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實用高精度GPS算法研究及A12OEM板接收機(jī)設(shè)計
王海英1,王峰波1,陳國軍2時間:2008年05月07日
字體:大中小
關(guān)鍵詞:<"cblue""/search/?q=差分"target='_blank'>差分<"cblue""/search/?q=定位精度"target='_blank'>定位精度<"cblue""/search/?q=單點"target='_blank'>單點<"cblue""/search/?q=數(shù)據(jù)處理"target='_blank'>數(shù)據(jù)處理<"cblue""/search/?q=測量精度"target='_blank'>測量精度
摘要:論述了<"cblue""/search/?q=差分"title="差分">差分GPS算法模型。通過算法比較,確定了將雙差算法模型作為高精度<"cblue""/search/?q=數(shù)據(jù)處理"title="數(shù)據(jù)處理">數(shù)據(jù)處理軟件的解算模型。在此基礎(chǔ)上,給出了通過已知坐標(biāo)解算出未知坐標(biāo)的全過程,設(shè)計了以A12OEM板為核心的GPS接收系統(tǒng)。實驗測量結(jié)果表明,此GPS接收系統(tǒng)可以實現(xiàn)高精度的定位。
關(guān)鍵詞:差分GPS基線解算A12OEM板外圍電路
GPS利用最簡單的C/A碼定位,精度可達(dá)到14米。美國為了防止別的國家把GPS用于軍事目的,采用SA政策,人為地將誤差引入衛(wèi)星時鐘和衛(wèi)星數(shù)據(jù)中,故意降低GPS的<"cblue""/search/?q=定位精度"title="定位精度">定位精度。近幾年來,國內(nèi)外學(xué)者在研究GPS定位精度方面取得了重大進(jìn)展。利用載波相位差分技術(shù)可以進(jìn)行高精度定位,將動態(tài)精度提高到厘米級,而靜態(tài)精度甚至可以提高到毫米級。載波相位差分技術(shù)應(yīng)用雙差算法來實現(xiàn)坐標(biāo)的解算,可以有效地消除星鐘誤差和星歷誤差,更重要的是它可以消除接收機(jī)的收鐘誤差。因此顯著地提高了定位精度。
GPS通過數(shù)據(jù)處理來提高精度的同時,接收機(jī)的硬件對精度也有著直接的影響。而GPS-OEM板是封裝極其簡單、便于二次開發(fā)的GPS傳感器,能完成GPS主要數(shù)據(jù)采集以及簡單的定位解算功能;通過對外圍電路的設(shè)計,再聯(lián)系自開發(fā)的數(shù)據(jù)后,處理軟件可得到高精度的定位。
本文以載波相位差分為例,討論靜態(tài)高精度差分算法模型及數(shù)據(jù)處理方法,設(shè)計了以A12OEM板為核心的低成本高精度GPS接收系統(tǒng)。此系統(tǒng)包括電源、系統(tǒng)設(shè)置電路、通信和時間標(biāo)志信息輸出等外圍電路。試驗結(jié)果證明,該GPS接收系統(tǒng)<"cblue""/search/?q=測量精度"title="測量精度">測量精度達(dá)到毫米級。
1高精度GPS算法
[1]
利用載波相位進(jìn)行測量,就其本身而言,測量精度可達(dá)0.5~2.0mm。然而GPS測量會受到多種誤差的影響,如衛(wèi)星軌道誤差、衛(wèi)星鐘差以及電離層和對流層的折射誤差的影響。為了提高定位精度,有必要研究各種誤差規(guī)律,建立改正模型對其進(jìn)行改正。但由于這種改正往往難以完全正確地反映規(guī)律,所以,觀測值中仍然存在殘余影響。雖然可通過在觀測方程中加入相應(yīng)的附加參數(shù)來消除其影響,然而大量的多余未知參數(shù)不但增加了平差計算的工作量,而且還影響定位未知參數(shù)的可靠性。一種簡單有效消除或減弱誤差影響的方法是將這些觀測量進(jìn)行不同的線性組合。
在GPS相位定位中,常用的三種差分(線性組合)是單差、雙差和三差。由于GPS接收機(jī)使用穩(wěn)定性較差的石英鐘,它難以用模型來表示。如果將每個觀測歷元的接收機(jī)鐘差都作為未知數(shù)求解,則將使解算基線向量的法方程中的未知數(shù)個數(shù)大大增加。而使用雙差模型后,接收機(jī)鐘差的影響被消除了,它既不涉及鐘差模型,又使法方程中未知數(shù)個數(shù)大大減少,這也是雙差模型的最大優(yōu)勢。所以本文在研究算法時,采用的是雙差模型來解算。
1.1.2雙差分觀測方程
若在求單差分的基礎(chǔ)上再對不同衛(wèi)星Sj和Sk求差,便可得到雙差觀測方程:
1.2數(shù)據(jù)處理
1.2.1基線向量解算的數(shù)學(xué)模型[2~3]
由GPS衛(wèi)星定位原理可知,設(shè)在GPS標(biāo)準(zhǔn)時刻ti,在測站1、2同時對衛(wèi)星Sj和Sk進(jìn)行載波相位測量,用向量解算方法由雙差觀測值模型解算基線向量,由基線向量與站星之間的關(guān)系可得站星雙差相位觀測方程為:
式中,衛(wèi)星Sj和Sk在選擇j=1的衛(wèi)星為參考衛(wèi)星時,k=2,3,4……。對于j=1,k=2;j=1,k=3,……,其站星雙差觀測值誤差方程可仿照公式(6)、(7)寫出,對不同觀測歷元(即ti時刻)可分別列出類似的各歷元時刻的一組誤差方程。
1.2.2基線解算
t1歷元在1、2測站上同時觀測了s個衛(wèi)星,在連續(xù)觀測的情況下,共有n=M(s-1)個誤差方程,其中M為觀測歷元個數(shù)。
將所有誤差方程寫成矩陣形式:V=AX+L(7)
其中j為歷元個數(shù),j=n/(k-1)。
按各類雙差觀測值等權(quán)且彼此獨立,即權(quán)陣P為單位陣,組成法方程:
NX+B=0(8)
式中,N=ATA;B=ATL??山獾肵為:
X=-N-1B=ATA-1(ATL)(9)
若1點坐標(biāo)已知,可求得2點坐標(biāo):
2接收機(jī)的設(shè)計
2.1A12OEM板
A12OEM板是法國ThalesNavigation公司生產(chǎn)的模塊式GPS單頻單板定位設(shè)備,其原理框圖[4~5]如圖1所示。A12OEM板采用的是單3.3V電源供電,其內(nèi)嵌有定位XA處理器,具有快速軟件執(zhí)行速率,并可通過RS232串行接口對存儲在閃存中的定位解算軟件進(jìn)行更新或升級;具有12通道代碼差分,集GPS接收、定位于一體;帶有完整載波相位數(shù)據(jù)輸出,能夠跟蹤L1頻率的C/A碼及載波相位;12個獨立的并行相關(guān)通道用于跟蹤全部GPS可見衛(wèi)星,各個通道可同時跟蹤1顆GPS衛(wèi)星的信號。
由于采用代碼及載波跟蹤GPS的L1頻段,A12OEM板具有較高的定位精度,工作時能為用戶提供三維位置、速度、時間和其他狀態(tài)信息。根據(jù)GPS衛(wèi)星星座的空間布置,接收機(jī)有12條并行通道,在同一時刻最多可觀測到12顆衛(wèi)星。同時,它作為GPS接收機(jī)核心部分,既可以配置成參考站,又可以配置成移動單元,廣泛用于定位和導(dǎo)航領(lǐng)域。
2.2外圍電路設(shè)計[5]
A12OEM板及PC機(jī)的正常運行需要運行如圖2所示的相應(yīng)外圍電路。定位信號由天線接收,經(jīng)過低噪聲前置放大后,進(jìn)入射頻前端。射頻前端具有變頻作用,將射頻信號轉(zhuǎn)換為中頻信號。中頻信號經(jīng)采樣信號采樣、量化后,轉(zhuǎn)換為數(shù)字中頻信號。數(shù)字中頻信號進(jìn)入相關(guān)通道經(jīng)過處理后,解譯出導(dǎo)航電文。微處理器接收導(dǎo)航電文數(shù)據(jù),進(jìn)行相應(yīng)處理后給出所需的定位信號或提供特定的應(yīng)用服務(wù)。
本設(shè)計中,射頻前端和相關(guān)通道部分選用Philips半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的SAA1575和UAA1570芯片。其中,UAA1570能夠與外圍電路組合完成射頻前端的功能。A12OEM板有兩種接口:JP1連接器是通常使用的20引腳輸入/輸出及供電接口,用于外圍應(yīng)用電路的連接,J1連接器是BNC型的RF天線接口,用于連接GPS射頻天線。
A12OEM板與外圍應(yīng)用電路組合構(gòu)成GPS接收機(jī),實現(xiàn)與PC機(jī)的通信。通過OEM板接收、采集衛(wèi)星信息,運行存儲于EEPROM中,并根據(jù)定位原理編寫的解算軟件計算出相應(yīng)的結(jié)果,從而實現(xiàn)PC機(jī)利用專用軟件完成對GPS接收機(jī)的設(shè)置及控制。該電路為此類GPS接收機(jī)提供了三個串行口:主串行口J4、差分串行口J5和可選擇串行口J3。其中,主串行口用于與導(dǎo)航計算機(jī)通信,差分串行口用于差分修正信息的輸入或輸出。對于電源、差分信息、時間標(biāo)志信息的輸出則設(shè)有相應(yīng)的發(fā)光二極管指示其工作狀態(tài)。整個電路結(jié)構(gòu)簡單、緊湊,各種功能易于實現(xiàn)。
2.2.1電源電路
電源電路主要為整個接收機(jī)系統(tǒng)提供電源,同時產(chǎn)生接收機(jī)運行時所需的高電平,為此采用了三端穩(wěn)壓電源模塊mc78m05以及0.1μF、0.33μF的電容組成電源電路,以提供5V的主電源Vcc(其允許誤差為±5%)。
2.2.2系統(tǒng)設(shè)置電路
為使該系統(tǒng)正常運行,電路中通過DIP(S8)開關(guān)、跳線(J6)完成系統(tǒng)的初始設(shè)置。本方案中采用的默認(rèn)設(shè)置為:DIP1~DIP3設(shè)為關(guān)閉狀態(tài),DIP4~DIP6設(shè)為打開狀態(tài);跳線分別使得J6-8和J6-9、J6-5和J6-6、J6-2和J6-1連通,從而將S8-1端、S8-2端設(shè)為高電平,S8-3端設(shè)為低電平;復(fù)位按鈕RESET默認(rèn)為開。
2.2.3通信電路
通信電路以MAX202為核心部件。MAX202芯片是一款較為常用的電平轉(zhuǎn)換芯片,可以實現(xiàn)RS-232電平與TTL電平的雙向轉(zhuǎn)換。該芯片內(nèi)部有電壓倍增電路和轉(zhuǎn)換電路,僅需外接幾個小電容和+5V電源便可工作,使用十分方便;芯片中還有兩路發(fā)送、接收串行通信接口,與JP1連接器各相應(yīng)引腳的連接總是從“出”到“入”和從“入”到“出”,因此要注意其發(fā)送、接收引腳的對應(yīng)。MAX202需四個0.1μF電容配合,且要保證電容極性連接正確。A12OEM板通過RS-232接口輸出二進(jìn)制的測量數(shù)據(jù)信息,只有每次傳送的歷書是新的GPS衛(wèi)星信號時,接收的信息才為有效信息。
2.31PPS信息輸出電路
時間標(biāo)志信息輸出電路用74HC14實現(xiàn)對時間信號的處理。74HC14是施密特觸發(fā)器,可驅(qū)動10個LS-TTL負(fù)載。由于施密特觸發(fā)器屬于電平觸發(fā),可用來將緩慢上升和下降的輸入信號加快,在電路中用于不規(guī)則波形的整形及變換。因此用它將A12OEM板輸出的時間波形變換成規(guī)則的脈沖信號,從而輸出秒脈沖時間信息1PPS(1PulsePerSecond)。標(biāo)準(zhǔn)GPS時間的秒脈沖輸出1PPS的誤差精度在±250ns范圍內(nèi)。在絕對模式時,1PPS的調(diào)整精度為±250ns;在相對模式時,1PPS的調(diào)整精度為±1ms。時間標(biāo)記信息輸出1PPS排除了時鐘漂移,每秒輸出一次并與GPS時間同步。
3測量實驗與結(jié)果分析
在定位解算計算機(jī)上運行GPS監(jiān)控軟件,用戶通過該程序控制計算機(jī)與GPS接收機(jī)的通信,從而執(zhí)行相應(yīng)的定位操作并顯示相應(yīng)的輸出信息。為配合監(jiān)控軟件工作,利用外圍應(yīng)用電路中的DIP開關(guān)及跳線對該接收系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)置,并把主串行口J4連接到計算機(jī)的串行接口COM1或COM2,把差分串行接口J5連接到差分信息源或其他GPS接收機(jī)的DGPS信息輸出端;在BNC插座J1上連接GPS天線。系統(tǒng)連接好后再接通外圍應(yīng)用電源。所有的操作命令和數(shù)據(jù)請求都通過外圍應(yīng)用電路及軟件發(fā)送、接收或解碼。在高精度定位中,用于位置解算的誤差源主要包括SA誤差、電離層誤差和對流層誤差等。采用差分技術(shù)可有效降低以上三種誤差。
本次實驗借用同濟(jì)大學(xué)GPS基準(zhǔn)站的觀測數(shù)據(jù),在同濟(jì)大學(xué)中德學(xué)院大樓519室和西南樓門前草坪完成。系統(tǒng)連接好后,運行GPS監(jiān)控軟件并將串行接口的傳輸速率設(shè)置為默認(rèn)值為9600bps。靜止?fàn)顟B(tài)觀測四小時,在水平方向上沿正東、正西、正南或者正北方向以1mm間隔移動至20mm,每移動一次觀測半小時,在豎直方向上也以1mm間隔移動至20mm,每移動一次觀測半小時。使用計算機(jī)采集到的數(shù)據(jù),用處理軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。
實驗時把<"cblue""/search/?q=單點"title="單點">單點定位和差分定位的精度做了比較,解算是用自編仿真軟件對GPS基準(zhǔn)站的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,以精確測出基準(zhǔn)站坐標(biāo)為(-2848181.616859534647549.598919563311986.31800702)。下面介紹測量結(jié)果及分析。
(1)單點定位和差分定位的比較
圖3和圖4分別給出了單點獨立定位和差分定位的X坐標(biāo)和Y坐標(biāo)的比較曲線。從圖中可以看出單點獨立定位與差分定位結(jié)果在X坐標(biāo)上的偏差約為2米左右,而Y坐標(biāo)的偏差約為4米左右。在本測量系統(tǒng)中X坐標(biāo)測量值的精度要優(yōu)于Y坐標(biāo)測量精度。
圖5給出了單點獨立定位和差分定位的高程坐標(biāo)的比較曲線。從圖中可以看出,單點獨立定位與差分定位結(jié)果在高程坐標(biāo)上的偏差約為10米左右。在GPS測量系統(tǒng)中,X、Y坐標(biāo)測量值的精度要優(yōu)于高程坐標(biāo)測量精度。
通過比較可以得出以下結(jié)論:經(jīng)過差分運算可以有效地剔除GPS測量系統(tǒng)誤差,提高測量精度。
(2)精度分析
平差后矢量的技術(shù)指標(biāo)
移動前后靜態(tài)測量時間約為1小時;本次測量的實際空間位移約為10mm,移動傾角為70°;水平方向位移分量為10×cos70=3.42mm;垂直分量為10×sin70=9.40mm。
測量數(shù)據(jù)的處理:
X1-X2=395035mm-395041mm=-6mm
Y1-Y2=147369mm-147373mm=-4mm
Z1-Z2=113931mm-113929mm=2mm
可得到定位誤差為:
δxy=3.42-7.2=-3.78mm
δz=9.4-2=7.4mm
根據(jù)仿真實驗分析可得,精度達(dá)到毫米級,水平方向定位精度較好,垂直方向較差。
本文論述了GPS的載波相位差分算法以及數(shù)據(jù)處理的數(shù)學(xué)模型,這是GPS定位技術(shù)軟件方面的核心部分。同時,設(shè)計了以A12OEM板為核心的GPS接收機(jī),結(jié)合自行開發(fā)的數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行了測量實驗,結(jié)果表明,能實現(xiàn)高精度定位,定位精度滿足工程要求。實驗表明,該方案是完全可行的,并且由于采用了自行設(shè)計的后處理軟件開發(fā)工具,其成本相當(dāng)?shù)?。此接收機(jī)最突出的特點是體積小、功耗低(A12OEM板的封裝尺寸為39mm×60mm×10mm,功耗<250mW),在
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