GPS软件接收机的实现与定位算法研究

上海交通大学硕士学位论文GPS软件接收机的实现与定位算法研究姓名：曹意申请学位级别：硕士专业：导航、制导与控制指导教师：茅旭初20090101上海交通大学硕士学位论文摘要IGPS软件接收机的实现与定位算法研究摘要GPS[1]被广泛应用于各领域，在测地测绘，导航制导，环境监测等领域都需要高精度定位。随着实际应用对接收机提出更高的要求，科研人员需要对单机GPS的高精度定位进行算法研究。虽然硬件接收机已经非常成熟，但是对硬件接收机进行算法移植或验证，牵涉到固化的硬件资源，实现比较复杂，开发周期长。开发软件接收机可以有效的解决此问题。射频前端对GPS的L1信号进行降频，然后在中频上对信号进行采样，通过PCI总线传输到通用PC机的存储空间中。对中频信号的解调通过软件的方法来完成，可以加快研发进度，具有很高的灵活性。因此，软件接收机对模型搭建和算法验证具有重要意义。本文主要研究GPS软件接收机的实现以及单机GPS高精度的定位算法。其主要工作包括接收机的中频信号采集实现和MATLAB环境下的信号处理，具体如下：1.详细论述了GPS软件接收机的外部电路实现。在SUPERSTARIITMOEM接收机的基础上进行改装，分析了GP2015前端芯片的信号输出，并介绍了外围电路模块的功能和设计原理。2.中频信号解调以及导航电文的解码。对采集的真实GPS信号在时域和频域上进行捕获，比较了两种方法的优劣。在跟踪阶段分析了科斯塔斯环的工作原理，分析了由捕获传递给跟踪的参数的意义。3.由中频采样数据和导航电文解算用户位置。在解码阶段对解调的信号进行格式校验，将数字信号转换为有意义的导航电文。随后论述了GPS的定位原理以及详细讨论了伪距的生成。在解码导航电文的基础上，通过最小二乘法完成用户位置和卫星位置的解算。4.用基于非线性滤波的迭代定位算法对定位结果进行优化，增强定位算法的鲁棒性。讨论了两种最优平滑滤波，并在此基础上提出了将平淡卡尔曼滤波和固定间隔平滑与固定滞后平滑相结合的迭代算法，通过静态定位实验验证了上海交通大学硕士学位论文摘要II算法的优越性。最后用平淡卡尔曼滤波的平方根形式替换前向滤波器，降低处理器截断误差造成滤波器发散的风险，增强了算法的鲁棒性。本文通过研究软件接收机的设计，以采集到的原始中频信号为起点，经历捕获，跟踪，导航电文解调，用户位置解算，定位结果优化一系列的软件仿真，对深入学习GPS的定位原理具有很大的帮助。关键词：全球定位导航，GPS软件接收机，卡尔曼滤波，平方根滤波，最优平滑，迭代算法上海交通大学硕士学位论文摘要IIIResearchonGPSsoftwarereceiverimplementationandpositioningalgorithmABSTRACTGlobalPositioningSystemiswidelyappliedtoawiderangeofapplications,suchasgeomatics,navigationandguidance,environmentmonitoringwhichrequirehigh-precisionpositioning.Theincreasinglystringentrequirementsnecessitatein-depthresearchonprecisionimprovementofstand-aloneGPSandrelatedalgorithms.Thehardwarereceiveriswelldeveloped,however,it’sunrealistictoapplynewalgorithmstoimproveprecisionduetothecostofrevisingthefirmwareorthelimitedhardwareresource,researcherwouldpossiblyexperiencealongdevelopmentperiod.Softwarereceivercanefficientlyfixthisproblem.ThebasebandsignalprocessingwillbefinishedbysoftwareapproachaslongastheRF(radiofrequency)signaliscorrectlyconvertedtoIF(intermediatefrequency)signal.Softwareapproachprovidesgreatflexibilitythatfacilitatethedevelopment.Therefore,researchonsoftwarereceiverhasgreatimpactonmodelingvalidationandalgorithmverification.ThispaperfocusesonGPSsoftwarereceiverimplementationanddevelopmentofhigh-precisionalgorithmsforstand-aloneGPS.Specificallyasfollowing:1.TheGPSsoftwarereceiver’speripheralcircuitwillbediscussedthoroughly.ASuperStarIIOEMreceiverishacked,thenIFsignalfromGP2015willbeanalyzed,othersignalpreprocessingmodulewillalsobeintroduced.2.DemodulationofIFsignalanddecodingofnavigationdata.Twobasicmodules,AcquisitionandTracking,willbeanalyzed.Inacquisition,serialsearchintimedomainandFFTsearchinfrequencydomainareaddressedandcompared.Intracking,emphasiswilllieinCostasLoop.3.Extractionofnavigationmessagemassagefromtracingoutput.Firstly,messagestructurewillbeintroduced,thenparitycheckwillbediscussed.Findingthepseudorangeisacriticalissueinpositioning,itsformationwillbecarefullyexamined.Finally,userpositioncanbecalculatedfromthedecodedephemerisandpseudorangebyIterativeLeastSquare(ILS).上海交通大学硕士学位论文摘要IV4.High-precisionpositioningalgorithmsbasedonnonlinearfilteringandsmoothingalgorithmwillbeproposedtoimprovethestand-aloneaccuracyandrobustness.Twosmootherswillbeintroduced,thentheyarecombinedwithUnscentedKalmanFilter(UKF)toderiveiterativealgorithm.Inordertoimprovetherobustness,UKFwillbereplacedbySquare-RootUKF(SR-UKF)intheforwardfiltering.Finally,proposedalgorithmswillbevalidatedbystatictesting.ThispaperlogicallyexaminesthefundamentalofGPSpositioning,startingfromrawIFsignalacquisition,tosatelliteacquisitionandtracking,todemodulationanddecodingofnavigationmessage,determinationofuserposition.It’shelpfulforonewhoiswillingtofurtherstudyinthisfieldtohavebetterunderstandingofGPSfundamental.KEYWORDS:GLOBALPOSITIONINGSYSTEM,GPSSOFTWARERECEIVER,KALMANFILTER,SQUARE-ROOTFILTER,OPTIMALSMOOTHER,ITERATIVEALGORITHM上海交通大学硕士学位论文第一章绪论1第一章绪论1.1引言全球定位系统(GlobalPositioningSystem,以下简称GPS)是由24颗卫星及它们的地面部分组成的、全球性的无线导航系统。它是通过跟踪作为动态已知参考点的人造卫星求得星站距离采用交会法获得点位坐标的,通常精度只在米级左右，而事实上可以用比较科学的方法来获得优于厘米级的测量精度。GPS于70年代由美国国防部建成的军事系统，在其设计和诞生之初主要都是用于军事目的。在接下来的20多年里逐渐得到完善，并于1993年进入24颗星的满负荷运转，于是该系统逐步进入民用领域。美国政府随后在2000年至2006年间，逐步取消了SA政策（selectedavailability,选择性可获得），使得该系统的民用单机精度达到15米以内，并且成为世界上唯一一套覆盖全球并可用的定位系统，鉴于其定位方式为全天候的被动式定位，GPS的民用市场得到进一步扩大。目前，我国卫星导航技术应用领域十分广阔，传统测量应用及军工相关应用的比例在逐年下降，应用已渗透到许多崭新的行业。通信行业用GPS做时间同步测控；电力、有线电视、城市地下管道采用GPS布设线路；交通、运输部门用GPS等相关集成技术营建ITS系统和监控系统；公安、银行、医疗、消防等用GPS营建紧急救援或报警系统；汽车、船舶用GPS导航；GIS数据提供商用GPS采集地理信息相关数据，并提供位置信息相关服务（LBS）；广播电视行业用GPS与罗盘制造卫星电视定向接收天线；电子商务领域，GPS甚至应用于CRM客户管理和物流配送体系中；而电脑制造商、通讯设备商正在推动通讯、电脑、GPS一体化的各类移动信息终端应用。现实的应用已经使卫星导航技术从专业化领域走向了大众化应用的广阔前景，这也使得卫星导航技术逐渐成为通信、互联网之后的第三个IT新增长点。1.2研究背景及意义纵观目前国内卫星导航定位市场，使用的卫星导航定位核心定位产品主要来源于美国、日本、韩国和台湾等地，国内鲜有人开发核心定位产品，基本都是在这些核心产品上进行二次开发，生产车载终端、自导航和手持定位仪等产品。而国外GPS生产商能长期立足于国内GPS市场，显然与其产品技术分不开的。因此，要想加大我国在导航产品领域的市场占用份额，突破核心产品技术垄断的壁垒，自主研发是唯一的道路。上海交通大学硕士学位论文第一章绪论2对GPS的原理性研究对于我国具有重要的战略意义。发展独立的定位系统是一个国家战略部署的重要组成部分。目前世界上除美国之外，唯一拥有全球定位系统的国家是俄罗斯，著名的GLONASS便是目前唯一可以与GPS相抗衡的系统。但是由于受苏联解体及经济政治变动的影响，GLONASS处于非慢负荷运转状态。欧盟也致力于开发自己的定位系统，今年来“伽利略计划”逐步进入人们的视线，我国也加入其中，虽然在这个总值36亿欧元的项目中，中国仅投资2亿3600万美元（仅约5％），但它山之石可以攻玉。我国也在加紧步伐，研究自己的区域性定位系统，即著名的“北斗”系统。虽然目前仅发射了3颗试验卫星，但是展示了我国开发独立自主定位系统的决心。