论文总字数：14223字

摘 要

随着GPS的发展和现代科技的进步，GNSS孕育而出，卫星导航系统的存在大大改善了现在我们的生活，也在某种程度上极大的推进了人类社会发展的进程。本篇文章主要讲述的内容就与这有关。

本篇文章首先介绍了GPS与GNSS的发展历史与现状和未来发展趋势。接下来简单介绍了GPS原理和导航的信号以及信号特征，接下去是对软件和软件各部分的详细介绍。

卫星的数据得分成两步，一个是基准站到卫星部分的信号获取，一个是我们用户到基准站的信息获取，基准站的信息是一个通过IP地址发布的实时数据流，本文通过实时的获取便可以完成这一部分。我们采用的工具是MATLAB，我们利用MATLAB的编程以及一系列功能实现我们用户对基准站的实时观测。实现阶段包括IP提取数据，利用MATLAB/GUI完成用户界面的编辑，获取数据和解析数据等。

关键词：matlab 、GNSS、GPS、NEMA、GOSF

Development of real-time remote monitoring software for GNSS reference station

Abstract：

With the development of global positioning system and the progress of modern technology, GNSS gestates and emerges. THE exist of global navigation satellite system has greatly improved our life and tremendously promote the process of development of human society to some extend. What we are talking about in this thesis is convenient about it.

This paper first introduces the history, current situation and future development trend of GPS and GNSS. Next, it briefly introduces the principle of GPS and the signal and signal characteristics of navigation, followed by a detailed introduction of the software and various parts of the software.

As far as we all know that there are two parts if we want to obtaining the satellite data, one of them is the obtaining of message from satellite to the datum station, the other is the obtaining of message from users to the datum station. The information from the datum station is sending by ID address. We can have this part finished though Real-time acquisition. WE use MATLAB as the tool and We use MATLAB programming and a series of functions to realize our real-time observation of the reference station. The implementation phase includes extracting data from ftp, editing user interface with MATLAB/GUI, acquiring data and parsing data, etc.

Key words：matlab 、GNSS、GPS、NEMA、GOSF

目录

摘要： I

Abstract： II

第一章 课题研究历史 2

1.1国外卫星定位导航系统发展历史 2

1.2 GNSS发展起因 3

1.3中国GNSS发展初级阶段 3

1.4中国GNSS发展现状及未来规划 4

第二章 GNSS系统介绍 6

2.1 GPS系统组成 6

2.2 GPS定位原理 6

2.3导航电文 7

2.3.1导航电文格式 7

2.3.2导航电文特征 8

2.4 GNSS基准站网络 9

第三章 GNSS基准站远程监控软件开发 10

3.1软件开发数据 10

3.1.1卫星信噪比 10

3.1.2卫星精度因子 10

3.1.3UTC时间 11

3.1.4 位置信息 11

3.2 NEMA数据 11

3.2.1NEMA数据信息 11

3.2.8NEMA数据解析 12

3.3用户界面的实现 13

3.4编程实现 20

第四章 课题未来与展望 23

致谢 26

第一章 课题研究历史

1.1国外卫星定位导航系统发展历史

“卫星导航”是一个时下非常流行的词，每当人们谈论起“卫星定位导航系统”这一个名词时，绝大多数的人想到的肯定都是GPS这个词。在这一学术领域的发展始一，GPS是被用于美国1958年的一个军事项目，该项目于六四年投入使用。在二十世纪七十年代左右，美国陆海空三军联合起来开发出新一代卫星定位系统GPS。当时GPS的主要目的是为陆地，海洋和空中三大区域提供实时，全天候的全球导航服务，并将其用于各种军事目的。例如收集军方所需的情报，检测核爆炸，并在紧急情况下进行通信等。在经历了二十多年的研究实验中，该项目耗资约三百亿美元。到了九四年，已完成二十四个卫星GPS星座。这些星座拥有几近全部的全球覆盖率。

随着社会的发展以及大量的全球卫星定位导航系统的兴起，之前的卫星定位导航系统不再被人们称为GPS而是拥有了一个新的名称GNSS，即global navigation satellite system。当前，在这一相关专业领域除了美国的GPS卫星导航系统系统以外，发展现状以及发展前景最好的还有伽利略卫星导航系统，这是一种由欧盟和我国共同完成的卫星系统。从卫星位置上来讲，它是一种由中高度圆轨道卫星来定位的方案。

零四年六月，欧盟统一了系统频率标准。采用了美国二进制固定的频率标准，使得欧洲和美国军队无需关闭整个系统即可相互拦截。避免了来自于其他系统的信号丢失。伽利略系统的第一颗卫星是在零五年十二月二十八日的格林尼治早晨五点十九分于哈萨克斯坦利用俄国的火箭成功升空。相关的欧盟委员会也于一零年发秒申明表示伽利略卫星导航系统会在四年后开始运行，但是后来的种种矛盾和问题使得该计划被推迟。

伽利略系统由轨道高度为两千万米的三十颗卫星组成，其中二十七颗为工作星，三颗为备份星。卫星轨道为约两万四千公里的高度，位于三个倾角为五十六度的轨道平面内。至一六年十二月，伽利略已经发射了十八颗工作卫星，并于一七年十二月十三日发射了四颗卫星，在一八年七月二十五日发射了四颗，上溯共计三十颗卫星，后经过调整改为二十四颗工作卫星和六颗备份卫星，到目前为止，所有的工作卫星已经全部发射成功并且以及开始使用和提供服务。

1.2 GNSS发展起因

其实早二十世纪九十年代中期开始，为了结束美国在卫星导航定位以及在时间授予的市场上一边独大的状况，并且为欧盟国家提供大量的就业机会和解决欧洲人口的就业问题，他们就开始为一个称为Global Navigation Satellite System的行业开始投入精力和资源。这一计划首先第一步是将美国卫星导航系统和俄罗斯的GLONASS结合起来，充分利用它们的有点和长处建立的GNSS一号系统，这一系统在建成一直被命名为EGNOS；在这之后欧盟国家会去家里一个新的卫星导航系统，这个系统将在某种意义上彻底脱离GPS卫星导航系统和GLONASS的框架，以一个崭新的形象出现在世人的眼前，这一个系统就是伽利略系统了。

1.3中国GNSS发展初级阶段

对于中国来说，或许换句话说，对于任何一个大国来讲，卫星导航系统都是极其重要的，尤其是对中国来说，卫星导航系统在当今和未来都对社会的发展和进步起到了极其关键的作用，所以对其的建设应该被高度重视，我们国家应该也一直在建设属于我们自己的卫星定位导航系统，当然这一系统应该是具有很高的自己的知识产权的。零零年左右，我国初步的建成了北斗导航系统，并称之为北斗卫星导航实验系统，北斗卫星导航试验系统的建成对中国的GNSS发展可以说是起到了决定性的改变，是我国摇身一变成为了继美俄两国之后的第一个拥有自己国家的独立的卫星导航系统的国家。我国的GNSS系统已经产生里大量的社会价值和商业价值，比如说在测绘行业、水利水电行业、环境保护行业、公共卫生与安全行业皆有所建树，比较有影响力的投入项目是零八年北京奥运会以及汶川地震时的抢险救灾活动。由于全球化的发展趋势和发展需要，我国启动并且建设了北斗卫星导航系统，这一举动在某种程度上更加完善了之前所建设的北斗导航试验系统。

1.4中国GNSS发展现状及未来规划

北斗卫星导航系统是我国为了维护国家国土安全，满足国家经济发展的需求，由中共中央政府支持建造的卫星导航系统，该系统不单单为了全世界提供了非常精准的定位与导航与此同时还制作出了一个极其准确的授时系统。这为国家的基础设施建设提供了不可或缺的力量。

卫星导航系统是公共性的，全球性的，新时代的导航系统的要求一定是海纳百川的，多性能共同存在的，“中国的北斗，世界的北斗”这句话说的就是这一点，我们国家会积极的把我们的劳动成果与创新与各个国家分享和交流，配合上我国的一带一路的发展思路，对于拥有导航系统的国家，我们会和他们互相学习和进步。而对于发展较为缓慢的国家，我们会热心的帮助和支持他们的发展，实现共同发展。

我国政府会和其他国家以及组织之间共同合作，一起为了全球的卫星导航事业贡献出自己的全部力量，更好的去造福全人类。卫星导航系统不是就为了一个国家，一个政权服务的，它一定是公开为全世界服务的，我们研发的多北斗系统不光光体现了它服务全球的不可或缺性和其独一无二的价值，发展路径也随着发展和需求在持续拓宽，甚至可以说，北斗卫星系统在全球卫星导航系统的历史发展上是跨时代的，是极具创新价值的。

北斗卫星导航系统特点有以下几个：首先说北斗卫星导航系统的空间属性，北斗的空间部分是混合星座，这种混合的星座，这种由三种混合星座组成的星座特点在于它相比于其他的卫星导航系统，高轨的卫星会更加的多，这一点的好处在于它更不容易受到来自其信号传播路径上的影响，特别是在纬度较低的地方其抗干扰率表现得更为明显。第二点是北斗卫星导航系统的信息的传播频道很多，多频道的传播信息使得北斗能够更加精确的传递信息，减少了传递产生的一系列问题。最后一点是北斗系统的创新性和融合性，北斗系统创新和融合了导航部分和定位部分以及精准授时等一些列强大有效的功能，事实证明系统兼容与互操作已成为发展趋势。

我国北斗全球导航定位系统也有其战略性的规划，在零零年之前，我国根据当时的社会发展和生产需要，在慢慢探索和研究中定下了其发展的步骤，首先是在零零年年底要将北斗的一号系统面向大家，主要是在中国投入使用，接下去要在一二年建设北斗的二号系统，这一系统的建成主要体现在把它的服务范围拓展到了亚洲太平洋部分。有了上述两部分的基础，我国会在二零年左右进一步将北斗的服务范围拓展至全球。还预期在三五年前后，将北斗改进的更加智能化，在技术上也更加的成熟。

第二章 GNSS系统介绍

2.1 GPS系统组成

GPS从他的空间位置上一般被分成了以下三个部分：

1.空间部分

GPS的空间部分就是由卫星组成的，卫星的分布原则是在地球上任意一个位置在任何时间观测都能够观测到四个或四个以上的卫星（GPS卫星导航定位的原则是要获取当前位置当前时间的地面点的三维坐标，需要4组或以上的未知数我们才能组成正确的误差方程式进行平差）,并能获取在卫星中预存的导航信息。由于信号传递过程中总会产生许多不可避免的误差产生，时间越长，往往GPS卫星导航的精准度就会越低。

2. 地面控制系统

　　地面控制系统就是控制站，我本次毕业设计的研究部分就与这一部分的关联比较大，地面控制系统主要是去获取卫星所发送的信号用的，也是我们去寻求信号来源的地方，往往控制站会利用他们自己的调制解调的方法从卫星中提取出有用的信息去与用户分享，对于它所给出的每一组数，无论是编号还是信噪比等信息都是非常直观的。

3.用户设备部分

用户设备部分普遍上来讲就是GPS的信号接收机，我的通常利用信号接收机得到的是我们自身的所在位置或者是当前精准的时间信息，而这一部分的实现主要是同过我们用户对于卫星的追踪，信息便是通过计算得出的卫星与天线之间的距离调制解调出来之后依照定位运算得来的。

2.2 GPS定位原理

如果我们要了解GNSS先要了解GPS的定位原理，原理其实很简单，就是统计卫星发送信号到接收机接收到之间的时间去乘以光速得到距离，有多个卫星也就得到了多个距离，然后空间平差组成协方差矩阵去处理得到接收机的当下具体位置。为了满足这个运算的先决条件，我们先要知道卫星在空间坐标系中的位置，我们通常参照卫星星历，依据星载时钟记录的时间得到我们所需的卫星的位置。通过简单的乘法我们可以轻易地得出我们的用户接收机和卫星之间的距离，也就是利用信号传输的时间去乘以光的速度得到的距离。当然我们知道由于大气层中电离层中所存在的必然的干扰，由于这一个必然的影响，我们所得到的距离其实是伪距，一个并不是真实距离的数据。如果卫星正处于一个正常的健康的工作状态，这些卫星会不断的发送有零和一组成的伪距也就是二进制伪距来描述它所需要表达的卫星电文。这些电文往往包含了大量的信息比如说卫星星历参数、时钟矫正参数、卫星健康状态等等重要的内容。简单来说导航电文的参数提供出来的就是时间信息，通过利用导航电文给出的这些参数可以计算用户的位置和速度等。

2.3导航电文

导航电文是什么，简单来说，就是一种传递着导航信息的电文，GPS接收机接收到的这种电文往往是由数据码组成的，这种数据码一般来说是五十比特每秒的，它包括了时间信息、电文的序号、一些改正的参数、卫星的位置等等一系列信息。综上所述，导航电文是用户用来定位和导航的数据基础。

2.3.1导航电文格式

导航电文的格式往往是固定的，导航电文一般被分为三个部分，也就是三大数据块，其中每一部分都有每一部分所传递的信息。

第一个数据块叫做时钟数据块，在这个数据块里，被表达出来的信息主要是卫星的一些时间校正的参数和卫星目前的工作状态是不是符合标准等等

卫星信号的第二数据块提供的是其自身的卫星星历参数。卫星星历参数在卫星导航计算的显得极为重要，它便是整个导航计算的核心，所以这一部分的信号一般来说不得有误，否则整个计算结果都是无效的

那么第三个数据块呢？第三个数据块相比之前的两个部分现得就没那么需要严格的及时获取性了，这一部分所体现的大多是一些卫星提供信息之间的改正参数比如说卫星历书参数，电离层校正参数等等，还包括一些卫星健康状态有关的东西在里面。

2.3.2导航电文特征

通常来说用户接收方希望能够在最短的时间内获取卫星时钟改正数据、卫星星历数据等相关数据，来对所对应的卫星进行定位，反而其他数据的获取却没有那么严格的时间要求，总之从整体上来看，对于不同时效性的数据，导航电文都能做到有效的控制和播报。其次，导航电文在给用户提供定位数据的与此同时还给用户提供了相应的系统时间。通常来说，导航电文的基本单位定位相应标准长度的帧，并以此向用户进行发送，系统时间与帧的发送时间是相互对照的，用户是在同一时间接收到系统数据和系统时间的，在一个帧中，导航电文的数据内容和它相应的系统时间并不是在逻辑关系上绝对对应，而是具有其不稳定且复杂的对应关系，所以在每个帧中要给出这一段电文的标识以正确的确定系统时间和数据之间的关系。

2.4 GNSS基准站网络

顾名思义，GNSS基准站网络就是由多个基准站组成的，一般来说，基准站网络内的各个站点均匀分布，实时获取和处理卫星信号并提供实时监控的服务。我们通常称连续运行的多基RTK技术建立的基准站为CORS系统，

第三章 GNSS基准站远程监控软件开发

本软件的研发分为以下几个部分：

3.1软件开发数据

3.1.1卫星信噪比

所谓信燥比，就是S/N0，就是有用信息和其他各种噪声的比值。是对信号噪声的信号信息内容的测量。随着比例的减少，信号淹没在噪声中。信号质量随着信号水平的增强而改进。大多数情况下，不断出现的背景噪声高于GPS信号。当卫星的信号强度特别弱时，从这些观测值计算的位置往往是不精确的。本软件采用5秒更新一次信心并且用GPS，GLONASS和北斗的卫星信号数据共同监控，极大程度上的保证了数据的可靠性。

3.1.2卫星精度因子

卫星精度因子即是DOP，DOP是在进行导航的过程中，通过卫星位置和接收机位置之间的关系计算得来的，通常在我们计算卫星精度因子时，我的得到的结果是一个不那么准确的估算值，这个值并没有将卫星与接收机之间的遮挡物考虑在内，所以会在某种意义上产生许多不可避免的误差，但是在当许多卫星同时工作和测算时，我们通常会有更多的选择面，我们在选择相对遮挡更少的卫星进行测算，解决了GDOP带来的许多麻烦和困扰。

通常来讲，我们所从GOSF中获取的GDOP分为三维位置的几何精度因子、水平几何精度因子、垂直几何精度因子和时间几何精度因子这四个分量。

我们得到的这四个DOP分量分别可以单独计算，但是从他们之间的计算的关系上将，构成他们的协方差矩阵并不独立。

3.1.3UTC时间

我们所说的UTC时间就是协调世界时。许多互联网和万维网已经开始利用协调世界时作为相应衡量的标准。

3.1.4 位置信息

位置信息包括基准站的经纬度、高程以及其所在的坐标系

3.2 NEMA数据

3.2.1NEMA数据信息

基准站通过内网实时向外发布NMEA数据。本次课设的第一个难点在于如何通过IP地址实时获取该数据。基准站实时地向外以每五秒一次的速度发布NEMA数据，为了能够有效的获取数据，采取的方式时使用路由器连接入基准站的内网，采用远程控制的方式连接。NEMA数据包括信息为以下几种:

1、状态信息:状态信息包括航向天线和移动基座天线之间的距离或斜距；相对于真北，以弧度表示的航向或偏航；相对于通过天线天线的水平面，从航向天线到移动基座天线的倾斜或垂直角度。

2、基站位置及其质量:这一部分描述基站位置及其质量，当在航向模式下来自接收器的一个串行端口上需要移动基本天线位置和质量时使用它。

3、SV简报包括跟踪的卫星数量、每颗卫星的PRN号码、卫星所属的卫星系统以及标志指示卫星状态。

4、 UTC时间包括以周为单位的毫秒数组成的GPS时间、GPS周数以及以秒为单位的GPS到UTC时间偏移。

5、 所有SV详细信息包括跟踪的卫星数量、每颗卫星的PRN号码、卫星所属的卫星系统、标志指示卫星状态、以度为单位的超出地平线的高度、以度为单位的来自真北方向的方位角、第一频率的信噪比（SNR）、第二频率的信噪比（SNR）、第三频率的信噪比（SNR）。

6 、DOP信息包括以下几个PDOP、HDOP、VDOP、TDOP

7、LLH： LLH即经度、纬度和高度。

3.2.2 NEMA数据解析

NEMA数据通过IP地址实时获取，以下面所给出数据举例：

$GPGGA,050247.00,3211.11988231,N,11918.11983543,E,2,18,0.7,35.734,M,2.556,M,46.0,0129*79

$GPGSV,10,1,37,1,57,037,49,22,41,092,46,30,35,221,48,7,17,191,45*4A

$GPGSV,10,2,37,8,16,078,39,3,40,123,44,11,45,044,46,28,63,328,47*45

$GPGSV,10,3,37,17,34,296,48,18,30,043,43,19,16,281,39*7B

$GPGSV,10,4,37,50,43,138,39,42,43,138,39,53,-44,000,*50

$GLGSV,10,5,37,88,48,006,45,78,67,227,51,87,15,045,40,77,24,173,39*54

$GLGSV,10,6,37,81,44,290,50,79,38,320,49,65,17,092,39,72,11,049,40*50

$BDGSV,10,7,37,112,35,050,43,125,49,274,48,102,36,233,37,111,45,291,46*52

$BDGSV,10,8,37,124,39,192,47,121,24,124,44,122,19,070,43,101,47,144,41*5C

$BDGSV,10,9,37,110,77,281,45,103,52,196,41,108,74,273,45,113,48,242,45*57

$BDGSV,10,10,37,105,16,253,35,104,33,121,37,107,68,159,46*69

$GPZDA,064522.03,26,05,2019,00,00*69

$GNGSA,A,3,22,7,8,30,1,28,11,18,3,,,,1.2,0.7,1.0*24

$GNGSA,A,3,103,102,110,101,113,108,104,111,105,,,,1.2,0.7,1.0*12

从第一行开始读，第一行的是GPGGA数据，GPGGA第一个数据显示的是UTC时间，接下来四个数据分别显示的是纬度、纬度位置、经度和纬度位置。第六个数据显示的是GPS状态，后面依次显示的是卫星数量、水平精度因子、海拔高度等。

其中第二行到第十一行第一个数组表示这一组数据属于什么，比如GP开头的就是GPS的数据，GL开头的就是GLONASS的数据，BD开头的就是北斗开头的数据。而GSV的阅读方式如下：

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