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青岛农业大学毕业论文(设计) 题姓学专班学目：用 Matlab 对 GPS 定位结果进行分析名：张伟院：理学与信息科学学院业：级：号：通信工程 06 级 01 班 20064357 指导教师：李吉忠 2010 年 6 月 17 日

用 Matlab 对 GPS 定位结果进行分析目录第 1 章绪论..............................................................................................1 1.1 GPS 前景...........................................................................................................1 1.2 GPS 系统概述................................................................................................... 1 1.3 GPS 系统的组成............................................................................................... 2 1.3.1 空间星座部分.............................................................................................................2 1.3.2 地面监控部分............................................................................................................3 1.3.3 用户设备部分.............................................................................................................3 1.4 GPS 作用...........................................................................................................4 第 2 章 GPS 定位原理..............................................................................7 2.1 卫星坐标求解....................................................................................................7 2.2 定位基本原理..................................................................................................11 第 3 章用 matlab 对 GPS 定位结果分析..............................................15 3.1 用 matlab 对定位结果进行平面坐标分析.......................................................15 3.2 用 matlab 对定位结果进行三维坐标分析.......................................................19 3.3 误差分析......................................................................................................... 22 3.3.1GPS 系统误差............................................................................................................22 3.3.2 信号传播误差...........................................................................................................24 3.3.3 接收误差...................................................................................................................25 第 4 章结论............................................................................................26 4.1 本文总结......................................................................................................... 27 4.2 存在的问题......................................................................................................27 4.3 展望................................................................................................................. 27 参考文献....................................................................................................29 致谢............................................................................................................30

用 Matlab 对 GPS 定位结果进行分析用Matlab对GPS定位结果进行分析摘要：GPS是20世纪70年代由美国陆海空三军联合研制的新一代空间卫星导航定位系统。到1994年3月，全球覆盖率高达98%的24颗GPS卫星星座己布设完成。而随着GPS技术的发展，GPS已被应用到各个领域，这样GPS定位结果分析也成为了GPS发展重要的一部分。本文简要介绍了GPS定位系统组成和GPS定位原理。采用matlab仿真的方法，对GPS定位结果分别从二维和三维坐标进行了分析。利用仿真图形直观的描述了 GPS定位结果的经度、纬度、高度变化幅值，与GPS定位结果的水平方向偏差幅值，计算出了GPS定位结果水平方向与垂直方向的平均偏差，并且与它们的最大值和最小值进行了对比。最后分别从GPS系统误差、信号传播误差、接受误差三方面，对GPS定位误差来源进行了分析，为GPS定位结果提供了分析方法。关键词：GPS GPS定位结果误差分析 I

用 Matlab 对 GPS 定位结果进行分析 Using Matlab to analyze the results of the GPS positioning Abstract ： GPS is the 20th century by the U.S. armed forces 70 years the joint development of a new generation of space satellite navigation and positioning system. To March 1994, the global coverage of up to 98% of the 24 GPS satellite constellation has been laid to complete. With GPS technology, GPS has been applied to various fields, so the results of GPS positioning has become an important part of the GPS development. This paper introduces the GPS positioning system and GPS positioning principles of composition. Matlab simulation method used for GPS positioning results were from two-dimensional and three-dimensional coordinates are analyzed. The simulation graphics and intuitive description of the GPS positioning results of longitude, latitude, altitude changes in amplitude, and the GPS positioning results of the amplitude of horizontal deviation, calculated the results of GPS positioning horizontal and vertical direction, the average deviation, and with them maximum and minimum values were compared. Finally, respectively from the GPS system errors, signal propagation errors, three errors received on the GPS positioning error sources are analyzed for the GPS positioning results of the analysis method. Keywords: GPS GPS positioning results Error Analysis II

用 Matlab 对 GPS 定位结果进行分析第 1 章绪论 1.1 GPS 前景由于 GPS 技术所具有的全天候、高精度和自动测量的特点，作为先进的测量手段和新的生产力，已经融入了国民经济建设、国防建设和社会发展的各个应用领域。随着冷战结束和全球经济的蓬勃发展，美国政府宣布 2000 年至 2006 期间，在保证美国国家安全不受威胁的前提下，取消 SA 政策，GPS 民用信号精度在全球范围内得到改善，利用 C/A 码进行单点定位的精度由 100 米提高到 20 米，这将进一步推动 GPS 技术的应用，提高生产力、作业效率、科学水平以及人们的生活质量，刺激 GPS 市场的增长。据有关专家预测，在美国，单单是汽车 GPS 导航系统，2000 年后的市场将达到 30 亿美元，而在我国，汽车导航的市场也将达到 50 亿元人民币。可见， GPS 技术市场的应用前景非常可观。 1.2 GPS 系统概述 GPS 即全球定位系统（Global Positioning System）。简单地说，这是一个由覆盖全球的 24 颗卫星组成的卫星系统。这个系统可以保证在任意时刻，地球上任意一点都可以同时观测到 4 颗卫星，以保证卫星可以采集到该观测点的经纬度和高度，以便实现导航、定位、授时等功能。这项技术可以用来引导飞机、船舶、车辆以及个人，安全、准确地沿着选定的路线，准时到达目的地。全球定位系统(GPS)是 20 世纪 70 年代由美国陆海空三军联合研制的新一代空间卫星导航定位系统。其主要目的是为陆、海、空三大领域提供实时、全天候和全球性的导航服务，并用于情报收集、核爆监测和应急通讯等一些军事目的，是美国独霸全球战略的重要组成。经过 20 余年的研究实验，耗资 300 亿美元，到 1994 年 3 月，全球覆盖率高达 98%的 24 颗 GPS 卫星星座己布设完成。 GPS 全球卫星定位系统由三部分组成：空间部分———GPS 星座；地面控制部分 ———地面监控系统；用户设备部分———GPS 信号接收机。 GPS 定位技术具有高精度、高效率和低成本的优点，使其在各类大地测量控制 1

用 Matlab 对 GPS 定位结果进行分析网的加强改造和建立以及在公路工程测量和大型构造物的变形测量中得到了较为广泛的应用。 1.3 GPS 系统的组成 GPS 系统主要由三大部分组成，即空间部分、地面监控部分和用户设备部分：图 1-1 GPS 系统主要三大组成 1.3.1 空间星座部分 GPS 卫星星座的构成全球定位系统的空间卫星星座（见图 1-2），由 24（3 颗备用卫星）颗卫星组成。卫星分布在 6 个轨道面内，每个轨道面上有 4 颗卫星分布。卫星轨道面相对地球赤道面的倾角约为 55°,各轨道平面升交点的赤经相差 60°。在相邻轨道上，卫星的升交距相差 30°。轨道平均高度约为 20200km，卫星运行周期为 11 小时 58 分。因此，在同一观测站上，每天出现的卫星分布图形相同，只是每天提前 4 分钟。每颗卫星每天约有 5 小时在地平线以上，同时位于地平线以上的卫星数目，随时间和地点而异，最少 4 颗，最多可达 11 颗[1]。 GPS 卫星空间星座的分布保障了在地球上任何地点、任何时刻至少有 4 颗卫星被同时观测，加之卫星信号的传播和接收不受天气的影响，因此，GPS 是一种 2

用 Matlab 对 GPS 定位结果进行分析全球性、全天候的连续实时定位系统。图 1-2 全球定位系统的空间卫星星座 GPS 卫星及功能 GPS 卫星的主题呈圆柱状，直径约为 1.5m，重约 774kg，两侧设有两块双叶太阳能板，能自动对日定向，以保证卫星正常工作用电。 GPS 卫星的基本功能是：（1）接收和存储由地面监控站发来的导航信息，接收并执行监控站的控制指令；（2）卫星上设有微处理机，进行部分必要的数据处理工作；（3）通过星载的高精度铯钟和铷钟提供精密的时间标准；（4）向用户发送定位信息；（5）在地面监控站的指令下，通过推进器调整卫星的姿态和启用备用卫星。 1.3.2 地面监控部分 GPS 的地面监控部分，目前由分布在全球的 5 个地面站组成，其中包括卫星监测站、主控站和信息注入站。 1.3.3 用户设备部分 GPS 的空间部分和地面监控部分，是用户应用系统进行定位的基础，而用户只有通过用户设备，才能实现应用 GPS 定位的目的[2]。用户设备主要由 GPS 接收 3

用 Matlab 对 GPS 定位结果进行分析机硬件和数据处理软件，以及微处理机及其终端设备组成；而 GPS 接收机的硬件，一般包括主机、天线和电源，主要功能是接收 GPS 卫星发射的信号，以获得必要的导航和定位信息及测量，并经简单数据处理而实现实时导航和定位；GPS 软件部分是指各种后处理软件包，其主要作用是对观测数据进行精加工，以获得精密定位结果。 1.4 GPS 作用 1、全天候全球卫星定位调度监控中心根据需要可随时了解所有车辆的实时位置，并能在中心的电子地图上准确地显示车辆当时的状态（如速度，运行方向等信息）。本系统的电子地图采用矢量方式，对任意指定区域的车辆进行查询；可任意放大、缩小、移动电子地图；可进行同屏多窗口显示监控，或将目标锁定在某窗口，自动跟踪等；监控车辆的参数主要为：车辆位置（精确到 15 米）、运行速度（精确到 1 公里/小时）、运动方向（精确到 1 度）及时间信息（精确到 1 秒）； 2、紧急报警调度监控中心收到车载终端发来的报警信号(如主动紧急报警、非法破坏报警、非法入侵报警、非法移动报警)，系统进行自动分类处理，以声音的方式提示监控人员，同时报警的车辆在地图上以醒目方式显示报警状态和报警地点，并将报警目标的监视级别提升，同时自动记录轨迹。监控人员可根据报警情况及时进行指挥调度和警情处理。 3、信息查询中心控制系统具备丰富的、全面的数据信息，可应客户要求，确认客户密码后提供下列服务：车辆信息查询：提供车辆的相关信息查询，例如车辆位置及运动状态、车牌号、车型、驾驶员名称、所属单位及通讯联系方式等；地理信息查询：提供地图信息、位置标定、道路检索、信息查询，例如沿途主要建筑物、加油站、酒店、火车站、飞机场、公安局、居民区等； 4

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