山 東 科 技 大 學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開題報(bào)告題 目 GPS載波偽距單點(diǎn)定位程序設(shè)計(jì)學(xué) 院 名 稱 測繪科學(xué)與工程學(xué)院 專業(yè)班級 學(xué)生姓名 學(xué) 號 指 導(dǎo) 教 師 填表時(shí)間： 2014 年 04 月 10 日填表說明1.開題報(bào)告作為畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）答辯委員會對學(xué)生答辯資格審查的依據(jù)材料之一。2.此報(bào)告應(yīng)在指導(dǎo)教師指導(dǎo)下，由學(xué)生在畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）工作前期完成，經(jīng)指導(dǎo)教師簽署意見、相關(guān)系主任審查后生效。3.學(xué)生應(yīng)按照學(xué)校統(tǒng)一設(shè)計(jì)的電子文檔標(biāo)準(zhǔn)格式，用A4紙打印。4.參考文獻(xiàn)不少于8篇，其中應(yīng)有適當(dāng)?shù)耐馕馁Y料（一般不少于2篇）。5.開題報(bào)告作為畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）資料，與畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）一同存檔。設(shè)計(jì)（論文）題目GPS載波偽距單點(diǎn)定位程序設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)（論文）類型（劃“”）工程實(shí)際科研項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)室建設(shè)理論研究其它 一、 本課題的研究目的和意義衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)作為世界上最先進(jìn)的導(dǎo)航與定位系統(tǒng)，隨著其在全球的普及，日益顯示了衛(wèi)星導(dǎo)航的巨大優(yōu)越性和其在經(jīng)濟(jì)、軍事領(lǐng)域的重大作用。在導(dǎo)航戰(zhàn)中，GPS 實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地為地面、空中、海上部隊(duì)和導(dǎo)航發(fā)射、制導(dǎo)提供了導(dǎo)航定位數(shù)據(jù)。因此研究 GPS 導(dǎo)航定位技術(shù)已成為當(dāng)務(wù)之急1。在GPS應(yīng)用中，一般都采用相對定位的作業(yè)方式2。通過觀測值差分消除接收機(jī)鐘差、衛(wèi)星鐘差等公共誤差及削弱對流層延遲、電離層延遲等相關(guān)性強(qiáng)的誤差影響3，來達(dá)到提高精度的目的。這種作業(yè)方式無需考慮復(fù)雜的誤差模型，具有解算模型簡單、定位精度高等優(yōu)勢。但也存在一些不足，如作業(yè)時(shí)至少有一臺接收機(jī)置于已知站上觀側(cè)，影響了作業(yè)效率，提高了作業(yè)成本。另外隨著距離的增加，對流層延遲、電離層延遲等誤差相關(guān)性減弱，必須相應(yīng)地延長觀測時(shí)間，才能達(dá)到預(yù)期的精度。為了克服GPS相對定位的這些缺點(diǎn)，單點(diǎn)定位方法越來越受到關(guān)注。傳統(tǒng)GPS單點(diǎn)定位利用偽距及廣播星歷的衛(wèi)星軌道參數(shù)和衛(wèi)星鐘差改正進(jìn)行定位3。其優(yōu)點(diǎn)是數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理較為方便、自由、簡單,用戶在任一時(shí)刻只需用一臺GPS接收機(jī)進(jìn)行定位測量，但由于偽距（即使是P碼偽距）的觀測噪聲至少也有幾十厘米，廣播星歷的軌道精度為幾米，衛(wèi)星鐘差改正精度為幾十納秒，因此這種單點(diǎn)定位的坐標(biāo)分量精度只能達(dá)到10米級（P碼單點(diǎn)定位精度約為3米）4,僅能滿足一般的導(dǎo)航定位需求。為了滿足更高精度的要求，精密單點(diǎn)定位技術(shù)孕育而生，隨著 IGS 精密軌道和精密鐘差精度越來越高，精密單點(diǎn)定位技術(shù)已成為當(dāng)今國際衛(wèi)星導(dǎo)航定位領(lǐng)域一個(gè)研究熱點(diǎn)，采用精密單點(diǎn)定位技術(shù)，單臺雙頻接收機(jī)可以在全球范圍內(nèi)直接得到高精度的ITRF絕對坐標(biāo)。隨著衛(wèi)星軌道和鐘差的精度不斷提高，其靜態(tài)定位精度可達(dá)到mm-cm級，動態(tài)定位精度可達(dá)到cm-dm級5，大大滿足生產(chǎn)建設(shè)的需求。本文研究利用GPS單點(diǎn)定位的雙頻載波相位數(shù)據(jù)及廣播星歷信息進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)單點(diǎn)靜態(tài)定位。二、 本課題的主要研究內(nèi)容（提綱）1、編程實(shí)現(xiàn)RINEX文件的讀取。首先掌握RINEX觀測值文件和星歷文件的內(nèi)容，其中包含大量的信息，需要定義響應(yīng)的存儲信息的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)有觀測值的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、氣象數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。2、通過廣播星歷求GPS衛(wèi)星位置計(jì)算。計(jì)算思路：首先計(jì)算衛(wèi)星在軌道平面坐標(biāo)系下的坐標(biāo)；然后將上述坐標(biāo)分別繞X軸旋轉(zhuǎn)- i角，繞Z軸旋轉(zhuǎn)- k角，求出衛(wèi)星在地固系下的坐標(biāo)。3、載波單點(diǎn)定位數(shù)學(xué)模型線性化推導(dǎo)及編程實(shí)現(xiàn)。根據(jù)載波相位觀測方程進(jìn)行逐項(xiàng)推導(dǎo)，將觀測方程簡化為線性方程后編程實(shí)現(xiàn)。4、單點(diǎn)定位的改正量計(jì)算。主要包括：與衛(wèi)星有關(guān)的誤差項(xiàng)、與傳播路徑有關(guān)的誤差項(xiàng)、與測站有關(guān)的誤差項(xiàng)等。各項(xiàng)誤差改正的流程：計(jì)算衛(wèi)星位置時(shí)，進(jìn)行衛(wèi)星鐘差改正，相對論效應(yīng)改正，地球自轉(zhuǎn)改正；對觀測值進(jìn)行以下改正：電離層改正，對流層改正；對計(jì)算位置進(jìn)行以下改正：天線相位中心改正。5、程序的調(diào)試。進(jìn)行編程調(diào)試和程序優(yōu)化工作，盡可能達(dá)到簡單、高效、易懂的標(biāo)準(zhǔn)。 三、 文獻(xiàn)綜述（國內(nèi)外研究情況及其發(fā)展）全球?qū)崟r(shí)精密單點(diǎn)定位技術(shù)是由Caltech 噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（Jet Propulsion Laboratory，簡稱JPL） 的 Muellerschoen 等人提出，其原理是在初始化后進(jìn)行單歷元精密單點(diǎn)定位，來實(shí)現(xiàn)全球范圍內(nèi)的實(shí)時(shí)動態(tài)定位。他們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在全球范圍內(nèi)可望實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)動態(tài)精密單點(diǎn)定位的水平定位精度為 10-20cm6。NavCom 的Hatch 提出了利用 JPL 實(shí)時(shí)定軌軟件 RTG 實(shí)現(xiàn)全球?qū)崟r(shí)動態(tài)定位（Real - time kinematic，簡稱RTK）計(jì)劃，該計(jì)劃原理是通過因特網(wǎng)和地球靜止通信衛(wèi)星向全球用戶發(fā)送精密星歷和精密衛(wèi)星鐘差修正數(shù)據(jù)，用戶通過接收這些修正數(shù)據(jù)來實(shí)時(shí)定位解算，實(shí)現(xiàn) 2-4dm 的實(shí)時(shí)動態(tài)定位精度，而采用這些修正數(shù)據(jù)在事后靜態(tài)定位精度可達(dá) 2-4cm7。近年來,隨著實(shí)時(shí)精密單點(diǎn)定位技術(shù)發(fā)展,美國的 JPL 研究并且已開發(fā)了實(shí)時(shí)全球精密單點(diǎn)定位（precise point positioning，簡稱PPP）系統(tǒng)；加拿大 NRCan 也開發(fā)了區(qū)域?qū)?PPP 系統(tǒng);其服務(wù)范圍僅限于加拿大及其周邊區(qū)域；NavCom 公司也已經(jīng)成功研發(fā)出商用實(shí)時(shí) PPP 系統(tǒng)；加拿大 Calgary 大學(xué)開發(fā)了 P3軟件，該軟件具有事后和實(shí)時(shí) PPP 功能(軟件在實(shí)時(shí) PPP 處理時(shí)采用 JPL 提供的實(shí)時(shí)精密衛(wèi)星軌道和鐘差產(chǎn)品)。國內(nèi)研究精密單點(diǎn)定位的進(jìn)程中，魏子卿、葛茂榮在 GPS 相對定位的數(shù)學(xué)模型中介紹了非差模式的處理方法8；葉世榕在他的博士論文中對 GPS 非差相位精密單點(diǎn)定位的理論與方法進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，他自行研制的定位軟件，單天解的精度在 B 方向優(yōu)于 1cm，在L 方向優(yōu)于 2cm，在 H 方向優(yōu)于 3cm。其單點(diǎn)定位進(jìn)行動態(tài)定位時(shí)，需要約為 15 分鐘的初始化時(shí)間，此后單歷元解的精度為：B、L、H 方向均優(yōu)于 20cm 而大部分解的精度優(yōu)于 10cm。利用 GPS 的精密預(yù)報(bào)星歷和實(shí)時(shí)估計(jì)的衛(wèi)星鐘差進(jìn)行實(shí)時(shí)動態(tài)定位的精度為 40cm 左右9。陳小明在他的博士論文中提出了建立基于卡爾曼濾波算法的高精度 GPS 動態(tài)定位數(shù)據(jù)處理模型，應(yīng)用可靠性理論分析卡爾曼濾波在高精度 GPS 動態(tài)定位數(shù)據(jù)處理中探測周跳及機(jī)動加速度的能力以及不可發(fā)現(xiàn)的機(jī)動加速度對濾波估值的影響。在可靠性分析的基礎(chǔ)上建立簡單、實(shí)用的無模糊度參數(shù)的卡爾曼濾波高精度 GPS 動態(tài)定位數(shù)據(jù)處理模型10。武漢大學(xué)的郭際明教授通過對 GPS 精密單點(diǎn)定位技術(shù)的研究，開發(fā)出 GPS 精密單點(diǎn)定位軟件 GPP。而范士杰依據(jù) GPP，增加了基于寬巷組合相位觀測值的精密單點(diǎn)定位軟件模塊。通過定位解算，在初始化完成之后，其 N 方向和 E 方向的坐標(biāo)值很快趨于穩(wěn)定，單歷元解算的 N 坐標(biāo)、E 坐標(biāo)和高程 H 坐標(biāo)的真誤差分別穩(wěn)定在0.3m、0.2m、0.9m 以內(nèi)。武漢大學(xué)的張小紅教授通過對雙頻 GPS 精密單點(diǎn)定位技術(shù)的深入研究，開發(fā)了雙頻 GPS 精密單點(diǎn)定位軟件 Trip，該軟件的靜態(tài)定位精度可達(dá)到厘米級，而動態(tài)定位精度可達(dá)到分米級11。四、 擬解決的關(guān)鍵問題1、通過廣播星歷求GPS衛(wèi)星位置計(jì)算。2、載波單點(diǎn)定位數(shù)學(xué)模型線性化推導(dǎo)及編程實(shí)現(xiàn)。五、 研究思路和方法采用面向?qū)ο缶幊痰姆绞?。將整個(gè)研究和程序劃分模塊進(jìn)行，研究部分主要解決通過廣播星歷求GPS衛(wèi)星位置計(jì)算，載波單點(diǎn)定位數(shù)學(xué)模型線性化推導(dǎo)兩個(gè)部分。而編程則分為時(shí)間轉(zhuǎn)換編程實(shí)現(xiàn)、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換編程實(shí)現(xiàn)、文件I/O、計(jì)算衛(wèi)星位置、各項(xiàng)誤差改正計(jì)算、單點(diǎn)定位數(shù)學(xué)模型編程實(shí)現(xiàn)等6個(gè)功能模塊。單點(diǎn)定位的基本原理單點(diǎn)定位數(shù)據(jù)需求矩陣函數(shù)編程編碼實(shí)現(xiàn)各個(gè)模塊GNSS中的時(shí)空基準(zhǔn)時(shí)間轉(zhuǎn)換編程實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換編程實(shí)現(xiàn)文件I/O計(jì)算衛(wèi)星位置各項(xiàng)誤差改正計(jì)算聯(lián)合調(diào)試單點(diǎn)定位數(shù)學(xué)模型編程實(shí)現(xiàn)六、 本課題的進(jìn)度安排3月19日-4月8日 開題報(bào)告，與指導(dǎo)教師和小組成員討論，文獻(xiàn)資料匯總。4月 9日-4月16日 完成RINEX文件的讀取工作。4月17日-5月1日 完成GPS衛(wèi)星位置計(jì)算及相應(yīng)編程工作。5月 2日-5月8 日 完成載波單點(diǎn)定位數(shù)學(xué)模型線性化推導(dǎo)及編程工作。5月9日-5月15日 完成單點(diǎn)定位的改正量計(jì)算及程序調(diào)試工作。5月16日-5月29日 完成聯(lián)合調(diào)試工作。5月50日-6月15日 完成所有研究內(nèi)容的總結(jié)，進(jìn)行論文寫作，與指導(dǎo)教師討論修改后最終定稿，參加畢業(yè)答辯。七、 參考文獻(xiàn)1 石小麗.載波相位測量的定位結(jié)算算法研究 D ,成都:電子科技大學(xué),20082魏子卿,葛茂榮.GPS相對定位的數(shù)學(xué)模型M,北京:測繪山版社,19983劉大杰,施一民,過靜君.全球定位系統(tǒng)(GPS)的原理與數(shù)據(jù)處理,同濟(jì)大學(xué)出版社,199741劉經(jīng)南,葉世榮.GPS非差相位精密單點(diǎn)定位技術(shù)探討J.武漢大學(xué)學(xué)報(bào),2002,24(3):234-2405張金寶,王少閩.GPS單點(diǎn)定位程序設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)J, 武漢大學(xué)學(xué)報(bào),2009,11(5):60-666 Melbourne W G,The case for ranging in GPS based geodetic SystemsJ,See Goad，1995,21(5):343-386 7Hatch R.Dynamic. Differential GPS at the Centimeter LevelC,Proceedings of the 4th International Geodetic Symposium on Satellite Positioning,DMA,Las Cruees,New Mexico,1982,Feb:8-12 8 葉世榕.GPS 非差相位精密單點(diǎn)定位理論與實(shí)現(xiàn)D.武漢:武漢大學(xué),20029 陳小明.高精度 GPS 動態(tài)定位的理論與實(shí)踐D,湖北武漢:武漢大學(xué),199910 張小紅.動態(tài)精度單點(diǎn)定位(PPP)的精度分析J.全球定位系統(tǒng),2006，25(1):7-1l11李征航,黃勁松.GPS原理與應(yīng)用M,武漢:武漢大學(xué)出版社,200512李征航,張小紅.衛(wèi)星導(dǎo)航定位新技術(shù)及高精度數(shù)據(jù)處理方法M,武漢:武漢大學(xué)出版社,200913Herous, Kouba J, Collons P.GPS Carrier Phase Point Positioning with Precise Oribit Products,The International Symposium on Kinematic Systems in GeodesyJ,GeomaticsandNavigation,Calgary,2001,24(3):12-1314陳兆林,張書畢,咚瑞菊.用拉格朗日多項(xiàng)式內(nèi)插計(jì)算GPS衛(wèi)星位置J.全球定位系統(tǒng),2007,32(2):33-3515邱蕾,廖遠(yuǎn)琴,花向紅.基于IGS精密星歷的衛(wèi)星坐標(biāo)插值J,測繪工程學(xué)報(bào),2008,17(4):15-2416李慶揚(yáng),王能超,易大義.數(shù)值分析M,湖北武漢:華中科技大學(xué)出版社,200517黨亞明,秘金鐘,成英燕.全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)原理與應(yīng)用M,北京:測繪出版社,200718 程鵬屹,蔡艷輝,文漢江等.全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)GPS，GLONAsS，Glailco及其他系統(tǒng)M,北京:測繪出版社,200919劉基余,李