS卫星定位监控的的作用；你公司的设备不能适应当前的管理应用，我车队申请终止与贵公司签订的GPS卫星定位服务《合同》，贵公司停止对我车队车辆的GPS卫星定位服务，原安装的GPS设备由贵公司自行拆除；双方解除《合同》终止日起，解除双方法定责任。

服务费用缴至2014年10月。

特此来函！

此致

顺祝

商祺

清远市二运公司公共汽车分公司

210车队队长：

GPS卫星 篇6

关键词：卫星地面站；时间；GPS；接口电路：研制

中图分类号：TPl8文献标识码：A 文章编号：1000-8136(2009)29-0006-03

GPS(clobal Positioning System)是全球定位系统的英文缩写与简称，是美国继子午仪卫星导航系统后发展起来的第二代卫星导航、定位、授时系统。该系统的研制始于1973年，经20余年3个阶段的研制和试验，耗资200亿美元，于1994年全面建成。它是具有在海、陆、空进行全方位定时和三维导航与定位能力的新一代卫星导航与定位系统。早期仅限于美国军方使用，现已对民间开放。

1 GPS在国家卫星气象中心及地面站的应用情况

20世纪80年代-90年代，国家卫星气象中心及3个地面站(北京站、广州站、乌鲁木齐站)的时间源，来自于本地配置的铷原子频牢标准和高精度及高稳定度的晶体震荡器，并通过短波接收机与陕西天文台的氢钟对时，使本地时间在相位上与陕西天文台的氰钟保持一致。

从1999年末开始，国家卫星气象中心及3个地面站的时间源都来自于GPS上的铷原子频率标准。广州站先后购进了3台GPS授时型接收机。

GPS授时型接收机是在OEM(原始数据接收板)的基础上制作而成。一般的GPS授时接收机仅提供串行时间码，供本机显示。

2卫星地面站对时间的要求

卫星地面站对时间的要求非常高。因为极轨气象卫星在离地面860 km的高度上空以地心为同心作圆周运动，瞬时线速度为7.9km/s。卫星进入地面站上空时，伺服跟踪天线要跟踪卫星直至卫星出境。伺服跟踪天线对极轨气象卫星的跟踪和接收采用的是全时序制，即伺服跟踪天线是根据轨道预报来运行的，而轨道预报又是在时间的基础上编制的，只有时间准确，天线才能跟踪准确。从某种角度来说，对极轨气象卫星的跟踪精度取决于时间精度。因此，高稳定度与高精度的时间对气象卫星地面站来说非常重要，连续、稳定、可靠的时间是业务运行的根本保证。

除伺服跟踪需要高稳定度与高精度的时间外，计算机系统中的运行控制微机、云图显示、储存、转发微机也需要高精度及高稳定度的时间。

有了高稳定度与高精度的时间源，地面站就可实现站内各在线设备间在时间上的同步、站与卫星中心在时间上的同步、站与卫星在时间上的同步。在这个基础上就能很好地完成卫星的跟踪及卫星云图数据的接收和转发。

3卫星地面站使用的时间格式

卫星地面站使用的时间格式有两种，即并行码与串行码。在20位时间并行码中，时、分、秒是按BCD码来编码及输出，其中时有6位，分有7位，秒有7位，共有20路TFL电平输出，另加l根地线，需21根并行输出线，这种时间码提供给极轨接收机伺服跟踪系统使用。在时间串行码中，时、分、秒按ASCLL码格式编码及输出，1位起始位，8位数据位，1位停止位，无奇偶效验，码数率为4800bps，为RS232电平，仅需用1根输出线。这种时间码提供给微机对时使用。

4接口电路研制背景

4.1并行码输出接口电路

一般的GPS授时设备只输出一路时间串行码。由于没备的特殊要求，供应商特意加了两路20位时间并行码的输出。但这两路输出驱动能力不强，带载能力弱，主要表现为20位时间并行码输出接到我们的接收机后，在接收跟踪天线转动时，伺服单片机上的时间显示有闪烁现象。此时，天线Y轴会出现收藏，造成轨道跟踪不正常。我们打开GPS授时设备机箱看，发现GPS并码输出驱动仅采用了单级74HC574驱动，驱动后分两路输出。如果仅提供给译码显示，驱动是措措有余的，但我们的接收天线在收图转动时，驱动电流较大，此时单片74HC 574驱动显然有些临界。因此，迫切需要研制20位并行码驱动电路，使得每台GPS授时设备输出的两路20位时间并行码能同时稳定、可靠地带两台接收机同时工作。

4.2串行码输出接口电路

GPS接收授时没备提供的串行码输出也是仅有一路。一路时间串行码输出仅能供一台微机对时，而我们在线的业务系统微机多达10台，显然时间串行码输出路数太少。因此也迫切需要研制两台一转十六串行码驱动器，彻底解决原GPS授时没备串行码驱动能力弱、驱动输出路数不够的问题。

5接口电路的制作

5.120位时间并行码接口电路

20位时间并行码接口又称20位时间并行码驱动器。该电路原理见图1。

5.2电路说明

20位并行码骄动器采用了二级驱动，时、分、秒分别对应一块驰动芯片74LS244，共使用了9片74LS244 芯片，对20位并行码中的每位信号进行了两级放大。电路合理地采用了先总驱动后分驱动的设计理念，这对电路的接入和今后故障的排查及确认都非常有利。例如：当两路并行码输出的时位(或分位或秒位)有故障，那么故障肯定出在两路共有的驱动级上，而当仅有一路并行码输出的时位(或分位或秒位)有故障，那么故障就肯定出在最后一级驱动级上，只要将对应的芯片换掉即可。

电路中的驱动芯片未采用原GPS授时设备驱动电路中采用的驱动芯片74HC574，而是采用长线驱动器74LS244，主要是考虑输出线比较长。

我们将GPS授时设备机箱内器件进行了重新排布，腾出了12cm×14cm的空间，故将20位并行码电路板尺寸设计为12cm×14cm，以便安装在GPS授时设备机箱内，用回机箱内的电源及输出接头。

5.3时间串行码接口电路的制作

(1)时间串行码接口电路又称为一转十六串行码驱动器。原理图见图2。

(2)电路说明：电路采用四线接收器MCl489及四线驱动器MCl488共同完成。该电路不但完成了信号电平的转换，而且还完成了信号的驱动。在普通的微机串行通讯口COMI或COM2上，只要接上一转十六串行码驱动器，启动超级终端程序及设置好码速率、通讯口等。便能收到GPS下发的原始串行数据，其中包括年、月、日、时、分、秒、经纬度及高程等信息。 该电路的调试颇费周折，原因是从MCl489的芯片接线图上看，使能端2，5，9，12脚为高电平有效端，因此，我们在设计这个高电平时，是通过电源接口电阻后提供的，但这样，MCl489的三态门输出始终为低电平，即输出不会随着输入的变化而变化。最后，我们将使能端2，5，9，12脚全都悬空(悬空也为逻辑高电平)，MCl489的输出才正常。

由于该电路用到三组电源(+5V、±12V)，有1个输入，16个输出，所以我们定制了机箱，将电路板安装在定制的机箱内。为了直观地观察信号的输入、输出状况，我们在机箱的前面板增加了信号指示灯，并将输入、输出线引至机箱前面板的指示灯上，其中第+灯为输入指示，第二个至第十七个灯为输出指示，每片MCl488对应四路输出，4片MCl488对应十六路输出。通过输出指示灯的亮、灭指示，我们很容易判断每片芯片的工作情况。

6GPS授时设备接口电路投入使用情况

GPS授时设备接口电路研制成功后，马上投入了业务使用。其中，20位并行码驱动器的投入使用，使每台GPS授时系统能同时、可靠地带两台接收设备正常工作，增加了每台GPS授时系统并行码输出的备份能力；两台一转十六串行码驱动器的投入使用，使得原来不足的对时接口一下子变得措措有余，为接收A，B两套系统及计算机A，B两套系统(共十余台微机)完全分开工作，打下了坚实的基础，为业务正常运行提供了强有力的保障。

针对新购买的GPS授时系统无现成的串行码对时程序，我们按串行码输出格式及码速率，用VB语言自编了可在WIN—DOWS 2000下运行的对时程序，使32台微机能通过两台一转十六串行码驱动器同时与GPS授时设备对时。

7加接口电路后的GPS授时设备信号流程框图

见图3。

8结束语

关于卫星定位及GPS干扰研究 篇7

1.1 GPS 信号结构分析

GPS信号结构中信号的组成主要内容有两个载波分量,还有就是GPS导航电文,它的主要内容就是卫星星历和卫星时钟校正参量以及测距时间标记等用户接收机处理导航信号,提取导航信息并通过适当定位解算算法完成定位解算。导航电文是通过非归零二进制码根据格式所组成,按帧向外发送。按传送参量信息量大小通过不同数目二进制码组成字符以及数据块。在C/A码以及P码方面,GPS卫星发送两种伪随机测距码,一个是粗捕获码C/A码,一个是精密测距码P码。

1.2 GPS 定位类型分析

在GPS定位的基本原理方面主要就是将卫星视为飞行的控制点,在已知其瞬时坐标条件下,通过GPS卫星和用户接收天线间距离作为观测量,进行空间距离后方教会,以此来确定用户接收天气所处位置。能够将其分为静态定位以及动态定位两种,倘若接收机的天线在跟踪GPS卫星中位置是处在固定状态那么就属于静态定位,反之则是动态定位。

2 卫星定位及 GPS 干扰问题与解决策略

2.1 卫星定位及 GPS 干扰问题分析

在GPS干扰问题方面的压制式干扰由于其干扰的功率比较大,这样不仅是能够降低接收机的伪距测量精度,同时也直接的造成D码解码错误,从而使得接收机无法定位。一般情况下,在GPS接收机接收有用的信号时,不能够对外部的干扰完全的抑制,这样GPS接收机检测有用信号的时候就一定会存在不确定的因素,这样就会释放干扰信号。由于GPS系统是通过空间部分以及地面监控站和用户接收机这几个重要部分所组成,所以针对GPS干扰主要就是这几个方面的干扰。从技术角度出发,可将GPS干扰方式分为两种,也就是欺骗性干扰和压制性干扰。这两者的干扰方式都各不相同,首先对于压制性干扰来说,它主要就是在干扰机所发射的强烈信号影响下,对接手机产生的影响,这样就会造成信号不能够正常的进行放大检测,最终会使得接收机的功能大幅度的降低或者是能力的丧失。而在压制性的干扰方面又能够将其分为不同的干扰种类,最为常见的就是阻塞式的干扰以及瞄准式的干扰。前者主要就是对信号的载频以及带宽的功率进行的干扰,从而使得在一定的区域当中达到扰乱信号使其不能正常接收。后者则是通过载波调制的方法对接收机的分辨能力进行扰乱,使其不能够准确分辨信号,从而来达到信号扰乱的目的。

除了以上介绍的压制式干扰外,欺骗式的干扰也是在GPS信号干扰中比较重要的一种干扰方式,在这一干扰方式其主要就是对接收机接收假信号进行引导,使接收机不能够正常的进行分辨信号和位置所在,对这一种信号干扰的方式也能够分为两种重要的形式,可将其分为产生式的干扰以及转发式的干扰,前者主要就是通过干扰机进行发射信号,这一信号和和卫星信号是相同的,这样就能够起到对接收机欺骗的效果,从而使其出现错误的解码,达到预期的目的。而后者则是通过对信号进行接收,然后再将这一信号进行广播,从而就能够构成一个虚假的信号,也会使得接收机的信息解码产生错误。

2.2 卫星定位及 GPS 抗干扰技术探究

由于GPS比较受到干扰所以针对这一问题对其进行解决,通过抗干扰技术能够有效的增强GPS自身对外部环境的抵抗,首先在直接P(Y)码捕获技术方面能够有效的对GPS干扰问题得以解决,在这一抗干扰原理上主要就是由于C/A码只有25分贝抗干扰能力,所以在抗干扰能力方面比较弱,而在P(Y)码作用下就能够达到43分贝抗干扰能力,所以在这一抗干扰技术下对GPS的实际应用的安全性有着重要保障。在这一抗干扰技术的应用领域主要在军事方面,随着技术的发展这一抗干扰技术不断的增强,已经从单频向着双频发展,通过多个相关器技术以及小型化的高稳定时钟技术对P(Y) 码进行直接的捕获,并引入GPS接收机应用模块技术,使得接收机更加容易的嵌入其它系统当中。

另外就是在自适应调零天线技术下应调零天线主要有多个阵元的天线阵,在阵中的各个天线和微波网都是相连的,微波网络又是和一个处理器相连接,在天线阵的方向图中产生对干扰源方向的零点,这样能够减低干扰机的效能,抵消干扰数量等于天线阵元数减1,倘若是在理想的条件下就能够使得GPS接收机抗干扰能力提高四十到五十分贝。

在GPS抗干扰技术的应用中,将GPS和惯性导航系统相结合能够提高抗干扰能力,在将两者得到有机结合后,在GPS承受射频干扰的时候,惯性导航系统就能够提供记忆功能,从而将组合系统从产生的导航误差中恢复,有效的对导航任务加以完成。在解决干扰问题之后,惯性导航系统又能够协助GPS重新的获取信号,在这一组合系统技术的应用下能够将抗干扰的能力提升百分之十到百分之十五左右,从实际的应用当中能够发现,其已经在各类的巡航导弹精确制导炸弹方面起到了重要作用。

再者就是通过陆基伪卫星的技术也能够起到很好的抗干扰作用,在对这一技术进进行实施过程中,它能够有效的将从一个区域内的地面发射信号进行捕捉以及改善,从而将对信号分辨的精度大幅度的提升,在长时间的干扰技术方面最为常见的就是机载卫星技术和数字束波向天线技术,通过将这两种技术在实际当中进行应用能够有效的将抗干扰的性能得以提升,这样就能够有效的将信号的接受准确率得以增加。在不断的技术进步过程中,对于信号干扰问题也将会得到进一步的加强,从而在根本上解决实际问题。

3 结语

GPS卫星 篇8

雷达是舰船实施目标探测的关键,目标参数的准确度完全依赖于雷达的精度。采取何种方便、快捷、有效的标校方法来提高雷达精度是当前研究的热门课题。针对舰船雷达的特殊性,本文采用基于GPS同步技术和雷达目标模拟技术的静态有源标校方法构建新型舰船雷达标校系统,较好地实现了舰船雷达的机动式标校和经常性维修保障。

现代GPS的高频率稳定度和纳秒级的时间同步精度为标校系统应用雷达目标模拟技术提供了可靠的同步源,本文重点研究以GPS信号为基准的同步系统实现。

1 标校系统原理

1.1 标校系统组成

标校系统由GPS卫星、GPS接收机模块、雷达天线收发模块、数据传输模块、延时处理模块、标定模块和控制系统模块等组成。

1.2 标校系统工作原理

标校系统分为岸上标校部分和舰上被校雷达部分。首先通过数传模块互通使雷达操作员和标校人员协调雷达工作方式及相关数据,再利用两个主控模块控制GPS接收机模块统一两大部分的频率f0和计时脉冲并设置好要测模拟目标的距离S和速度V,被校雷达开机后并发射信号的时刻被系统记录N,岸上标校部分的天线收发模块接收到被校雷达的发射信号并被系统记录时刻M,岸上系统再通过延时处理模块将雷达信号延时和多普勒频移(延时对应值为距离S、频移对应值为速度V,其中频移是为了不需要采用高辐射功率就能很好地区别地、海杂波的干扰),这样得到一个雷达目标模拟回波信号再通过岸上雷达天线发射回去让被校雷达接收,被校雷达得到一个目标信息,岸上部分通过数传模块将M,S传给舰上部分,舰上标定模块将这些数据信息进行综合计算得出该被校雷达的测距误差,其中设置好的S当作测距距离真值;其次,方位误差主要是采用多个方位标多次测量取平均值的方法。最后,雷达操作员根据误差对雷达测距零值和测角零值进行修正,完成对雷达的校准。该过程就是基于GPS同步技术和雷达目标模拟技术的雷达静态有源标校。

2 同步系统设计及其实现

为了使岸上和舰上的雷达天线收发模块能够协调工作,雷达信号从被校雷达到标校系统时,舰上的发射机和岸上的接收机要有统一的时间标准即时间同步;为了接收和处理回波信号,舰上发射机和岸上接收机必须工作在相同的本振频率,若要求进行脉冲压缩和动目标检测时,还需保持相位相参性,即频率和相位同步。同理,雷达目标模拟回波信号从岸上标校系统到舰上被校雷达时,岸上发射机和舰上接收机也要统一的时间标准,处理回波信号时接收机要求工作在相同的本振频率以保持相参。为满足以上同步需求就必须使用时间与频率信号传递技术。

在各种授时技术中,无线电信号是最重要、最方便、采用最为普遍的远距离时间和频率比对手段,主要有短波时号、长波时号、电视广播和卫星系统等,利用短波时号时设备虽简单但精度低;长波时号的精度较高但需短波粗同步;电视信号的精度较高,但时延不易确定;而利用空间卫星传递时间,具有精度高、覆盖范围大的优点,利用GPS接收机定时,只需跟踪一颗卫星便可精确计算出相对美国海军天文台 UTC的时差,同步精度优于100 ns,时间同步稳定度在10 s内平均随机误差为15 ns[1]。

2.1 同步系统原理

传统的时间同步装置是通过对内部振荡器振荡频率误差、信号漂移误差和相位误差进行计算,并根据计算校正内部振荡器的振荡频率获得准确的时间信息,这种方式的同步装置需要较长的时间来校正频率误差,而且校正后精度不是很高,尤其是瞬时频率精度很难保证,从而使本次研究的雷达标校系统中各参数的测量出现较大的误差。因此,结合本系统的实际,同步系统由GPS接收机、数传模块、同步模块、时间计数模块和中心控制器组成[2]。

2.1.1 时间同步

舰上和岸上两地的GPS接收机分别接收来自GPS卫星的信号,用系统广播的卫星位置信息按照一定的计算模型由用户机自主计算单向传播时延,校正卫星位置误差、建模误差(对流层模型、电离层模型等)后便可实现两地GPS接收机的同步,同步后的GPS接收机输出标准时间秒脉冲信号(长期稳定度为10-12,最大时间误差25 ns),经过同步模块,得到f0(方波)作为中心控制器的时钟,此时两地时间同步。

2.1.2 校频的实现

由晶振、放大器、计数器、鉴相器、缓冲器CPU和数模转换器组成。

岸上和舰上的GPS接收机输出的标准时间秒脉冲信号(1 PPS)作为同步模块的输入,去同步本地的高稳定晶体振荡器。晶体振荡器是系统频率来源,为满足两地雷达接收机相噪指标,采用长期稳定度为10-11且短期频率稳定度为10-10的f0高稳定度电压控制晶体振荡器(VCXO),它是一个电压/频率变换装置,特点是振荡频率随输入控制电压线性地变化。计数器通过对晶体振荡频率的计算输出内部1 PPS信号,为避免输出的1 PPS信号与来自GPS接收机的1 PPS信号在初始相位上相差太大,用GPS接收机的1 PPS信号作为计数器开始计数的开门信号,鉴相器将计数器输出的1 PPS信号与来自GPS接收机的1 PPS信号进行比较得出相位差,缓冲器存储比较器输出的相位差,然后送往微处理器,经计算后以数字形式向晶振输出频率差值,在进行数模转换后对晶振电压进行调整,从而实现对其振荡频率的校正,因此,同步模块是一个锁相环路,也是一个负反馈装置。同步模块经由放大器端输出三路,一路f0正弦信号,作为雷达接收机频率综合器的频率源,相同的频率源以保证两地雷达接收机的相参工作;两路f0方波信号,一路作为时钟信号送给中心控制器,另一路送到时间计数器模块以GPS接收机输出的1 PPS为标准进行计数[3]。

2.2 时间计数器模块

计数器A和B被来自GPS的1 PPS同步脉冲触发,当被校雷达发射信号时,系统记录该时刻并通知计数器A为时刻N;当被校雷达的发射信号被岸上的标校系统收发天线接收时系统记录该时刻并通知计数器B为时刻M,计数时序如图1所示[4]。

为了完成岸上和舰上两部分的测距,N和M两个数值被数传模块送往系统标定模块进行后续处理,主要原理是:(M-N)/f0就是舰上被校雷达发射信号到岸上标校系统天线收发模块接收该信号的距离时间差,已知f0是时序计数脉冲[5]。由公式可以得到舰上和岸上距离为:S0=c(M-N)/f0,在计算被校雷达目标距离测量值时将会被标定模块扣除2S0(包含信号的发射和返回两个距离值)。

2.3 系统误差分析

针对系统的距离误差,存在关键的三个数据:S设定的模拟目标的距离真值;S0舰上和岸上两部分的距离;Sr被校雷达得到模拟目标信号的读取值。理论上,距离误差应该是S和Sr-2S0的差值,即ΔS=Sr-2S0-S。根据ΔS对被校雷达的测距零值进行修正,完成距离校准。

实际上,为了提高标校系统的距离校准精度,减小真值相关数据的误差是最有效的方法。

影响S0的有:计数器在计数时1 PPS脉冲本身有25 ns的最大时间误差;另外,信标在通知计数器雷达信号发射接收两时刻时存在电路处理延时,但鉴于两地在通知过程都存在延时,因此M和N相减后基本没有时间差,电路的微小差异决定此延时在5 ns以内。

影响S的主要是雷达信号在目标回波模拟过程中存在信号存储和回放电路处理的延时tα(通常测定在100 ns以内),此延时会直接导致被校雷达回波信号的测距延时而产生距离误差,该延时应该在标校系统安装延时处理模块时就应该多次精确测定,系统在标定模块就自动默认扣除,在系统扣除后此延时存在的波动误差为总值的±10%,即20 ns[6]。

3 结 语

该雷达标校系统的同步装置利用了同一个高精度基准即GPS卫星,通过卫星对地面中心站的标准时间频率信号进行转发,保证了对两地时钟的精确时间同步,精度优于100 ns,GPS接收机输出高稳定标准时间秒脉冲信号(1 PPS)作为校频的标准,两地的压控晶振频率稳定度可达到10-11,在时间、频率和相位上实现了同步的要求,从而保证了该系统两地雷达接收机的相参工作,也减小了由同步时钟非准确同步引起的测距离和误差,提高了雷达标校系统的距离校准精度。

参考文献

[1]杨振起,张永顺,骆永军.双(多)基地雷达系统[M].北京:国防工业出版社,1998.

[2]林昌华.时间同步与校频[M].北京:国防工业出版社,1990.

[3]李学森,付庆霞.双/多基地雷达系统同步技术[J].舰船电子对抗,2007(8):30-34.

[4]李廷军.数据复接器研究[J].海军航空工程学院学报,2005(1):145-146.

[5]楼宇希.雷达精度分析[M].北京:国防工业出版社,1979.

[6]李廷军,林雪原.利用铷钟实现组合导航系统研究[J].通信学报,2006(8):144-147.

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[8]BARTON D K,LEONOV S A.Radar technology encyclo-pedia[M].London:Artech House,1997.

[9]DEWEY Wayne P.Disciplined rubidium oscillator with GPS selective availability[C/OL]//Proc.of the24th PTTI Meeting.[1992-04-17].http://tycho.usno.navy.mil.

[10]李宗武.一种新的机载雷达标校方法[J].现代雷达,2004(2):4-6.

GPS卫星 篇9

北斗在通信领域凸显三大意义

据悉, 北斗系统历经的12年研发与测试时间在卫星导航领域已“相当迅速”, 通过16颗在轨卫星, 北斗系统已经可以达到平面10米、高程10米的定位精度, 授时精度单向50纳秒, 还可提供双向高精度授时和短报文通信服务。

继亚太区之后, 北斗系统还定出了“2020年覆盖全球”的目标。此前, 美国GPS系统从军事走向民用, 引领了世界范围内的高精度位置服务潮流。中国卫星导航定位协会咨询中心主任曹冲接受《通信世界》记者采访时表示, 对于北斗系统在军用领域有显著意义之外, 对于通信领域, 北斗系统在三个方面体现出重要意义。

一是北斗系统的授时 (时间传递) 与同步功能在通信系统中具有明显应用, 尤其是在宽带和高速无线电通信中, 时间基准是个重要参量, 在码分多址通信中, 通信传输系统的时间参照和时间统一问题是件大事, 移动基站通常都有专门的利用卫星导航的高精度时间模块;二是通信与导航是天然的最佳组合, 基于位置的服务就是一个典型;三是未来的产业融合发展将出现导航通信的一体化集成, 形成一个新兴的产业集群, 是将新一代新兴技术和智能信息产业推向新的发展阶段的重要关键、基础、共性技术, 是通信与导航技术发展的重大方向。

“泛在智能服务”目标

在信息时代, 卫星导航还集合了大数据、智能化、无线革命等特点, 对于“北斗对于目前移动互联网重点发展的位置服务会带来什么样的创新”这一问题, 曹冲表示, 位置服务是导航与通信的结合的范例, 是移动互联网的标准配置。北斗和其它传感网络在一起, 是解决全源感知和大数据的问题, 而云计算和软件系统等现代计算机技术解决的是数据处理和分发, 把它们关联起来, 是为了实现泛在智能服务的终极目标。

“未来, 北斗系统的双向短信通信功能会进一步发挥通信作用。通信与导航系统的融合也将是全方位的。总有一天, 在卫星上将实现通信与导航的融合, 形成一体化服务, 这需要经过实际研发, 2020年之后有望实施建设。”鉴于北斗带来的巨大科技效应与经济效应, 此前很多GPS企业也都转向北斗产业, 但产业链尚未真正完善也是业内提及最多的问题。

曹冲表示, 我国的北斗系统建设比美国的GPS晚近30年, 在系统整体上赶超国际先进水平尚需时日, 但是从产业应用技术而言, 北斗可以发挥后发优势, 集中突破若干关键的技术瓶颈, 实现产业的快速、可持续、跨越式发展还是有可能的。“但企业要结合市场需求和自己的优势, 创新产品和服务, 做出各自的特色和差异化。”

GPS卫星 篇10

GPS系统在军事领域已经具有十分重要的地位,已经广泛应用于陆、海、空各种平台、巡航导弹及精确制导炸弹,这些接收机不仅能够为载体提供位置、速度和时间信息,还能提供实时的姿态信息。随着GPS现代化工作的不断推进,将为用户提供三频导航定位服务,这给GPS姿态测量接收机的发展带来了机遇:首先,可以提高整周模糊度求解的效率和成功率,提高定姿精度和实时性;其次,利用双频组合测量可消除电离层的影响,提高接收机的定位精度;最后,多频组合也有利于检测和修复周跳,改善定姿解算的可靠性。因此,研制基于GPS多频导航信号的定位/定姿接收机将是卫星导航领域的热点。

1 多频姿态测量接收机方案

为了实现载体三维姿态测量,GPS姿态测量接收机将由天线、测量单元、姿态解算单元3个独立测量单元组成,如图1所示。测量单元由3个GPS多频接收机组成,由公共时钟提供时频信号。另一个核心单元是定姿解算与设备监控单元,包括预处理模块、定姿解算模块、结果与状态显示模块组成。

载体姿态如图2(a)所示,是指载体坐标系相对于当地地理坐标系的3个姿态角:航向角ϕ、俯仰角θ和横滚角φ。3个天线放置成直角三角形如图2(b)所示。

2 关键技术研究

2.1 多频周跳检测技术

组合噪声残差模型可表示为:

$\begin{array}{l}\Phi {}_{\epsilon }=w{}_1\cdot \Phi {}_1+w{}_2\cdot \Phi {}_2+w{}_3\cdot \Phi {}_3=\\ (w{}_1+w{}_2+w{}_3)(\rho +C\cdot dt{}_r-C\cdot dt{}_s+d{}_{orb}+d{}_{trop})-\\ (\frac{w{}_1}{f{}_1^2}+\frac{w{}_2}{f{}_2^2}+\frac{w{}_3}{f{}_3^2})\cdot {\rm K}+(w{}_1{\rm N}{}_1\lambda {}_1+w{}_2{\rm N}{}_2\lambda {}_2+w{}_3{\rm N}{}_3\lambda {}_3)+w{}_1\epsilon {}_{\Phi 1}+w{}_2\epsilon {}_{\Phi 2}+w{}_3\epsilon {}_{\Phi 3}。\end{array}$

式中,w1,w2,w3为组合系数;载波噪声εΦ1、εΦ2、εΦ3包含多路径影响。为了消去观测量中的几何距离、卫星钟差和接收机钟差等快变量,w1,w2,w3满足:

$w{}_1+w{}_2+w{}_3=0‚\frac{w{}_1}{f{}_1^2}+\frac{w{}_2}{f{}_2^2}+\frac{w{}_3}{f{}_3^2}=0$。

于是,组合噪声残差模型可进一步写为:

Φε=(w1N1λ1+w2N2λ2+w3N3λ3)+w1εΦ1+w2εΦ2+w3εΦ3。

利用模糊度应为常数的特点,可以将组合噪声前后历元差值作为周跳检测量,称为组合噪声差值,即

δΦε=(w1δN1λ1+w2δN2λ2+w3δN3λ3)+

w1δεΦ1+w2δεΦ2+w3δεΦ3。

式中,δ为时间差分;δN1,δN2,δN3分别为载波B1,B2,B3上的周跳,没有周跳时,其值为0。通过优选组合系数w1,w2,w3,可以将组合噪声w1δεΦ1+w2δεΦ2+w3δεΦ3控制在较小范围之内。

在没有周跳情况下,δΦε数值较小。如果载波出现周跳,组合周跳w1δN1λ1+w2δN2λ2+w3δN3λ3将以粗差的形式出现在δΦε序列中。此时可以利用粗差探测方法来探测周跳。假设各载波观测噪声在时间上不相关,忽略电离层变化量影响,依据误差传播定律,δΦε均方根可表示为:

$\sigma {}_{\delta \Phi {}_{\epsilon }}=\sqrt{2}\cdot \sqrt{w{}_1^2\sigma {}_{\Phi 1}^2+w{}_2^2\sigma {}_{\Phi 2}^2+w{}_3^2\sigma {}_{\Phi 3}^2}$。

式中,$\sqrt{2}$反映了前后历元时间差分的噪声影响。

若各频点载波方差相等,即σ${}_{\Phi 1}^2$=σ${}_{\Phi 2}^2$=σ${}_{\Phi 3}^2$=σ${}_{\Phi }^2$,则上式可进一步表示为:

$\sigma {}_{\delta \Phi {}_{\epsilon }}=\sqrt{2}\cdot \sqrt{w{}_1^2+w{}_2^2+w{}_3^2}\cdot \sigma {}_{\Phi }$。

此外,也可以利用无周跳条件下的载波数据,实时统计δΦε均方根:

$\sigma {}_{\delta \Phi {}_{\epsilon }}=\sqrt{\frac{{\displaystyle \sum _{k=0}^n\delta }\Phi {}_{\epsilon ,k}^2}{n}}$。

如果在某一历元,δΦε满足δΦε>t·σδΦε,即认为该卫星载波有周跳发生。式中,t=3(99.7%的置信度)。

2.2 多频模糊度实时解算技术

模糊度解算是GPS测姿设备的核心关键技术,论文拟采用基线长度约束的改进LAMBDA法,依据最小二乘准则:

$\underset{a,X}{{\displaystyle \min }}\parallel l-A{}_{1}X-A{}_{2}a\parallel {}_{Q{}_l}^2‚a\in {\rm Z}{}^m‚X\in R{}^3‚\parallel X\parallel {}_{{\rm I}}^2=b{}^2$。

式中,‖·‖${}_{Q{}_l}^2$=(·)TQ${}_l^{-1}$(·),Q${}_l^{}$为双差观测值协方差阵;b为已知的基线长度;由于模糊度整数约束a∈Zm,上式实际上属于整数最小二乘问题。依据最小化原则,上式各分量互相正交,进一步写为:

$\begin{array}{l}\underset{a\in {\rm Z}{}^m,X\in R{}^3,\parallel X\parallel {}_{{}_{{\rm I}}}^{{}^2}=b{}^2}{{\displaystyle \min }}\parallel l-A{}_{1}X-A{}_{2}a\parallel {}_{Q{}_l}^2=\\ \parallel v\parallel {}_{Q{}_l}^2+\underset{a\in {\rm Z}{}^m}{{\displaystyle \min }}(\parallel \widehat{a}-a\parallel {}_{Q{}_{\widehat{a}}}^2+\\ \underset{X\in R{}^3,\parallel X\parallel {}_{{}_{{\rm I}}}^{{}^2}=b{}^2}{{\displaystyle \min }}(\parallel \widehat{{\displaystyle X}}(a)-X\parallel {}_{Q{}_{\widehat{{\displaystyle X}}(a)}}^2))。\end{array}$

式中,v为最小二乘残差,$v=l-A{}_1\widehat{{\displaystyle X}}-A{}_2\widehat{a}$;$\widehat{a}$为模糊度实数解;$\hat{{\displaystyle }}$为模糊度实数解下的基线解;$\widehat{{\displaystyle X}}(a)$为模糊度实数解条件下的基线解;X(a)为模糊度固定解条件下的基线解;$X(a)=\widehat{{\displaystyle X}}(a)-Q{}_{\widehat{{\displaystyle X}}\widehat{a}}Q{}_{\widehat{a}}^{-1}(\widehat{a}-a)$。上式利用LAMBDA方法进行模糊度解算。

第1步,首先确定含有备选模糊度组合的搜索空间。模糊度搜索空间由下式确定:

$(\overline{a}-a){}^{\text{Τ}}\text{Σ}{}_{\overline{a}}^{-1}(\overline{a}-a)\le \chi {}^2$。

第2步,对模糊度降相关处理,优化搜索空间:

$z=\mathit{{\rm Z}}{}^{\text{Τ}}a‚\overline{z}=\mathit{{\rm Z}}{}^{\text{Τ}}\overline{a}‚\Sigma {}_{\overline{z}}=\mathit{{\rm Z}}{}^{\text{Τ}}\Sigma {}_{\overline{a}}\mathit{{\rm Z}}$。

于是$(\overline{a}-a){}^{\text{Τ}}\text{Σ}{}_{\overline{a}}^{-1}(\overline{a}-a)=(\overline{\mathit{z}}-\mathit{z}){}^{\text{Τ}}\text{Σ}{}_{\overline{z}}^{-1}(\overline{\mathit{z}}-\mathit{z})$。

式中,Z为转换矩阵,保持了模糊度的整数特性,维持搜索空间的体积不变,且原搜索空间和转换后的搜索空间之间存在一一对应的关系。

第3步,模糊度搜索。

模糊度实数解经过降相关处理后,对上式中的模糊度解实施序贯条件最小二乘平差,则有

$(\overline{z}{}_{i|{\rm I}}-a{}_i){}^2\le l{}_i\sigma {}_{z{}_{i|{\rm I}}}^2\chi {}^2$,i=1,…m。

式中,$l{}_i=(1-\chi {}_{i-1}^2/\chi {}^2)‚\chi {}_{i-1}^2={\displaystyle \sum _{j=1}^{i-1}(\overline{z}{}_{j|J}-z{}_j)}{}^2/\sigma {}_{z{}_{j|J}}^2$。由于搜索空间优化后,利用上式来搜索模糊度的效率将显著提高,搜索时间大大缩短。经过搜索获得唯一确认的转换后的模糊度整数解$\overline{z}$,回代即可获得模糊度整数解和基线解:

a=(ZT)-1z,$X(a)=\widehat{{\displaystyle X}}(a)-Q{}_{\widehat{{\displaystyle X}}\widehat{a}}Q{}_{\widehat{a}}^{-1}(\widehat{a}-a)$。

第4步,模糊度确认。

几何约束检验:备选模糊度a计算所得基线长度、仰角、方位角与已知值差值小于给定阀值δb, δγ,δβ,即

$\left|\overline{b}(a)-b{}_0\right|\le \delta b,\overline{b}(a)=\left|\overline{X}(a)\right|$,

$\left|\overline{\gamma }(a)-\gamma {}_0\right|\le \delta \gamma ,\overline{\gamma }(a)=\arctan (\overline{d}x(a)/\overline{d}y(a))$,

$\begin{array}{l}\left|\overline{\beta }(a)-\beta {}_0\right|\le \delta \beta ,\\ \overline{\beta }(a)=\arctan (\overline{d}z(a)/\sqrt{\overline{d}x{}_{}^2(a)+\overline{d}y{}_{}^2(a)})。\end{array}$

如果备选模糊度不符合上述给定条件,则从备选模糊度中消去该模糊度组。

Ratio比值检验:将次最小整数估值残差平方和与最小整数估值残差平方和比值作为检验量:

Ratio=$\frac{\parallel \widehat{a}-a{}_2\parallel {}_{Q{}_{\widehat{a}}}^2+\parallel \widehat{{\displaystyle X}}(a)-X(a{}_2)\parallel {}_{Q{}_{\widehat{{\displaystyle X}}(a)}}^2}{\parallel \widehat{a}-a\parallel {}_{Q{}_{\widehat{a}}}^2+\parallel \widehat{{\displaystyle X}}(a)-X(a)\parallel {}_{Q{}_{\widehat{{\displaystyle X}}(a)}}^2}$。

式中,a2为次最优模糊度组。Ratio值大于2或3时,最小整数估值残差平方和对应的模糊度组确认为正确的模糊度。

3 试验结果与分析

为验证测姿接收机关键技术解决程度和工程样机达到的定向水平,在基线场进行了单频和多频接收机的定向精度测试,并与商用GPS接收机进行了比较。从结果上看,研制的测姿样机与商用GPS接收机定向成功率相当,定向精度上略好,折算到1 m基线,单频时为0.23°,多频时为0.2°,如表1所示。

从结果上也可以验证测姿接收机的特点,无论是多频还是单频测姿接收机,定向精度在基线长度和星座一定的条件下,主要取决于载波相位测量精度,双频与单频测姿接收机的载波相位测量精度是相当的,只是多了一个频率的观测数据,多了一种检验条件,可以更快地确定整周模糊度,并提高整周模糊度解决的正确性,进而提高了姿态测量的成功率。

4 结束语

为满足各种平台的姿态测量使用需求,设计了基于现代化GPS卫星导航系统的多频姿态测量设备,给出了基于多频卫星导航系统的姿态测量系统总体方案,并重点研究了基于GPS三频(L1、L2C和L5)组合噪声残差法实时探测与修复周跳、基于几何约束的单历元模糊度解算等关键技术,利用模拟器搭建了室内有线试验环境,试验结果充分证明该技术和方案具备可行性,但在测姿解算成功率方面还有待进一步提高。 

参考文献

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[4]廖向前,黄顺吉.GPS载波相位的周跳检测方法[J].电子科技大学学报,1997,26(6):590-594.

[5]廖向前,黄顺吉,张晓玲.GPS双基线载体姿态测量研究[J].航空学报,1999,19(5):531-535.