本章首先介绍GPS 全球卫星定位系统的基本概念、当前在国内外的应用现状和展望，并由此指出本论文选题的意义；最后介绍本论文的结构安排。
1.1 课题背景
1.1.1 GPS 简介及在各个方面的应用
GPS 是英文Navigation Satellite Timing and Ranging/Global Position System 的字头缩写词NAVSTAR/GPS 的简称。它的含义是，利用导航卫星进行测时和测距，构成全球定位系统。GPS 全球卫星定位系统从提出到建成，经历了20 年，到1994 年24 颗工作卫星进入预定轨道，系统全面投入运行。GPS 系统因其应用价值极高，所以得到美国政府和军队的重视，不惜投资300 亿美元来建立这一工程，成为继阿波罗登月计划和航天飞机计划之后的第三大空间计划[1]。
GPS 系统的空间部分由24 颗卫星组成，均匀分布在6 个仰角为55 度的轨道面上。GPS 系统的利用者接收卫星发送的扩频信号，测量电波传播时间求出卫星到接收机天线的距离，利用空间三球相交一点的原理，解算以接收机位置为未知数的方程，从而确切知道接收机的位置，也就是说，只需接收到3 颗卫星的信号，就能确定用户的二维（经度、纬度）位置。
美国政府在进行GPS 系统设计时，计划提供两种服务。一种为标准定位服务—SPS，利用粗测/捕获码（C/A 码）定位，预计精度约为400m，提供民间用户使用。另一种为精密定位服务——PPS，利用精密码（P 码）定位，精度达到10m，提供给军方和得到特许的用户使用。但在GPS 实验卫星应用阶段，多次
实验表明，实际定位精度远高于此值，利用C/A 码定位精度可达到15~40m，利用P 码定位精度可达3m。为了维护美国自身利益，美国国防部在GPS 系统中加入了SA（Selective Availability）政策——选择可用性政策，人为地将误差引入卫星时钟和卫星数据中，降低GPS 的定位精度，以防止未经许可的用户把GPS 用于军事目的。采用SA 政策后的GPS 系统C/A 码定位，水平定位精度为100 米，垂直测量精度为157 米。美国国防部常年对SA 政策进行测量，并根据形势和要求对部分和全部卫星取消SA 政策。SA 政策的引入，在一定程度上限制了GPS的应用，为了提高定位精度，人们研究和发展出差分GPS 技术——DGPS
（Differential GPS）。但是，DGPS 系统需要建立相应的差分基准站和监测站，造价昂贵。随着GPS 应用的不断发展，GPS 广大用户要求取消SA 政策的呼声越来越高，考虑到庞大的GPS 应用市场，美国政府最终于2000 年5 月1 日取消了SA 政策。
2000 年以后，以波音公司为首，休斯空间和通信公司、计算机科学公司(CSC)、洛克西德马丁管理与数据系统(M&DS)和雷声公司开始研究开发新一代的全球定位系统——GPS III。GPS III 的结构将基于现有的卫星导航系统，并将开发出具有创新结构的新的GPS 系统。
实践证明，全球定位系统具有性能好、精度高、应用广的特点，是迄今最好的导航定位系统，从根本上解决了定位和导航的问题。早在1990 年的海湾战争中，尽管系统还未全部建成，它为美军及其盟军部队轰炸、炮击敌军目标，引导部队穿越沙漠战斗等方面发挥了重大的作用。
随着GPS 应用研究的不断深入，大量的GPS 用户设备已应用于舰船飞机等运载工具导航和管制、导弹卫星测控、精密授时、大地测量、工程测量、航空摄影测量、地壳运动监测、工程变形监测、资源勘察、地球动力学等诸多方面。近几年来，车辆的跟踪和导航、农业、公安、和旅游等也纳入了GPS 的应用范围。随着全球定位系统的不断改进，硬、软件的不断完善，应用领域正在不断地开拓，目前已遍及各行各业，并开始逐步深入人们的日常生活[1][4][8][12]。
1.1.2 本课题研究背景及目标
全球定位系统技术成熟可靠，设备体积重量不断减小，价格不断下降，现在已经广泛的应用于各个领域，目前已经成为最重要的导航手段之一。
民用C/A 码导航型GPS 接收机是目前在航空、航海以及陆地车辆导航及个人手持式导航领域最广泛采用的导航设备。但是由于各种误差源的影响，C/A 码导航型GPS 接收机的定位精度始终不能达到P 码接收机的水平。目前典型的C/A码接收机的水平定位精度为15 米，垂直定位精度35 米，且这一偏差是随机量，而不是固定的。这样的定位精度水平应用于个人导航等对精度要求不高的场合是足够了，但是对于飞机导航、车辆监控与导航等高精度应用显然就不能满足用户的要求了。因此，提高GPS 的定位精度成为人们十分感兴趣的研究课题。
目前，可以通过两种方法来减小误差，提高GPS 定位精度：
一是采用差分GPS（DGPS——Differential GPS）技术。就是把高精度的GPS接收机安装在位置已经准确测定的地点组成基站。基站把接收GPS 卫星信号所测定的位置和本站已知位置相比较求得位置测定误差，并将这些误差作为校正值向四周空间广播；基站附近的GPS 用户接收机受到来自基站的校正信号，修正
自身的GPS 测量值，从而达到提高定位精度的目的。最近，
二是通过滤波方法处理GPS 接收机接收到的定位数据，将真实的状态从各种干扰中实时最优的估计出来，达到自主定位的目标。
对比以上两种技术，差分GPS 技术的应用受到基站覆盖面积的限制。为了在更为广阔的区域里提供差分GPS 服务，需要将多个差分基站与一个或多个主站组网，形成广域差分GPS 系统（WAGPS）。但这样做的结果是造成系统庞大复杂，大大增加了投资。另外，用户端还需要添加差分信号接收机，也造成了成本的提高。从战略上来看，差分GPS 因为有发射源，易被敌方干扰甚至摧毁，这是一个潜在的威胁。因此研究提高GPS 定位精度的自主式方法就显得格外重要。这也是利用卡尔曼滤波技术提高GPS 定位精度的研究在国内外都格外受到重视的根本原因[2]。
本论文将着眼于提高GPS 定位精度的需要，介绍国内外以及科大GPS 实验室在GPS 定位技术研究领域的一系列成果，并结合个人的学习、思考和总结，针对GPS 在车辆导航领域的应用特点，提出一种新型、有效、实用的提高GPS定位精度的算法。
1.2 论文安排
本文章节内容将作如下安排。
第一章，《绪论》，简要介绍GPS 的基本概念、当前国内外应用现状；结合实际，分析了研究提高GPS 定位精度的自主式方法的意义。
第二章，《GPS 全球定位系统原理概述及GPS 定位误差分析》，从GPS 系统的基本概念出发，简要介绍GPS 定位原理以及各种误差因素对GPS 定位精度的影响。本章是后续内容的理论基础之一。
第三章，《GPS 在车辆导航与监控系统中的应用》，将以中国科学技术大学GPS实验室开发的车辆导航系统为例，简要介绍车辆导航系统的概念和原理，以及GPS 在车辆导航系统中的作用。本章是后续内容的应用背景之一。
第四章，《卡尔曼滤波器在GPS 定位滤波中的应用》，简述卡尔曼滤波理论以及目前国内外文献对卡尔曼滤波器在GPS 定位滤波中的应用的研究成果。本章是后续内容的理论基础之一。
第五章，《带道路约束条件的GPS 定位滤波方法》，本章是全文的重点之一。着眼于GPS 在导航系统中的应用，提出了道路约束条件的概念，推导了带道路约束条件的卡尔曼滤波递推算法。仿真和实测轨迹的滤波实验结果，证明了该方法简单易行，而且确实能够在一定程度上提高GPS 定位精度，改善GPS 定位导航效果。
第六章，《带速度方向约束条件的GPS 定位滤波方法》，本章是全文的重点之一。在第五章的基础上，研究了无法获得道路约束条件情况下的GPS 定位导航问题。考虑了载体的一般运动规律，提出了速度方向约束条件这一概念，建立起了一个完整的GPS 定位导航滤波新方法。实测轨迹的滤波实验结果证明，这一方法相对于普通的带速度观测量的GPS 定位滤波算法，无论在稳定性还是在精确度上都有一定程度的提高。而且相对于带道路约束条件的卡尔曼滤波算法来说，适用范围也相应的拓宽了。
第七章，《结束语》，对本文的内容进行了总结，提出了后续工作的研究内容和研究方向。
