有限区域内北斗差分定位测量终端设计开题报告

1. 研究目的与意义

研究背景：

在现代信息化社会，导航定位技术的应用已经影响到了杜会的各个方面。尤其在国防军事领城有着极其重要的作用。因此拥有自主的导航定位系统，并能广泛地加以应用，不仅能更好地满足我国的社会需求，同时也是提升国家实力的重要措施，有着极其用要的战略价值。

中国北斗卫星导航定位系续(bds)是我国自主研发并建立的一个全球卫星导航系统。它是继美国的全球定位系统(gps)，俄罗斯的格洛纳斯(glonass)卫星导航系统之后的，全球第三个建立并投入使用的的卫星导航系统。其研究始于上世纪八十年代。经过几代科技人员的努力我国的北外卫星定位导航系统逐渐地建立并日益成熟。发展以北斗定位导航系统为核心的卫星应用服务户业已经成为国家战略之一。北斗定位系统的应用不仅对我国的科技发展有着重要意义同时对加快我国经济发展方式转变，促进我国的军事、经济的快速发展都有着巨大的推动作用。我国建设北斗卫星导航系统的目标是建成独立自主，开放兼容，技术先进。稳定可靠的覆盖全球的卫星导航系统，促进我国导航产业链的形成，完善卫星导航应用产业支撑、推广和保障体系。

2. 研究内容和预期目标

主要研究内容：

1.设计并实现北斗差分定位系统；

2.采用arm/linux嵌入式实现系统方案设计；

3. 研究的方法与步骤

研究方法：

1.北斗差分定位系统由车载终端，差分基准站，卫星等部分组成。首先差分基准站通过北斗定位模块来获取定位导航卫星的导航电文，并不断将定位解算的修正数据以广播的形式发送出去，车载终端在获取定位导航卫星导航电文的同时，接收差分基准站发送过来的修正数据，然后通过自身的定位数据和接收的修正数据计算出更加精确的定位数据，最后车载终端可以通过以太网或者无线网的形式将精确的定位数据传送到后台进行管理分析。差分定位技术如图1所示，差分定位是采用两个或两个以上的接收机同时对同一组卫星进行监测，但是差分定位必须至少有一个观测站的坐标是已知的，已知的观测站称为基准站，其余的监测站称为流动站或移动站。差分定位原理将基准站所测得卫星信号与基准站的已知位置进行对比，获得差分改正数，然后将差分改正数发送给流动站，流动站根据差分改正数对流动站的观测数据进行修正，从而可以获得高精度的位置数据。差分定位的优势在于，差分技术可以消除大部分的公共误差，定位精度可达厘米级。根据差分改正数的不同，差分又可以分为四种，分别是位置差分，伪距差分，载波相位差分，广域差分。北斗卫星导航系统组成如图2所示，北斗卫星导航系统与GPS一样由三部分组成包括由卫星构成的空间段，由地面基站构成的地面段以及由用户接收机构成得用户段。

图1 北斗差分系统结构框图

图2 北斗导航卫星系统组成

图3 系统框架图

如图3所示整个系统运行流程如下：

（1）北斗基准参考站接收卫星导航信号，获取当前点位信息、观测量信息和电文信息，并将信息以广播的方式进行播发;

（2）车载北斗终端接收到基站播发的数据，修正本车辆的位置和速度信息，实现车辆厘米级的高精度位置测量;

（3）北斗车载终端将本车辆的位置坐标和速度信息传输至车辆监控平台及附近一定范围内车辆;

（4）车辆监控平台根据上报车辆的位置和速度信息，推算车辆间的安全距离及安全速度，并通知超过阂值的车辆，进行实时告警和监控。

（5）北斗车载终端通过本车辆及友邻车辆的地图位置显示，直观显示车辆各类信息。

2.误差研究

2.1误差类型

（1）与地面有关的误差：接收机误差；接收设备延迟误差；观测误差。

（2）与卫星有关的误差：卫星星历误差；星钟误差；相对论效应。

（3）与信号传播有关误差：电离层延迟误差、对流层延迟误差，多路径误差。

2.2相关误差消除方法

（1）接收机误差：外接原子钟、建立时间平差模型；

（2）观测误差：延长观测时间、差分模型观测；

（3）卫星星历误差：建立卫星跟踪网、采用轨道改进法；

（4）星钟误差：精密星历；

（5）相对论效应：降低卫星钟频率；

（6）电离层误差：双频观测模型、电离层改正模型；

（7）对流层误差：对流层改正模型、同步观测求差模型；

（8）多路径误差：选择合适测站、接收机天线采用抑径板；

3.北斗伪距定位解算原理

伪距观测值要求卫星和接收机上两个时钟的时间系统同步，由卫星时钟会产生的测距码，同时接收机也会产生一组测距码，不考虑所有误差因素的影响时，同一历元下卫星和接收机产生的两组测距码应该是完全相同的。在利用差分定位时首先要用伪距定位来确定差分定位的初始位置。经查询伪距定位解算要有四颗及以上的卫星参与如图4。伪距测量的观测方程可以表示为:

δt为卫星时钟与接收机之间的误差有卫星与接收机测距码完成时间决定接收机复制测距码时间t由自相关函数时间决定，自相关函数表示卫星与接收机测距码之间相关性：

图4伪距定位原理图

4.北斗卫星系统定位解算算法

GNSS技术不断发展和要求高精度，对定位技术最经典的解法是最小二乘法和卡尔曼滤波算法。

4.1最小二乘法

对观测方程做泰勒级数展开。设在接收机初始位置（x₀,y₀,z₀）处一阶泰勒展开得：

将四颗卫星接收到的伪距观测方程都代入上式可得一方程组经计算可得 x，y，z，的解叠加到初始坐标（x₀,y₀,z₀）即可得到接收机位置。初始坐标一般为（0，0，0）。

4.2扩展卡尔曼滤波算法

可以用来降低卫星信号中的噪声，减小随机误差提高定位精度。在用卡尔曼滤波算法前需要对观测方程做线性处理在做定位解算。即为扩展卡尔曼滤波算法，可表示为：

X_k|k=Г_kk-1 X_kk-1 W_k-1；

Z_k=H_kX_k V_k

最后扩展卡尔曼滤波方程为：

X_{k 1|k 1}=X _{k 1|k} X _{k 1}[Z_{k 1}-h(X _{k 1|k})];

p_{(k 1)}=[I-K_{k 1}H_{k 1}]p_{(k 1|k)}

方案选择：

1.MCU主控模块

本系统MCU主控芯片STM32F103是基于ARM的cortex-M3 32位的RISC内核，工作频率为72MHz，128k字节的ROM存储，20k字节的SRAM，拥有丰富的I/O接口和连接两条APB的外设。用来实现各模块控制。

2.差分定位模块

从市面已有相关模块进行对比选择。要求精度高，延迟低。经查询得知查分定位模块板卡有以下型号对相关参数进行对比，结果如下表。

经对比选择B380作为差分定位模块，其精度高，更新率高，延迟低，接口方式多，可直接输出坐标。是最佳选择。

3.网络模块

嵌入式设备中以太网口是必不可少的一部分通过以太网口可以实现数据高数传输以及增加很多功能但是STM32可能没有相关接口所以需要外加一枚网卡芯片来实现终端的网络连接。

研究步骤：

1.首先按照所查阅的文献，确定“有限区域内北斗差分定位测量终端设计”详细实施方案，确定每个模块的具体结构、内容，这些主要表现在硬件方面，软件方面的重点在于如何定位、如何消除误差，主要解决如何定位的问题。

2.确定本设计所要实现功能和所需硬件模块。本设计硬件部分包括MCU主控制模块、差分定位模块、网络模块。结构大致如图5所示。

图5 车载终端硬件结构

3.软件设计部分包括车载终端的软件和系统后台的软件车载终端的软件需要负责终端，地面基站以及系统后台数据连接以及交换。系统的软件需要负责接收终端传来的信息并且能与终端进行数据发送与传输。

4. 参考文献

[1] 柴进柱，黄永军. 北斗沿海差分导航与精密定位服务系统. 海洋测绘，2016，第36卷第3期.

[2] 梁本仁，斯庭勇，王世臣. 基于北斗的车辆精确定位测量系统设计与实现. 电子世界2016.

[3] 陈赓 ，张勇. 基于北斗差分定位技术的车载终端研究. 电子设计工程 2017，第25卷第24期.

5. 计划与进度安排

（1）1月6日~2月9日：收集资料，熟悉基本知识，掌握毕设基本设计原理。

（2）2月10日~2月29日：把握整体方案，深入研究设计原理，撰写开题报告。

（3）3月21日~4月30日：（3） 3月1日（3） 3月1日~3月30日：巩固设计方法，开展各个功能模块具体设计，完成毕设初步设计。