GPS与GIS集成环境下飞机导航系统的研究与设计
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摘要
目前,GPS全球定位系统已经在定位、导航、精确授时等领域得到了广泛应用。随着GIS应用不断深入,将GPS与GIS进行技术集成;同时结合其他导航系统,并应用到飞机导航中,可以更安全、准确、高效地对飞机进行导航,有利于提高空中交通管理的水平,而且提高航空航天的经济效益。
本文分析了GPS的导航定位原理,及飞机导航的性能要求;阐述与纵览了飞机导航电子地图的发展现状与趋势;讨论了不同信号状态条件下的GPS导航方式,并着重研究了GPS实时导航的关键问题:①GPS信号的整周模糊度——通过统计分析原理,对整周模糊度求解的模糊度解法、最小二乘搜索法及模糊度协方差法的优劣进行了比较分析;②信号不良时位置推算的三步四阶阿达姆斯隐式法;③在求解飞行航迹时,采用法截弧大地线长代替传统的大圆线法以提高导航参数的精度。
最后,根据GPS-OEM板的信号接收模式,在windows平台上利用VC进行设计和开发,其内容涵盖信息接收、数据存储、人机界面等模块的实现,达到了对论文整体设计思想的编程实现。
At present, the GPS system has been widely applied in positioning, navigation, precised timing, and other fields. When GPS and other navigation systems are combining applicated on aircraft navigation, it will help improving air traffic management to make sure that aircraft navigation can fly more securely, accuratly, efficiently, and increasing the economic efficiency of aerospace at the same time.
Based on the analysis of GPS navigation and positioning principle and aircraft navigation performance requirements, the electronic aircraft navigation map is expounded. And the aircraft electronic navigation map data and processing requirements come out. Aftert then, electronic mapping data integrated of navigational development was on Analysised.
Then, it comes to the GPS Navigational analyzing in real time. The analysis focused on the impact of navigation key issues-GPS signals, the undetermined whole weeks of GPS signals is most important one as well as the methods to determine the parameters of aircraft navigation under the weak GPS signals in various environment. The way to work out the undetermined whole weeks was given out, and the quality is guaranteed by Statistical Analysis. In solving the flight track, land-line is substituted to the traditional great circle to improve the accuracy of navigation parameters. In condition of weak GPS signal, ADAMS implicit method is used in calculating aircraft navigation parameters.
Finally, basing on the GPS-OEM board of accepting signal, a program of aircraft navigation integration on the GPS & GIS was expounded. The program was developed on windows'VC platform; and the description of signal format received, datas-torage, human-machine interface model are in detailed; and part of the results achieved.
本文分析了GPS的导航定位原理,及飞机导航的性能要求;阐述与纵览了飞机导航电子地图的发展现状与趋势;讨论了不同信号状态条件下的GPS导航方式,并着重研究了GPS实时导航的关键问题:①GPS信号的整周模糊度——通过统计分析原理,对整周模糊度求解的模糊度解法、最小二乘搜索法及模糊度协方差法的优劣进行了比较分析;②信号不良时位置推算的三步四阶阿达姆斯隐式法;③在求解飞行航迹时,采用法截弧大地线长代替传统的大圆线法以提高导航参数的精度。
最后,根据GPS-OEM板的信号接收模式,在windows平台上利用VC进行设计和开发,其内容涵盖信息接收、数据存储、人机界面等模块的实现,达到了对论文整体设计思想的编程实现。
At present, the GPS system has been widely applied in positioning, navigation, precised timing, and other fields. When GPS and other navigation systems are combining applicated on aircraft navigation, it will help improving air traffic management to make sure that aircraft navigation can fly more securely, accuratly, efficiently, and increasing the economic efficiency of aerospace at the same time.
Based on the analysis of GPS navigation and positioning principle and aircraft navigation performance requirements, the electronic aircraft navigation map is expounded. And the aircraft electronic navigation map data and processing requirements come out. Aftert then, electronic mapping data integrated of navigational development was on Analysised.
Then, it comes to the GPS Navigational analyzing in real time. The analysis focused on the impact of navigation key issues-GPS signals, the undetermined whole weeks of GPS signals is most important one as well as the methods to determine the parameters of aircraft navigation under the weak GPS signals in various environment. The way to work out the undetermined whole weeks was given out, and the quality is guaranteed by Statistical Analysis. In solving the flight track, land-line is substituted to the traditional great circle to improve the accuracy of navigation parameters. In condition of weak GPS signal, ADAMS implicit method is used in calculating aircraft navigation parameters.
Finally, basing on the GPS-OEM board of accepting signal, a program of aircraft navigation integration on the GPS & GIS was expounded. The program was developed on windows'VC platform; and the description of signal format received, datas-torage, human-machine interface model are in detailed; and part of the results achieved.
引文
[1]董绪荣.GPS/INS组合导航定位及其应用[M].湖南长沙:国防科技大学出版社,1998
[2]陈金平,周建华,赵薇薇.卫星导航系统性能要求的概念分析[J].无线电工程,2005
[3]Broad Agency Announcement(BAA) Precision Approach Landing System Technologies.http://www.toubiao.info/eproc/np-notice.do?noticeld--1525620,2006.11
[4]范莉莉.GPS在民航飞机中的应用[J].民航科技,2001
[5]曹冲.全球导航卫星系统(GNSS)竞争格局和发展趋势研究[J].全球定位系统,2006.3
[61王解先.全球导航卫星系统GPSPGNSS的回顾与展望[J].工程勘察,2006
[7]杜鹏,傅梦印.GPS定位误差分析与建模[J].北京理工大学学报,1998.18(4):456-460
[8]Goodman J M,Aarons J.Ionospheric effects on modern electronic systems[c].In proceedings of the IEEE,1990,78(3):512-528
[9]张孟阳,吕保维.GPS系统中的多径效应分析[J].电子学报,1998.26(3):10-14
[10]佚名.GPS导航定位误差详解,http://ldgps.cn/Article/YNXW/200704/636.html
[11]刘大杰,施一民,过静珺.全球定位系统(GPS)的原理与数据处理[M].上海:同济大学出版社,1996.8
[12]孙宝祥,黎涌,高益军.GPS自主定轨技术在新一代大型静止轨道卫星上的应用[J].航天控制,1999,NO.3,pp.20-25
[13]王在文.利用GPS测量载体的三维姿态[R].出国考察报告,1996,NO.1:PP65-70
[14]魏子卿,葛茂荣.GPS相对定位的数学模型[M].北京:测绘出版社,1998.02
[15]许其凤.GPS卫星导航与精密定位[M].北京:解放军出版社,1989.6
[16]王银华.利用载波相位信息确定载体姿态的技术研究[D].长沙:国防科技大学,2000.01
[17]Ron Brown,and Phil Ward,A GPS Receiver with Built-in Precision Pointing Capability,IEEE symposium on Position,Location and Navigation,1990,pp.83-93
[18]Ronald A.Brown,Instantaneous GPS Attitude Determination,IEEE AES Systems Magazine,June,1992,pp.2-8
[19]C.E.Cohen,Attitude Determination Using GPS,Ph.D.Dissertation,December,1992,Stanfor University.
[20]茆诗松,王静龙,濮晓龙.高等数理统计[M].高等教育出版社,北京:施普林格出版社,1998.7
[21]潘正君,康立山,陈毓屏.演化计算[M].清华大学出版社,1998
[22]秦永元,张洪钺,汪叔华.卡尔曼滤波与组合导航原理[M].西安:西北工业大学出版社,1998.11
[23]盛骤,谢式千,潘承毅.概率论与数理统计(第二版)[M].北京:高等教育出版社,1989,8
[24]李洪涛,许国昌,薛洪印,等GPS应用程序设计[M],北京:科学出版社,1999.5
[25]C.C.Counselman,Ⅲ,S.A.Gourevith,Miniature lnterferometer Terminals for Earth Surveying:Ambiguity and Multipath with Global Positioning System,IEEE transactions on Geoscience and Remote Sensing,VoI.GE-19,No.4
[26]Benjamin W.Remondi,Pseudo-Kinematic GPS Results Using the Ambiguity Function Method, Navigation,1991,Vol.38,No.1,pp.17-36
[27]郑庆晖.基于GPS的航天器姿态相对姿态确定研究[D].长沙:国防科技大学研究生院,2003.03
[28]陈建春 白雁 雷明凯.利用地理信息系统(GIS)开发多功能空管[J].中国安全科学学报,2003.07。
[29]张成才等.GIS空间分析理论[M].武汉:武汉大学出版社,2004.01
[30]北京市信息资源管理中心.浅谈多源空间数据库集成问题[DB/OL],http://www.beijingit.gov.cn/xxzy/jcxxzyjs/t20070110_161783.htm,2007.01
[31]宋关福、钟耳顺、滕寿威等.SuperMap打造异构空间数据共享集成平台[J].地理信息世界,2003年6期1
[32]USGS,What is SDTS[DB/OL],http://mcmcweb.er.usgs.gov/sdts/whatsdts.html,11-Sep-2003
[33]国家技术监督局.中华人民共和国国家标准地球空间数据交换格式[S].http://www.gtzy.net/news/xxkd_6.asp,1999.08
[34]李新通 何建邦.GIS互操作与OGC规范[J].地理信息世界,2003.05
[35]宋关福 钟耳顺 刘纪远等.多源空间数据无缝集成研究[J].地理科学进展,2000.19(2):110-115
[36]王卉.一种解决GIS多源数据无缝集成的方法[J].测绘工程,2003.12(2):11-13
[37]陈俊华 宋关福 李绍俊.基于RDBMS的空间数据库的设计与实现[A],中国地理信息系统协会2001年年会论文集
[38]陈楠.多源空间数据集成的技术难点分析和解决策略[J].计算机应用研究,2005年
[39]马照亭,潘懋,林晨等.多源空间数据的共享与集成模式研究[J].计算机工程与应用,2002,(24)
[40]ZHAO Yi-lin.vehicle location and navigation systems[M].Boston,London:ArteehHouse,Ine,1997
[41]Wellenhof B Hofrnann,LichteneggerH,Collins J.Global positioning system,theory and practiee,[M].N,York:Springgerwien,2001
[42]朱华统,杨元喜,吕志平.GPS经标系统的变换[M].北京:测绘出版社出版,1994年12月
[43]雷震,郭丙轩.扫描形图的定向与纠正[J].测绘信息与工程,2002,27(2):6-9
[44]张鹏强,瞿诩,林超群.大比例尺地形图扫描数字化影像变形纠正方法与实践[J].测绘学院学报,2001,18(4):280-282
[45]王峰,林宗坚.航空影像与地图的配准与纠正[J].中国图像图形学报,2001,6A(4):383-386
[46]胡丛玮,陈武,赵志弘,李志林.基于GPS定位的导航地图的转换与纠正方法[J].同济大学学报,2003,01
[47]王景存,陈彬,陈和平.GIS系统地图快速显示模型设计与实现[J].计算机工程与设计,2007.03
[48]何海波,杨元喜.孙中苗几种GPS测速方法的比较分析[J].测绘学报,2002.08
[49]郑庆辉.基于GPS的航天器姿态、相对姿态确定研究[D].2003.03
[50]刘华勇 苗文中.空速的GPS试飞校准方法[J].成飞科技,2002
[51]王志贤.最优状态估计与系统辨识[M].西安:西北工业大学出版社,2004.06
[52]赵齐乐.GPS导航星座及低轨卫星的精密定轨理论和软件研究[D].武汉:武汉大学,2004年12月
[53]张云鹏,缪栋,杨小冈等,镜像映射法及递推最小二乘法在GPS伪距导航定位解算中的应用[J].全球定位系统,2004
[54]黄俊钦.静、动态数学模型的实用建模方法[M].北京:机械工业出版社,1988.8
[55]封建湖,车刚明,聂玉峰.数值分析原理[M].北京:科学出版社,2001
[56]胡兆丰,何植岱,高浩.飞行动力学[M].北京:国防工业出版社,1985:9-20.
[57]赵文光.椭球大地测量学研究[M].北京:中国地质大学出版社,1997.
[58]Wolfgang Lechner,Stefan Baumann,Global navigation satellite systems[J],Computers and Electronics in Agriculture,25(2000)67-85
[59]位元文化.Visual C++实用编程技术[M].武汉:华中理工大学出版社,2000.
[60]David J.Kruglinski.Visual C++技术内幕(第四版)[M].北京:清华大学出版社,1999
[61]李远,胡修林,赵文同等.基于GPS-OEM板和单片机的定位终端开发[DB/OL].http://www.eca.gov.cn/Publish/2005-1-17/2005-1-17582750.shtml,2005
[62]肖远亮.NMEA-0183数据标准在GPS技术中的应用[J].物探装备,2003.02
[63]王甫红,郭爱文,用多线程实现GPS OEM板与计算机的接口通信[DB/OL],虚拟现实与仿真,2006.02
[64]王直,刘波.在VisualC++.NET平台上利用GPS实现航迹规划[J].舰船电子工程,2006.02
[65]樊文平,刘荣,宋富林.三维地理信息中3Dmoxing研究综述fJ].地理信息世界,2005.10,37-41
[66]Alan Simposon,Elizabeth Olson.Access 97从入门到精通[J].北京:电子工业出版社,1997.
[67]赵涛 袁少强.机载(动态)GPS信号模拟器研[J].计算机仿真,2006.07
[68]王琦.GPS航海导航系统的研究与开发[D].武汉:华中科技大学,2005.04
[69]童梅,董伟凡,韩连平.飞行再现系统的实现及其在飞行参数处理中的应用[J].计算机仿真,2002.0
[2]陈金平,周建华,赵薇薇.卫星导航系统性能要求的概念分析[J].无线电工程,2005
[3]Broad Agency Announcement(BAA) Precision Approach Landing System Technologies.http://www.toubiao.info/eproc/np-notice.do?noticeld--1525620,2006.11
[4]范莉莉.GPS在民航飞机中的应用[J].民航科技,2001
[5]曹冲.全球导航卫星系统(GNSS)竞争格局和发展趋势研究[J].全球定位系统,2006.3
[61王解先.全球导航卫星系统GPSPGNSS的回顾与展望[J].工程勘察,2006
[7]杜鹏,傅梦印.GPS定位误差分析与建模[J].北京理工大学学报,1998.18(4):456-460
[8]Goodman J M,Aarons J.Ionospheric effects on modern electronic systems[c].In proceedings of the IEEE,1990,78(3):512-528
[9]张孟阳,吕保维.GPS系统中的多径效应分析[J].电子学报,1998.26(3):10-14
[10]佚名.GPS导航定位误差详解,http://ldgps.cn/Article/YNXW/200704/636.html
[11]刘大杰,施一民,过静珺.全球定位系统(GPS)的原理与数据处理[M].上海:同济大学出版社,1996.8
[12]孙宝祥,黎涌,高益军.GPS自主定轨技术在新一代大型静止轨道卫星上的应用[J].航天控制,1999,NO.3,pp.20-25
[13]王在文.利用GPS测量载体的三维姿态[R].出国考察报告,1996,NO.1:PP65-70
[14]魏子卿,葛茂荣.GPS相对定位的数学模型[M].北京:测绘出版社,1998.02
[15]许其凤.GPS卫星导航与精密定位[M].北京:解放军出版社,1989.6
[16]王银华.利用载波相位信息确定载体姿态的技术研究[D].长沙:国防科技大学,2000.01
[17]Ron Brown,and Phil Ward,A GPS Receiver with Built-in Precision Pointing Capability,IEEE symposium on Position,Location and Navigation,1990,pp.83-93
[18]Ronald A.Brown,Instantaneous GPS Attitude Determination,IEEE AES Systems Magazine,June,1992,pp.2-8
[19]C.E.Cohen,Attitude Determination Using GPS,Ph.D.Dissertation,December,1992,Stanfor University.
[20]茆诗松,王静龙,濮晓龙.高等数理统计[M].高等教育出版社,北京:施普林格出版社,1998.7
[21]潘正君,康立山,陈毓屏.演化计算[M].清华大学出版社,1998
[22]秦永元,张洪钺,汪叔华.卡尔曼滤波与组合导航原理[M].西安:西北工业大学出版社,1998.11
[23]盛骤,谢式千,潘承毅.概率论与数理统计(第二版)[M].北京:高等教育出版社,1989,8
[24]李洪涛,许国昌,薛洪印,等GPS应用程序设计[M],北京:科学出版社,1999.5
[25]C.C.Counselman,Ⅲ,S.A.Gourevith,Miniature lnterferometer Terminals for Earth Surveying:Ambiguity and Multipath with Global Positioning System,IEEE transactions on Geoscience and Remote Sensing,VoI.GE-19,No.4
[26]Benjamin W.Remondi,Pseudo-Kinematic GPS Results Using the Ambiguity Function Method, Navigation,1991,Vol.38,No.1,pp.17-36
[27]郑庆晖.基于GPS的航天器姿态相对姿态确定研究[D].长沙:国防科技大学研究生院,2003.03
[28]陈建春 白雁 雷明凯.利用地理信息系统(GIS)开发多功能空管[J].中国安全科学学报,2003.07。
[29]张成才等.GIS空间分析理论[M].武汉:武汉大学出版社,2004.01
[30]北京市信息资源管理中心.浅谈多源空间数据库集成问题[DB/OL],http://www.beijingit.gov.cn/xxzy/jcxxzyjs/t20070110_161783.htm,2007.01
[31]宋关福、钟耳顺、滕寿威等.SuperMap打造异构空间数据共享集成平台[J].地理信息世界,2003年6期1
[32]USGS,What is SDTS[DB/OL],http://mcmcweb.er.usgs.gov/sdts/whatsdts.html,11-Sep-2003
[33]国家技术监督局.中华人民共和国国家标准地球空间数据交换格式[S].http://www.gtzy.net/news/xxkd_6.asp,1999.08
[34]李新通 何建邦.GIS互操作与OGC规范[J].地理信息世界,2003.05
[35]宋关福 钟耳顺 刘纪远等.多源空间数据无缝集成研究[J].地理科学进展,2000.19(2):110-115
[36]王卉.一种解决GIS多源数据无缝集成的方法[J].测绘工程,2003.12(2):11-13
[37]陈俊华 宋关福 李绍俊.基于RDBMS的空间数据库的设计与实现[A],中国地理信息系统协会2001年年会论文集
[38]陈楠.多源空间数据集成的技术难点分析和解决策略[J].计算机应用研究,2005年
[39]马照亭,潘懋,林晨等.多源空间数据的共享与集成模式研究[J].计算机工程与应用,2002,(24)
[40]ZHAO Yi-lin.vehicle location and navigation systems[M].Boston,London:ArteehHouse,Ine,1997
[41]Wellenhof B Hofrnann,LichteneggerH,Collins J.Global positioning system,theory and practiee,[M].N,York:Springgerwien,2001
[42]朱华统,杨元喜,吕志平.GPS经标系统的变换[M].北京:测绘出版社出版,1994年12月
[43]雷震,郭丙轩.扫描形图的定向与纠正[J].测绘信息与工程,2002,27(2):6-9
[44]张鹏强,瞿诩,林超群.大比例尺地形图扫描数字化影像变形纠正方法与实践[J].测绘学院学报,2001,18(4):280-282
[45]王峰,林宗坚.航空影像与地图的配准与纠正[J].中国图像图形学报,2001,6A(4):383-386
[46]胡丛玮,陈武,赵志弘,李志林.基于GPS定位的导航地图的转换与纠正方法[J].同济大学学报,2003,01
[47]王景存,陈彬,陈和平.GIS系统地图快速显示模型设计与实现[J].计算机工程与设计,2007.03
[48]何海波,杨元喜.孙中苗几种GPS测速方法的比较分析[J].测绘学报,2002.08
[49]郑庆辉.基于GPS的航天器姿态、相对姿态确定研究[D].2003.03
[50]刘华勇 苗文中.空速的GPS试飞校准方法[J].成飞科技,2002
[51]王志贤.最优状态估计与系统辨识[M].西安:西北工业大学出版社,2004.06
[52]赵齐乐.GPS导航星座及低轨卫星的精密定轨理论和软件研究[D].武汉:武汉大学,2004年12月
[53]张云鹏,缪栋,杨小冈等,镜像映射法及递推最小二乘法在GPS伪距导航定位解算中的应用[J].全球定位系统,2004
[54]黄俊钦.静、动态数学模型的实用建模方法[M].北京:机械工业出版社,1988.8
[55]封建湖,车刚明,聂玉峰.数值分析原理[M].北京:科学出版社,2001
[56]胡兆丰,何植岱,高浩.飞行动力学[M].北京:国防工业出版社,1985:9-20.
[57]赵文光.椭球大地测量学研究[M].北京:中国地质大学出版社,1997.
[58]Wolfgang Lechner,Stefan Baumann,Global navigation satellite systems[J],Computers and Electronics in Agriculture,25(2000)67-85
[59]位元文化.Visual C++实用编程技术[M].武汉:华中理工大学出版社,2000.
[60]David J.Kruglinski.Visual C++技术内幕(第四版)[M].北京:清华大学出版社,1999
[61]李远,胡修林,赵文同等.基于GPS-OEM板和单片机的定位终端开发[DB/OL].http://www.eca.gov.cn/Publish/2005-1-17/2005-1-17582750.shtml,2005
[62]肖远亮.NMEA-0183数据标准在GPS技术中的应用[J].物探装备,2003.02
[63]王甫红,郭爱文,用多线程实现GPS OEM板与计算机的接口通信[DB/OL],虚拟现实与仿真,2006.02
[64]王直,刘波.在VisualC++.NET平台上利用GPS实现航迹规划[J].舰船电子工程,2006.02
[65]樊文平,刘荣,宋富林.三维地理信息中3Dmoxing研究综述fJ].地理信息世界,2005.10,37-41
[66]Alan Simposon,Elizabeth Olson.Access 97从入门到精通[J].北京:电子工业出版社,1997.
[67]赵涛 袁少强.机载(动态)GPS信号模拟器研[J].计算机仿真,2006.07
[68]王琦.GPS航海导航系统的研究与开发[D].武汉:华中科技大学,2005.04
[69]童梅,董伟凡,韩连平.飞行再现系统的实现及其在飞行参数处理中的应用[J].计算机仿真,2002.0
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