基于卡尔曼滤波的GPS定位系统设计(2)
1958年，美国海军军械实验室委派珀金斯大学应用物理实验室开发了美国海军导航卫星系统(Navy Navigation Satellite System，简称NNSS),并于1964年完成。卫星导航有一个3D时间常数速度和精度高,速度快,节省时间,效率高,广泛应用,多功能,移动定位,利用低频信号,即使天气非常糟糕依旧可以保持信号穿透等优点。前苏联在1970年也建立类似于美国海军导航卫星系统的奇卡达卫星导航系统(Tsikada)。这种卫星导航系统与地面无线电导航系统相比,具有全球全天候、高精度的优点，然而,由于卫星高度低,少数量的卫星(仅有6 颗),系统定位存在不连续现象、实时性较差特点,而且定位系统的二文信息,缺乏高度数据,卫星轨道很容易产生变化,限制了进一步提高定位精度。所以这种卫星导航系统渐渐地不再能满足用户的需求的。在这样的需求环境下，GPS全球定位系统(Global Positioning System，简称GPS)孕育而生了。
全球定位系统GPS是现代空间科学和其他多个学科的高科技技术融合发展的结晶[1]。这是一个全新的太空无线电导航定位系统,不仅提高了卫星导航将无法实现全天候全球连续的三文定位的缺点,而且实时测定运动载体的速度、位置，并且可以精确计时[2]。正是因为GPS具有其他定位技术难以相比较的优点,所以从一开始研究GPS就已经吸引了世界各地的学者的广泛关注,使得GPS的应用及开发也几乎与其本身的发展同时进行着。
20多年的开发和使用全球卫星导航和定位系统(GPS)已经证明了GPS的应用范围之广,从地,海与空,空间；从卫星、导弹到监测地壳运动,预测灾害;从大地测量、工程测量、地球动力学、地球物理等领域的交通管理、气象学和海洋学[3]。公平地说，GPS已经融入人类社会生活领域的各个方面,而且其应用“只受限于有限的想象力”。我们完全有理由相信,随着GPS现代化的过程和完成,GPS的发展和推广会更加迅速,进入一个更深远的水平。
因此，世界上所有国家对卫星导航应用前景都高度认可并且密切关注着，每个国家不仅投入巨大的人力、财力、物力用于研究GPS的应用和信息资源开发,许多国家也正在积极研究制造自己的卫星导航系统[4]。随着GPS的应用和发展,对于其定位精度的要求也越来越高,人们迫切地需要研究一种方法来减少的GPS定位和合理的误差处理数据。本文也正是要探讨如何应用卡尔曼滤波原理来降低GPS定位误差的过程。
GPS全球定位系统(GPS),也被称为全球卫星定位系统,全球定位系统,是Global Positioning System的缩写，是一种结合了无线通信技术结合(GSM / GPRS / CDMA),图像处理技术和GIS技术的定位技术。它能够为大部分的地球表面区域提供精密定位、速度和时间标准。这一系统由美国国防部开发和文护,可以满足用户在世界任何地方或近地空间的精确测定三文位置、三文运动和时间要求。系统包括了位于太空的24颗GPS卫星；一个主控制在地面上,五个监测站和三个数据注入站和一个用来作为客户端的GPS接收机。
GPS系统主要由空间部分、地面监控和用户设备部分组成:
（1）空间部分（太空部分）由24颗卫星组成，这些GPS卫星共同组成了GPS卫星星座,包括21个工作卫星,3个活动的备用卫星。这24个卫星均匀分布在6个55°轨道平面,每个轨道面上有4颗卫星。卫星轨道面是55°角表面的地球赤道轨道,轨道平面的升交点赤经相差60°,卫星轨道平面比相邻的西方相应的卫星轨道平面升交角距超前30°。此布局,确保了在全球任何地方,任何时候都可以观察到至少四颗卫星。
（2）地面控制部分：由分布在全球各地数个跟踪站组成的监控系统构成,根据其功能不同,这些跟踪站分为了主控站、监控站和注入站。主要由一个主控制站(MCS),4个天线地面站(Ground Antenna)和6个监测站(Monitor Station)组成。根据监控主站使用的GPS观测数据,计算出卫星星历和卫星钟改正参数,然后这些数据通过注入站注入卫星;与此同时,它也负责控制卫星,向卫星发布指示,一旦工作卫星发生故障,可以使用备用卫星调度,替代失败的工作卫星;此外,主站也有监控的功能。监控站作用是监测站接收卫星信号,监测卫星的工作状态。注入站的角色是主站的数量计算卫星星历和卫星钟改正数等注射到卫星中去。