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GPS实时精密星历确定
张鹏
【期刊名称】《全球定位系统》
【年(卷),期】2001(026)004
【摘要】本文基于美国Gamit软件研究的基础上,对于GPS实时精密轨道确定的方法进行了细致的研究,提出了在中国区域范围内有实用价值的区域定轨方法与方案.本文从GPS轨道的各种摄动力影响入手,对实时GPS轨道确定方法进行了阐述,同时讨论了在国家测绘局目前GPS跟踪站网的构架下,利用跟踪站网的多天数据并且引入随机参数进行GPS实时轨道确定的实例.
【总页数】8页(P9-15,38)
【作者】张鹏
【作者单位】国家基础地理信息中心,北京海淀区紫竹院百胜村一号,100044【正文语种】中文
【中图分类】TN96
【相关文献】
1.GPS实时定轨误差对姿态确定的影响分析 [J], 王文妍;杨盛庆;吴敬玉;彭仁军
2.星载GPS实时定轨中重力场模型阶次的最优确定方法 [J], 王甫红;王军;龚学文;夏博洋
3.基于小时观测文件拼接的GPS实时钟差确定算法 [J], 武美芳;苏行;张喆
4.IGS精密星历对C级GPS网解算精度影响 [J], 张潘;李亚伦;冯茵
5.MADOCA GPS/GLONASS实时精密星历产品的性能评估 [J], 马壮;陈俊平;刘姣;王阿昊;伍冠滨
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简易制作GPS定位、轨迹记录仪设计分享（原理图+控制源码+上位机）基于C3-370C的GPS定位及轨迹记录仪！开始⽤M48作控制MCU，结果写着写着，发现Flash空间不⾜，想换个M8或M88的，还不好买，⼿上正好还有两块STC90C52，8K的，于是就换上C52了。
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高精度GPS导航系统设计与实施随着科技的进步和社会的发展，全球定位系统（GPS）导航已经成为现代化生活中不可或缺的部分。
然而，传统的GPS导航系统存在着定位误差较大的局限性，无法满足精度要求较高的应用领域。
因此，设计和实施一种高精度的GPS导航系统成为一个迫切的需求。
一、设计原理高精度GPS导航系统主要基于改进的信号处理方法和算法来提高定位精度。
其设计原理分为以下几个关键步骤。
首先，采集和处理卫星信号。
GPS导航系统通过接收多颗卫星发出的信号来进行定位。
在高精度GPS导航系统中，需要使用多频率接收机来接收并处理卫星发出的信号。
通过使用多频率接收机，可以减小钟差对测量精度的影响，并提高系统的抗多路径效应的能力。
其次，进行精确钟差校准。
钟差是导致GPS定位误差的一个重要原因。
传统的GPS系统使用星基校准来解决这个问题，但精度有限。
在高精度GPS导航系统中，可以利用局部应用或者传播无线电信号来进行钟差校准。
这种方法可以在同步误差较小的基础上，进一步提高定位的精度。
然后，进行信号跟踪和导航解算。
在高精度GPS导航系统中，需要使用多频率接收机和高精度的时钟来对GPS信号进行跟踪和解算。
通过多频率的接收机可以提高系统对多路径干扰的抑制能力，而高精度的时钟可以减小测量误差。
同时，使用更先进的导航算法可以进一步提高定位精度。
最后，进行误差补偿和定位精度评估。
在高精度GPS导航系统中，需要考虑到各种误差源对定位精度的影响，并采取相应的补偿措施。
常见的误差源包括大气延迟、钟差、多路径效应等。
通过采用误差模型和补偿算法，可以有效减小这些误差对定位精度的影响。
定位精度评估可以通过与参考站进行定位结果对比，或者通过使用地面控制点进行定位验证来实现。
二、实施步骤高精度GPS导航系统的实施过程需要以下几个关键步骤。
首先，进行系统需求分析。
根据实际应用需求，明确高精度GPS导航系统的性能指标和功能需求。
根据需求分析，确定系统的架构和设计方案。
GPS历书与星历相结合的完整星座预测方法冉一航;李津;李鹏程;王淑君;杨峰;何中翔【期刊名称】《电子信息对抗技术》【年(卷),期】2015(000)003【摘要】The position of satellites will not be exact using GPS almanac to forecast. Considering this problem, the preferences of almanac and ephemeris are contrasted, the arithmetic of satel-lites position forecasting is analyzed and the method of GPS constellation forecasting is put for-ward using ephemeris and almanac. On the basis of this new method, the simulation results of satellites position forecasting are obtained. The results show that, using the combination of ephemeris and almanac to forecast satellites position can partly improve the precision of visible constellation. This new method can fulfill the requirements of the satellites position accuracy for the GPS application.%针对用GPS历书预测卫星位置精度不高的问题，分析了历书和星历参数之间的差别，重点研究了卫星位置预测的算法，提出了历书和星历相结合预测可视范围内完整星座的方法，在此基础上对不同时间点的卫星位置进行了预测仿真。
[博士论文摘要]中图分类号:P228.41 文献标识码:DGPS数据预处理和星载GPS运动学定轨研究及其软件实现Study and Software Implementation of GPS Data Pre2processing and OnboardGPS K inematic Orbit Determination郑作亚(山东科技大学地球信息科学与工程学院,山东青岛266510) 无论在静态定位还是动态导航/定轨中,GPS 数据预处理质量的好坏都直接影响着其精度。
随着空间技术的发展,对GPS定位与定轨的精度和实时性要求越来越高,高精度GPS快速动态定位/定轨成为国内外的研究热点。
高精度定位的相位观测值存在周跳和模糊度问题,本文在采用Blewitt方法(简称B方法)时,进行GPS数据预处理研究;根据周跳特性提出利用小波分析进行周跳探测与修复,进行数据预处理。
由于GPS定位/定轨精度与卫星的空间几何分布密切相关,引出了优化几何的GPS卫星选择的研究;研究了星载GPS运动学定轨方法及其软件实现。
因此,本文的基本框架是:首先进行GPS数据预处理研究并编写相应的软件—COMPRE,然后进行星载GPS运动学定轨研究并编写相应的软件—SH KIN E,将经过COMPRE软件处理后的资料用SH KIN E软件进行L EO卫星轨道确定。
概括起来,主要做了以下几方面的工作:1.研究各种线性组合的误差情况,给出误差最小的线性组合;通过比较分析,选择差分法和Vondrak平滑法作为COMPRE软件的野值剔除方法。
2.人为地在GPS卫星加/减一个周跳,分析周跳对定位的影响;提出了B方法存在的一些局限性;在此基础上,优化了B方法,提出COMPRE 软件数据预处理方案、模块功能和程序实现,总结了本软件的几个创新点。
3.根据周跳特性,提出前后差分点个数可通过一个参数因子来调节的思路。
结合Shannon函数和G auss窗函数的优点,构造了一类新的小波函数进行周跳探测研究,实例分析表明:所构造的小波函数能有效地进行周跳探测。
卫星导航定位程序设计
1.接收器硬件设计
接收器硬件设计主要包括天线、收发器和处理器等组件的选择和连接。
天线是接收卫星信号的设备，需要选择合适的频段和增益。
收发器用于接
收和发送信号，需要选择能够接收卫星导航信号的收发器。
处理器是用于
处理和计算接收到的信号，需要选择能够处理卫星导航算法的处理器。
2.接收器软件设计
接收器软件设计主要包括信号接收和解码、数据处理和位置计算等功
能的实现。
信号接收和解码需要将接收到的卫星信号转换成数字信号，并
解码出导航数据。
数据处理包括对接收到的导航数据进行误差校正和数据
筛选等处理。
位置计算是根据接收到的导航数据计算出接收器所处位置的
过程，常用的定位算法有精确度位置系统（PPP）和差分GPS（DGPS）等。
3.位置数据处理和计算
4.界面设计与用户交互
总结：
卫星导航定位程序设计涉及到接收器硬件和软件的设计，以及位置数
据的处理和计算。
在接收器硬件设计中，需要选择合适的天线、收发器和
处理器等组件。
在接收器软件设计中，需要实现信号接收和解码、数据处
理和位置计算等功能。
在位置数据处理和计算中，需要进行数据预处理、
数据校正和数据融合等过程。
在界面设计与用户交互中，需要设计简洁明
了的界面，提供实时的位置信息，并方便用户进行操作和查询。
实验3 GPS卫星星历预报一.实验目的（1）了解星历预报的意义。
（2）掌握星历预报的方法，并学会使用软件进行卫星星历预报。
二. 实验说明为了使外业测量能顺利进行，有效利用可见卫星的时间区间，细致的计划是十分必要的.星历预报对监控测量活动仍然起着重要的作用。
它解答以下问题：1.对某一测站，何时PDOP值优于X，何时有多于Y颗可是卫星？2.想要同时测量X站。
何时对所有测站最佳？3.想要在给定的时间区间内进行测量，有多少颗可视卫星？4.测量位置部分被建筑物或树木遮挡，仍可得到较好的结果吗？目前常用数据处理软件做星历预报。
关于GPS数据处理软件，生产厂家不同，版本也各异，但星历预报的方法在本质上都是一致的。
三. 实验仪器（1）微机30套（2）广州市中海达测绘仪器有限公司处理软件30套以及说明书四. 实验方法星历预报在数据处理软件中进行，由于不同时间，测区上空的卫星个数分布和PDOP值都是变化的为了保证野外数据采集的质量，必须进行星历预报。
星历预报有两种方法：历书预报和实测预报。
（1）历书预报：这种方法是根据网上下载的星历文件的。
操作如下：从美国的\ftp\gps\almanacs\yuma网站下载一个大小约17~18kb名称为“Yuma*.txt”最新星历预报文件（文件名中的*代表数字），放置在用户计算机的某路径下，最后执行软件中的“星历预报命令。
（2）实测预报这种方法不需要从网上下载历书文件，而是通过实测数据文件进行预报。
使用接收机到野外开阔地带测15~30分钟，然后将数据传输至计算机，再通过软件加载此实测数据即可实现预报效果。
五. 实验内容（1）软件的安装和注册（2）星历预报操作方法六. 实验步骤(1) 中海达HDS2003处理星历预报1.软件的安装与注册实验中所用的软件HDS2003由中海达测绘仪器有限公司提供，可以从中海达公司官网上下载。
HDS2003数据处理软件包可以从光碟和硬盘中直接安装。
软件安装步骤如下：运行安装目录下光盘上的SETUP.exe文件，开始语言选择，如图1-1。
电子星历信息快速定位系统的设计与实现齐显峰;张红英;谈国良【摘要】随着<2000中国大地测量系统>的启用,天文测量需要采用新的天文星历系统,为此我们研制了"电子星历信息快速定位系统".该系统以天文星历为主要信息源,编制了天文大地测量观测专用的电子星表,改进了传统的星位处理模式,建立了星位信息数字平台,实现了动态和可交互性信息的查询检索.【期刊名称】《测绘技术装备》【年(卷),期】2010(012)003【总页数】3页(P59-61)【关键词】电子星历表;星位信息;天文测量;快速定位【作者】齐显峰;张红英;谈国良【作者单位】西安测绘信息技术总站,陕西西安,710054;西安测绘信息技术总站,陕西西安,710054;西安测绘信息技术总站,陕西西安,710054【正文语种】中文随着“2000中国大地测量系统”的启用，天文星历系统的采用也随之发生相应的变化，由于不同时期采用的星历系统不同，影响到了星位和天文测量成果的精度，因此我们必须对星历系统的变化进行研究。
电子星历信息快速定位系统的建立，可依据精确的电子星历信息定位模型，利用天文历表计算行星日月地位置，利用编制的电子星表可获得恒星位置，并自行研制开发出星图平台，实现了电子星历信息的快速定位、信息查询和恒星信息图显示，在今后研究新的天文测量数据处理模型和方法、构建高精度的科研和生产体系中将发挥重要的作用。
由于新技术的使用和20世纪90年代空间技术的蓬勃发展，天文观测精度得到了进一步的提高，基本参考系由传统的静态恒星参考系发展到动力学参考系和以遥远河外天体为基准的射电参考系。
但无论采用何种参考系来研究天体的位置，都需要天文星历信息，目前天文星历信息已从原来的纸质年历形式发展为当前的电子星历信息，为天体快速定位创造了有利的条件。
2.1 星表恒星坐标系是通过编制星表来实现的，星表对建立天球基本参考系，确定地面点坐标，研究自然天体和人造天体的运动等都有重大意义。
一、实训背景随着我国卫星导航事业的快速发展，卫星导航技术在各个领域的应用日益广泛。
星历预报作为卫星导航系统的重要组成部分，对于提高导航定位精度、保障导航系统正常运行具有重要意义。
为了提高学生对星历预报理论知识的掌握程度，提高实际操作能力，我们开展了星历预报实训。
二、实训目的1. 熟悉星历预报的基本原理和方法；2. 掌握星历预报软件的使用方法；3. 培养学生独立完成星历预报任务的能力；4. 提高学生团队协作能力。
三、实训内容1. 星历预报基本原理星历预报是指根据卫星轨道参数和运动规律，预测卫星在未来一段时间内的位置、速度等信息。
星历预报的基本原理包括：（1）卫星轨道动力学：研究卫星在地球引力场中的运动规律，建立卫星轨道模型。
（2）卫星钟差修正：考虑卫星钟差对观测数据的影响，对观测数据进行修正。
（3）星历计算：根据卫星轨道模型和钟差修正，计算卫星在未来一段时间内的位置、速度等信息。
2. 星历预报软件使用实训中使用的星历预报软件为XXXX软件。
该软件具有以下功能：（1）卫星轨道参数输入：用户可输入卫星轨道参数，如轨道根数、偏心率等。
（2）星历计算：根据输入的轨道参数，计算卫星在未来一段时间内的位置、速度等信息。
（3）星历输出：将计算得到的星历数据输出为文本文件或图形文件。
3. 实训任务（1）学习星历预报基本原理，了解卫星轨道动力学、钟差修正等内容。
（2）熟练掌握XXXX软件的使用方法，包括卫星轨道参数输入、星历计算、星历输出等。
（3）以某颗卫星为例，进行星历预报任务，完成以下步骤：①收集卫星轨道参数和钟差修正数据；②输入轨道参数和钟差修正数据；③计算卫星在未来一段时间内的位置、速度等信息；④输出星历数据，包括文本文件和图形文件。
四、实训过程1. 讲解星历预报基本原理，介绍XXXX软件的功能和使用方法。
2. 学生分组，每组选择一颗卫星进行星历预报任务。
3. 学生根据所学知识，独立完成星历预报任务。
4. 汇报各小组星历预报结果，分析存在的问题，提出改进措施。
GPS上位机软件设计与实现及星历预装订许定根 1 程乃平 2 任宇飞2(1.装备指挥技术学院研究生管理大队，北京怀柔，101416；2.装备指挥技术学院光电装备系，北京怀柔，101416)摘 要:接收和分析GPS卫星信号，对我国自主开发北斗卫星导航系统具有重要的参考价值。
本文设计并实现了一款GPS接收机上位机软件，方便了对GPS卫星信号的跟踪和分析。
软件是针对一种基于GP4020基带处理芯片的高动态GPS接收机设计的，采用RS232串口作为GPS接收机与计算机之间的数据交换接口。
运用面向对象编程，采用多线程和多串口通信技术，利用VisualC++6.0开发工具实现了该软件。
软件能够实时显示跟踪和分析多个GPS卫星的俯仰角、多普勒、载波偏移和跟踪捕获状态等参数，实现了以软件对GPS接收机的指令控制。
软件还设计实现了一种GPS 星历预装订热启动方法，缩短了GPS接收机启动时间。
仿真和实际使用验证，设计和实现的软件界面友好，操作简单，方便实用。
关键词：GPS；上位机；多线程；串口通信Design and Implementation of the Software on the UpperComputerXu Dinggen1 Cheng Naiping2 Ren Yufei2(pany of Postgraduate Management, the Academy of Equipment Command & Technology, Beijing 101416,China；2. Department of Optical and Electrical Equipment, the Academy of Equipment Command & Technology,Beijing 101416, China)Abstract: In the paper, the software on the upper computer for the ARM GPS receiver is designed and implemented under Visual C++ 6.0 with the multi-thread, serial port and the object-oriented programming. The software can display the GPS satellites status parameters, send instructions and load Almanacs to GPS receiver. The running result show the software is effective and friendly, and the operation of the software is easy.Keywords: GPS; upper computer; serial communication; multi-thread1引言美国全球定位系统GPS（Global Positioning System）是基于卫星的导航定位系统，在近10余年来，GPS在几次局部战争中的成功实践，充分展示了现代卫星导航系统的重大军事利用价值；同时，GPS在国民经济的各个领域得到广泛应用，已发展成为对全球经济有相当影响的巨大产业，备受世界各国关注[1]。
但美国从其国家安全利益出发，常对包括其盟国在内的国外军事应用及非法用户加以限制。
另外，为了防止敌对方利用卫星定位资源，美国对定位信号或实行加密，或降低精度，或予以关闭。
为了摆脱受制于人的窘境，并在卫星导航领域中占有一席之地，努力探索和发展拥有自主知识产权的卫星导航定位系统具有重要意义[2]。
GPS作为一种成熟的导航定位系统，对其信号跟踪和分析必将对我国开发自己的北斗导航定位系统就有重要的参考价值。
本文基于一款GP4020基带处理芯片的高动态GPS接收机（下位机），利用串口与上位PC机通信，设计和实现了上位机软件，该软件能够实时显示GPS接收机多通道接收的GPS卫星信号参数和跟踪状态，对接收机发送指令（包括通道选择、启动模式、初始化位置和跟踪模式等），并且配合星历加载机能够完成星历的预装订，实现热启动。
实际使用验证，该软件简单有效，操作性强，界面友好。
2数据接口与传输协议数据接口是提供GPS接收机与外界进行交互的工具。
在上位机与GPS通讯进行数据传送时，都采用异步串行传送方式，利用D型RS-232C电缆接口进行数据交换[3]。
GPS接收机通过串行接口向上位机发送数据或接收指令，其中GPS接收机向上位机传送定位数据的数据格式为GPS的统一标准NMEA-0183[4]，上位机向GPS接收机发送的指令采用自定义的指令格式。
NMEA-0183是美国国家海洋电子协会（National Marine Electronics Association）为海用电子设备制定的标准格式。
根据NMEA-0183标准，可以输出如下格式的信息：GGA：GPS定位数据（Global Positioning System Fix Data）；GSV：GPS卫星状态（GPS Satellites in View）；RMC：GPS特定最简数据（Recommended Minimum Specific GPS Data）；GLL：经纬度（Geographic Position-Latitude/Longitude）。
NMEA-0183标准的所有信息都是一行ASCII字符，而且均是以ASCII 码“$”开始，以回车换行符（即<CR><CF>）结束。
ASCII码“$”后是一个5字节地址，头两个字节是发送者识别码，后三个字节是代表语句格式或信息识别码。
信息中的数据区由ASCII码中的逗号来划分界限。
指令格式为自定义的格式，格式如表1。
指令都是以字节0x02开始、以0x03结束的。
指令的类型（ID）有：AA（Altitude Aiding）、CS（Cold Start）、IP（Initial Position）、LA（Load Almanacs）、SA（Save Almanacs）、SS（Select Satellite）、TM（Track Mode）等。
表1 指令格式格式：0x02,<1>,<2>,<3>,0x03<1>指令ID，两个字节<2>指令内容，若干个字节（随着ID而不同）<3>指令校验位，两个字节3软件设计与实现3.1 软件方案上位机软件整个工作过程是：接收到基于GP4020的ARM接收机（以下称为下位机）通过串口传送来的定位数据后，按NMEA-0183标准解析数据并在软件界面上实时显示接收到的GPS星状态参数（下位机是12通道的，所以显示的2个GPS卫星），同时存储到指定的数据库中；当用户选择特定的指令后，软件按指令协议将其打包后通过串口传送到下位机，下位机收到后执行相应的响应。
根据上位机软件工作过程，我们对软件进行了模块化设计，设计并完成了NMEA-0183数据的接收和解析、GPS卫星参数的显示和存储、指令的发送、接口参数设置等功能模块。
软件功能模块如图1所示。
图1 软件功能模块串口接收导航数据模块：这是本软件最基础的模块，利用Visual C++ 6.0环境下的MFC 串口类CSerial 来完成从RS232串口接收下位机发送来GPS 数据。
CSerial 类提供了通过串口收发数据的简便方法，具有功能强大，通信快速，实时性好等特点。
解析显示模块：按照NMEA-0183格式解析GPS 数据，更新接收到的GPS 卫星参数，并在界面上实时显示。
存储模块：采用广泛使用的SQL Server 2000来存储GPS 卫星参数数据。
命令打包发送模块：按照命令协议格式，打包命令并通过串口类CSerial 发送出去。
串口设置模块：用来更改或保存通信端口号及其波特率，本系统默认通信端口为COM1，参数：波特率为19200，数据位为8，校验为no ，停止位为1。
3.2 软件流程软件主要包含两个线程，一个主线程，用来启动程序，解析和显示GPS 卫星参数，打包和发送指令，设置接口参数等；另一个为从线程，用来从串口不间断接收GPS NMEA-0183格式数据，接收到数据后向主线程发送消息，指示收到数据。
各个模块的流程如图2所示。
图2 软件流程3.3 运行效果主界面、串口参数设置和下位机通道选择运行效果如图3所示。
图3 软件主界面从运行效果看，软件界面友好，操作方便。
能够实时显示下位机发送来的GSP 卫星参数和观察可视卫星状态，能够方便的设置串口参数和向下位机发送命令（这里展示的是通道选择）。
4星历预装订的热启动GPS接收机开机定位启动方式一般分为冷启动、温启动和热启动三种。
冷启动方式是指接收机开启时，没有当前卫星的信息或者上一次关机时用户位置/速度、时间、历书/星历数据丢失或过时等原因，用户接收机必须在没有任何先验信息的条件下设置相关通道去跟踪卫星的方法。
温启动是指在接收机中EEPROM存储的卫星历书有效和初始概略位置较准确位置相差500km的情况下[5]，接收机跟踪卫星的一种定位启动方式。
热启动是指接收机在有当前有效的卫星星历、历书和初始概略位置的情况下，进行跟踪卫星的一种快速定位启动方式。
也就是说，当接收机有了最新注入的星历、历书、时间和用户位置等信息后，GPS接收机就能很快（十几秒甚至几秒）迅速定位。
基于该思想，这里引入了一种采用星历装订机对GPS接收机进行星历预装订操作的定位启动策略，该操作完全是通过数据串口来完成。
星历预装订操作结构如图4所示。
图4星历预装订结构图图4中，串口1是二进制格式，给GPS接收机装订星历；串口2是NMEA-0183格式，是接收机定位结果；串口3是二进制格式，输出星历装订机星历；串口4是NMEA-0183格式，是装订机定位结果。
由于要装订的星历数据包长度较长，如果都通过串口2来完成接收预装订星历数据和输出GPS定位信息操作，势必导致串口2阻塞而使GPS接收机很难准确地接收到预装订的星历数据。
为了解决这一问题，这里用串口2完成GPS数据的输出显示，而用串口1来接收用户设置的控制命令和装订的星历数据。
具体装订流程如下：（1）从串口3输出数据看装订机是否定位，正常定位后通过上位机软件发送“下载星历”SA（Save Almanac）命令后，将下载的新星历以TXT文件的格式保存到上位机中；（2）选择上位机程序中的“加载星历”LA（Load Almanac）命令，选择打开加载文件星历TXT 文件；（3）GPS接收机通过串口1对接收到的星历二进制数据包进行提取解析处理，并将解析完的数据赋给GPS程序中的结构型星历全局变量；（4）GPS接收机按照装订的星历开始搜索卫星。
