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1、目录GPS定位分析车载GPS定位系统GPS概述GPS定位算法举例概述GPS实施计划共分三个阶段： 第一阶段为方案论证和初步设计阶段。从1973年到1979年，共发射了4颗试验卫星。研制了地面接收机及建立地面跟踪网。 第二阶段为全面研制和试验阶段。从1979年到1984年，又陆续发射了7颗试验卫星，研制了各种用途接收机。实验表明，GPS定位精度远远超过设计标准。 第三阶段为实用组网阶段。1989年2月4日第一颗GPS工作卫星发射成功，表明GPS系统进入工程建设阶段。1993年底实用的GPS网即（21+3）GPS星座已经建成，之后根据计划更换失效的卫星。GPS发展历程 无线电导航系统罗兰-C Om
2、ega（奥米茄）多卜勒系统 卫星定位系统NNSS子午仪系统（美国）GPS （美国）GLONASS系统（俄罗斯）双星导航定位系统（中国） GNSS伽利略系统（欧盟）GPS的广泛应用我在哪？要去哪？怎么去？我在哪？二.车载GPS定位系统n用户设备：接收机主要接收C/A码和P码定位， P码定位精度高（供美国军方使用） C/A码供一般用户使用车载GPS硬件组成车载GPS的主要功能车辆跟踪：利用GPS和电子地图可以实时提供出行路线的规划和导航信息查询话务指挥紧急援助自主导航 陀螺仪车速传感器 测量汽车前进方向和行驶状态。当汽车行驶在弯路，蛇形路面，勾状山道，雪地打滑，轮渡过河，更换轮胎（数据自动保存），
3、环状盘形桥等路况时，汽车的前进方向，行驶状态(即汽车行驶的角速度)都要发生变化，此时只有通过陀螺传感器对航向绝对位置的检测和修正才能得到汽车的正确定位坐标。勾状山道发夹式弯路蛇形路面轮渡过河雪地打滑更换轮胎环状盘形桥 隧道中高层大楼间 地下车库密集树林间高架桥下当行驶到地下隧道，高层 楼群，密集森林等地段时，由于遮挡，此时汽车与卫星失去联系，我们用车速传感器自动地从汽车前进的速度中检测出车速脉冲.通过微处理器的运算直接由速度和时间中求出行驶的距离。车速传感器地图匹配器 由于种种原因有时收不到GPS的正确信号，自主导航中的传感器融合技术所检测到的定位信息也存在着一定误差。 原理：把汽车行驶的轨迹
4、与数字地图数据库提供的路径进行相关比较，实际上就是一个数字相关比较器 。作出自动修正然后由微处理器整理程序进行实时快速处理在电子地图上得到汽车正确位里的显示。 地图匹配三.车载GPS定位分析三颗卫星定位接收机端配备铯原子钟假如让卫星和接收机同时开始播放音乐，站在接收机旁的人可能会听到两种不同的版本，一个来自接收机，一个来自卫星，且卫星版本滞后。如果能知道卫星版本延迟多长时间，我们便可推迟启动接收机播放，使两个版本同步。如果把音乐改为“伪随机码”信号，卫星和接收机同时产生并发送同样的伪随机码，并使两组码实现时间同步，接收机便能根据两组伪随机码差别测定时延，时延与光速的乘积即为星位距离。得到了星站
5、距离后如何定位？黑色 = 可见, 红色 = 不可见, 绿色 = 视线 l 总共24颗GPS卫星。l 地球任意一点可以看到5-12颗卫星。l 任一卫星的瞬时位置可根据星历计算得到。三球交会定位原理卫星发射测距信号和导航电文，导航电文中含有卫星的位置信息。用户接收机在某一时刻同时接收三颗以上卫星信号，测量出测站点（用户接收机）至三颗卫星的距离，解算出卫星的空间坐标，再利用距离交会法（从两个已知点测量至某一待测点的距离,然后根据这两段距离的交点确定该待测点，这种方法称为距离交会法。）就可以解算出测站点的位置。整个过程就是三球交会定位原理在卫星导航领域中的体现。目前，国际上四大卫星导航系统GPS、GL
6、ONASS、Galileo和北斗卫星导航系统的定位原理都是相同的，均是采用三球交会的几何原理来实现定位，具体流程如下： （1）用户测量出自身到三颗卫星的距离； （2）卫星的位置精确已知，通过电文播发给用户； （3）以卫星为球心，距离为半径画球面； （4）三个球面相交得两个点，根据地理常识排除一个不合理点即得用户位置。距离交会法观测方程(x, y, z)为待求的接收机位置， d 为卫星到接收机的距离，(x i , y i , z i)为卫星瞬时位置（由星历计算得到）。 当出现接受信息时钟误差是三个球面无法相交时利用第四颗卫星的信息进行修正.若用户时钟和卫星时钟相差t, 则测得距离F= Ri +t
7、 *c=Ri +E , 根据方程： C 无线电波传播速度，与光速相等; E 由时钟误差引起的定位误差。 n提高定位精度的措施：采用差分GPS定位算法亦即利用附近的已知参考坐标点(由其它测量方法所得), 来修正 GPS 的误差。再把这个即时(real time)误差值加入本身坐标运算的考虑, 便可获得更精确的值。四.GPS定位算法举例GPS-DR (航位推算)组合导航系统 将GPS与自主式的航位推算系统(DR)有机的结合起来,通过组合2种导航系统的优点,互相取长补短,克服了GPS信号中断和屏蔽以及DR不能长时间使用的问题,能够获得较好的车辆定位精度和可靠性。 国内关于GPS-DR组合导航算法的研
8、究大部分都是基于自适应联合或扩展卡尔曼滤波算法及其改进算法(如模糊自适应卡尔曼滤波算法等) 。一些研究者也采用了UKF算法,该滤波方法不用计算繁琐的Jacobian矩阵,也避免了引入线性化误差,因此,精度较高。 国外则开展了不少关于GPS2DR组合导航的“级联”卡尔曼滤波算法和硬件耦合方式的研究。车载设备车载设备由定位模块（GPS 接收机和DR传感器）、通信控制器、收发信机（集群电台）、驾驶员接口和电源模块组成，其原理图如下：驾驶员接口数码显示语音提示短信息输入定位模块角速度传感器GPS接收机里程仪接口通讯控制器单片机系统无线MODEM时序逻辑电路集群电台电源模块里程仪信号输入地图匹配组合导航
9、系统 对于GPS-DR组合方案,当车辆行驶在道路密集的市区时,无法利用电子地图匹配技术对GPS定位信息和航位推算系统的定位信息作进一步校正。这时如果GPS-DR导航系统再辅以数字地图匹配(map-matching, MM)技术构成GPS-DR-MM组合导航系统,则可以实时地对组合导航系统的输出信息进行地图匹配。该系统在精度和可靠性等方面较GPS-DR系统有较好的改善。 北京航空航天大学在国内较早地设计了车载GPS-DR-MM组合导航系统的联合卡尔曼滤波器。捷联惯性导航系统组合导航 捷联惯性导航系统(GPS-SINS)由3只陀螺仪和3只加速度计分别安装在3个相互垂直的方向构成,该装置直接安装在载
10、体上。GPS-SINS组合导航系统综合了GPS与SINS的优点,同时,克服了它们各自的缺点,从而构成了一种优良的组合导航方式,并已成为现今导航系统的一个主要发展方向,该组合导航系统主要应用在军车上。GPS-M IMS组合导航 GPS-M IMS(微惯性测量系统)由微机电系统器件组成,它是由3只微机械加速度计, 3只微机械陀螺仪和附加电子线路构成的微型惯性测量系统。作为一种新型的惯性测量系统M IMS在体积、重量、成本、功耗和寿命等方面都具有传统惯导系统无法比拟的优势。其不足之处在于自主性和可靠性差,易受干扰。GPS接收机与M IMS组合取长补短,可以大大提高输出数据更新率,同时,防止导航定位误
11、差随时间积累,提高了可靠性和抗干扰能力。 清华大学在车载M IM-GPS组合系统算法上有较为深入的研究,其利用双GPS接收机测量方位角解决了初始方位对准问题 ,又在原有卡尔曼滤波器结构基础上引入了姿态阵修正,进一步减小了系统姿态角误差对导航定位精度的影响。硬件方面,浙江大学的龚真春等人利用微惯性测量单元(M IMU)和GPS-OEM板设计了一种低成本、轻小型的嵌入式GPS-M IMS车载组合导航系统。GPS/DR/地图匹配组合定位系统其结构如图所示：数据处理过程为每个采样时刻是由滤波器处理传感器和GPS测量值后组成优化值，后输出车辆位置估计值并与定位滤差和行车方向一并输入地图匹配模块，算出地图上的匹配位置坐标，滤波器的结构原理如下：里程仪陀螺仪GPS接收机导航地图数据库滤波器地图匹配模块位置估计组合DR 信息 GPS信息车辆位置估算行车方向估算误差估算定位输出
