卡尔曼滤波在gps中的应用.doc

发布时间：2022-05-31 发布人：admin 分类：说明书资料大小：1.07M 资料格式：doc 举报版权申诉

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本科毕业论文 (设计)

前言

第1章绪论

1.1 GPS的简介及应用

1.2 本课题的背景及意义

1.3 国内外研究动态及发展趋势

1.4 目前GPS定位系统面临着新的困扰和挑战

第2章 GPS全球定位系统及GPS定位误差分析

2.1 GPS全球定位系统组成部分

2.1.1 GPS卫星星座

2.1.2 地面支持系统

2.1.3 用户部分

2.2 GPS定位原理和测速原理

2.2.1 卫星无源测距定位和伪距测量定位原理

2.2.2 多普勒测量定位原理

2.2.3 GPS测速原理

2.3 GPS定位误差分析

2.3.1 卫星时钟误差

2.3.2 星历误差

2.3.3 电离层和对流层的延迟误差

2.3.4 多径误差

2.3.5 接收设备误差

2.3.6 GPS测速误差

第3章卡尔曼滤波理论

3.1 卡尔曼滤波理论的工程背景

3.2 卡尔曼滤波理论

第4章卡尔曼滤波在GPS定位中的应用

4.1卡尔曼滤波在GPS定位中的应用概述

4.2 运动载体的动态模型

4.3卡尔曼滤波模型

4.3.1 状态方程

4.3.2系统的量测方程

4.4 滤波仿真和结论

第5章卡尔曼滤波在GPS定位应用中的问题和改进思路

5.1 对野值的处理

5.2 对状态以及观测噪声方差阵的处理

5.3 对观测噪声和测量噪声的处理

结论

谢辞

参考文献

本科毕业论文 (设计) 题目：卡尔曼滤波在 GPS 定位中的应用学院：自动化工程学院自动化专业：姓名：指导教师： 2010 年 6 月 4 日

The Application of Kalman Filtering for GPS Positioning

摘要本文提出了一种应用卡尔曼滤波的GPS滤波模型。目前在提高GPS定位精度的自主式方法研究领域，普遍采用卡尔曼滤波算法对GPS定位数据进行处理。由于定位误差的存在,在GPS动态导航定位中，为提高定位精度，必须对动态定位数据进行滤波处理。文中在比较分析各种动态模型的基础上，提出了应用卡尔曼滤波的GPS 滤波模型，并通过对实测滤波算例仿真，证实了模型的可行性和有效性。最后提出了卡尔曼滤波在GPS定位滤波应用中的问题和改进思路。关键词 GPS 卡尔曼滤波定位误差 Abstract This article proposed applies the GPS filter model of the Kalman filtering. At present, to improve GPS positioning accuracy in the autonomous areas of research methods, we commonly use Kalman filter algorithm to process GPS location data. As a result of the position error existence in the GPS dynamic navigation localization, we must carry on filter processing to the dynamic localization data for the enhancement pointing accuracy．In the base of comparing each kind of dynamic model, this article proposed applies the GPS filter model of the Kalman filtering，the actual examples of filter calculation are simulated, it confirmed that the model is feasibility and validity. Finally, this article also proposed the existing problems and improving the idea of the applications of Kalman filter in GPS positioning. Keywords GPS Kalman filtering Positioning error

目录前言 .......................................................... 1 第 1 章绪论............................................................................................................2 1.1 GPS 的简介及应用............................................................................................................ 2 1.2 本课题的背景及意义.........................................................................................................3 1.3 国内外研究动态及发展趋势.............................................................................................4 1.4 目前 GPS 定位系统面临着新的困扰和挑战................................................................... 5 第 2 章 GPS 全球定位系统及 GPS 定位误差分析............................................. 8 2.1 GPS 全球定位系统组成部分............................................................................................ 8 2.1.1 GPS 卫星星座............................................................................................................. 8 2.1.2 地面支持系统..............................................................................................................9 2.1.3 用户部分....................................................................................................................10 2.2 GPS 定位原理和测速原理...............................................................................................11 2.2.1 卫星无源测距定位和伪距测量定位原理................................................................11 2.2.2 多普勒测量定位原理..............................................................................................133 2.2.3 GPS 测速原理......................................................................................................... 144 2.3 GPS 定位误差分析........................................................................................................ 155 2.3.1 星钟误差..................................................................................................................155 2.3.2 星历误差..................................................................................................................155 2.3.3 电离层和对流层的延迟误差..................................................................................166 2.3.4 多路径效应引起的误差............................................................................................166 2.3.5 接收设备误差............................................................................................................166 2.3.6 GPS 测速误差............................................................................................................ 177 第 3 章卡尔曼滤波理论........................................................................................18 3.1 卡尔曼滤波理论的工程背景............................................................................................ 18 3.2 卡尔曼滤波理论................................................................................................................ 18 第 4 章卡尔曼滤波在 GPS 定位中的应用..........................................................23 4.1 卡尔曼滤波在 GPS 定位中的应用概述............................................................................23 4.2 运动载体的动态模型........................................................................................................ 23 4.3 卡尔曼滤波模型.................................................................................................................24 4.3.1 状态方程......................................................................................................................24 4.3.2 系统的量测方程...........................................................................................................25 4.4 滤波仿真和结论................................................................................................................ 26

第 5 章卡尔曼滤波在 GPS 定位应用中的问题和改进思路............................27 5.1 对野值的处理.................................................................................................................... 27 5.2 对状态以及观测噪声方差阵的处理................................................................................ 27 5.3 对观测噪声和测量噪声的处理........................................................................................ 28 结论...................................................................................................................... 30 谢辞...................................................................................................................... 31 参考文献.................................................................................................................. 32

前言自从赫兹证明了麦克斯韦的电磁波辐射理论以后，人们便开始了对无线电导航定位系统研究。无线电导航定位系统是根据无线电波的传播特性，利用接收机测定在地面上的方位、距离、距离差等参数，确定测量点的位置，以完成对船舶、车辆、飞机等运载体的定位和导航的系统。早期的无线电导航系统都是由建立在地面或地面载体上的发射台和用户接收机组成，称为地面无线电导航系统或者陆基无线电导航系统。但是陆基无线电导航系统作用距离或者定位精度难以提高，只能满足小部分用户的需求。1957 年，原苏联发射了世界上第一颗人造、地球卫星，标志着人类已经进入了空间时代。1958 年美国海军武器试验室委托霍普金斯大学应用物理研究室研制美国海军导航卫星系统（Navy Navigation Satellite System， NNSS）。该系统于 1964 年研制成功并交付使用。卫星导航具有无线电波传播不受地面的影响，可进行全球定位，定位精度高等优点。原苏联于 70 年代也建成了类似于 NNSS 的奇卡达（Tsikada）卫星导航系统。这类卫、星导航系统与陆基无线电导航系统相比具有全球全天候、定位精度较高等优点，但是由于卫星高度低、卫星数目少（仅 6 颗），系统存在定位不连续、实时性差的缺点，此外定位信息为二维，缺少高度，卫星轨道容易产生摄动，限制了定位精度的进一步提高。因此这种卫星导航系统逐渐不能满足许多用户对定位的要求。全球定位系统（Global Positioning System，GPS）就在这种情况下产生了。全球定位系统 GPS(global positioning system)是现代空间科学与其他多个学科高新技术融合发展的结晶。它是一种全新的空基无线电导航定位系统，它不仅能够实现全天候、全天时和全球性的连续三维空间定位，而且还能对运动载体的速度、姿势进行实时测定几精确授时。正是由于 GPS 具有其它定位技术难以比拟的优越性，所以 GPS 计划从一开始就引起了世界各国学者的广泛关注，使得 GPS 的应用开发也几乎与其本身的发展同步进行。 20 余年的发展与使用历史已经证明，GPS 全球卫星导航定位系统具有极其广泛的应用范围，从地面、海上到空中、空间，从高空飞行的卫星、导弹到地壳运动预灾害监测，从地球动力学、地球物理学、大地测量学、工程测量学到交通管理、海洋学和气象学等。毫不夸张地说，GPS 的应用几乎触及人类社会生活的每一领域的每一方面，甚至有人形容它的应用“只受到人们想象力的限制”。可以相信，随着“GPS 现代化”的逐步实施和完成， GPS 必将迅速的向更为宽广的范围与更加深刻的层次发展和普及。卫星导航的应用前景得到世界各国的普遍承认和关注，各国不仅在 GPS 的应用研究与 GPS 信息资源开发中倾注了巨大的人力和物力，而且不少国家和地区亦在积极研制自己的卫星导航系统。随着其的不断应用与发展，对 GPS 定位精度的要求越来越高。这就迫切需要减小 GPS 定位误差和对其数据的合理处理。本文主要提出了将卡尔曼滤波原理应用到减小 GPS 定位误差的过程中。 1

第1章绪论 1.1 GPS的简介及应用 GPS（全球定位系统）是英文 Navigation Satellite Timing and Ranging/Global Positioning System 的字头缩写词 NAVSTAR/GPS 的简称。它的含义是，利用导航卫星进行测时和测距，构成全球定位系统。GPS 全球卫星定位系统从提出到建成，经历了 20 年，到 1994 年 24 颗工作卫星进入预定轨道，系统全面投入运行。GPS 系统因其应用价值极高，所以得到美国政府和军队的重视，不惜投资 300 亿美元来建立这一工程，成为继阿波罗登月计划和航天飞机计划之后的第三大空间计划。它也成为目前最先进、应用最广的卫星导航定位系统。 GPS 由三部分组成：空间部分，地面控制部分和用户设备部分。空间部分，GPS 的空间部分是由 24 颗工作卫星组成,它位于距地表 20 200km 的上空,均匀分布在 6 个轨道面上 (每个轨道面 4 颗) ,轨道倾角为 55°。此外,还有 3 颗有源备份卫星在轨运行。卫星的分布使得在全球任何地方、任何时间都可观测到 4 颗以上的卫星,并能在卫星中预存的导航信息。GPS 的卫星因为大气摩擦等问题，随着时间的推移，导航精度会逐渐降低。地面控制系统，地面控制系统由监测站(Monitor Station)、主控制站(Master Monitor Station)、地面天线(Ground Antenna)所组成,主控制站位于美国科罗拉多州春田市(Colorado Spring)。地面控制站负责收集由卫星传回之讯息,并计算卫星星历、相对距离,大气校正等数据。用户设备部分，用户设备部分即 GPS 信号接收机。其主要功能是能够捕获到按一定卫星截止角所选择的待测卫星，并跟踪这些卫星的去运行。当接收机捕获到跟踪的卫星信号后，就可测量出接收天线至卫星的伪距离和距离的变化率,解调出卫星轨道参数等数据。根据这些数据，接收机中的微处理计算机就可按定位解算方法进行定位计算，计算出用户所在地理位置的经纬度、高度、速度、时间等信息。接收机硬件和机内软件以及 GPS 数据的后处理软件包构成完整的 GPS 用户设备。GPS 接收机的结构分为天线单元和接收单元两部分。接收机一般采用机内和机外两种直流电源。设置机内电源的目的在于更换外电源时不中断连续观测。在用机外电源时机内电池自动充电。关机后，机内电池为 RAM 存储器供电，以防止数据丢失。目前各种类型的接受机体积越来越小，重量越来越轻，便于野外观测使用。其次则为使用者接收器,现有单频与双频两种,但由于价格因素,一般使用者所购买的多为单频接收器。 GPS 系统的空间部分由24 颗卫星组成，均匀分布在6个仰角为55度的轨道面上。GPS 系统的利用者接收卫星发送的扩频信号，测量电波传播时间求出卫星到接收机天线的距离，利用空间三球相交一点的原理，解算以接收机位置为未知数的方程，从而确切知道接收机的位置，也就是说，只需接收到3颗卫星的信号，就能确定用户的二维（经度、纬度） 2

位置。美国政府在进行 GPS 系统设计时，计划提供两种服务。一种为标准定位服务—SPS，利用粗测/捕获码（C/A 码）定位，预计精度约为 400m，提供民间用户使用。另一种为精密定位服务——PPS，利用精密码（P 码）定位，精度达到 10m，提供给军方和得到特许的用户使用。但在 GPS 实验卫星应用阶段，多次实验表明，实际定位精度远高于此值，利用 C/A 码定位精度可达到 15~40m，利用 P 码定位精度可达 3m。为了维护美国自身利益，美国国防部在 GPS 系统中加入了 SA（Selective Availability）政策——选择可用性政策，人为地将误差引入卫星时钟和卫星数据中，降低 GPS 的定位精度，以防止未经许可的用户把 GPS 用于军事目的。采用 SA 政策后的 GPS 系统 C/A 码定位，水平定位精度为 100 米，垂直测量精度为 157 米。美国国防部常年对 SA 政策进行测量，并根据形势和要求对部分和全部卫星取消 SA 政策。SA 政策的引入，在一定程度上限制了 GPS 的应用，为了提高定位精度，人们研究和发展出差分 GPS 技术——DGPS（Differential GPS）。但是，DGPS 系统需要建立相应的差分基准站和监测站，造价昂贵。随着 GPS 应用的不断发展，GPS 广大用户要求取消 SA 政策的呼声越来越高，考虑到庞大的 GPS 应用市场，美国政府最终于 2000 年 5 月 1 日取消了 SA 政策。2000 年以后，以波音公司为首，休斯空间和通信公司、计算机科学公司(CSC)、洛克西德马丁管理与数据系统(M&DS)和雷声公司开始研究开发新一代的全球定位系统——GPS III。GPS III 的结构将基于现有的卫星导航系统，并将开发出具有创新结构的新的 GPS 系统。实践证明，全球定位系统具有性能好、精度高、应用广的特点，是迄今最好的导航定位系统，从根本上解决了定位和导航的问题。早在 1990 年的海湾战争中，尽管系统还未全部建成，它为美军及其盟军部队轰炸、炮击敌军目标，引导部队穿越沙漠战斗等方面发挥了重大的作用。随着 GPS 应用研究的不断深入，大量的 GPS 用户设备已应用于舰船飞机等运载工具导航和管制、导弹卫星测控、精密授时、大地测量、工程测量、航空摄影测量、地壳运动监测、工程变形监测、资源勘察、地球动力学等诸多方面。近几年来，车辆的跟踪和导航、农业、公安、和旅游等也纳入了 GPS 的应用范围。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，目前已遍及各行各业，并开始逐步深入人们的日常生活。 1.2 本课题的背景及意义全球定位系统技术成熟可靠，价格不断下降，设备重量体积不断减小，应用范围越来越广，目前已经成为最重要的导航手段之一。民用 C/A 码导航型 GPS 接收机是目前在航空、航海以及陆地车辆导航及个人掌上型导航领域最广泛采用的导航设备。但是由于各种误差源的影响，C/A 码导航型 GPS 接收机的定位精度始终不能达到 P 码接收机的水平。目 3

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