GPS仿真研究課件

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GPS仿真研究

答辯人：郭程方導(dǎo)師：任超主要內(nèi)容第1章引言第2章仿真的發(fā)展及MATLAB在GPS仿真中的應(yīng)用第3章

GPS仿真模型生成

第4章

GPS仿真應(yīng)用

第5章結(jié)論及展望第1章引言研究背景及意義國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢研究的目的和方法本文研究主要內(nèi)容1.1研究背景及意義（1）研究背景

二十世紀(jì)以后，隨著人類科學(xué)技術(shù)水平的提高和各種探險(xiǎn)活動(dòng)的日益頻繁，人們已不在滿足于GPS的粗略定位，而是在精確定位、精確導(dǎo)航、建立高精度的全國性的大地測量控制網(wǎng)、建立陸地海洋大地測量基準(zhǔn)、監(jiān)測地球板塊運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和地殼形變、測定航空航天攝影瞬間的相機(jī)位置等多方面對GPS都提出了更高的要求。

1.1研究背景及意義（2）研究意義

但是在國防和戰(zhàn)爭中卻有這種情形，比如導(dǎo)彈軌道的精確定位、魚雷的實(shí)時(shí)位置測量等，這些都需要測量來進(jìn)行精確定位。那么如何保證這些精度就成了廣大科研人員要急切考慮和解決的事情。仿真技術(shù)的出現(xiàn)很好的解決了這些問題。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

仿真技術(shù)不僅在航空、航天、航海、原子能、電力等領(lǐng)域進(jìn)一步提高了應(yīng)用水平，而且逐步發(fā)展到應(yīng)用于社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、交通、生態(tài)系統(tǒng)等各個(gè)領(lǐng)域，已成為高科技產(chǎn)品從論證、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)試驗(yàn)、訓(xùn)練到更新等全生命周期各個(gè)領(lǐng)域不可缺少的技術(shù)手段，為研究和解決復(fù)雜系統(tǒng)乃至巨系統(tǒng)問題提供了有效的工具。仿真技術(shù)的普及使它正走向大眾，走向人們的生活。1.3研究目的和方法（1）研究目的使用GPS軟件接收機(jī)進(jìn)行信號處理的思想使用戶在算法處理和軟件升級等方面具有更大的靈活性，可應(yīng)用于下一代任何全球?qū)Ш叫l(wèi)星定位系統(tǒng)(GNSS)和空基增強(qiáng)系統(tǒng)(SBAS)仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。1.3研究目的和方法（1）研究方法本文主要利用MATLAB編譯的衛(wèi)星可見性預(yù)報(bào)程序來實(shí)現(xiàn)GPS的多種觀測狀態(tài)下的模擬和仿真。第2章仿真的發(fā)展及MATLAB在GPS仿真中的應(yīng)用仿真的發(fā)展GPS定位技術(shù)的發(fā)展MATLAB在GPS仿真中的應(yīng)用

2.1仿真的發(fā)展（1）

仿真技術(shù)經(jīng)過半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，從研究簡單系統(tǒng)到現(xiàn)在已經(jīng)成為人們研究復(fù)雜系統(tǒng)的有力工具，大致經(jīng)歷了三個(gè)階段。1)發(fā)展階段：二次大戰(zhàn)末期，火炮控制與飛行控制動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)的研究促進(jìn)了仿真技術(shù)的發(fā)展。2)成熟階段：在軍事需求推動(dòng)下，70年代中期，相繼出現(xiàn)了一些從事仿真設(shè)備和仿真系統(tǒng)生產(chǎn)的專業(yè)化公司。使仿真技術(shù)達(dá)到了產(chǎn)業(yè)化階段。這標(biāo)志著仿真技術(shù)進(jìn)入了成熟階段2.1仿真的發(fā)展（2）

3)高級階段：20世紀(jì)80年代初以美國國防高級研究計(jì)劃局和美國陸軍共同制定和執(zhí)行的研究計(jì)劃和美國三軍建立先進(jìn)的半實(shí)物仿真試驗(yàn)室為標(biāo)志，標(biāo)志著仿真技術(shù)發(fā)展到了一個(gè)新的高級階段。

2.2GPS定位技術(shù)的發(fā)展

城市公共安全應(yīng)急平臺的主要功能

GPS系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了以下幾個(gè)階段：1978年2月22日，第一顆GPS試驗(yàn)衛(wèi)星發(fā)射成功，標(biāo)志著工程研制階段的開始；1989年2月14日，第一顆GPS工作衛(wèi)星發(fā)射成功，GPS系統(tǒng)開始正式投入應(yīng)用；1994年3月10日發(fā)射了第28顆工作衛(wèi)星，標(biāo)志著GPS系統(tǒng)的正式建成。2.3MATLAB在GPS仿真中的應(yīng)用仿真GPS連續(xù)信號仿真GPS離散信號仿真GPS通信

2.3三維可視化系統(tǒng)中各模塊功能設(shè)計(jì)三維場景漫游查詢分析三維場景布置場景燈光配置仿真GPS連續(xù)信號

在MATLAB中，數(shù)字信號用矩陣表示，一個(gè)列向量表示一個(gè)有限長序列，即一維信號；一個(gè)n*m矩陣表示m個(gè)通道信號，即多維信號。在連續(xù)信號系統(tǒng)中，方波可以用相應(yīng)的基波及奇次諧波合成，這也是將其展成正弦級數(shù)的出發(fā)點(diǎn)。%為繪制三維曲面，需要將各次波行數(shù)據(jù)儲存為一個(gè)三維數(shù)組，需要重新定義y。本例求至15次諧波。i=0:0.031:3.14;y=zeros(10,max(size(i)));x=zeros(size(i));forj=1:2:15x=x+sin(j*i)/j;y((j+1)/2,:)=x;endpauseplot(y(1:9,:))%將各個(gè)波形疊合繪出，并設(shè)置暫停

mesh(y)pauseclc仿真GPS離散信號

對于GPS離散信號x（i），i取整數(shù)代表時(shí)間的離散時(shí)刻，實(shí)際x（i）為離散時(shí)間信號，它是一個(gè)數(shù)字的序列，可以表述為：其中x(n)表示在n=0處的取樣。在MATLAB中可以用向量x(n)表示一個(gè)有限長度的序列，用n包含采樣位置信息。當(dāng)不需要采樣位置信息時(shí)，即序列從n=1開始，可以只用向量表示。仿真GPS通信

GPS通信系統(tǒng)仿真的模型一般如下所示：SourceCoding（信源編碼）ErrorContrlCoding（糾錯(cuò)控制編碼）Modulation（調(diào)制）Transmitter/Filter（發(fā)射機(jī)/濾波器）Channel（信道）Receivere/Filter（接收機(jī)/濾波器）MultipleAccess（多址復(fù)用）Demodulation（解調(diào)）Sink（輸出）ErrorContrlCoding（糾錯(cuò)控制編碼）SourceDecoding（信源解碼）Source（信源）MultipeAccess（多址復(fù)用）第3章GPS仿真模型生成

簡介GPS仿真模型的建立

GPS-GALILEO聯(lián)合觀測系統(tǒng)可靠性分析3.1簡介雖然GPS目前應(yīng)用比較普遍，但是以下情形適用仿真來解決：1）工作地點(diǎn)衛(wèi)星的可見性預(yù)報(bào)。此時(shí)不需要GPS實(shí)際觀測，只需了解工作地點(diǎn)在預(yù)定工作時(shí)間的可見性如何；2）評估GALILEO系統(tǒng)建立后，多系統(tǒng)聯(lián)合定位對定位結(jié)果的影響。3）對于高動(dòng)態(tài)的單點(diǎn)定位情形。3.2GPS仿真模型的建立單點(diǎn)觀測觀測方程為：線性化后為：參數(shù)中的軌道誤差、電離層誤差合并入噪聲誤差并假定所有的衛(wèi)星數(shù)據(jù)都是獨(dú)立的，上式可以簡寫為：短基線觀測采用差分形式可以信號傳播誤差和衛(wèi)星鐘差，觀測值方程就可以簡寫為：利用符號對上式進(jìn)行簡化，得到更加簡潔的形式：3.3GPS-GAL聯(lián)合觀測

假定接收機(jī)可以同時(shí)觀測和接收兩個(gè)系統(tǒng)的信號，例如首先收集GPS信號，而后GAL信號。可以得到：相應(yīng)應(yīng)設(shè)計(jì)矩陣M和N的協(xié)方差矩陣Q變?yōu)椋?/p>

由于GAL所定義的頻率為：E1-L1-E21575.42MHz=GPSL1；E5a1176.45MHz=GPSL5；E5b1207.14MHz；E61278.75MHz。假設(shè)觀察值是同頻率的兩個(gè)系統(tǒng)，那么GF觀測矩陣M變?yōu)椋旱?章GPS仿真應(yīng)用

模塊功能介紹仿真實(shí)驗(yàn)仿真分析

4.1模塊功能介紹功能模塊CPDOPS.M是用來計(jì)算有關(guān)精度因子DOP（DilutionofPrecision）的，包括平面位置精度因子HDOP、高程精度因子VDOP、幾何精度因子GDOP、空間位置精度因子PHOP、高程精度因子VDOP、鐘差精度因子TDOP。其程序如下：function[gdop,pdop,tdop,hdop,fdop,ldop,vdop]=... cpdops(tsat,xsat,ysat,zsat,station,elev,cutoff,rotmat);gdop=NaN*zeros(size(tsat));%定義數(shù)據(jù)類型pdop=NaN*zeros(size(tsat));tdop=NaN*zeros(size(tsat));vdop=NaN*zeros(size(tsat));hdop=NaN*zeros(size(tsat));fdop=NaN*zeros(size(tsat));ldop=NaN*zeros(size(tsat));fori=1:length(tsat);[idx1,amat]=cpdesign(xsat(:,i),ysat(:,i),zsat(:,i),station,elev(:,i),cutoff);iflength(idx1)>=4;qx=inv(amat'*amat);%計(jì)算權(quán)系數(shù)陣gdop(i)=sqrt(trace(qx));%計(jì)算幾何精度因子pdop(i)=sqrt(trace(qx(1:3,1:3)));%計(jì)算空間位置精度因子tdop(i)=sqrt(qx(4,4));%計(jì)算接收機(jī)鐘差精度因子qx=rotmat*qx(1:3,1:3)*rotmat';%計(jì)算權(quán)系數(shù)矩陣hdop(i)=sqrt(qx(1,1)+qx(2,2));%計(jì)算平面位置精度因子fdop(i)=sqrt(qx(1,1));%計(jì)算X方向精度因子ldop(i)=sqrt(qx(2,2));%計(jì)算Y方向精度因子vdop(i)=sqrt(qx(3,3));%計(jì)算高程精度因子end;end;這個(gè)功能模塊要求開始首先調(diào)用X坐標(biāo)、Y坐標(biāo)、Z坐標(biāo)、測站信息、高度角等必要信息。此模塊是衛(wèi)星可見性預(yù)報(bào)系統(tǒng)中最核心的計(jì)算程序，幾乎所有的計(jì)算都要調(diào)用此模塊。這個(gè)也是GPS數(shù)據(jù)處理的核心。4.2仿真實(shí)驗(yàn)

一：首先來比較單GPS和GPS+GALILEO這兩種系統(tǒng)下單點(diǎn)定位的精度。其輸入界面如下圖所示：其在單GPS系統(tǒng)下的GDOP輸出為：其在GPS+GAL系統(tǒng)下的GDOP輸出為：GPS定位的誤差與精度因子DOP的大小成正比。從已上兩圖可以明顯的看出來，當(dāng)衛(wèi)星數(shù)量較多時(shí)，空間位置精度因子就較低；而當(dāng)衛(wèi)星數(shù)量較少時(shí)，空間位置精度因子就可能會(huì)很高。由此，可以作為參考來選擇觀測時(shí)段來獲取較高的精度。比較以上兩圖、可以看出GPS+GALILEO系統(tǒng)下無論是幾何精度因子GDOP還是衛(wèi)星數(shù)目都比單GPS系統(tǒng)下有高出許多。由此可以得出：相同時(shí)間段內(nèi)、相同觀測條件下，GPS+GAL要比GPS精度高。二：比較單GPS和GPS+GAL這兩種系統(tǒng)在任意幾何觀測模型中觀測最低檢測效果。下圖為在單GPS下的輸出結(jié)果：相同條件下在GPS+GAL下輸出結(jié)果為：比較以上兩圖，粗看兩個(gè)圖的差別很小，但是需要注意的是兩個(gè)圖右邊標(biāo)注顏色的單位和數(shù)值的差別。實(shí)際上兩圖在單位上差了1000。由此可以得到：相同條件下動(dòng)態(tài)任意幾何模型在GPS系統(tǒng)中和在GPS+GAL系統(tǒng)中MDB差別很大。也就是說，相同條件下動(dòng)態(tài)任意幾何模型在GPS系統(tǒng)中比在GPS+GAL系統(tǒng)中精度低很多。

4.4結(jié)果分析

通過以上幾個(gè)仿真實(shí)例，可以得到以下結(jié)論：在相同觀測條件下，不論是單點(diǎn)還是單基線或者自由幾何模型中，GPS+GALILEO觀測精度都要比GPS觀測精度高。本仿真系統(tǒng)缺點(diǎn)：通常判斷何時(shí)何地比較適合采用何種測量方式才能得到精度較高的觀測數(shù)據(jù)需要幾個(gè)圖象結(jié)合起來判斷，但是運(yùn)行一次本仿真預(yù)報(bào)系統(tǒng)只能給出一個(gè)圖象，使用上可能會(huì)給用戶帶來不便；用戶界面和輸出界面中仍然有部分英文，不能進(jìn)行完全漢化，這是因?yàn)樵贛ATLAB中漢字不能直接讀取和調(diào)用的結(jié)果；在輸入自定義區(qū)域時(shí)本仿真預(yù)報(bào)系統(tǒng)要求輸入的是經(jīng)維度，但是實(shí)際中很多情況下都是某個(gè)坐標(biāo)系統(tǒng)下的坐標(biāo)，這就需要用戶自己去換算成地球表