GPS多路径效应【毕业论文】Word下载.doc
- 文档编号:258475
- 上传时间:2023-04-28
- 格式:DOC
- 页数:44
- 大小:1,012.50KB
GPS多路径效应【毕业论文】Word下载.doc
《GPS多路径效应【毕业论文】Word下载.doc》由会员分享,可在线阅读,更多相关《GPS多路径效应【毕业论文】Word下载.doc(44页珍藏版)》请在冰点文库上搜索。
本文首先阐述了研究多路径效应的背景和现实意义,并对目前国内外的多路径效应的研究现状进行了总结;
其次系统的分析了多路径效应产生的原理以及多路径效应的信号特征,并分别利用GPS观测值和小波分析的方法进行了削弱多路径效应的方法研究;
最后,通过实验分析,利用MATLAB程序设计语言分别对由这两种方法来削弱多路径效应做出了尝试。
本文主要研究内容如下:
一、分析了本次研究变形监测中GPS多路径效应的背景和意义,以及国内外的研究现状。
二、从数学角度出发,系统的分析了多路径效应产生的原理和多路径效应的特性,并对含有一个反射源和多个反射源条件下的多路径效应影响进行了分析。
三、研究了基于GPS观测值模型的提取多路径误差的方法,主要通过建立了三种不同的数学模型来分析多路径效应,此外通过实验分别分析了利用这三种模型提取多路径误差。
四、研究了基于小波分析的削弱多路径效应的方法,主要分析了小波变换的思想和小波分析的关键性等问题,给出了利用小波滤波削弱多路径效应的算法步骤和框图从而对多路径效应进行提取,并且通过实验分析提取多路径误差。
关键词:
GPS,多路径效应,GPS观测值,小波分析
ABSTRACT
BecauseGPSsurveypossessacapabilityofhighprecisionandthreedimensionalpositioning,itbecomesanextremelyeffectivetoolforavarietyofdeformationmonitoring,buttheGPSmeasuringiseffectedbysomeerrorsources,whilethemultipatherroriscloselyrelatedtoenvironment,andcannotbeweakenedbydifferentialtechniqueeffectively,somultipatherrorbecomesthemainerrorinhighprecisiondeformationmonitoring.
Aboveall,thepaperdiscussesthebackgroundandsignificanceofmultipatherrorindeformationmonitoring,andsummarizedthemultipathprocessingmethodsathomeandabroad.Secondly,thepaperanalyzestheprincipleofmultipatheffectandthecharacteristicsofmultipatheffectsignal,andusestheGPSobservationandthewaveletrespectivelytoresearchthemethodsofweakeningthemultipatheffect.Finally,throughtheexperimentalanalysis,thepaperuseofMATLABprogramminglanguagetoanalyzeverifiedrespectivelythesetwokindsofmethodswhichcanweakenthemultipatheffecteffectively.Themainresearchcontentsofthispaperareasfollows:
1.Thepaperanalyzesthebackgroundandsignificanceofmultipatherrorindeformationmonitoring,andsummarizedthemultipathprocessingmethodsathomeandabroad.
2.Fromthesightofmathematics,thepaperanalyzestheprincipleofmultipatheffectandthecharacteristicsofmultipatheffectsignal,andanalyzestheeffectswhichcontainareflexsourceormultiplereflexsourcesundertheconditionofthemultipath.
3.AccordingtothemodelofGPSobservation,thepaperresearchesthemethodstoweakenthemultipatheffectmainlybyestablishingthreedifferentmathematicalmodels.Andthroughtheexperimenttoextractthemultipatherror.
4.Basedonwaveletanalysis,mainlyanalyzesthemainideaofthewavelettransformandkeyproblemswhenusingwavelettodecomposeandreconstructthesignal.Putoutthealgorithmstepsandblockdiagramofextractingthemultipatheffect,andthroughtheexperimenttoextractthemultipatherror.
KEYWORDS:
GPS,Multipatheffect,GPSobservation,Waveletanalysis
目录
摘要 Ⅰ
ABSTRACT Ⅱ
第一章绪论 1
1.1GPS多路径效应研究的背景 1
1.2GPS多路径效应研究的意义 1
1.3国内外GPS多路径效应的研究现状 1
1.3.1国外多路径效应的研究现状 2
1.3.2国内多路径效应的研究现状 2
1.4GPS在变形监测中的优势 3
1.5本文研究的主要内容 3
第二章GPS简介及多路径效应特征 5
2.1GPS系统组成 5
2.2GPS误差来源 5
2.2.1与卫星有关的误差 5
2.2.2与传播途径有关的误差 6
2.2.3与GPS接收机有关的误差 6
2.3GPS多路径误差产生的原理 7
2.4GPS多路径效应的特性 7
2.5多路径误差的函数表达 9
第三章基于GPS观测值的多路径效应分析 11
3.1GPS定位中的基本观测量 11
3.2伪距观测方程与伪距中的多路径效应 11
3.2.1伪距观测方程 11
3.2.2伪距中的多路径效应 12
3.3双频GPS接收机时的多路径效应 12
3.4相位平滑伪距克服多路径效应分析 13
3.4.1单频相位平滑伪距 13
3.4.2双频相位平滑伪距 14
3.5相位观测值的多路径效应 15
3.5.1多路径效应的相位差 15
3.5.2多路径效应相位的变化 15
3.5.3双频相位的多路径效应 16
3.6双差相位观测值的多路径效应 16
3.7实验分析 18
3.7.1实验分析伪距多路径值 18
3.7.2实验分析利用双频相位平滑伪距克服多路径效应 20
3.7.3实验分析组合双频相位的多路径效应 21
3.8本章总结 22
第四章基于小波分析的GPS多路径效应研究 23
4.1小波的定义与研究背景 23
4.2小波变换的性质与特点 23
4.3小波分解与重构 24
4.4小波分析的作用 25
4.5利用小波分析多路径效应的关键问题 26
4.6小波滤波分析多路径误差的算法 26
4.7实验分析 27
4.8本章总结 31
第五章总结与展望 32
参考文献 33
致谢 35
附录 36
第一章绪论
1.1GPS多路径效应研究的背景
GPS是全球定位系统(globalpositioningsystem)的英文缩写,是随着现代科学技术的迅速发展而建立起来的新一代精密卫星导航定位系统。
GPS卫星定位测量是利用GPS系统解决大地测量问题的一项空间技术【1】。
GPS卫星定位和导航技术与现代通信技术相结合,在空间定位技术方面引起了革命性的变化。
用GPS同时测定三维坐标的方法将测绘定位技术从陆地和近海扩展到整个海洋和外层空间,从静态扩展到动态,从事后处理扩展到实时定位与导航,其定位精度从m级扩展到cm级、mm级乃至亚mm级,从而大大拓宽了它的应用范围和在各行各业的应用。
由于GPS测量具有高精度的三维定位能力,所以它逐渐成为各种变形监测一种极为有效的手段。
但由于GPS在应用中受到多方面的误差源的影响,导致在变形监测数据处理时要进行误差筛选和剔除。
在小区域的变形监测中,由于基准点和监测点之间的距离较短,电离层、对流层误差可以通过差分的方式来消除或削弱,但对于多路径误差来说,差分的方式不能很好的消除,所以研究多路径效应对高精度的变形监测来说是一个很重要的问题,是否有效地消除或削弱多路径将直接影响到监测精度。
1.2GPS多路径效应研究的意义
GPS作为一种新方法,具有全球性、全天候、连续的精密三维导航和定位能力,而且具有良好的抗干扰性和保密性,其能直接获得变形信息,且随着GPS技术硬件和软件的发展与完善,故其成为了我们变形监测和获取变形信息的重要手段。
作为现代城市建设的标志,高层建筑和高耸构筑物不仅越来越多,而且造型日趋复杂,并向超高度发展。
这些建筑虽然给人们的生活带来了方便,但是由于外界条件的影响,导致这些建筑发生变形。
如果我们不能及时的监测变形,并对发生的变形进行及时的处理,其很容易给我们带来安全隐患。
如何消除安全隐患,掌握建筑物的现状就是我们测量工作者的重要任务。
为保证安全,我们必须时刻监测这些建筑并分析、掌握这些变形信息,以此来评估这些大型建筑的健康和运营状况。
而GPS多路径效应是高精度变现监测的主要误差来源,所以研究削弱多路径效应的方法就有很重要的现实意义。
1.3国内外GPS多路径效应的研究现状
由于多路径效应是一时空效应,与测量环境密切相关,所以双频差分数据也不能很好地对多路径效应进行消除。
如何有效地消除多路径效应影响是一个重要的课题。
目前国内外对多路径效应的研究主要从四个方面来进行【2】,主要是:
(1)选择适当的低多路径效应的监测点位。
这种方法是最简单、最有效的一种减弱多路径效应的方法。
这一要求在我们选择GPS点时是首先考虑的,但是对变形监测工作而言,有时监测点位的选择也未必能保证不受多路径效应的影响,在这种情况下,选择好的点位就无法实现。
故通过选择监测点位来避免受到多路径效应影响这种方法的应用是有局限性的。
(2)接收机设计时硬件补偿。
这种方法是设计GPS接收机的过程中利用微波吸收材料和跟踪放大器来削弱多路径效应的影响。
例如,扩大抑径板和使用扼流圈天线可以有效地减弱地面反射的多路径效应影响。
(3)软件削弱。
现在很多测量工作者通过计算程序来削弱影响GPS定位精度的误差源,其中就包括多路径效应的影响。
这种方法实际上就是常说的数据处理方法。
用这种方法一般假设监测环境是稳定的,但在实际工作中,由于外界的干扰是很复杂的,故此方法也有一定的难度。
(4)软硬件结合。
目前应用这种方法是鉴于观测值的空间相关性天线阵列,且一般要保证这些天线阵列是静态的情况下实现的。
对于这一方法,由于费用昂贵且涉及的知识面很广,一般应用较为复杂。
1.3.1国外多路径效应的研究现状
在国外【2】【3】【4】,Fenton等人首次介绍应用窄相关(NarrowCorrelation)跟踪技术消弱多路径效应的影响来提高定位精度;
Townsend和Fenton利用多路径估计技术和多路径估计延迟锁定环技术,其主要是采用GPS接收机接收信号的自适应函数的斜率来估计在多路径环境下码反射信号对于直达信号的延迟,通过数据处理来减弱多路径效应的影响;
根据地面跟踪卫星的重复性,Hajj、Cohen和Parkinson分别通过建立多路径与接收机与跟踪卫星之间的方位角、卫星高度角的函数模型改正每一颗卫星的多路径效应;
ChalermchonSatirapod等人利用小波变换(WaveletsTransform)提取多路径效应。
1.3.2国内多路径效应的研究现状
在国内,多路径效应的研究也很多,尤其在做高精度定位时更突出。
如张波【5】等利用信噪比SNR方法分析和消弱多路径误差;
黄丁发【6】【7】教授利用离散小波变换,将振动状态下的多路径与实际结构的变形进行分离,有效的提取了多路径效应误差;
袁林果、黄丁发等提出坐标域的移动平均法提取多路径效应;
钟萍、丁晓利【8】等应用CVVF(CrossValidationVondaFilter)交叉认证的方法研究GPS中的多路径效应;
黄德武【9】利用小波变换及卡尔曼滤波方法研究多路径误差;
刘照军【10】等利用提升小波方法减少多路径效应;
夏林元【11】博士综合分析研究了多路径的特点并对多路径进行了数值分析。
1.4GPS在变形监测中的优势
GPS在变形监测中有很多优势,主要表现在以下几点:
(1)测站见无需保持通视
GPS测量时测站间无需保持通视,只需测站上空开阔即可,从而可使变形监测网的布设更加自由、方便,并可省去不少用于传递坐标或高程信息的过渡点,节省大量人力、财力和物力。
(2)能同时测定点的三维位移
采用传统方法进行变形监测时,平面位移通常是采用方向交会、距离交会和全站仪等方法来测定,而垂直位移则一般采用精密水准测量、液体静力水准测量、倾斜仪等手段来测定。
水平位移和垂直位移的分别测定不仅增加了工作量,而且监测时间和点位也不一定一致,从而增加了变形分析的难度。
而GPS能够在同一点位同时、快速的测定水平和垂直位移信息,较大的减少工作量和解决传统测量中时间和点位不一致的问题。
(3)全天候观测
GPS观测不受气候条件的限制,能进行全天候观测的特点,使其对大坝、高层建筑物、防洪防汛、滑坡、泥石流等地质灾害监测等应用领域来讲显得特别重要。
(4)易于实现监测的自动化
由于GPS接收机的数据采集工作是自动进行的,而且有为用户预留了必要的接口,因此用户可以较为方便地把GPS变形监测系统建成无人值守的自动化监测系统,实现从数据采集、传输、处理、分析、报警到入库的全自动化。
这可以根据实地测量需要更改数据采样率、时段长度和截至高度角等设置。
这些对于长期连续运行的监测系统来说,不但可降低监测成本,而且还可以提高监测资料的可靠性。
(5)可消除或削弱系统误差的影响
在变形监测中我们关心的是在两期变形监测中所求得的变形监测点的坐标之间的差异,而不是变形监测点本身的坐标。
两期变形监测中所含有的共同的系统误差以及对中误差、整平误差、定向误差、量取天线高的误差等并不会影响变形监测的结果,只要天线在监测过程中能保持固定不动即可。
同样GPS变形监测网中的起始坐标的误差,数据处理中所应用的定位软件本身不完善以及卫星信号在大气中的传播误差(电离层误差、对流层误差、多路径误差等)中的公共部分的影响也可以消除或削弱。
1.5本文研究的主要内容
通过以上的分析,可知GPS在变形监测应用中有很大的优势,但由于GPS测量的误差影响,使得GPS用于高精度的变形监测受到限制。
在GPS误差中,有些误差可以通过相对定位的差分技术,采用载波相位的双差观测模型,得到较好的消除或减弱,而多路径效应误差与测站的环境密切相关,难以消弱。
基于以上的分析,本文研究的主要内容如下:
一、系统的分析了多路径效应产生的原理和多路径效应的特性,比如多路径效应的时间重复性、频率特性、在量值上有一定范围等特性,并对含有一个反射源和多个反射源条件下的多路径效应影响进行了分析。
二、基于GPS观测值模型的提取多路径误差的方法,主要通过建立了三种不同的数学模型来分析多路径效应:
1、通过建立伪距观测值和双频载波相位观测值同伪距多路径值之间的数学模型来解算伪距多路径值;
2、通过建立双频相位平滑伪距模型削弱多路径误差的影响;
3、通过建立组合相位观测值与多路径误差之间的数学模型分析多路径效应。
此外通过实验分析分别不同程度的实现了基于GPS观测值的多路径效应的削弱。
三、基于小波分析的削弱多路径效应的方法,主要分析了小波变换的思想和小波分析的关键性等问题,给出了利用小波滤波削弱多路径效应的算法步骤和框图从而对多路径效应进行提取,并且通过实验分析提取多路径误差。
第二章GPS简介及多路径效应特征
2.1GPS系统组成
GPS定位系统由三部分组成:
空间卫星部分、地面控制部分和用户设备部分。
三者有各自独立的功能和作用,但又相互关联【12】。
(1)空间卫星部分
空间卫星部分由21+3颗卫星组成,其中工作卫星21颗,备用卫星3颗。
卫星均匀分布在六个轨道面上,轨道面倾角为55°
,各轨道面升交点的赤经相差60°
,每个轨道平面内各颗卫星之间的升交角距相差90°
,一轨道平面上的卫星比西边相邻轨道平面上的相应卫星超前30°
,这样的轨道配置可以保证在地球上的任何地方和任何时间,均可同时至少观测到4颗卫星,形成了全球性、全天候、连续的定位系统。
(2)地面支撑部分
地面控制部分由监控站、主控站和注入站三部分组成。
这些站上均配置有GPS双频接收机,可以精确地连续观测全部GPS卫星,并把观测数据传送到主控站。
在主控站上,根据实时传送的观测数据和已有的观测数据,就可以计算出各个卫星的轨道参数、钟差和大气改正等,连同其它信息编辑成导航电文,然后传送到注入站,每小时由注入站发送到相应的卫星,形成卫星的广播星历。
(3)用户设备部分
用户设备部分即GPS接收机,其作用是接收GPS卫星信号并进行导航、定位等。
GPS接收机可分为导航型和测地型,导航型接收机精度低,但其具有价格便宜、操作方便、体积小等优点;
测地型接收机结构复杂、价格昂贵,但其定位精度高,主要用于精密大地测量、变形监测等领域。
2.2GPS误差来源
2.2.1与卫星有关的误差
(1)卫星星历误差
卫星星历误差是指卫星星历给出的卫星空间位置与卫星实际位置间的偏差,由于卫星空间位置是由地面监控系统根据卫星测轨结果计算求得的,所以又称为卫星轨道误差。
它是一种起始数据误差,其大小取决于卫星跟踪站的数量及空间分布、观测值的数量及精度、轨道计算时所用的轨道模型及定轨软件的完善程度等。
(2)卫星钟差
卫星钟差是指GPS卫星时钟与GPS标准时间的差别。
为了保证时钟的精度,GPS卫星均采用高精度的原子钟,但它们与GPS标准时之间的偏差和漂移总量仍在1ms~0.1ms之间,由此引起的等效误差将达到300km~30km。
(3)相对论效应的影响
这是由于卫星钟和接收机所处的状态(运动速度和重力位)不同,引起的卫星钟和接收机钟之间的相对误差。
2.2.2与传播途径有关的误差
(1)电离层折射
在地球上空距地面50~100km之间的电离层中,气体分子形成大量的自由电子和正离子。
当GPS信号通过电离层时,与其他电磁波一样,信号的路径要发生弯曲,传播速度也会发生变化,从而使测量的距离发生偏差,这种影响称为电离层折射。
(2)对流层折射
对流层的高度为40km以下的大气底层,其大气密度比电离层更大,大气状态也更复杂。
对流层与地面接触并从地面得到辐射热能,其温度随高度的增加而降低。
GPS信号通过对流层时,也使传播的路径发生弯曲,从而使测量距离产生偏差,这种现象称为对流层折射。
(3)多路径效应
测站周围的反射物所反射的卫星信号(反射波)进入接收机天线,将和直接来自卫星的信号(直接波)产生干涉,从而使观测值偏离,产生所谓的“多路径误差”。
在GPS精密测量中,多路径误差成为了影响GPS定位精度的主要误差源,如何有效地减弱其影响已成为GPS精密测量的重要工作。
2.2.3与GPS接收机有关的误差
(1)接收机钟差
GPS接收机一般采用高精度的石英钟,接收机的钟面时与GPS标准时之间的差异称为接收机钟差。
把每个观测时刻的接收机钟差当作一个独立的未知数,并认为各观测时刻的接收机钟差间是相关的,在数据处理中与观测站的位置参数一并求解,可减弱接收机钟差的影响。
(2)接收机的位置误差
接收机天线相位中心相对测站标石中心位置的误差,叫接收机位置误差。
其中包括天线置平和对中误差,量取天线高误差。
在精密定位时,要仔细操作,来尽量减少这种误差影响,在变形监测中,应采用有强制对中装置的观测墩。
(3)接收机天线相位中心偏差
在GPS测量时,观测值都是以接收机天线的相位中心位置为准的,而天线的相位中心与其几何中心在理论上应保持一致。
但是观测时天线的相位中心随着信号输入的强度和方向不同而有所变化,这种差别叫天线相位中心的位置偏差。
在实际工作中,星历误差、卫星钟误差、接收机钟误差、对流层、电离层的影响在基线长度较短的情况下,一般通过相对定位的差分技术加以处理后,这些误差就可以很好地减弱甚至消除,使其对定位结果的影响大大减小。
接收机的位置误差,在变形监测中,采用强制对中装置的观测墩可以有效的减少其影响。
而多路径误差,由于与工作环境密切相关且容易受到外界条件的影响,即便是短基线,通过差分处理的方法也不能有效的减弱,因此必须通过特殊的数据处理方法来减弱多路径误差的影响,从而提高GPS应用于变形监测的精度。
2.3GPS多路径误差产生的原理
GPS信号接收机所测得的是测站与卫星之间的伪距和相位,应该是GPS信号接收天线相位中心至GPS卫星发射天线相位中心的距离。
显而易见,所接收的GPS信号,理论上应该是从GPS卫星发射天线相位中心直接到达GPS信号接收天线相位中心,称之为直接波。
实际上,当GPS信号由于受到附近的物体,如地面或者水面、建筑物、车辆、山脉、树林等而发生反射时,出现了反射波。
其实,GPS信号接收机所接收的信号应该是反射波与直射波的合成波(见图2.3.1)。
所谓“多路径误差”,就是反射波对直射波的破坏性干涉而引
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 毕业论文 GPS 路径 效应