GPS基本原理及其matlab仿真第1章

第1章绪论第1章绪论1.1GPS的发展简史及系统概述1.2GPS的服务与应用1.3Matlab的基本特性及基本语法1.4矩阵与Matlab1.5数据的输入与输出1.6程序流程控制1.7Matlab函数1.8编程练习第1章绪论1.1GPS的发展简史及系统概述图1-1GPS系统结构图第1章绪论GPS目前处于良好的运行状态，并满足20世纪60年代所提出的最佳定位系统标准。这个系统向有适当接收设备的全球范围内的用户提供精确、连续的三维位置和速度信息。GPS也向全球广播世界协调时（UTC）。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。这个网络也向无数用户提供服务。卫星以高精度的星载原子频率标准作基准发射导航信号，而星载原子频标是与内在的GPS系统时(GPS系统所采用的时间系统，用高精度原子钟作为时间度量工具。详见第3章)基准同步的。卫星用叫做码分多址（CDMA）的技术在两个频率上广播测距码和导航数据。也就是说，系统只使用两个频率，称为L1（1575.42MHz）和L2(1227.6MHz)。第1章绪论每颗卫星都在这两个频率上发射，但所有的测距码与其他卫星所使用的不一样。这些码选择的依据是它们具有良好的自相关特性，而两两之间互相正交。导航数据提供给接收机，以确定卫星在发射信号时的位置，而测距码使用户接收机能够确定信号的传输延时，从而确定卫星到用户的距离。这种技术要求用户接收机也包含一个时钟。利用这种技术来测量接收机的三维位置时，要求测量接收机到4颗卫星的TOA(信号到达时间)距离，如果接收机时钟已经是与卫星时钟同步的，便需要3个距离测量值。因此，为测量用户的纬度、经度、高度和接收机相对于内在系统时的偏移，需要有4个测量值。如果系统时或高度已准确获知，便只需要4颗以下的卫星。第1章绪论GPS系统除定位服务外，同时也能利用GPS卫星具有的高稳定性原子时钟为用户提供授时服务，由此用户可以计算出自身的速度。这些服务被称为标准的PVT（位置、速度、时间的英文缩写）服务。GPS提供两种精度不同的PVT测量：标准定位服务（SPS）和精密定位服务（PPS）。SPS是为民用服务的，而PPS是为美国军方用户和特定的政府部门用户服务的，两者精度不同。第1章绪论GLONASS是俄罗斯的星基无线电导航系统，它在全世界范围内提供三维定位、测速以及时间广播服务。GLONASS在许多方面非常类似于GPS。这个系统由24颗卫星的星座、一个地面监视网和各种类型的用户设备组成。星座包括3个轨道平面，每个平面有8颗卫星。地面网由位于俄罗斯全境的许多卫星监视和数据上行加载设施组成。俄罗斯及其他国家有几家用户接收设备制造单位，有些制造单位制作组合的GPS/GLONASS接收机。第1章绪论GLONASS由俄罗斯国防部操作，该计划在20世纪70年代中期开始执行，目的是为军用。然而情况和GPS类似，许多民用用途迅速变得十分明显，这种系统现在已是真正的军民两用系统了。PVT确定也是用PRN测距信号完成的。然而卫星的发射信号与GPS不同。GLONASS使用频分多址（FDMA），其中每颗卫星在不同的频率上发射。这种技术允许各颗卫星使用相同的测距码。第1章绪论GLONASS的民用和军用服务是分开提供的。规定的民用服务精度为：在水平面内为100m(2drms,95%)；在垂直面内为150m(95%)。民用测速精度规定为0.15m/s(95%)。由于在编写本书时GLONASS还未使用SA(选择可用性)措施，实际测出的民用精度为水平26m(2drms,95%)、垂直45m(95%)，速度测量在0.03～0.05m/s的量级。英国利兹大学和3S公司通过观测发现，它的军用服务产生的精度与GPSPPS相当。第1章绪论有一些应用，比如大地测量、石油勘探和露天矿藏开采，需要比GPS或GLONASS本身高很多的精度。这些应用采用了可十分明显地改善系统本身的精度的技术，叫做差分GPS或差分GLONASS。精度是由去掉两个或更多个对同样一些卫星进行距离测量的接收机之间相关的（亦即共同的）误差而改善的。一部接收机叫基准接收机，位置是经过测绘的，就是说它的地理位置是精确已知的。去掉共同误差的一种方法是，在离散的时间取出基准接收机的测绘位置和其电子导出位置之间的差值。这种差值代表在测量时的误差，并记为差分校正量。这种校正量可以通过数据链广播到用户接收设备，这样用户接收机可以从其解中去掉这些误差。另一种方法是进行非实时应用，此时可以将差分校正值和用户的位置数据一起存储起来，进行后期数据处理。这种非实时技术典型情况下用在测绘中。第1章绪论如果基准台在用户的视距之内，这种技术一般称做局域差分。然而，随着用户和基准台之间距离的增加，有些距离误差变得不相关了。克服这种问题的方法是，在一个大的地理区域（亦即一个国家或大陆）内安装一个基准台网，用地球静止卫星广播差分校正量，并核对卫星信号的完好性。中央处理站将校正量和完好性数据送至卫星地球站，以用上行链路送至地球静止卫星。这种技术叫做广域差分。第1章绪论国际海事卫星(INMARSAT)网络是广域差分服务的一种实现方式。INMARSAT是一个国际财团，在全球范围内提供移动通信服务，它在1995年1月由76个签字国组成。1996年，INMARSAT计划发射4颗地球静止卫星，为整个地球±70°的纬度之间的区域提供完全的覆盖。然而卫星提供的数据广播服务只能用于拥有地面台网区域的用户。第1章绪论重叠电文格式包含GPS和GLONASS差分校正量及完好性数据。除了提供这种数据之外，卫星将发射类似于由GPS卫星广播的测距码。因此，各INMARSAT-3卫星也可〖JP2〗以用作测距源。与GPS和GLONASS卫星有自己的导航载荷不一样的是，INMARSAT-3卫星包含的是导航转发器，它们向用户重新广播由上行链路送来的信号。与重叠相关联的精度与许多因素有关，但地面台网的结构是影响其精度的主要因素。美国联邦航空局(FAA)的广域增强系统（WAAS）预计的精度的量级为：在水平面内为7.6m(2drms,95%)；在垂直方向为7.6m(95%)。第1章绪论1.2GPS的服务与应用1.2.1精密定位服务精密定位服务（PPS）规定其所提供的预测精度为：在水平面内，至少为22m(2drms,95%)；在垂直平面内为27.7m(95%)。距离均方根值(或drms)是在导航中常用的测量值。drms的2倍或2drms是一个圆的半径。从概率上描述，PPS定位结果落在这个圆中的概率值在95%以上。PPS提供UTC的传递精度在200ns以内（95%），这个UTC以在美国海军天文台(USNO)中保持的时间为准，记为UTC(USNO)。速度测量精度规定为0.2m/s(95%)。第1章绪论正如前面所说，PPS主要打算用于军事和选定的政府部门，也允许民用，但必须得到美国国防部的特别批准才行。要获得前面所说的PPS定位精度是受到控制的，控制通过叫做反欺(Antispoofing,AS)和选择可用性(SelectiveAvailabiling,SA)的两种加密特性来实现。AS是一种用以防止欺骗干扰的机制。欺骗干扰是一种技术，指敌方模仿一颗或多颗卫星的测距码、导航数据信号和载波多普勒效应，以图欺骗受害的接收机。另外，根据现行的国防部政策，实施SA是为了让SPS用户不能充分得到系统的精度。SA使卫星时钟发生“颤动”，因此使TOA测量精度变差。同时，SA还要在所广播的导航数据参数中引入误差。而PPS用户可以通过密码机制去掉SA的影响。第1章绪论1.2.2标准定位服务1.航空领域的应用GPS在航空领域的应用推动着全球卫星系统(GNSS)的发展，它可以提供从航路直到精密飞行轨道阶段（起飞、降落）的引导。国际民用航空组织（ICAO）将GNSS定义为一种至少包含一个或多个卫星导航系统的系统。GNSS连续的全球覆盖能力，使得飞机能够仅依赖GPS直接从一地飞到另一地。在GNSS接收机中包含一个数据通信装置便能够将飞机位置发射到另外的飞机和空中交通管制（ATC）中心。这种功能叫做自动相关监视(ADS)。根据ICAO未来空中航行系统(FANS)工作组的活动结果，ADS正在用于一些太平洋区域。由此带来的主要益处是ATC的防撞监视,可以使用最佳航路来降低航行时间和油耗。ADS技术也正在用于同时对飞机和地面维护车辆的机场场地监视。第1章绪论2.空间运载引导从1992年起，GPS接收机便被用于TOPEX/POSEIDON卫星上，这种卫星是用于研究海洋环境的。这是NASA(美国航空航天局)和CNES（法国空间局）的联合项目。GPS也已用于几种NASA航天机飞行。1998年，航天机预期要将GPS用于工作阶段的引导（如地面反射、在轨、再入和着陆）。国际空间站(ISS)将用GNSS以支持控制功能、数据收集活动和导航。此外，GPS将被用于NASA的“小”卫星计划，比如Lewis和Clark。第1章绪论3.海洋应用商业和娱乐海事企业都已在利用GNSS。从洋面旅行到内河航路，尤其是艰险的水域，所有船舶的导航都得到了提高。几个国家正在发展局域差分GPS网络，以在海港、海港入口和内河提高系统精度。俄罗斯也在考虑实现局域差分GLONASS网络。广域差分GPS已经在离岸石油勘测企业中应用了几年。差分GNSS将起到更大作用的一个领域是船泊交通服务(VTS)系统。它将数据链和差分GNSS结合起来，使得能将船只的位置广播到管制中心。VTS用于在能见度受限和水上结冰时防撞和加快交通流。VTS可以和电子海图显示信息系统(ECDIS)联用。ECDIS将船只位置与海图上的目标、导航台陆地以及看不见的危险联系起来显示。第1章绪论4.陆用GPS测绘行业依靠差分GPS已经获得毫米级的测量精度。铁路部门利用类似的技术获得相对于附近的铁轨组的火车位置。GPS是智能交通系统(ITS)的关键组成部分。在车辆应用方面，GNSS将用于路径引导、跟踪和应急事故通报中。将GNSS与街道数据库数字活动地图显示和处理器集成起来，能使驾驶员获得引导和距离最短、效率最高的路径。将此系统与蜂窝电话或数据链功能相结合,能完成车辆跟踪（即一种ADS形式）和/或紧急事故通报，并将车的位置自动报告给管制中心进行车队管理。驾驶员启动“紧急”按钮广播出紧急电文、车辆特性和车辆位置，以提供给有关部门进行援助。第1章绪论1.3Matlab的基本特性及基本语法Matlab启动后，呈现在我们面前的有这样几个基本的窗口：命令窗口、命令历史窗口、工作空间等，如图1-2所示。窗口的风格和布局，会因Windows环境不同而不同。如果想显示下面的窗口或者取消显示，可以打开菜单栏的Desktop菜单进行相应的选择。在命令窗口中运行命令，包括调用函数、变量赋值等等，都会在历史窗口中保存记录。双击历史窗口中的某一条记录，Matlab会自动执行该命令。（小技巧：如果想显示最近一次键入在命令窗口的信息，可以按下Ctrl+P键，然后按Enter键执行。）同时，工作空间窗口中会显示出命令运行过程中所产生的变量名、变量值和变量类型。如果想清除工作空间，可以执行Clear命令。第1章绪论图1-2Matlab的运行窗口第1章绪论使用Matlab，可以用来对变量进行算术运算、三角运算、幂运算等。如果没有给出变量名，运算的结果就会赋给通用的变量名ans。例如，要计算π/3的正弦值，可以执行命令sin(pi/3)。除了上述基本运算之外，Matlab还提供了大量的函数来完成复杂的计算，同时Matlab也支持用户自定义函数。如果在命令窗口中反复输入多个表达式，用户会感到很麻烦。为避免这个问题，Matlab定义了这样一种文件，它包含一组命令，文件中每一个命令的执行都和在命令窗口中执行一样，该文件可以由Matlab提供的编辑器、操作系统的文本编辑器创建及编辑、保存。这就是m文件，后缀名为“.m”。如果要执行m文件，则按下F5键或者选择Debug菜单下的Run命令即可。第1章绪论如果我们想调用某函数或者某m文