电子地图在车载导航系统中的应用

西北工业大学

硕士学位论文

电子地图在车载导航系统中的应用

姓名：方继嗣

申请学位级别：硕士

专业：精密仪器及机械

指导教师：张英敏

20040301

西北工业大学硕士学位论立摘要

摘要

本论文研究了全球定位系统（ＧＰＳ）和地理信息系统（ＧＩＳ）在车辆定位与导航中的应用。从组件对象模型（ＣＯＭ）技术出发，介绍了建立在对象链按与嵌入技术基础上的ＧＩＳ控件——ＭａｐＸ。并在ＶｉｓｕａｌＣ＋＋６．０环境下，以ＭａｐＸ控件为图形平台，以ＭＳＣｏｍｍ控件为通信平台，成功开发出基于电子地图的车辆导航系统软件。

软件实现了ＰＣ机与ＧＰＳ接收机之间的通信以及ＧＰＳ数据接收与处理：实现对空间数据和属性数据的编辑、分析、查询等基本功能：讨论了几种坐标系之间的坐标转换问题，如ＷＧＳ．８４坐标系与北京５４坐标系之间的变换，国家投影带和地方任意投影带的高斯投影正、反算公式，并给出了具体算法：在一些经典的最短路径算法的基础上，提出了一种Ｄｉｊｋｓｔｒａ最短路径算法的高效率实现方法。

关键词：全球定位系统地理信息系统ＭａｐＸ电子地图

车辆导航系统

型堕坚兰篓塑！型墨一一坚！燮！

ＡＢＳＴＲＡＣＴ

Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆＧｌｏｂａｌＰｏｓｉｔｉｏｎＳｙｓｔｅｍ（ＧＰＳ）ａｎｄ

ＧｅｏｇｒａｐｈｉｃａｌＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＳｙｓｔｅｍ（Ｇｉｓ）ｏｎｖｅｈｉｃｌｅｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇａｎｄｎａｖｉｇａｔｉｏｎｉｓｓｔｕｄｉｅｄ．ＳｔａｒｔｉｎｇｆｒｏｍｔｈｅＣｏｍｐｏｎｅｎｔＯｂｊｅｃｔＭｏｄｅｌ（ＣＯＭ）ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ、ｔｈｅｐａｐｅｒｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓｔｈｅ

ＭａｐＸＡｃｔｉｖｅＸｂａｓｅｄＯｆｆｔｈｅＯＬＥ（ＯｂｊｅｃｔＬｉｎｋｉｎｇａｎｄＥｍｂｅｄｄｉｎｇ）ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ．ａｃｏｍｐｏｎｅｎｔＧＩＳ．ＴｈｅｐａｐｅｒｄｉｓｃｕｓｓｅｓｈｏｗｔｏｄｅｖｅｌｏｐｔｈｅｓｏｆｔｗａｒｅｏｆｖｅｈｉｃｌｅｎａｖｉｇａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｂｙｕｓｉｎｇＭａｐＸｃｏｎｔｒｏｌａｓａｇｒａｐｈｉｃｓｔｏｏｌａｎｄＭＳＣｏｍｍｃｏｎｔｒｏｌａｓａｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｔｏｏｌｗｉｔｈＶｉｓｕａｉＣ＋＋６，０．

ＴｈｅｓｅｒｉａｌｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｂｅｔｗｅｅｎＰＣａｎｄＧＰＳｒｅｃｅｉｖｅｒｉｓｒｅａｌｉｚｅｄ

ｂｙｔｈｉｓｓｏｆｔｗａｒｅ，ＴｈｅｓｏｆｔｗａｒｅｃａｎｒｅｃｅｉｖｅａｎｄｐｒｏｃｅｓｓＧＰＳｄａｔａ，ａｎｄｉｔａｃｃｏｍｐｌｉｓｈｅｓｔｈｅｂａｓｉｃｆｕｎｃｔｉｏｎｏｆｅｄｉｔｉｎｇ，ａｎａｌｙｚｉｎｇａｎｄｑｕｅｒｙｉｎｇｔｈｅｓｐａｔｉａｌｄａｔａａｎｄａｔｔｒｉｂｕｔｉｖｅｄａｔａ，

Ｔｈｅｐａｐｅｒｄｉｓｃｕｓｓｅｓｔｈｅｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎｐｒｏｂｌｅｍｂｅｔｗｅｅｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔ

ｔｙｐｅｓｏｆｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｓｙｓｔｅｍｓ，ｆｏｒｅｘａｍｐｌｅ：ｔｈｅｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎｂｅｔｗｅｅｎＷＧＳ．８４ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｓｙｓｔｅｍａｎｄＢｅｉｊｉｎｇ５４ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｓｙｓｔｅｍ，ｔｈｅｆｏｒｍｕｌａｆｏｒＧａｕｓｓｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎｐｏｓｉｔｉｖｅａｎｄｎｅｇａｔｉｖｅｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎｉｎｎａｔｉｏｎａｌｓｔｒｉｐｅｓａｎｄａｎｙｌｏｃａｌｐｒｏｊｅｃｔｉｖｅｓｔｒｉｐｅｓ，ａｎｄｐｒｅｓｅｎｔｓａｎａｌｇｏｒｉｔｈｍ．Ｃｏｍｂｉｎｅｄｗｉｔｈｓｏｍｅｃｌａｓｓｉｃｓｈｏｒｔｅｓｔｐａｔｈａｌｇｏｒｉｔｈｍｓ，ｔｈｉｓｐａｐｅｒｐｒｅｓｅｎｔｓａｎｅｆｆｉｃｉｅｎｔｍｅｔｈｏｄｏｆｒｅａｌｉｚｅｔｈｅｓｈｏｒｔｅｓｔｐａｔｈａｌｇｏｒｉｔｈｍｗｈｉｃｈｉｓｂａｓｅｄｏｎＤｉｊｋｓｔｒａａｌｇｏｒｉｔｈｍ．

Ｗｏｒｄｓ：

Ｋｅｙ

ＧｌｏｂａｌＰｏｓｉｔｉｏｎＳｙｓｔｅｍＧｅｏｇｒａｐｈｉｃａｌＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＳｙｓｔｅｍ

Ｍａｐ）（ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃａｌＭａｐＶＮＳ（ＶｅｈｉｃｌｅＮａｖｉｇａｔｉｏｎＳｙｓｔｅｍ）

第一章绪论

１．１车载导航系统的发展与现状

自１９９４年由美国国防部发布全球定位系统（ＧＰＳ）以来，其ＧＰＳ导航技术在民用市场的发展速度远远超出了其系统设计者想象，尤其是近年来，随着微电子技术的迅速发展和ＧＰＳ的芯片制造成本迅速下降，ＧＰＳ导航技术的应用领域已经扩展到各个领域，进入９０年代后期，随着地理信息系统、信息技术和通信技术的发展，以ＧＰＳ导航和地图数据匹配技术为基础的汽车导航产品开始进入市场，并高速增长，目前已成为ＧＰＳ最大的消费市场。

车载导航系统是集卫星定位技术（ＧＰＳ）、地理信息系统（ＧＩＳ）、数据库技术等为一体的综合应用系统，以ＧＰＳ接收机作为地面接收系统，城市电子地图为基础数据库，以Ｗｉｎｄｏｗｓ、可视化开发语言、ＧＩＳ软件为开发平台，只需司机给出目标地址，通过系统的协同工作可显示该城市的电子地图和车辆所在位置，实时规划出一条最佳的旅行代价的路线。同时，用可视信号和语音提示组合输出行驶指令，对司机进行路径引导。

车载导航系统（ＶＮＳ）是引导车辆从起点到达目的地的系统，它是智能运输系统的重要组成部分。车载导航系统的应用将大幅提高道路通行能力，缓解交通拥挤和阻塞。ＧＩＳ在车辆导航系统中发挥着十分重要的作用，ＧＩＳ条件下的电子地图数据库为车辆导航系统提供了存放和管理导航信息的一个可视化载体。ＧＩＳ在车辆导航系统中的应用研究将会成为智能运输系统的一个发展方向。

智能车载导航系统一经问世，即显示出强大的生命力和广阔的应用前景，并产生了巨大的社会和经济效益，可能成为９０年代整个世界新的经济增长点之。

由于巨大的市场潜力和不可估量的发展前景，日本几乎所有的汽车生产厂家都参加了这一高科技角逐，仅近几年投入市场的新系统就有３０多个。而根据

《ＧＰｓｗｏｒｄ》杂志刊登的美国工业发展研究机构的预测，到２００５年，日本、北美和欧洲每年将有１５００－－２５００万套产品售出，在２０１０一２０１５年间，约有５０％的汽车在出厂时，就己装备了车载导航系统，在以后时间里该系统的普及率将会逐渐提高到１００％。

从现实情况来看，由于我国几大轿车生产厂家都有意将ＧＰＳ导航设备作为整车出厂的标准配置。以目前了解的情况而言，在２００１年已经启动我国的ＧＰＳ车辆导航市场，并且小有成效。实际情况表明：长春～汽、湖北二汽、上海大众与通用等大厂都有意在这方面寻求发展，而且重庆长安也在有所行动。既然市场需求已初露端倪，接下来最为突出的问题是要求有ＧＰＳ车辆导航仪成熟的硬件和软件产品，到目前为止，国内尚无较为完善的软硬件齐全的车辆导航系统，并且由于ＧＰＳ是美国军方开发的，抗干扰能力差。可以引入惯性导航系统，形成组合导航系统。与已有一定基础的软硬件相比，电子地图的矛盾更为突出，更为关键也是国外无法直接引进的产品。虽然国内有许多公司与单位做了不少电子地图，但真正符合车辆导航系统应用的功能齐全覆盖较好的导航用的电子地图却为数不多。首要的问题要切实解除某些从前制定的公众禁用法规，经过适当的技术处理能对车辆导航系统应用的电子地图网开一面，使这一市场从根本上能立刻启动；第二点需要强调的是尽快制订并完成车辆导航系统的电子地图标准，使大家有个切实可行的规范可以遵循、做出全国统一制式能够共用的电子地图。这样才能实现资源共享，群策群力在短期内做出全国性的实用的电子地图；第三点是电子地图及时更新的问题，太多数公司和单位所掌握的地图较为陈旧。近年来得以更新的也不多，即使更新过，但其更新的周期远比城市建设的速度和导航要求的周期长得多，从而造成了实际应用中的诸多问题。

ＧＰＳ车辆导航系统最早是在日本独树一帜地发展起来的，而且到了最近二、三年欧洲也大规模地出现爆发性的增长。来势比日本启动时还猛，而且北美又紧追其后，很快出现了产业化发展势头。而更为值得人们注意的一种新动向是出现了一种新产品Ｔｅｌｅｍａｔｉｃｓ（车辆信息系统），它实际上把车辆的导航和监控功

能合二为一，最简捷的方法是利用ＰＤＡ与ＧＳＭ（或ＣＤＭＡ）和ＧＰＳ相结合，既利用车载电子地图进行自主导航，也能利用无线移动通信系统与控制中心和其它信息服务部门实现双向通信。

１．２研究内容及主要工作

基于以上原因，ＯＰＳ受控于美国国防部，这就有可能使我国受制于人，处于被动局面。为此，在本系统设计中，拟采用全球导航卫星系统——ＧＮＳＳ（ＧＬＯＢＡＬＮＡＶＩＧＡＴＩＯＮｓＡＴＥＬＬＩＴＥｓＳＹＳＴＥＭ）为自己留出空间，以防万一。ＧＰＳ／ＧＬＯＮＡＳＳ兼容接收机既可ＧＰＳ或ＧＬＯＮＡｓｓ单独工作，又可同时利用两个系统的信号，这样一旦我们在使用某系统受到限制时（如由于政治原因在某个时域、某个地域ＧＰＳ失效），用户就可以立即转换到另外一个导航系统继续工作（这对于军事应用尤为重要）。对于在有阻碍环境中工作时，如在山地或是城市“峡谷”中，相对单一的ＧＰＳ接收机或单一的ＧＬＯＮＡＳＳ接收机，兼容性的接收机就意味着有较多数目的可用卫星数，从而使用户与卫星之间的几何位置更好，提高可靠性，扩展精度。

开发这个导航系统需要大量的工作，包括系统方面的设计，也需要做软件。软件集ＧＰＳ／ＧＬＯＮＡＳＳ组合导航定位技术、ＧＩＳ地理信息显示技术一体，能为车辆导航提供全面的服务。车辆通过车载导航设备接收ＧＰＳ数据和ＧＬＯＮＡＳＳ数据，在显示屏幕的地图上显示汽车行驶中的位置，以及达到目的地的方向和距离等。可在公路网范围内，定向选择最佳行驶路线，为司机提前提供道路信息，例如道路转弯、交通事故易发区的提示，降低交通事故发生率。

基于电子地图开发的方案有几种，考虑成本与时间的关系，本论文拟采用集成二次开发。集成二次开发是指利用专业的ＧＩＳ工具软件，如Ｍａｐｌｎｆｏ公司的ＭａｐＸ控件，以通用软件开发工具尤其是可视化开发工具（Ｖｉｓｕａｌｃ＋十）为开发平台，进行二者的集成开发。可以充分利用ＧＩＳ工具软件对空间数据库的管理、

西北工业大学硕上学位论文第一章绪论

分析功能，又可以利用其它可视化开发语言具有的高效、方便等编程优点，能大大提高应用系统的开发效率，而且使用可视化软件开发工具开发出来的应用程序具有更好的外观效果，更强大的数据库功能，而且可靠性好、易于移植、便于维护。

本论文主要研究了如下内容：

夺地图浏览功能：主要指对电子地图数据进行操作的功能，包括：（１）地图放大、缩小；

（２）地图平移、切换；

（３）地图随汽车行速方向旋转；

（４）显示模式任选：平面图、鸟瞰图：

（５）多层图层任意调用：

（６）指北针方向：显示当前指北针方向；

夺路径分析功能：由用户通过拖动鼠标或指定地名的方法在地图窗口中指定起点和终点，由计算机软件按照要求自动计算最短行驶路线，并在地图窗口中予以显示。用户可以在最短路径的基础上，利用鼠标拖动。确定最终的行进路线。主要包括：

（１）最短路径选择：用户指定起始点、途径地和终点，选择最短路径；

（２）路径模拟导航：选好路径后，用户可以模拟导航；

（３）距离量算：量算地图上多点之间的距离：

夺ＧＮＳＳ接收机与主机的通信功能：ＧＮＳＳ接收机接收到的信号，利用ＲＳ～２３２串口与主机进行通信。软件根据接收到的ＮＭＥＡ数据：日期、时间、经纬度、海拔、速度、可用的卫星数量，信号精度等数据，传递数据，显示当前卫星方位和信号接收情况，上方是星图，下方是信号接收状态。保存接收到的数据。

争导航定位功能：利用ＧＮＳＳ和电子地图可以实时显示出车辆的实际位置，可以随目标移动，使目标始终保持在屏幕上。包括：

西北－【业大学硕士学位论文第～章绪奁（１）定位功能：定位当前位置；

（２）导航功能：自主导航，显示相应的位置信息；

（３）轨迹记录功能：保存当前路线轨迹：

（４）自动道路捕捉：捕捉错误位置到正确位置，使得导航更加准确。１．３论文内容的安排

根据自己所完成的工作，将论文结构安排如下：

第一章——主要概述车载导航系统的国内外发展现状，及论文研究内

容等；

第二章——主要论述ＧＰＳ全球定位系统原理及ＧＰＳ／ＧＬＯＮＡＳＳ集

成接收机的定位原理；

第三章——介绍了基于ＭａｐＸ控件的ＧＩＳ软件开发方式及ＭａｐＸ控

件技术；

第四章——车载导航软件的分析与实现；

第五章——试验结果分析；

第六章——总结。

西北【业大学硕｝学位论文第一蕈ＧＰＳ定位慷理＿；Ｆｉ】方法

第二章ＧＰＳ定位原理和方法

２．１ＧＰＳ卫星全球定位系统概述

全球定位系统（ＧｌｏｂａｌＰｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇＳｙｓｔｅｍ—ＧＰＳ）是美国从本世纪７０年代开始研制，历时２０年，耗资３００亿美元，于１９９４年全面建成，具有在海、陆、空进行全方位实时三维导航与定位能力的新一代卫星导航与定位系统。其全称是ＮａｖｉｇａｔｉｏｎＳａｔｅｌｌｉｔｅＴｉｍｉｎｇａｎｄＲａｎｇｉｎｇＧｌｏｂａｌＰｏｓｉｔｉｏｎＳｙｓｔｅｍ，缩写成ＮＡＶＳＴＡＲＧＰＳ，译为导航卫星授时和测距全球定位系统。ＧＰＳ可在全球范围内、全天候、连续实时地为海上、空中、陆地、空间各类用户提供高精度的三维位曼（经度、纬度、高度）、三维速度和时间信息。ＧＰＳ是继惯性导航之后，在导航技术领域内的一项重大革命。它实质上是一种无线电导航系统。但因它吸取了现代最新科技成果，不但为载体导航和定位提供了最有效的手段，同时还具有精确授时功能。ＧＰＳ除了用于军事上载体导航、制导之外，在大地测量、地质勘探、空中交通管制、车辆导航定位和人员定位等领域都有广阔的应用前景。

随着全球定位系统的不断改进，硬、软件的不断完善，应用领域正在不断地开拓，目前已遍及国民经济各种部门，并开始逐步深入人们的日常生活。ＧＰＳ系统包括三大部分：空问部分～ＧＰＳ卫星星座；地面控制部分一地面监控系统：用户设备部分—ＧＰｓ信号接收机。三者的关系如图２．１。

．，７一＼

，ＧＰＳ

八星座

Ｉ＼、．一，≮

ＧＰＳ信号｛ｊ

ｆ／斋、注入信

ｆ信号＼

、、接收机／

＼＼～／

图２．１ＧＰＳ卫星全球定位系统的三大组成６

西北工业大学硕：上学位论文第一章ＧＰＳ定位搬理和方ｊ盘２。２ＧＰＳ伪距定位原理

按定位时ＧＰＳ接收机所处的状态，可以将ＧＰＳ定位分为静态定位和动态定位两类。所谓静态定位，指的是将接收机置于测站上数分钟至１小时或更长的时间进行观测．以确定一个点在ＷＧＳ．８４坐标系中的三维坐标（绝对定位），或两个点之间的相对位置（相对定位）。而动态测量则至少有一台接收机处于运动状态，测定的是各观测历元相应的运动中的点位（绝对定位或相对定位）。

利用接收机收到的测距码或载波相位均可进行静态定位。但由于载波的波长远小于测距码的波长，若接收机对码相位及载波相位的观测精度取至０．１周（每２ｘ弧度为一周），则Ｃ／Ａ码及载波Ｌｌ所相应的距离误差分别约为２．９３ｍ和１．９ｒａｍ。利用载波相位进行单点定位可以达到比测距码伪距定位更高的精度。载波相位测量的最主要的应用是进行相对定位。将两台ＧＰＳ接收机分别安置在两个不同的点上，同时观测卫星载波信号，利用载波相位的差分观测值，可以消除或消弱各种误差的影响，获得两点问赢精度的ＧＰＳ基线向量。

然而考虑到本导航系统ＧＰＳ接收机采用的是伪距单点定位，在这里只讨论测距码伪距单点定位原理。

２．２．１伪距单点定位原理

测距码伪距就是由卫星发射的测距码到观测站的传播时间（时间延迟）乘以光速所得出的量测距离，习惯上简称伪距。

ＧＰＳ定位的基本原理，是通过测距来确定用户的位置坐标。测距、测距差或测距和都是利用无线电电波在空间传播的恒速性和直线性，通过测量电波的传播时间（传播延时）来进行的。因此，测距的问题实质上变成了测时的问题。

ＧＰＳ想要实现精密测距，就必须解决精密测时。对于精密测时，系统必须有精确的时间基准，即精密的时钟。由时钟产生的周期性信号称为时钟信号，目前ＧＰＳ测距中，基本上使用的是周期性伪随机序列信号。

具体测量传播延时时，有两种方式可供选择，即有源方式和无源方式。

有源方式，由用户发射信号，卫星接收并转发，再由用户接收回波信号。其间用户由发到收的时间延迟即所测传播延时。如用户和卫星之间的距离为ｒ，测得的传播延时为ｒ，若卫星接收与转发之间无时间延迟，则有关系：

Ｉ

ｒ＝：ｃｆ（２＿１）式中：ｆ＝２．９９７９２４５８×１０８ｍｌｓ，电波传播速度。

对（２一１）式进行微分，可得：

尘＝ｊｌｄｔｃ生ｄｔ＋三２７生ｄｔ（２—２）

２、。７若用增量代替微分分量，可得：

Ａｔ＝昙ｃＡｆ＋去出（２－３）

’７

由（２—３）式可知，测距误差△ｒ的大小，主要取决于传播延时误差△ｆ及电波传播速度误差△ｃ。因此，如何保证传播延时的测量精度及校正电波传播速度的误差，便成为有源测量的关键。

无源方式，由卫星发射信号，而用户接收信号，用户直接从所接收的信号中测得传播延时。这就要求，用户钟与卫星钟完全同步，即二时钟同频同相，没有误差。若二时钟有钟差△ｆ，则用户测量的传播延时ｆｆ并不等于真正的传播延时ｆ，所测距离也必然不是真正的距离。我们把ｆ，对应的测量距离称为我们开始定义的伪距，并用符号，’表示：

ｒ‘＝ｃ，＝ｃ（ｒ＋血）＝，＋ｃ△ｆ（２—４）显然，无源方式下，除传播延时测量误差、电波传播速度误差引起测距误差外，钟差出也会导致澳４距误差。因此，在这种方式下，要实现精密测距．卫星和用户都应配备精密时钟，且要二钟严格同步，这在实际中往往是有一定困难的。但无源工作方式最终还是作为ＧＰＳ测量传播延时的基本方式，这是因为用户不需要发射电波，易于实现无线电静默。也就是我们所说的被动式跟踪。

由（２—４）式可知，卫星与用户之间的真距与伪距之差为ｃａｔ。在ｃ为常数的前提下，如钟差Ａｔ＝１０ｎｓ＝１０×１０４ｓ，相当距离误差为３ｍ。

如果１０ｎｓ的钟差，是两个时钟在一天的时间中形成的，那么对应的时钟Ｆ｛稳定精度为：

坐：！！！！贮：１．１５。ｌｏｍ

Ｔ２４ｘ３６００

那么高的稳定度，只有类似铯这样的原子钟可以达到。在二十几个卫星装如此精密和昂贵的原子钟尚可，在成千上万的用户设备上安装如此昂贵的精密钟显然是办不到的。那么能否寻求一种办法以降低对用户钟的要求呢？

目前ＧＰＳ卫星上的钟，多为日稳定度为１０。３的铯原子钟，依靠地面监控系统的监测控制，可以保证给各卫星的原子钟相互同步。而各种用户接收机上的时钟，可以是精度较低的石英钟。二者有钟差出，这时用户测量到的第ｉ颞卫星的伪距为：

‘＋＝‘＋如ｆ（２—５）从几何上讲，一个

距离ｒ，可以得到一个

以卫星Ｓ为中心，ｆ为

半径的圆球面；如果同

时测得用户到３颗卫星

的距离，就可以得到三

个圆球面，即可定出用

户在三维空间的位置。

设地球系ＯＸ。Ｙ。乙，图２．２用户和卫星的三维坐标

用户Ｕ在地球系一点上的三维坐标为（ｔ，咒．乙），第ｆ颗卫星Ｓ在地球系上一点的三维坐标为（ｘ‘，ｙ’，一），如图２ｒ２所示。则用户ｕ到第ｉ颗卫星Ｓ之间的距离可以表不为：

‘＝√（‘一ｘ’）２＋（儿一ｙ。）２＋（：。一：’）２（ｆ＝ｌ，２，３）（２—６）这样，要解出（２．６）式的用户坐标ｔ、虬、乙三个未知量，必须建立三个类似的独立方程式，通过测量３颗卫星的距离‘及解出３颗卫星的坐标（一，少，：’）之后可得到用户的坐标。

由于实际中测得的不是‘，而是伪距‘‘。将（２?６）代Ａ蓼Ｊ（２—５）式，有：‘’＝√（ｔ—ｘ’）２＋（虬－ｙ’）２＋（ｚ。一三‘）２＋ｃＡｔ（ｆ＝１，２，３，４）（２—７）可见，只要测量到４颗卫星的伪距，，就可以解出用户位置坐标。这样，解决降低用户钟精度（用户不要求使用同卫星上一样的高精度原子钟）的办法，是再多测一个伪距即可。

式（２—７）中，卫星坐标可根据卫星轨道参数解算出。在研究卫星导航时，常将地球系的三个轴无限延展，并取名为宇宙直角坐标系ｏｘ。ｙ。ｚ，。由于该坐标系随地球有自转运动，所以瞩轴相对春分点轴有一个偏转角ｇ，。根据轨道参数Ｑ、０、ｉ、国及矢径ｒ与坐标系Ｄｔ虬：。之关系，可列出卫星位置在该坐标系三个轴向上的分量为：

ｆｘ＝ｒｃｏｓ（Ｏ＋研ｃｏｓ（Ｑ－ｇｊ）一ｒｓｉｎ（８＋６０）ｓｉｎ（Ｏ～Ｑｆ；）ｃｏｓ／

｛ｙ＝ｒｃｏｓ（Ｏ＋ｔｏ）ｓｉｎ（Ｑ－ｃ，）＋ｒｓｉｎ（口＋国）ｃｏｓ（Ｑ—Ｑ。，）ｃｏｓ／（２－８）

【ｚ＝，ｓｉｎ（Ｏ＋ｏｕ）ｓｉｎｉ

式中参数定义如下：

西北工业大学硕士学位论文第一章ＧＰＳ定位矩＿Ｅ！ｌ！羊ｎ方法

＿Ｑ：升交点赤径——升交点，道的交点。地球环绕太阳

公转的一圈中有一个点

（即日历上所表示的春分

时间），它反映在天球赤道

平面上的固定位置，叫做

春分点。升交点赤径，是

春分点轴向东度量到升交

点的弧度：

，一ｉ：轨道平面倾角——卫

星轨道平面与天球赤道平

面的夹角；是由南向北飞行的卫星，其轨道与天球赤

毛

图２．３卫星在地球系位置

＿∞：近地点角距——由升交点轴顺着卫星运行方向度量到近地点的弧长，亦叫做近地点幅角：

■疗：真近点角——傲设卫星的运行的椭圆轨道的长轴方向为ＯＮ，以ＯＮ为基准（对应近地点为Ｎ），把卫星Ｓ与点心连线ＯＳ与ＯＮ间的夹角就

定义成真近点角，它确定了卫星在轨道上的具体位置。

这几个轨道参数之间的关系示意图如图２＿３所示。

２．２．２ＧＤｏＰ

ＧＤＯＰｆＧｅｏｍｅｔｒｉｃＤｉｌｕｔｉｏｎｏｆＰｒｅｃｉｓｉｏｎ），是几何精度衰减因子，简称几何精度因子（几何精度系数）。它表示用户定位误差随ＧＰＳ卫星星座几何位置而变化的关系，确切地讲，ＧＤＯＰ值表示了定位精度衰减系数或定位误差的放大系数，实际中分为三维空间、二维平面、垂直方向和时间四个不同的几何精度因子，分别为ＰＤＯＰ、ＨＤＯＰ、ＶＤＯＰ和ＴＤＯＰ。当用户至卫星测距误差～定的情

况下，对应上述四种不同性质的误差大小是测距误差乘以各自的几何精度因予。它们之间有如下关系：

ＧＤＯＰ２：ＰＤＯＰ２＋ＴＤＯＰ２

可见，几何精度因子确为误差的放大系数，自然希望它越小越好。

２．３ＧＰＳ信号接收机

ＧＰＳ信号接收机是ＧＰＳ导航卫星的定位的终端仪器，是一种能够接收、跟踪、变换和测量ＧＰＳ卫星导航定位信号的无线电接收设备，既具有常用无线电接收设备的共性，又具有捕获、跟踪和处理卫星微弱信号的特性。本节将讨论ＧＰＳ信号接收机的基本结构和工作原理，着重论述当代卫星信号接收机的一个重要类型—－ＧＰＳ／ＧＬＯＮＡＳＳ集成接收机。

２，３．１ＧＰＳ信号接收机的基本结构

ＧＰＳ信号接收机的种类虽然如此之多，但是，从仪器结构的角度来分析，

、可７

——’…—‘————１

ｔ前置放大器ｌ——一Ｉ。。。。。。。。。。。。。。１１。。。。——Ｌ——————．。—．．．—ｌ

●一—一存储器ｌｒ＋；显控嚣＋｝１１『频率变换器ｌＬ－、２４，。——＿ｒ～’ｊ。。——

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【＿ｌ电源Ｉ厂志【器：Ｉ图２．４ＧＰＳ信号接收机的方框图

则可概括为天线单元和接收单元两大部分（如图２．４所示）。对于大多数的非袖珍式的ＧＰＳ信号接收机而言，图中的两个单元被分别装成两个独立的部件，以便天线单元能够安设在运动载体或地面的适当点位上，接收单元置于运动载体内部或测站附近的适当地方，进而用长达ｌＯ～１００ｍ的天线电缆将两者连接成一个整机，仅由一个电源对该机供电。从图２．４可以看到接收机主要包括六大功能模块：天线单元、信号波道、存储器、计算与显控、频率合成器、电源等。

综上所述，接收机的主要任务是，当ＧＰＳ卫星在用户视界升起时，能够捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星，并能够跟踪这些卫星的运行。对所接收到ＧＰＳ信号，具有变换、放大和处理的功能，以便测量出ＧＰＳ信号从卫星到接收天线的传播时间及其频率，解译出ＧＰＳ卫星所发送的导航电文，实时地计算出测点的三维位置、三维速度和时间。

２．３．２ＧＰＳ信号接收机的工作原理

在导航定位测量中，ＧＰＳ信号接收机一般需要实施下列主要作业程序：检验接收机的自身性能，捕获和跟踪在视待测卫星，校正接收机时钟，采集和记录导航定位数据，不断选用适宜的定位星座，实时算得点位坐标和行驶速度。随着超大规模集成电路和圃件技术的迅速发展，许多接收机已经能够自动地按序完成这些作业程序。

用２４颗卫星组成的ＧＰＳ星座作导航定位铡量时，对于某一个用户而言，能够同时接收到４～１２颗卫星发送的ＧＰＳ信号，亦即将有８～２４个导航定位信号同时到达用户的全向接收天线。因此，如何从这些载波频率相同的接收信号中解析出各自需要的ＧＰＳ导航定位信号，是ＧＰＳ信号接收机必须解决的首要问题。

假定ＧＰＳ信号接收执具有４个平行跟踪式波道。而有８颗卫星的ＧＰＳ信号同时到达接收天线，它们经过混频、滤波和中放之后，若暂且略去信号在传播途径上和接收机内的附加延时，则对于第一波道而言，若令其跟踪和测量柬自

两北ｒ业大学硕上学位论文第二章ＧＰＳ定位原理和方法第ｆ颗卫星的ＧＰＳ信号，则必须抑制和排斥来自其他各卫星的ＧＰＳ信号。其方法是，依据不同的ＧＰＳ卫星具有不同的伪噪声码，通过捕获和跟踪到第ｉ颗卫星的伪噪声码，而实现ＧＰＳ信号的识别。

ＧＰＳ信号接收机均采用先捕获Ｃ／Ａ码，在Ｃ／Ａ码１ｍｓ的时间周期共有】０２３个码元，若以５０ｂｉｔ／ｓ的速率搜索Ｃ／Ａ码，只需２０．４６ｓ就能够完成一个周期Ｃ／Ａ码的搜索。然而，Ｃ／Ａ码的捕获，需要逐元搜索和精细调节两步才能到位。

第一步，逐元搜索，迫使Ｃ／Ａ码步入跟踪区间。在搜索状态下，存在下述两种Ｃ／Ａ码：其一是，接收到的来自ＧＰＳ卫星的Ｃ／Ａ码，叫做接收码。另者是，接收机Ｃ／Ａ码发生器所产生的Ｃ／Ａ码，称之为本地码。与此相对应，还存在接收载波和本地载波。因此，搜索Ｃ／Ａ码的目的，既要迫使本地码基本上对准接收码，又要迫使本地载波频率锁定在接收载波频率上。

第二步，精细调节，双跟踪环路解译出Ｄ码。Ｃ／Ａ码的上述搜索，只能解决本地码和本地载波基本上分别对准接收码和接收载波的问题。换言之，只能解决ＧＰＳ信号接收机的“冷启动”。两者的一一精确对齐，还需依靠伪噪声码跟踪环路和载波跟踪环路（Ｃｏｓｔａｓ环）。

在ＧＰＳ信号接收机搜索、捕获和跟踪伪噪声码及解调所传送的导航电文后，才有可能测量测点与卫星之间带有距离偏差的距离（伪距）。伪距的测量，可采用下述“分步”测量的方法：

（１）用导航电文６ｓ子帧的同步码（遥测码的第１～８ｂｉｔ——１０００１００１）测量１．８×１０６枷以内的站星距离，称之为同步粗测值；或者，用Ｐ码予码ｘｌ的１．５ｓ时间周期测量４．５ｘ１０５ｋｍ以内的站星距离，称之为Ｐ码粗测值：

（２）用Ｃ／Ａ码的ｌｍｓ时间周期测量３００ｋｍ以内的站星距离分量，称之为Ｃ／Ａ码粗测值：

ｆ３）用Ｃ／Ａ码的码元相位测量３００ｍ以内的站星距离分量，称之Ｃ／Ａ码精测值：

西北１＝业大学硕士学位论文第二章ＧＰＳ定位原理祁方止

（４）用Ｐ码的码元相位测量３０ｍ以内的站星距离分量，称之为Ｐ码精测值。

上述测量方法，都是用于测量同一时元的同一个站星距离，它们也像用尺长分别为１。８×１０６／ａｎ、４．５×１０５枷、３００ｋｍ、３００ｍ和３０ｍ的５把“电尺”，同时分别去量测同一站星距离，只不过同步粗测值和Ｐ码粗测值，是为了解决所测站星距离（其最大值约为２６５００ｋｍ）的多值性（模糊度），因此，两种粗测值只需采用其中之一。但是，无论采用Ｐ码粗测值，还是同步粗测值，其测量误差必须小于１５０ｋｉｎ（０．５ｍｓ），以确保３００ｋｍ整倍数值的正确性。

同步精测值，可以按时间扩展测量技术，精确测得６ｓ子帧同步码之间的时间之差，其值乘以电磁波的传播速度，即为同步粗测值。Ｃ／Ａ码粗测值采用“全１状态脉冲测量法”如图２．５所示。图中的本地码发生器输出到Ｌ０全“１”状态

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图２．５码粗测值的测量原理框图

检出器的本地码，是已经与接收码“对齐”了的Ｃ／Ａ码。但是，即使ＧＰＳ信号接收机的时钟和ＧＰＳ卫星时钟严格同步，由于两地时钟的启动时间之异（即信号初相不同），基准码不能完全代替卫星上伪噪声码，按照图２。５测得的站星距离，总是存在由此而引入的距离偏差，亦即所测得的站星距离，不同于ＧＰＳ信号接收机接收天线和ＧＰＳ卫星之间的真实距离，而是带距离偏差的伪距。此外，为了产生基准码，不仅要求严格同步接收机时钟。而且还要知道伪噪声码的结构，因此，非特许用户一般只能用Ｃ／Ａ码作为伪距测量。

西北】＝业丈学项士学垃论文第二草ＧＰＳ定位嫩理和方泼２．３．３ＧＰＳ／ＧＬＯＮＡＳＳ集成接收机

所谓ＧＰｓ／ＧＬＯＮＡＳＳ集成接收机，就是一台接收机同时接收和测量ＧＰＳ及ＧＬＯＮＡＳＳ两种卫星信号。ＧＬＯＮＡＳＳ全球导航卫星系统（英文全称为ＧｌｏｂａｌＯｒｂｉｔｉｎｇＮａｖｉｇａｔｉｏｎＳａｔｅｌｌｉｔｅＳｙｓｔｅｍ）是原苏联自己建造的由２４颗卫星组成工作星座的第二代卫星导航系统。ＧＬＯＮＡＳｓ卫星星座采用频分多址的信号识别方式，亦即，ＧＬＯＮＡＳＳ卫星星座不像ＧＰＳ卫星星座那样采用一个公共的射电频率，而是每颗ＧＬＯＮＡＳＳ卫星采用不同的射电频率。并且，对于我国境内能够见到的高度角在５度以上的２４颗ＧＬＯＮＡＳＳ卫星是１１颗。本导航系统之所以采取ＧＰＳ／ＧＬＯＮＡＳＳ集威接收机，是考虑到其优越性的。

ＧＰＳ／ＧＬＯＮＡｓｓ集成接收机相对于用单一卫星星座的ＧＰＳ或ＧＬＯＮＡＳＳ信号接收机而言，其优越性体现在如下几个方面：

（１）能够消除间隙时段。当用单一的ＧＰＳ星座作导航定位测量时，对于

某地某时也许能见到４颗ＧＰＳ卫星，而这４颗卫星构成几何图形又较差，致使它的三维位置几何精度因子（ＰＤｏＰ）超过６，两显著地放大位置和时间误差，这个时间段称为“间隙时段”。如果同一台接收机能够同时接收、跟踪、变换和测量ＧＰＳ和ＧＬＯＮＡＳＳ两种卫星信号，则可从４８颖卫星的ＧＰＳ／ＧＬＯＮＡＳＳ混合星座中选择适宜的卫星，构成卫星星座。从而消除上述导航定位测量的间隙时段，阱保证高精度导航定位的连续性和可靠性。

（２）能够实现真正的全球连续的精确导航。当用单一的ＧＰＳ星座作导航

测量时，理论上只需观测４颗卫星。但试验结果表明，仅仅观测４颗卫星难以实现连续的精确导航。特别是在高动态的应用场合，运动载体和ＧＰＳ卫星之间存在着较大的加速度径向分量，易于导致接收机跟踪环路的失锁。若采用ＧＰＳ／ＧＬＯＮＡＳＳ集成接收机，即可在一天的任何时候接收４颗以上的卫星信号，又可选择径向加速度较小的卫星构成定位星座，而确保精确导航测量的连续性。

（３）能够以较短的数据采集时间获得较高的导航定位精度。试验成果表