山 東 科 技 大 學本科畢業設計（論文）開題報告題 目 GPS載波偽距單點定位程序設計學 院 名 稱 測繪科學與工程學院 專業班級 學生姓名 學 號 指 導 教 師 填表時間： 2014 年 04 月 10 日填表說明1.開題報告作為畢業設計（論文）答辯委員會對學生答辯資格審查的依據材料之一。2.此報告應在指導教師指導下，由學生在畢業設計（論文）工作前期完成，經指導教師簽署意見、相關系主任審查后生效。3.學生應按照學校統一設計的電子文檔標準格式，用A4紙打印。4.參考文獻不少于8篇，其中應有適當的外文資料（一般不少于2篇）。5.開題報告作為畢業設計（論文）資料，與畢業設計（論文）一同存檔。設計（論文）題目GPS載波偽距單點定位程序設計 設計（論文）類型（劃“”）工程實際科研項目實驗室建設理論研究其它 一、 本課題的研究目的和意義衛星導航定位技術作為世界上最先進的導航與定位系統，隨著其在全球的普及，日益顯示了衛星導航的巨大優越性和其在經濟、軍事領域的重大作用。在導航戰中，GPS 實時準確地為地面、空中、海上部隊和導航發射、制導提供了導航定位數據。因此研究 GPS 導航定位技術已成為當務之急1。在GPS應用中，一般都采用相對定位的作業方式2。通過觀測值差分消除接收機鐘差、衛星鐘差等公共誤差及削弱對流層延遲、電離層延遲等相關性強的誤差影響3，來達到提高精度的目的。這種作業方式無需考慮復雜的誤差模型，具有解算模型簡單、定位精度高等優勢。但也存在一些不足，如作業時至少有一臺接收機置于已知站上觀側，影響了作業效率，提高了作業成本。另外隨著距離的增加，對流層延遲、電離層延遲等誤差相關性減弱，必須相應地延長觀測時間，才能達到預期的精度。為了克服GPS相對定位的這些缺點，單點定位方法越來越受到關注。傳統GPS單點定位利用偽距及廣播星歷的衛星軌道參數和衛星鐘差改正進行定位3。其優點是數據采集和數據處理較為方便、自由、簡單,用戶在任一時刻只需用一臺GPS接收機進行定位測量，但由于偽距（即使是P碼偽距）的觀測噪聲至少也有幾十厘米，廣播星歷的軌道精度為幾米，衛星鐘差改正精度為幾十納秒，因此這種單點定位的坐標分量精度只能達到10米級（P碼單點定位精度約為3米）4,僅能滿足一般的導航定位需求。為了滿足更高精度的要求，精密單點定位技術孕育而生，隨著 IGS 精密軌道和精密鐘差精度越來越高，精密單點定位技術已成為當今國際衛星導航定位領域一個研究熱點，采用精密單點定位技術，單臺雙頻接收機可以在全球范圍內直接得到高精度的ITRF絕對坐標。隨著衛星軌道和鐘差的精度不斷提高，其靜態定位精度可達到mm-cm級，動態定位精度可達到cm-dm級5，大大滿足生產建設的需求。本文研究利用GPS單點定位的雙頻載波相位數據及廣播星歷信息進行標準單點靜態定位。二、 本課題的主要研究內容（提綱）1、編程實現RINEX文件的讀取。首先掌握RINEX觀測值文件和星歷文件的內容，其中包含大量的信息，需要定義響應的存儲信息的數據結構有觀測值的數據結構、氣象數據的數據結構。2、通過廣播星歷求GPS衛星位置計算。計算思路：首先計算衛星在軌道平面坐標系下的坐標；然后將上述坐標分別繞X軸旋轉- i角，繞Z軸旋轉- k角，求出衛星在地固系下的坐標。3、載波單點定位數學模型線性化推導及編程實現。根據載波相位觀測方程進行逐項推導，將觀測方程簡化為線性方程后編程實現。4、單點定位的改正量計算。主要包括：與衛星有關的誤差項、與傳播路徑有關的誤差項、與測站有關的誤差項等。各項誤差改正的流程：計算衛星位置時，進行衛星鐘差改正，相對論效應改正，地球自轉改正；對觀測值進行以下改正：電離層改正，對流層改正；對計算位置進行以下改正：天線相位中心改正。5、程序的調試。進行編程調試和程序優化工作，盡可能達到簡單、高效、易懂的標準。 三、 文獻綜述（國內外研究情況及其發展）全球實時精密單點定位技術是由Caltech 噴氣推進實驗室（Jet Propulsion Laboratory，簡稱JPL） 的 Muellerschoen 等人提出，其原理是在初始化后進行單歷元精密單點定位，來實現全球范圍內的實時動態定位。他們的實驗結果表明，在全球范圍內可望實現實時動態精密單點定位的水平定位精度為 10-20cm6。NavCom 的Hatch 提出了利用 JPL 實時定軌軟件 RTG 實現全球實時動態定位（Real - time kinematic，簡稱RTK）計劃，該計劃原理是通過因特網和地球靜止通信衛星向全球用戶發送精密星歷和精密衛星鐘差修正數據，用戶通過接收這些修正數據來實時定位解算，實現 2-4dm 的實時動態定位精度，而采用這些修正數據在事后靜態定位精度可達 2-4cm7。近年來,隨著實時精密單點定位技術發展,美國的 JPL 研究并且已開發了實時全球精密單點定位（precise point positioning，簡稱PPP）系統；加拿大 NRCan 也開發了區域實 PPP 系統;其服務范圍僅限于加拿大及其周邊區域；NavCom 公司也已經成功研發出商用實時 PPP 系統；加拿大 Calgary 大學開發了 P3軟件，該軟件具有事后和實時 PPP 功能(軟件在實時 PPP 處理時采用 JPL 提供的實時精密衛星軌道和鐘差產品)。國內研究精密單點定位的進程中，魏子卿、葛茂榮在 GPS 相對定位的數學模型中介紹了非差模式的處理方法8；葉世榕在他的博士論文中對 GPS 非差相位精密單點定位的理論與方法進行了系統的研究，他自行研制的定位軟件，單天解的精度在 B 方向優于 1cm，在L 方向優于 2cm，在 H 方向優于 3cm。其單點定位進行動態定位時，需要約為 15 分鐘的初始化時間，此后單歷元解的精度為：B、L、H 方向均優于 20cm 而大部分解的精度優于 10cm。利用 GPS 的精密預報星歷和實時估計的衛星鐘差進行實時動態定位的精度為 40cm 左右9。陳小明在他的博士論文中提出了建立基于卡爾曼濾波算法的高精度 GPS 動態定位數據處理模型，應用可靠性理論分析卡爾曼濾波在高精度 GPS 動態定位數據處理中探測周跳及機動加速度的能力以及不可發現的機動加速度對濾波估值的影響。在可靠性分析的基礎上建立簡單、實用的無模糊度參數的卡爾曼濾波高精度 GPS 動態定位數據處理模型10。武漢大學的郭際明教授通過對 GPS 精密單點定位技術的研究，開發出 GPS 精密單點定位軟件 GPP。而范士杰依據 GPP，增加了基于寬巷組合相位觀測值的精密單點定位軟件模塊。通過定位解算，在初始化完成之后，其 N 方向和 E 方向的坐標值很快趨于穩定，單歷元解算的 N 坐標、E 坐標和高程 H 坐標的真誤差分別穩定在0.3m、0.2m、0.9m 以內。武漢大學的張小紅教授通過對雙頻 GPS 精密單點定位技術的深入研究，開發了雙頻 GPS 精密單點定位軟件 Trip，該軟件的靜態定位精度可達到厘米級，而動態定位精度可達到分米級11。四、 擬解決的關鍵問題1、通過廣播星歷求GPS衛星位置計算。2、載波單點定位數學模型線性化推導及編程實現。五、 研究思路和方法采用面向對象編程的方式。將整個研究和程序劃分模塊進行，研究部分主要解決通過廣播星歷求GPS衛星位置計算，載波單點定位數學模型線性化推導兩個部分。而編程則分為時間轉換編程實現、坐標轉換編程實現、文件I/O、計算衛星位置、各項誤差改正計算、單點定位數學模型編程實現等6個功能模塊。單點定位的基本原理單點定位數據需求矩陣函數編程編碼實現各個模塊GNSS中的時空基準時間轉換編程實現坐標轉換編程實現文件I/O計算衛星位置各項誤差改正計算聯合調試單點定位數學模型編程實現六、 本課題的進度安排3月19日-4月8日 開題報告，與指導教師和小組成員討論，文獻資料匯總。4月 9日-4月16日 完成RINEX文件的讀取工作。4月17日-5月1日 完成GPS衛星位置計算及相應編程工作。5月 2日-5月8 日 完成載波單點定位數學模型線性化推導及編程工作。5月9日-5月15日 完成單點定位的改正量計算及程序調試工作。5月16日-5月29日 完成聯合調試工作。5月50日-6月15日 完成所有研究內容的總結，進行論文寫作，與指導教師討論修改后最終定稿，參加畢業答辯。七、 參考文獻1 石小麗.載波相位測量的定位結算算法研究 D ,成都:電子科技大學,20082魏子卿,葛茂榮.GPS相對定位的數學模型M,北京:測繪山版社,19983劉大杰,施一民,過靜君.全球定位系統(GPS)的原理與數據處理,同濟大學出版社,199741劉經南,葉世榮.GPS非差相位精密單點定位技術探討J.武漢大學學報,2002,24(3):234-2405張金寶,王少閩.GPS單點定位程序設計與實現J, 武漢大學學報,2009,11(5):60-666 Melbourne W G,The case for ranging in GPS based geodetic SystemsJ,See Goad，1995,21(5):343-386 7Hatch R.Dynamic. Differential GPS at the Centimeter LevelC,Proceedings of the 4th International Geodetic Symposium on Satellite Positioning,DMA,Las Cruees,New Mexico,1982,Feb:8-12 8 葉世榕.GPS 非差相位精密單點定位理論與實現D.武漢:武漢大學,20029 陳小明.高精度 GPS 動態定位的理論與實踐D,湖北武漢:武漢大學,199910 張小紅.動態精度單點定位(PPP)的精度分析J.全球定位系統,2006，25(1):7-1l11李征航,黃勁松.GPS原理與應用M,武漢:武漢大學出版社,200512李征航,張小紅.衛星導航定位新技術及高精度數據處理方法M,武漢:武漢大學出版社,200913Herous, Kouba J, Collons P.GPS Carrier Phase Point Positioning with Precise Oribit Products,The International Symposium on Kinematic Systems in GeodesyJ,GeomaticsandNavigation,Calgary,2001,24(3):12-1314陳兆林,張書畢,咚瑞菊.用拉格朗日多項式內插計算GPS衛星位置J.全球定位系統,2007,32(2):33-3515邱蕾,廖遠琴,花向紅.基于IGS精密星歷的衛星坐標插值J,測繪工程學報,2008,17(4):15-2416李慶揚,王能超,易大義.數值分析M,湖北武漢:華中科技大學出版社,200517黨亞明,秘金鐘,成英燕.全球導航衛星系統原理與應用M,北京:測繪出版社,200718 程鵬屹,蔡艷輝,文漢江等.全球衛星導航系統GPS，GLONAsS，Glailco及其他系統M,北京:測繪出版社,200919劉基余,李