GPS仿真研究

第2章 仿真的发展及MATLAB在GPS 仿真中的应用
仿真的发展 GPS定位技术的发展 MATLAB在GPS仿真中的应用
2.1 仿真的发展（1）
• 仿真技术经过半个多世纪的发展，从研究简单系 统到现在已经成为人们研究复杂系统的有力工具， 大致经历了三个阶段。 • 1)发展阶段：二次大战末期，火炮控制与飞行控 制动力学系统的研究促进了仿真技术的发展 。 • 2)成熟阶段：在军事需求推动下，70年代中期， 相继出现了一些从事仿真设备和仿真系统生产的 专业化公司。使仿真技术达到了产业化阶段。这 标志着仿真技术进入了成熟阶段
e o I m G P S -1 M M GPS e o I m G A L -1
M GAL
第4章 GPS仿真应用 模块功能介绍
仿真实验 仿真分析
4.1模块功能介绍
• 功能模块CPDOPS.M是用来计算有关精度因子DOP（Dilution of Precision）的，包括平面位置精度因子HDOP、高程精度因子VDOP、 几何精度因子GDOP、空间位置精度因子PHOP、高程精度因子VDOP、 钟差精度因子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)); %定义数据类型 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)); for i = 1:length(tsat);
• • • • • • • • • •
• mesh(y) • pause • clc
仿真GPS离散信号
•
对于GPS离散信号x（i），i取整数代表时间的离 散时刻，实际x（i）为离散时间信号，它是一个 数字的序列，可以表述为：
x ( n ) x ( n ) ..., x ( 1), x (0), x (1), ...
rs rs rs rs rs rs
利用符号 得到更加简洁的形式：
T T T
y t (e o I m -1 ) t (e 2 I m -1 )a n t
w ith C 2 c 2 I f
对上式进行简化，
y t ( p i ( t ) , i ( t ) ) , t ( t ), a ( i N i ) , n t ( e i ( t ) , i ( t ) )
1.1研究背景及意义（2）
研究意义 但是在国防和战争中却有这种情形， 比如导弹轨道的精确定位、鱼雷的实 时位置测量等，这些都需要测量来进 行精确定位。那么如何保证这些精度 就成了广大科研人员要急切考虑和解 决的事情。仿真技术的出现很好的解 决了这些问题 。
1.2国内外研究现状及发展趋势
现状及发展趋势 仿真技术不仅在航空、航天、航海、原子能、 电力等领域进一步提高了应用水平，而且逐步 发展到应用于社会、经济、交通、生态系统等 各个领域，已成为高科技产品从论证、设计、 生产试验、训练到更新等全生命周期各个领域 不可缺少的技术手段，为研究和解决复杂系统 乃至巨系统问题提供了有效的工具。仿真技术 的普及使它正走向大众，走向人们的生活。
C P I,G AL E G AL
Q G PS
Q G AL

• 由于GAL所定义的频率为：E1-L1-E2 1575.42 MHz = GPS L1；E5a 1176.45 MHz = GPS L5；E5b 1207.14 MHz；E6 1278.75 MHz。假设观察值是同频率的两 个系统， 那么GF观测矩阵M变为：
• 其中x( n)表示在n=0处的取样。在MATLAB中可 以用向量x(n)表示一个有限长度的序列，用n包含 采样位置信息。当不需要采样位置信息时，即序 列从n=1开始，可以只用向量表示。
仿真GPS通信 GPS通信系统仿真的模型一般如下所示：
Source （信源） Source Coding （信源编码） Error Contrl Coding （纠错控制编码） Modulation （调制）
3.2 GPS仿真模型的建立
单点观测 观测方程为： 线性化后为：
p i (t) p (t) cdt(t) i I (t) e i (t)
s s s s
i (t) (t) cdt(t)- i I i N i i (t)
s s s s s
p i -(u ) b (u ) b c dt i I e i (t)
短基线观测
采用差分形式可以信号传播误差和卫星钟差，观测值方程就 可以简写为：
p i (t) p i (t)- i I (t) p (t) e i (t)
rs rs rs rs rs
i (t) i (t) i I (t) p (t) i N i i (t)
e o G G PS M G PS M e o G G AL M G AL
C 2 I m G P S -1 N
N GPS C 2 I m G A L -1
N GAL

C P I,G PS E G PS Q
Sink （输出）
Source Decoding （信源解码）
第3章 GPS仿真模型生成 简介 GPS仿真模型的建立 GPS-GALILEO联合观测 系统可靠性分析
3.1
简介
虽然GPS目前应用比较普遍，但是以下 情形适用仿真来解决：1）工作地点卫星 的可见性预报。此时不需要GPS实际观测， 只需了解工作地点在预定工作时间的可 见性如何；2）评估GALILEO系统建立后， 多系统联合定位对定位结果的影响。3） 对于高动态的单点定位情形。
s s T s T s s s
i -(u ) b (u ) b c dt- i I i N i i
s s T s T s s s
s
参数中的轨道误差、电离层误差合并入噪声误差并 假定所有的卫星数据都是独立的，上式可以简写 为： b
p s e f [G e m ] i s i e f [G e m ] 0 c dt IM f Ns i i
T T T
3.3 GPS-GAL联合观测
• 假定接收机可以同时观测和接收两个系 统的信号，例如首先收集GPS信号，而后 GAL信号。可以得到： yG P S , t
yt yG A L , t
• 相应应设计矩阵M和N的协方差矩阵Q变为：
y G PS,t yt y G AL,t
1.1 研究背景及意义（1）
研究背景
二十世纪以后，随着人类科学技术水平的提 高和各种探险活动的日益频繁，人们已不在 满足于GPS的粗略定位，而是在精确定位、 精确导航、建立高精度的全国性的大地测量 控制网、建立陆地海洋大地测量基准、监测 地球板块运动状态和地壳形变、测定航空航 天摄影瞬间的相机位置等多方面对GPS都提 出了更高的要求。
Receivere/Filter （接收机/滤波器）
Channel （信道）
Transmitter/Filter （发射机/滤波器）
Multipe Access （多址复用）
Multiple Access （多址复用）
Demodulation （解调）
Error Contrl Coding （纠错控制编码）
2.3 MATLAB在GPS仿真中 的应用
• 仿真GPS连续信号 • 仿真GPS离散信号 • 仿真GPS通信
2.3三维可视化系统中各模块功能设ຫໍສະໝຸດ Baidu计
三维场景漫游 查询分析 三维场景布置 场景灯光配置
仿真GPS连续信号
在MATLAB中，数字信号用矩阵表示 ，一个列向量表示一个有限 长序列，即一维信号；一个n*m矩阵表示m个通道信号，即多维信 号。在连续信号系统中，方波可以用相应的基波及奇次谐波合成， 这也是将其展成正弦级数的出发点。 %为绘制三维曲面，需要将各次波行数据储存为一个三维数组，需 要重新定义y。本例求至15次谐波。 i=0:0.031:3.14; y=zeros(10,max(size(i))); x=zeros(size(i)); for j=1:2:15 x=x+sin(j*i)/j; y((j+1)/2,:)=x; end pause plot(y(1:9,:)) %将各个波形叠合绘出，并设置暂停
2.1 仿真的发展（2）
3)高级阶段：20世纪80年代初以美国国防高 级研究计划局和美国陆军共同制定和执行的研 究计划和美国三军建立先进的半实物仿真试验 室为标志，标志着仿真技术发展到了一个新的 高级阶段。
2.2 GPS定位技术的发展 城市公共安全应急平台的主要功能 GPS系统的发展经历了以下几个阶段： 1978年2月22日，第一颗GPS试验卫星发 射成功，标志着工程研制阶段的开始； 1989年2月14日，第一颗GPS工作卫星发 射成功，GPS系统开始正式投入应用； 1994年3月10日发射了第28颗工作卫星， 标志着GPS系统的正式建成。
1.3 研究目的和方法（1）
研究目的
• 使用GPS软件接收机进行信号处理的思想使用 户在算法处理和软件升级等方面具有更大的灵 活性，可应用于下一代任何全球导航卫星定位 系统(GNSS)和空基增强系统(SBAS)仿真系统的 设计 。
1.3 研究目的和方法（1）
研究方法
• 本文主要利用MATLAB编译的卫星可见性预报程 序来实现GPS的多种观测状态下的模拟和仿真。
欢迎各位评委、同学
莅 临 指 导
GPS仿真研究
答辩人：郭程方 导 师：任 超
主要内容
第1章 第2章 第3章 引言 仿真的发展及MATLAB 在GPS仿真中的应用 GPS仿真模型生成
第4章
第5章
GPS仿真应用
结论及展望
第1章 引言
研究背景及意义 国内外研究现状及发展趋势 研究的目的和方法 本文研究主要内容
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[idx1,amat] = cpdesign (xsat(:,i),ysat(:,i),zsat(:,i),station,elev(:,i),cutoff); if length (idx1) >= 4; qx = inv(amat' * amat); %计算权系数阵 gdop(i) = sqrt(trace(qx)); %计算几何精度因子 pdop(i) = sqrt(trace(qx(1:3,1:3))); %计算空间位置精度因子 tdop(i) = sqrt(qx(4,4)); %计算接收机钟差精度因子 qx = rotmat * qx(1:3,1:3) * rotmat'; %计算权系数矩阵 hdop(i) = sqrt(qx(1,1)+qx(2,2)); %计算平面位置精度因子 fdop(i) = sqrt(qx(1,1)); %计算X方向精度因子 ldop(i) = sqrt(qx(2,2)); %计算Y方向精度因子 vdop(i) = sqrt(qx(3,3)); %计算高程精度因子 end; end; 这个功能模块要求开始首先调用X坐标、Y坐标、Z坐标、测站信息、高 度角等必要信息。 此模块是卫星可见性预报系统中最核心的计算程序，几乎所有的计算都 要调用此模块。这个也是GPS数据处理的核心。