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摘 要

本文系统研究GPS伪距单点定位的相关理论与方法，利用误差改正后的观测方程进行伪距单点定位。对电离层误差、对流层误差、相对论误差、星历钟误差、多路径等误差进行改正。利用MATLAB软件编写程序，得到xls和txt格式的坐标和残差数据，残差图、中误差图以及卫星的GDOP图，PDOP图，HDOP图以及VDOP图。使用IGS上海佘山观测站的数据进行精度试验，对相关数据进行了计算，得到了有关差值数据的相关统计，并结合中误差以及残差情况，分析计算结果。结果表明，软件在X方向上的定位精度在15m以内，在Y方向上定位精度在10m左右，Z方向的定位精度在15m左右。

关键词：GPS 伪距单点定位 最小二乘 误差改正

GPS Single-Point Positioning

Abstract

The theory and method of GPS pseudo range single point positioning was systematically studied in this paper. And the observation equation that corrected was applied in pseudo range single point positioning. The impacts on the position of error sources such as ephemeris error, satellite clock error, ionospheric error, tropospheric error, multi-path effects and relativistic effect are analyzed and corrected. The data from IGS observation station in Shao, Shanghai was used to the positioning precision experiment. The data processing software was compiled by Matlab to get coordinate and error files of xls and txt format, bias figure, mean square figure, GDOP figure, PDOP figure, VDOP figure and HDOP figure. The results show that the positioning precision using the software reaches 15m in the X direction, 10m in the Y direction and 15m in the Z direction.

Keywords: GPS; pseudorange point positioning; least square ; error correction

目 录

摘要 I

Abstract II

第一章 概述 1

1.1研究背景 1

1.2国内外研究现状 1

1.3研究的主要内容及技术路线 2

第二章 GPS伪距单点定位原理 4

2.1伪距单点定位 4

2.2 误差改正分析 5

2.2.1与卫星有关的误差 5

2.2.2 与卫星传播过程有关的误差 6

2.2.3 与接收机设备相关的误差 7

2.3 坐标系统 8

2.3.1 参心坐标系 8

2.3.2 不同空间直角坐标系转换 8

2.3.3 地心直角坐标转站心直角坐标 9

2.3.4 大地坐标转平面坐标 9

2.4 时间系统 9

2.4.1 世界时UT 9

2.4.2 协调世界时UTC 10

2.4.3 GPS时GPST 10

2.5 定位解算数学基础 10

2.5.1牛顿迭代及其线性化 10

2.5.2 最小二乘法 11

2.6 本章小结 12

第三章 spp软件设计与开发 13

3.1文件数据读取 13

3.1.1 Rinex标准文件的格式说明 13

3.1.2 读取Rinex格式文件的函数及命令 13

3.2 时间转换程序 17

3.3 坐标转换程序 19

3.4 星历坐标计算程序 21

3.4.1 GPS卫星坐标的计算步骤 21

3.4.2 卫星坐标计算程序 22

3.5 定位主程序 24

3.6 本章小结 25

第四章 实验验证与精度分析 26

4.1实验数据处理与输出 26

4.2实验精度与分析 28

第五章 总结与展望 33

5.1 总结 33

5.2 展望 33

参考文献 34

致谢 36

第一章 概述

1.1研究背景

随着电子技术的快速发展，导航在日常生活中发挥着越来越广的作用，全球定位系统（Global Positioning System，GPS），是随着现代科技的快速兴起而建立的新一代全球卫星导航定位系统。GPS由美国国防部建立的卫星导航定位系统，用户可以在全球范围内实现全天候，连续，实时的导航和测速。具有自动连续、全球覆盖、全天候、保密性强和实时定位速度快等特点，它的应用领域在不断的获得拓展^[1]。在军事中，1991年美国与伊拉克展开的海湾战争中，GPS首次被美国空军使用，并在战争中展示了其卓越的性能和非凡的价值^[2]。海湾战争后，各方新闻媒体对GPS进行了不断地报道与赞誉，这使得GPS名噪一时，进而极大地激发了人们对于民用GPS的兴趣。而在1995年，美国宣告GPS正式进入全面运行状态^[3]。在民用方面。目前，GPS导航在陆地上的应用市场显得最大。也可应用在大地测量、工程测量、地壳运动监测、变形监测和资源勘查等各类高精度测绘任务中^[4]。

由于伪距单点定位有着反应灵便，使用灵活并且没有多值性问题等诸多特点。能够较好的实现实时测量的要求，被广泛的应用于工程测量，航洋捕鱼，导航，矿产勘测等方面^[5]。在测绘领域，GPS定位技术已用在建立高精度的海陆联测和海洋测绘，在测量方面，其已成为建立城市和工程控制网的主要手段。通过一台GPS接收机的观测值和卫星星历来独立确定该接收机在地固坐标系中的绝对定位，这种方法叫做单点定位^[6]。由于观测值的不同，单点定位分为相对单点定位和伪距单点定位，由于伪距单点定位采用的是卫星到接收机天线的单程测量的方法，其中包含着卫星和接收机时钟的偏差，大气层延迟等影响，导致它本身的定位精度受到一定程度的限制，难以达到较好的精度，该距离需要经过改正才能得到真正的两者之间距离^[7]。所以对其分析研究，并改正误差源来达到较好的精度要求，可谓意义重大。

1.2国内外研究现状

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