车载GPS(学生用)实验指导书

1、1HUBEIHUBEI UNIVERSITYUNIVERSITY OFOF AUTOMOTIVEAUTOMOTIVE TECHNOLOGYTECHNOLOGY电气工程系电气工程系 实验指导书实验指导书 樊红莉樊红莉 编编 蒋伟荣蒋伟荣 审审班级 学号 姓名 电气与信息工程学院电气与信息工程学院20092009 年年 7 7 月月2目目录录实验一实验一 实时实时 GPSGPS 数据显示与应用测试（验证性）数据显示与应用测试（验证性） .1 1实验二实验二 GPSGPS 卫星信息解算与传输误差分析（验证性）卫星信息解算与传输误差分析（验证性） .5 5实验三实验三 几何精度因子的实时计算与分析（设

2、计性）几何精度因子的实时计算与分析（设计性） .1212实验四实验四 GPSGPS 接收机信息获取程序设计（设计性）接收机信息获取程序设计（设计性） .1818附录一附录一 实验仪器说明实验仪器说明 .2121附录二附录二 实验数据及格式说明实验数据及格式说明 .2626附录三附录三 各个实验的实验原理各个实验的实验原理 .3131实验二、实验二、 GPSGPS 卫星信息解算与传输误差分析卫星信息解算与传输误差分析 .3131实验三、几何精度因子的实时计算与分析实验三、几何精度因子的实时计算与分析 .3636实验四实验四 GPSGPS 接收机信息获取程序设计接收机信息获取程序设计 .3838车

3、载 GPS 定位技术与应用实验1湖北汽车工业学院实验报告湖北汽车工业学院实验报告学 号 序 号 姓名 课程名称 车载车载GPSGPS定位技术与应用定位技术与应用 第 号实验 完成日期 年 月 日 实验一实验一 实时实时GPSGPS数据显示与应用测试数据显示与应用测试（验证性）（验证性）一、实验目的一、实验目的 1、熟悉一般 GPS 接收模块的应用；2、了解 GPS 接收机可以获取哪些信息；3、了解 GPS 数据的实时动态显示；4、了解 GPS 接收机数据如何用于导航中；5、理解 NMEA-0183 协议，掌握常用语句语法结构和含义。二、实验内容二、实验内容 1、对 GPS 串口、数据波特率等进

4、行设置，明确串口通信的必备条件；2、熟悉 u-center 操作环境；3、以 LEA-5H 数据实例来分析 NMEA-0183 协议语句，并找到数据中对应的软件表现形式。4、了解 LEA-5H 数据的使用。三、实验步骤与结果分析三、实验步骤与结果分析 1、硬件连接：连接 GPS 天线与开发板，再将 GPS 开发板连接到 PC 机，指示灯亮则表明连接成功，红色指示灯闪烁则表明有数据输入。PC 机上如果安装了软件就可以直接使用，若未安装则参考附录一中第三个的使用说明来安装。以下步骤可参考安装目录下的 u-Center_User_Guide(GPS-SW-02001)来完成，路径如 C:Progra

5、m Filesu-bloxDocsManuals u-Center_User_Guide(GPS-SW-02001)2、打开 u-center Application 后， 出现界面如下图 1.1：图 1.1车载 GPS 定位技术与应用实验23、设置通信口和波特率，在 Receiver 菜单下或者工具栏 下设置对应的串口和波特率，如果波特率不设置，可以点击自动获取 设置好后，点击连接 。简要回答，连接后，你看到了什么变化？（如在 Data 表里有什么变化？Satellite Position 里有什么变化？）4、连通后，点击航线图 Ghart View和柱状图 Histogram View，打

6、开这两个界面，然后点击界面下方的，观察两个界面下的属性项相同吗？分别选择 Lat、Lon、Alt（HAE）会看到两个界面有何不同？ 5、在 Sky View图中和 Satellite position会看到什么？图中圆点，绿色表示在导航中正在被使用的卫星；青色表示卫星信号，并且可用于导航，但未被用的；蓝色表示卫星信号可见，但不能用于导航的； 红色表示卫星信号不可用。由图中可以看出，当前时刻卫星信号在用的有几个？备用的有几个？可见但不可用的有几个？6、打开 Data后，你获得了哪些可用信息？在 world position界面中连接之前和之后有无变化，连通后可以看到什么？7、打开 view 菜单

7、项下的 Packet Console、Binary Console、Text Console 看看这些数据项有什么不同，然后点击 Text Console 界面下的，截取一段导航数据，根据附录二中“NMEA-0183 协议”的学习，从截取的导航数据中，取出含有$GPGGA、$GPGSA、$GPGSV、$GPRMC、$GPVTG 子句各一条进行详细分析，标明每个数据代表的含义。车载 GPS 定位技术与应用实验38、点击 View 菜单下 Map View 或者工具图标，选择 u-center 安装目录下的 world.png,。然后点击 drawing mode下 points 下的 Cross

8、 或 Bold Cross 看到什么结果。9、打开 View 菜单下的信息视图 Messages View 或工具，会看到左边的信息树下黑色表示此项已有数据，灰色的表示没有，点击相应项在右边有具体的内容显示，选择信息树下的 CUSTOM，在右边上信息框写入信息，看下面的变化，写出你的例句和转化成十六进制的信息。10、u-center 中所有的信息都是存储在数据库中，点击数据表视图 View 菜单下 Table View 或者，自己按照项定义属性项，结果列到下面。当前导航值是哪一行属性项的值，并写出当前的各值信息？车载 GPS 定位技术与应用实验411、本机上如果装有 Google Earth，

9、则运行后点击 FileDatabase ExportGoogle Earth Kml,会看到什么结果？四、思考题四、思考题 1、要实现车载导航的必要条件是什么？五、实验总结五、实验总结（自己总结本次试验的重难点及心得、体会、收获，字数不得少于100字）得 分 评阅日期 教师签名 车载 GPS 定位技术与应用实验5湖北汽车工业学院实验报告湖北汽车工业学院实验报告学 号 序 号 姓名 课程名称 车载车载GPSGPS定位技术与应用定位技术与应用 第 号实验 完成日期 年 月 日 实验二实验二 GPSGPS卫星信息解算与传输误差分析卫星信息解算与传输误差分析（验证性）（验证性）一、实验目的一、实验目的

10、1、理解实时卫星位置解算在整个 GPS 接收机导航解算过程中所起的作用及为完成卫星位置解算所需的条件；2、 了解 GPS 卫星星历的参数含义和作用。3、 了解 Doppler 频移的成因、作用以及 Doppler 频移的变化范围及其与卫星仰角之间的关系；4、理解信号实时传输误差中的电离层延迟、对流层误差的来源、特性、计算方法以及消除或减弱的手段；5、理解卫星信号信噪比与卫星仰角的关系。二、实验内容二、实验内容1、分析卫星星历，完成卫星位置的计算。2、根据卫星位置与接收机的位置计算多普勒频移，并分析多普勒频移与卫星仰角的关系。3、根据不同时段的卫星仰角与信噪比数据，分析卫星仰角与信噪比的关系。4

11、、根据不同时间段电离层延迟、对流层误差随时间变化的曲线，大致得出此两项误差随时间变化规律，并大致估计此两项误差的误差范围。三、实验步骤与结果分析三、实验步骤与结果分析 1、运行主程序以获得目前可视卫星的实时导航数据。存储在 D:NewStar150_DATA 文件夹下2、运行本实验程序，得到界面如下图 2.1，主程序中截取的所有 GPS 时间就会出现在“选择 GPS 时刻”列表框的下拉菜单中。车载 GPS 定位技术与应用实验6 图 2.13、选择一个 GPS 时刻，选择一个卫星号， “所选时刻可视卫星星历”列表框中，就会出现相应的星历信息，请在表格中记录相应可视卫星的星历。并根据星历计算卫星位

12、置。卫星号；（sv）GPS 周；（weekNo）平近点角；（M0）摄动改正数；（deltaN） 卫星轨道偏心率； (ecc） 卫星轨道的偏近点角；（Ek,）卫星轨道长半轴的平方根；（sqrtA）升交点赤经；（OMEGA0） 赤道倾角；（i0） 步骤一：计算卫星运行的平均角速度步骤二：计算 t 时刻卫星的平近点角步骤三：计算偏近点角步骤四：计算真近点角步骤五：计算升交距角（未经改正的）车载 GPS 定位技术与应用实验7近地点角距；（w） 升交点赤经的变化率；（OMEGADOT） 数据标实（IDOT） 升交角距的余弦调和改正项之振幅；（Cuc） 升交角距的正弦调和改正项之振幅；（Cus）轨道半径的

13、余弦调和改正项之振幅；（Crc） 轨道半径的正弦调和改正项之振幅；（Crs） 轨道倾角的余弦调和改正项之振幅；（Cic） 轨道倾角的正弦调和改正项之振幅；（Cis） 星历参数参考时刻；（toe）群延时（GroupDelay）时钟参数（toc）时钟参数（af0）时钟参数（af1）时钟参数（af2）当前星历数据的有效车载 GPS 定位技术与应用实验84、分别根据“卫星位置信息”列表框中的信息，将接收机的位置信息记录在表 2.1 中，将两颗卫星在相同的三个时刻的卫星仰角、所选时刻该卫星在地心地固坐标系（ECEF）下的三维坐标记录到表2.2 中，并计算出相应的 Doppler 频移（参考附录三的实验二

14、中相关内容） 。 （时间以相邻三个时刻来记录） ；性；1 表示星历数据有效；（available）步骤六：计算卫星向径步骤七：计算摄动改正项步骤八：进行摄动改正步骤九：计算卫星在轨道平面坐标系中的位置步骤十：计算升交点经度步骤十一计算卫星在地固坐标系下的坐标车载 GPS 定位技术与应用实验9表 2.1XYGPS 接收机坐标位置Z表 2.2可视卫星序号GPS时间卫星地心地固坐标系（ECEF）下的坐标卫星仰角Doppler 频移XYZXYZXYZXYZXYZXYZ根据上表数据回答以下问题：（1）对于同一时刻不同仰角的卫星，仰角和多普勒频移之间的关系是什么？车载 GPS 定位技术与应用实验10（2）

15、 对于同一颗卫星（以两个中的一颗为例说明） ，在不同时刻，仰角、多普勒频移及三维坐标之间的关系是什么？同时可以看出这颗卫星的运动趋势应该是向天顶还是地平面运动？5、运行本实验程序2，得到界面如下图2.2所示。图 2.26、在“选择GPS时刻”下拉列表框中任意选择一个GPS 时刻；若所选GPS时间天空中的可视卫星数小于4 颗，则不能解算出此时刻的本地接收机位置，会弹出“无法计算卫星仰角”对话框。则需要选择其他时间。若所选GPS 时间天空中的可视卫星数在4 颗以上，则在程序界面的实时卫星分布图中会出现本时刻所有可视卫星位置，同时在其左面的卫星仰角列表框中会出现本时刻所有可视卫星的仰角。7、点击“显

16、示本段时刻可视卫星相关参数曲线”键，就可看到运行主程序期间所记录时刻的电离层延迟、对流层误差以及信噪比随时间变化的曲线，并在程序界面右面会显示不同颜色曲线所对应的卫车载 GPS 定位技术与应用实验11星序号。按下表2.3.1和2.3.2记录不同时刻数据。表2.3.1（以实际可视卫星数填写，至少为4颗）GPS 时间可视卫星数目可视卫星序号可视卫星仰角可视卫星信噪比表2.3.2GPS 时间可视卫星数目可视卫星序号可视卫星仰角可视卫星信噪比根据表2.3的两个数据表，得出通常情况下卫星仰角和信噪比之间具有什么关系？从信号传输过程中所受的影响简单分析其原因。车载 GPS 定位技术与应用实验12四、实验小

17、结四、实验小结（自己总结本次试验的重难点及心得、体会、收获，字数不得少于 100 字） 得 分 评阅日期 教师签名 车载 GPS 定位技术与应用实验13湖北汽车工业学院实验报告湖北汽车工业学院实验报告学 号 序 号 姓名 课程名称 车载车载GPSGPS定位技术与应用定位技术与应用 第 号实验 完成日期 年 月 日 实验三实验三 几何精度因子的实时计算与分析几何精度因子的实时计算与分析（设计性）（设计性）一、实验目的一、实验目的 1、理解几何精度因子在整个 GPS 接收机导航解算过程中所起的作用及解算几何精度因子的必要性；2、了解 GDOP、VDOP、PDOP、HDOP、TDOP 等不同几何精度

18、因子的计算过程及所起的作用；3、理解 DOP 值与卫星几何分布的关系。包括 DOP 值较小或较大时卫星的几何分布情况；二、实验内容二、实验内容1、研究在不同时刻下，可视卫星数量对测量精度的影响。2、研究当卫星数量一定时，测量精度与 DOP 之间的关系。3、怎样合理的选星才能使得精度达到相对最好。三、实验步骤与结果分析三、实验步骤与结果分析 1、若 D:NewStar150_DATA 文件夹下，有数据则进行步骤 2，若无则运行主程序以取得目前可视卫星的实时导航数据；2、运行本实验程序，会出现界面如图 3.1 所示，步骤 1 中截取的所有 GPS 时间就会出现在“选择GPS 时刻”列表框的下拉菜单

19、中。车载 GPS 定位技术与应用实验14 图 3.13、在“选择 GPS 时刻”列表框的下拉菜单中，任意选择一个 GPS 时刻；由于 DOP 值的解算需要已知本地接收机位置以及不少于 4 颗的可视卫星的位置，如果在所选 GPS 时间天空中的可视卫星数小于 4 颗，则不能解算出此时刻的 DOP 值，会弹出“无法计算 DOP 值”对话框，需要重新选择。若所选 GPS 时间天空中的可视卫星数在 4 颗以上，则在程序界面的实时卫星分布图中会出现本时刻所有可视卫星位置，同时在右面的相应位置会出现本时刻的各个 DOP 值。 4、根据表 3.1(1)3.1(5) 记录不同时刻的 DOP 值，比较不同时刻（如

20、相隔 30 秒）DOP 值的变化情况，尤其是可视卫星个数发生变化的时刻，初步总结 DOP 值与卫星几何分布的关系。表 3.1(1)GPS 时间可视卫星数目可视卫星序号DOPGDOPPDOPHDOPVDOPTDOP表 3.1(2)GPS 时间可视卫星数目可视卫星序号DOPGDOPPDOPHDOPVDOPTDOP表 3.1(3)GPS 时间可视卫星数目可视卫星序号DOPGDOPPDOPHDOPVDOP车载 GPS 定位技术与应用实验15TDOP表 3.1(4)GPS 时间可视卫星数目可视卫星序号DOPGDOPPDOPHDOPVDOPTDOP表 3.1(5)GPS 时间可视卫星数目可视卫星序号DOP

21、GDOPPDOPHDOPVDOPTDOP 根据上表可以看出，对于不同时刻 DOP 值的分析，可以初步得到如下分析：（1）分析：在不同GPS 时刻，当可视卫星个数未发生变化时，DOP 值的变化幅度如何？（2）在不同GPS 时刻，当可视卫星个数发生变化时，DOP 值的变化幅度如何？（3）总的来说，当可视卫星分布较分散和可视卫星较集中时，DOP 值如何，定位精度如何？车载 GPS 定位技术与应用实验165、点击程序界面的“定量分析”键，进入对DOP 值的准确分析阶段。此时，程序界面内的卫星分布图上会出现4颗卫星，同时会出现每颗卫星的方位角和仰角，在右面的相应位置会出现卫星在这种分布情况下的DOP 值

22、。移动这4 颗卫星，可得到卫星在不同几何分布情况下的实时DOP 值以及各个卫星准确的方位角和仰角。设计合理的表格及表格数，并将对应的数据填写在表格内。完成后面的问题。车载 GPS 定位技术与应用实验17比较以上各条记录，对给定的4 颗卫星在不同分布情况下的DOP 值进行比较得到以下结论。（1）当4 颗卫星的几何分布较分散时，DOP 值会如何变化，定位精度高还是低？哪个表格的数据显示出精度最好？ （2）当4 颗卫星的几何分布较集中时，DOP 值会如何变化，定位精度高还是低？哪个表格的数据显示精度最差？ 6、从步骤4、步骤5的数据可以得出如下结论：（1）总体来说，卫星数据越多，DOP值和定位精度如

23、何变化？车载 GPS 定位技术与应用实验18（2）当卫星数量一定时，定位精度和DOP值受什么影响明显？（3）如果有多于4颗以上的卫星，如何选择用于计算的卫星，使得精度会最高？四、实验总结四、实验总结 （自己总结本次试验的重难点及心得、体会、收获，字数不得少于 100 字） 车载 GPS 定位技术与应用实验19得 分 评阅日期 教师签名 湖北汽车工业学院实验报告湖北汽车工业学院实验报告学 号 序 号 姓名 课程名称 车载车载GPSGPS定位技术与应用定位技术与应用 第 号实验 完成日期 年 月 日 实验四实验四 GPSGPS接收机信息获取程序设计接收机信息获取程序设计（设计性）（设计性）一、实验

24、目的一、实验目的 1、熟悉串口通信基本编程方法； 2、进一步理解 NMEA-0183 协议语法结构；3、熟练掌握对 GPS 接收机数据的提取和处理；二、实验内容二、实验内容 1、在 VC 环境下设置通信串口信息； 2、读懂已给出的数据处理程序； 3、根据 nmea0183 协议规则，解析 GPS 语句，提取要求的信息，并编程实现。三、实验程序设计及结果分析三、实验程序设计及结果分析 1、串口设置，程序中对串口设置的基本语句请列在下面：2、你的实验中选择的串口号是多少？车载 GPS 定位技术与应用实验203、点击“获取卫星信息“按钮，看到的基本卫星信息填在下面各项后：（1）卫星数：（2）卫星编号

25、：（3）卫星仰角：（4）方位角：（5）信噪比：4、分析“获取卫星信息按键响应函数 void CGpsshiyanDlg:OnButGpsinfo() ”可知此类信息的获取是提取了 NMEA-0183 协议中的哪条语句？5、观察“串口数据“文本框中的数据同时结合 NMEA-0183 协议，可知获取地理 GPS 接收机地理位置的语句是？6、分析获取 GPS 接收机目前的地理位置的程序设计语句如下：车载 GPS 定位技术与应用实验217、提取地理信息的结果为：经度： 方向：纬度： 方向：高度：四、实验总结四、实验总结 （自己总结本次试验的重难点及心得、体会、收获，字数不得少于 100 字） 得 分

26、评阅日期 车载 GPS 定位技术与应用实验22教师签名 附录一 实验仪器说明一、一、NewStar150C GPS 原理实验平台原理实验平台NewStar150C 实验平台仪器包括：实验平台仪器包括：1.NewStar150C GPS 原理实验台 1 台。2.两个 GPS 接收天线。3.一根 USB 数据线使用说明：使用说明：1.将 NewStar150C 电源接好。2.将 2 个天线通过设备后面板的接口天线、天线进行连接。3.确认连接无误，打开电源开关。4.USB 线一端连接在实验平台 USB1 口，一端与 PC 主机连接。若初次使用，检测到硬件后需要安装驱动，驱动文件在光盘或者指定路径下，

27、文件.UT-860PC DriverWINXP.2003.2000 下搜索。安装成功后，在设备管理器中，将会多出现四个串口。5.安装 NewStar150C 软件，双击光盘中“Setup.exe”文件进行软件安装，完成后会将主程序和五个实验都安装到指定目录下，同时在 D 盘生成一个 NewStar150_DATA 文件夹，负责保存数据。6.调试端口，安装完驱动程序后，新出的四个串口分别为 USB Serial Port COM3、COM4、COM5、COM6。如果不是这几个 COM 口，则将新增的最小的 2 个 COM 口，依次更改为 COM3 和 COM4 端口（注：主程序中基带板默认 CO

28、M3 端口，LCD 和 LED 灯默认COM4 端口） 。剩下的 2 个串口中，序号小的连接的是参考接收机，例如 COM5 端口。参考接收机UTC 时间GPS 时间GPS 可视卫星GPS 基带车载 GPS 定位技术与应用实验237.第一次运行 NewStar150C 设备，先运行 NS150set.exe 程序，确认端口调试是否正确。8.调试正确后，第一次运行主程序 开始所有程序NewStar150C GPS Principle-experiment platformNS150RT2007.exe, 开启后如下图所示。9. 当有 GPS 信号时，点击主程序界面的“开始程序” ，运行主程序。此时

29、由可视卫星位置预测得到的当前时刻应该收到的卫星号所对应的显示灯就会变成红色。而后当前实际收到的卫星所对应的显示灯就会变成绿色。只有当预测卫星个数在 8 颗以上，实际收到的卫星在 4 颗以上时，才能进行数据记录以及下面各个实验的操作。于此同时，左面的 LCD 显示屏就会出现经计算得出的 UTC 时间， 右面的 LCD 显示屏会出现当前的 GPS 周 （其有效范围为 0 到 1023） 以及 GPS 秒 （其有效范围为 0 到 604800） 。只有这两块 LCD 显示屏显示正确时，才能进行下面实验。如果显示有误，需要检查硬件连接并重新运行主程序。 当上述要求全部符合后，点击“记录数据” ，进行各

30、种数据参数的记录以完成下面各个实验操作。如下图所示：实验数据保存在 D:NewStar150_DATA 文件夹下。车载 GPS 定位技术与应用实验24二、二、NS-TTSNS-TTS GPSGPS 信号转发器信号转发器功能与用途：功能与用途： NS-TTS GPS 信号转发器的功能是接收室外 GPS L1 信号，经滤波、放大、转发等环节，将室外天线收到的有效 GPS 信号转发至室内。 室内 GPS 接收机直接接收 GPS L1 信号转发器发出的信号，即可实时定位定时。 适用范围：适用范围： GPS 实验室、教室、生产线、 车间等需要间接接收 GPS 信号的场合。特点：特点： 接线简单、不用将

31、GPS 信号电缆引接到每台 GPS 接收机上、对室内 GPS 接收机数量没有限制、系统免维护。车载 GPS 定位技术与应用实验25NS-TC 信号控制器NS-T09 接收器NS-TT 发射器技术特性三、三、LEA-5H 开发套件开发套件是世界闻名的 GPS 系统专业制造公司 u-blox 的产品。LEA-5H 所用之评估测试主板外观如下图所示。加上附件包的 LEA-5H 评估测试开发套件包连接计算机 RS232 如下图所示。LEA-5H 评估测试开发套件包连接计算机 USB，如下图所示。车载 GPS 定位技术与应用实验26天线如下图所示。使用说明：1、 将天线和 LEA-5H 开发板连接，旋紧

32、。2、 将 USB 数据线一端与开发板连接，一端与 PC 机连接，如初次使用则需要安装驱动程序，驱动软件位于:.评估板 5H 软件ub5 USB drivers下。3、 然后安装 LEA-5H 测试软件，安装程序位于:.评估板 5H 软件u-setup.exe,安装成功后，在开始程序u-blox Products Toolsu-center Application 和相应的帮助文档即可。U-center Application 的软件使用指南位于安装目录下,如C:Program Filesu-bloxDocsManualsu-Center_User_Guide(GPS-SW-02001).pd

33、f车载 GPS 定位技术与应用实验27附录二 实验数据及格式说明一、一、wStar150C GPS 原理实验中数据说明原理实验中数据说明1.1 存数据文件名说明。存数据文件名说明。1)eph2.txt 单颗卫星星历（例：2 号星） 2) alltow.txt 记录的所有时间(GPS 秒) 3) ephenum.txt 每颗卫星星历存放的路径 4)filenum.txt 每颗卫星解算信息 5) maxnum.txt 记录数据期间采集到的最大卫星数 6) townum.txt 记录数据期间所用的总秒数 7) towtest.txt GPS 秒和此时刻接收到的卫星数 8) WeekNum.txt G

34、PS 周数1.2 每个卫星解算信息说明（如每个卫星解算信息说明（如 10.txt） 。 203322.64 20774213.50 3.908925 11.548365 49 10 303.86 1 2 3 4 5 61） GPS 秒； 2） 伪距（米） ； 3） 电离层延迟； 4） 对流层延迟； 5） 信噪比； 6） 卫星号；1.3 星星历说明（如星星历说明（如 eph10.Txt） 。10 534 0 0 0.223201 0.000000 0.008759 -0.533910 5153.408390 -2.459202 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0.956131 0.62

35、0112 -0.000000 0.000000 0.000007 0.000006 261.125000 11 12 13 14 15 16 17 137.500000 0.000000 0.000000 208800 55 55 1 55 -0.000000 18 19 20 21 22 23 24 25 26208800.000000 -0.000029 -0.000000 0.000000 0 1 27 28 29 30 31 32 1） 卫星号；（sv） 2） GPS 周；（weekNo） 3） 标记，通常为 0；（flag） 4） 状态，通常为 0；（status） 5） 平近点角；

36、（M0） 6） 摄动改正数；（deltaN） 7） 卫星轨道偏心率；（ecc, eccentricity） 8） 卫星轨道的偏近点角；（Ek,） 9） 卫星轨道长半轴的平方根；（sqrtA, ; Square root of the semimajor axis） 车载 GPS 定位技术与应用实验2810） 升交点赤经；（OMEGA0） 11） 赤道倾角；（i0） 12） 近地点角距；（w） 13） 升交点赤经的变化率；（OMEGADOT） 14） 数据标实（IDOT） 15） 升交角距的余弦调和改正项之振幅；（Cuc）16） 升交角距的正弦调和改正项之振幅；（Cus）17） 轨道半径的余弦调

37、和改正项之振幅；（Crc）18） 轨道半径的正弦调和改正项之振幅；（Crs） 19） 轨道倾角的余弦调和改正项之振幅；（Cic） 20） 轨道倾角的正弦调和改正项之振幅；（Cis） 21） 星历参数参考时刻；（toe, ; Ephemeris referrence time） 22） 数据标实 2（IODE2,； Issue of Data2） ； 23） 数据标实 3（IODE3, ； Issue of Data3） ； 24） 用户距离精度；（acc; user range accuracy） 25） 测距精度；（aodc, ； AODC） 26） 群延时（GroupDelay, ； Gr

38、oupDelay） 27） 时钟参数（toc, ; Time of Clock） 28） 时钟参数（af0） 29） 时钟参数（af1） 30） 时钟参数（af2） 31） 当前卫星健康状况；0 表示当前卫星状况良好；（health） 32） 当前星历数据的有效性；1 表示星历数据有效；（available） 二、二、NMEA-0183 协议协议NMEA 是 National Marine Electronics Association（美国国家海事电子协会）的缩写。该协会是一家专门从事海洋电子设备方面研究的民间机构，它制定了关于 GPS（全球定位系统）电子设备之间的通信接口和协议的 NMEA

39、 标准。NMEA-0183 协议是目前 GPS 接收机上使用最广泛的协议，大多数常见的 GPS 接收机、GPS 数据处理软件、导航软件都遵守或者至少兼容这个协议。2.1 电器特性电器特性Baud Rate：4800bpsData Bits：8(d7=0)Parity：NoneStop Bits：One(or more)2.2 GPS 接收机输出数据格式接收机输出数据格式NMEA-0183 协议定义的语句非常多，但是常用的或者说兼容性最广的语句只有$GPGGA、$GPGSA、$GPGSV、$GPRMC、$GPVTG、$GPGLL 等。下面以实例做详细说明。1)$GPGGA Global Posi

40、tioning System Fix Data（GGA）GPS 定位信息定位信息车载 GPS 定位技术与应用实验29$GPGGA,M,M,*hh UTC 时间，hhmmss（时分秒）格式 纬度 ddmm.mmmm（度分）格式（前面的 0 也将被传输） 纬度半球 N（北半球）或 S（南半球） 经度 dddmm.mmmm（度分）格式（前面的 0 也将被传输） 经度半球 E（东经）或 W（西经） GPS 状态：0=未定位，1=非差分定位，2=差分定位，6=正在估算 正在使用解算位置的卫星数量（0012） （前面的 0 也将被传输） HDOP 水平精度因子（0.599.9） 海拔高度（-9999.99

41、9999.9） 地球椭球面相对大地水准面的高度 差分时间（从最近一次接收到差分信号开始的秒数，如果不是差分定位将为空 差分站 ID 号 00001023（前面的 0 也将被传输，如果不是差分定位将为空）如：$GPGGA,101144.00,3239.22419,N,11044.07753,E,1,05,2.11,287.6,M,-23.0,M,*7C2)$GPGSA GPS DOP and Active Satellites（GSA）当前卫星信息）当前卫星信息$GPGSA,*hh 模式，M=手动，A=自动 定位类型，1=没有定位，2=2D 定位，3=3D 定位 PRN 码（伪随机噪声码） ，正

42、在用于解算位置的卫星号（0132，前面的 0 也将被传输） 。 PDOP 位置精度因子（0.599.9） HDOP 水平精度因子（0.599.9） VDOP 垂直精度因子（0.599.9）如： $GPGSA,A,3,19,28,03,07,08,3.96,2.11,3.35*073)$GPGSV GPS Satellites in View（GSV）可见卫星信息）可见卫星信息$GPGSV,*hh GSV 语句的总数 本句 GSV 的编号 可见卫星的总数（0012，前面的 0 也将被传输） PRN 码（伪随机噪声码） （0132，前面的 0 也将被传输） 卫星仰角（0090 度，前面的 0 也将

43、被传输） 卫星方位角（000359 度，前面的 0 也将被传输）车载 GPS 定位技术与应用实验30 信噪比（0099dB，没有跟踪到卫星时为空，前面的 0 也将被传输）注：,信息将按照每颗卫星进行循环显示，每条 GSV 语句最多可以显示 4 颗卫星的信息。其他卫星信息将在下一序列的 NMEA0183 语句中输出。如： $GPG SV,4,1,13,03,11,061,37,06,00,062,07,65,208,14,08,57,299,45*7E $GPGSV,4,2,13,11,72,162,14,13,02,199,17,18,252,19,36,044,48*72 $GPGSV,4,

44、3,13,20,04,153,24,04,036,26,02,318,28,34,312,48*77 $GPGSV,4,4,13,32,04,130,*4C4)$GPGLL Geographic Position（GLL）定位地理信息）定位地理信息$GPGLL,*hh 纬度 ddmm.mmmm（度分）格式（前面的 0 也将被传输） 纬度半球 N（北半球）或 S（南半球） 经度 dddmm.mmmm（度分）格式（前面的 0 也将被传输） 经度半球 E（东经）或 W（西经） UTC 时间，hhmmss（时分秒）格式 定位状态，A=有效定位，V=无效定位 模式指示（仅 NMEA0183 3.00 版

45、本输出，A=自主定位，D=差分，E=估算，N=数据无效）如： $GPGLL,3239.22420,N,11044.07750,E,101143.00,A,A*675)$GPRMC Recommended Minimum Specific GPS/TRANSIT Data（RMC）推荐定位信息）推荐定位信息$GPRMC,*hh UTC 时间，hhmmss（时分秒）格式 定位状态，A=有效定位，V=无效定位 纬度 ddmm.mmmm（度分）格式（前面的 0 也将被传输） 纬度半球 N（北半球）或 S（南半球） 经度 dddmm.mmmm（度分）格式（前面的 0 也将被传输） 经度半球 E（东经）或

46、 W（西经） 地面速率（000.0999.9 节，前面的 0 也将被传输） 地面航向（000.0359.9 度，以真北为参考基准，前面的 0 也将被传输） UTC 日期，ddmmyy（日月年）格式 磁偏角（000.0180.0 度，前面的 0 也将被传输） 磁偏角方向，E（东）或 W（西） 模式指示（仅 NMEA0183 3.00 版本输出，A=自主定位，D=差分，E=估算，N=数据无效）车载 GPS 定位技术与应用实验31如：$GPRMC,101144.00,A,3239.22419,N,11044.07753,E,0.087,190710,A*716)$GPVTG Track Made G

47、ood and Ground Speed（VTG）地面速度信息）地面速度信息$GPVTG,T,M,N,K,*hh 以真北为参考基准的地面航向（000359 度，前面的 0 也将被传输） 以磁北为参考基准的地面航向（000359 度，前面的 0 也将被传输） 地面速率（000.0999.9 节，前面的 0 也将被传输） 地面速率（0000.01851.8 公里/小时，前面的 0 也将被传输） 模式指示（仅 NMEA0183 3.00 版本输出，A=自主定位，D=差分，E=估算，N=数据无效）如： $GPVTG,T,M,0.087,N,0.161,K,A*2A以 LE-5H 为例，接到的信息如下：

48、10:11:44 $GPGLL,3239.22419,N,11044.07753,E,101144.00,A,A*6910:11:45 $GPRMC,101145.00,A,3239.22414,N,11044.07755,E,0.028,190710,A*7E10:11:45 $GPVTG,T,M,0.028,N,0.052,K,A*2E10:11:45 $GPGGA,101145.00,3239.22414,N,11044.07755,E,1,04,4.59,287.5,M,-23.0,M,*7E 10:11:45 $GPGSA,A,3,19,28,03,08,5.69,4.59,3.37

49、*0E 10:11:45 $GPGSV,4,1,13,03,11,061,37,06,00,062,07,65,208,09,08,57,299,45*72 10:11:45 $GPGSV,4,2,13,11,72,162,15,13,02,199,17,18,252,19,36,044,48*7310:11:45 $GPGSV,4,3,13,20,04,153,24,04,036,26,02,318,28,34,312,48*7710:11:45 $GPGSV,4,4,13,32,04,130,*4C10:11:45 $GPGLL,3239.22414,N,11044.07755,E,101

50、145.00,A,A*63 10:11:46 $GPRMC,101146.00,A,3239.22410,N,11044.07758,E,0.110,190710,A*7E 10:11:46 $GPVTG,T,M,0.110,N,0.204,K,A*25 10:11:46 $GPGGA,101146.00,3239.22410,N,11044.07758,E,1,04,4.59,287.4,M,-23.0,M,*7510:11:46 $GPGSA,A,3,19,28,03,08,5.69,4.59,3.37*0E10:11:46 $GPGSV,4,1,13,03,11,061,37,06,00

51、,062,07,65,208,08,57,299,45*7B10:11:46 $GPGSV,4,2,13,11,72,162,16,13,02,199,17,18,252,19,36,044,48*7010:11:46 $GPGSV,4,3,13,20,04,153,24,04,036,26,02,318,28,34,312,48*7710:11:46 $GPGSV,4,4,13,32,04,130,*4C10:11:46 $GPGLL,3239.22410,N,11044.07758,E,101146.00,A,A*69车载 GPS 定位技术与应用实验32附录三 各个实验的实验原理实验二、实

52、验二、 GPSGPS卫星信息解算与传输误差分析卫星信息解算与传输误差分析第一部分第一部分 GPS 位置解算位置解算实时卫星位置解算在整个GPS 接收机导航解算过程中占有重要的位置。卫星位置的解算是接收机导航解算（即解出本地接收机的纬度、经度、高度的三维位置）的基础。需要同时解算出至少四颗卫星的实时位置，才能最终确定接收机的三维位置。对某一颗卫星进行实时位置的解算需要已知这颗卫星的星历和GPS 时间。而星历和GPS 时间包含在速率为50 比特/秒的导航电文中。导航电文与测距码（C/A 码）共同调制L1 载频后，由卫星发出。本地接收机相关接收到卫星发送的数据后，将导航电文解码得到导航数据。后续导航

53、解算单元根据导航数据中提供的相应参数进行卫星位置解算、各种实时误差的消除、本地接收机位置解算以及定位精度因子（DOP）的计算等工作。卫星的额定轨道周期是半个恒星日，或者说11 小时58 分钟2.05 秒；各轨道接近于圆形，轨道半径（即从地球质心到卫星的额定距离）大约为26560km。由此可得卫星的平均角速度和平均的切向速度vs为：=2/(11*3600+58*60+2.05)0.0001458 rad/s (1.1)vs=rs*26560km*0.00014583874m/s (1.2)因此，卫星是在高速运动中的，根据GPS 时间的不同以及卫星星历的不同（每颗卫星的星历两小时更新一次）可以解算

54、出卫星的实时位置。本实验同时给出了根据当前星历推算出的卫星在11 小时58 分钟后的预测位置，以此来验证卫星的额定轨道周期。第二部分第二部分 多普勒频移多普勒频移由于卫星与接收机有相对的径向运动，因此会产生Doppler 效应，而出现频率偏移。oppler 频移的直接表现是接收机接收到的卫星信号不恰好在L1（1575.42MHz）频率点上，而是在L1 频率上叠加了一个最大值为5KHz 左右的频率偏移，这就给前端相关器进行频域搜索，捕获卫星信号带来了困难。如果能够事先估计出大概的Doppler 频偏，就会大大减小相关器捕获卫星信号的难度，缩短捕获卫星信号的时间，进而缩短接收机的启动时间。GPS

55、接收机的启动时间是衡量接收机性能好坏的重要参数之一，而卫星信号的快速捕获，缩短接收机的启动时间也是目前GNSS 业界的热点问题。本实验将给出根据卫星位置和本地接收机的初始位置预测Doppler 频移的方法。有了卫星位置和本地接收机的初始位置，就可以根据空间两点间的距离公式，得出卫星距接收机的距离d。记录同一卫星在短时间t内经过的两点的空间坐标S1和S2，就可以分别得到这两点距接收机的距离d1和d2。只要相隔时间t取的较小（本实验取t=1s），| d1- d2|/t就可以近似认为是卫星与接收机在t时间内的平均相对径向运动速度，再将此速度转换为频率的形式就可以得到大致的Doppler频移。车载 G

56、PS 定位技术与应用实验33设本地接收机的初始位置为R（xr，yr，zr），记录的卫星两点空间坐标为S1（x1，y1，z1）、S2（x2，y2，z2），相隔时间为t，卫星与接收机平均相对径向运动速度为vd，光速为c，Doppler频移为fd，则Doppler频移预测的具体公式如下所示：d1= ( x1- xr)2+( y1- yr)2+( z1- zr)21/2 (1.3)d2= ( x2- xr)2+( y2- yr)2+( z2- zr)21/2 (1.4)vd=| d1- d2|/t (1.5)fd=vd1575.42MHz/c (1.6)Doppler 频移同卫星的仰角有很密切的关系。

57、Doppler 频移随卫星仰角的增大而减小。当卫星的仰角为90 度（即卫星在接收机正上方的天顶上）时，理论上Doppler 频移为零。本实验根据卫星位置和本地接收机的初始位置算出卫星的仰角，来验证Doppler 频移同卫星仰角的关系。第三部分：信噪比与卫星仰角关系：第三部分：信噪比与卫星仰角关系：卫星信号的信噪比（即相对强度噪声）定义为单位带宽（Hz）内信号功率与噪声功率之比的分贝量（dB），即dB/Hz。经实践测试表明，当GPS 卫星信号的信噪比过低（一般认为低于26dB/Hz）时，GPS 接收机就无法正常跟踪该卫星信号。因此，卫星信号信噪比的大小直接影响到GPS 接收机能否正常工作。实践表

58、明，信噪比与卫星仰角的关系十分密切。一般认为，卫星的仰角越低，如前所述，卫星信号在传播过程中受到的诸如电离层延迟、对流层误差等实时传输误差的影响就越大；另一方面，就越可能受到地面障碍物的遮挡。因此，卫星信号的信噪比就应该越小（这只是一个趋势，并不排除特殊情况出现） 第四部分第四部分 电离层和对流层实时传输误差的计算与特性分析：电离层和对流层实时传输误差的计算与特性分析：地球表面被一层很厚的大气所包围。由于地球引力的作用，大气质量在垂直方向上分布极不均匀，主要集中在大气底部，其中 75%的质量分布在 10km 以下， 90%的以上质量分布在 30km 以下。同时大气在垂直方向上的物理性质差异也很

59、大，根据温度、成分和荷电等物理性质的不同，大气可分为性质各异的若干大气层。按不同标准有不同的分层方法，根据对电磁波传播的不同影响，一般分为对流层和电离层。大气折射对 GPS 观测结果的影响，往往超过了 GPS 精密定位所容许的精度范围。如何在数据处理过程中通过模型加以改正，或在观测中通过适当的方法来减弱，以提高定位精度，已经成为广大用户普遍关注的重要问题。1、电离层折射的影响（Ionospheric delay）：电离层延迟是对 GPS 接收机测量定位影响非常大的一项实时传输误差。它在夜里（晚 8 时到早8 时左右）的变化比较平缓，误差也比较小，但在白天（早 8 时到晚 8 时左右）随着太阳的

60、升高变化就会非常剧烈，变化趋势近似钟型曲线。最大垂直延迟误差可以达到 50 米左右；水平方向可达150 米左右。因此，消除或减弱电离层延迟误差是提高定位精度的重要保证。电离层分布于地球大气层的顶部，约在地面向上 70km 以上范围。由于原子氧吸收了太阳紫外线车载 GPS 定位技术与应用实验34的能量，该大气层的温度随高度上升而迅速升高，同时由于太阳和其它天体的各种射线作用，使大部分大气分子发生电离，具有密度较高的带电粒子。电离层中电子的密度决定于太阳辐射强度和大气密度，因而导致电离层的电子密度不仅随高度而异，而且与太阳黑子的活动密切相关。GPS 载波为单一频率，其传播速度为相速度；伪随机码是多