[优秀毕业论文]GPS导航解算仿真系统

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Simulation On GPS Navigation Solution System Using MATLABAbstract：The global

2、 positioning system is a global, versatility (land, sea and air and space),all-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 cheap equipment advantages of men, and in many fields.GPS is the core of the user part of the GPS receiver. The main by the b

3、aseband signal processing and navigation solution of two parts. Navigation solution, including some of the major navigation data based on parameters in the ephemeris satellite positions 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 and the least squares me

4、thod 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 calculate the location of the user.Key words：GPS navigation solution；Non-disturbed motion；Pseudorange；Matlab simulation目录第1章 前言11.1 课题背景11.2 本课题研究的意义和方法21.3 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52.1 地球坐标系52.2 时间系统72.3 卫星的运动82.3.1开普

5、勒定律82.3.2 无摄卫星运动的轨道参数102.3.3 真近点角的概念及其求解112.3.4 卫星瞬时位置的求解12第3章 GPS导航解算153.1 GPS导航系统的基本原理153.2 GPS定位中主要误差及消除算法173.3 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234.1 卫星可见性的估算234.2 GPS卫星运动的MATLAB仿真24结 论32致谢34参考文献35附录37 II成都理工大学毕业设计(论文)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

6、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 System” 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

7、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，可以更加详细，直观的理解基本的导航解算原理和实现方法！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

8、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系统，待2011年左右，GNSS纯民间系统建成，全球

9、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：卫星轨道定位及个人导航：个人旅游及野外探险等诸多方面。 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离。设地球表

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