導(dǎo)航系統(tǒng)的PVT解算

導(dǎo)航系統(tǒng)的PVT解算 一 緒論 通常衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)由射頻接收 基帶處理和PVT解算三部分組成 PVT解算 顧名思義 即指用戶(hù)接收機(jī)的位置 速度和時(shí)間解算 接下來(lái)將針對(duì)GPS和GLONASS系統(tǒng)來(lái)講述它們各自PVT解算中的用戶(hù)位置計(jì)算過(guò)程 這也是本人對(duì)該部分的學(xué)習(xí)和總結(jié) 計(jì)算用戶(hù)位置可以采用偽距定位法和載波相位定位方法 后者精度較前者高 但前者比較普遍 以下講述的都是關(guān)于偽距定位的過(guò)程 一 緒論 衛(wèi)星系統(tǒng)的時(shí)間問(wèn)題說(shuō)明 每個(gè)獨(dú)立的衛(wèi)星系統(tǒng)的衛(wèi)星鐘面時(shí)是由與之對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)時(shí)來(lái)設(shè)定的 每個(gè)系統(tǒng)時(shí)又由其相對(duì)應(yīng)的世界協(xié)調(diào)時(shí) UTC 來(lái)設(shè)置的 二 單點(diǎn)定位原理 用戶(hù)可以從衛(wèi)星發(fā)射的星歷數(shù)據(jù)中得到GPS衛(wèi)星的位置 也可以測(cè)量出衛(wèi)星到接收機(jī)的距離 因此用戶(hù)位置就可以確定了 s1 s2 s3分別是二維坐標(biāo)下衛(wèi)星位置 U為用戶(hù)位置 x1 x2 x3為衛(wèi)星到用戶(hù)的距離 從圖上可知 只要知道的三顆衛(wèi)星的位置以及它們到用戶(hù)的距離就可以確定出用戶(hù)的二維位置 三 定位方程 是用戶(hù)測(cè)得的偽距值 只考慮傳統(tǒng)誤差源 除此之外還有固體潮和大洋負(fù)荷等誤差 它可以表示為 令 是傳輸時(shí)間的鐘面時(shí) 則有 其中 是偽距的精確值 為衛(wèi)星位置誤差對(duì)距離的影響 是對(duì)流層延遲誤差 是電離層延遲誤差 是接收機(jī)測(cè)量誤差 是相對(duì)論時(shí)間修正 是衛(wèi)星的時(shí)鐘誤差 是用戶(hù)時(shí)鐘誤差 由于 誤差在數(shù)據(jù)處理中難以模型化消除其影響 所以當(dāng)暫不考慮 和 它們時(shí) 3 2 3 1 三 定位方程 令修正后的偽距為 而 表示成 并把它稱(chēng)為偽距的測(cè)量值 所以式 3 2 可以表示為 3 3 其中 為第i顆衛(wèi)星的位置 為所要求的用戶(hù)位置 為方便討論 通常習(xí)慣將 則確定用戶(hù)位置的方程如下 3 4 四 PVT解算流程 第一步 確定觀(guān)測(cè)時(shí)刻 第二步 提取導(dǎo)航電文 第三步 計(jì)算觀(guān)測(cè)時(shí)刻的衛(wèi)星位置 速度 仰角和傾角 第四步 獲得偽距測(cè)量值 第五步 利用定位方程 計(jì)算各用戶(hù)位置 速度和時(shí)間 第六步 用戶(hù)位置的經(jīng)緯度轉(zhuǎn)換 四 確定觀(guān)測(cè)時(shí)刻 這里的觀(guān)測(cè)時(shí)刻指的是當(dāng)前接收到的導(dǎo)航電文的發(fā)送時(shí)刻 假設(shè)在用戶(hù)端某時(shí)刻 由用戶(hù)接收機(jī)的本地時(shí)間確定 接收到來(lái)自n顆衛(wèi)星 n 4 的導(dǎo)航電文 現(xiàn)在要通過(guò)這n組導(dǎo)航電文確定出用戶(hù)位置 則必須首先知道這n顆衛(wèi)星的位置 由于接收到的導(dǎo)航電文中只提供了某個(gè)參考時(shí)刻時(shí)與衛(wèi)星位置相關(guān)的參數(shù) 所以 要計(jì)算當(dāng)前時(shí)刻的衛(wèi)星位置 就得由用戶(hù)重新確定出與參考時(shí)刻在同一參考時(shí)間系統(tǒng)下的該導(dǎo)航電文的發(fā)送時(shí)刻 即這里提到的觀(guān)測(cè)時(shí)刻 然后計(jì)算出觀(guān)測(cè)時(shí)刻的衛(wèi)星位置 四 確定觀(guān)測(cè)時(shí)刻 觀(guān)測(cè)時(shí)刻可以直接從導(dǎo)航電文中本幀的鐘面時(shí)和捕獲跟蹤所提供的碼片相位得到 GPS系統(tǒng)中 由導(dǎo)航電文的周時(shí)間 TOW 給出了發(fā)送本幀時(shí)刻的衛(wèi)星鐘面時(shí) 根據(jù)捕獲跟蹤所提供出的當(dāng)前時(shí)刻的子幀號(hào) 第幾個(gè)字 第幾個(gè)數(shù)據(jù)位和第幾個(gè)碼片周期 及周期內(nèi)的碼片相位 然后得出發(fā)射時(shí)刻的鐘面時(shí)間 GLONASS系統(tǒng)中 由導(dǎo)航電文 給出了發(fā)送本幀 時(shí)刻的衛(wèi)星鐘面時(shí) 以上求得的是當(dāng)前接收到的導(dǎo)航電文的發(fā)送時(shí)刻的衛(wèi)星鐘面時(shí) 再轉(zhuǎn)換到與參考時(shí)刻同一個(gè)參考時(shí)間系統(tǒng)下 就確定出了該導(dǎo)航電文的觀(guān)測(cè)時(shí)刻 五 提取導(dǎo)航電文 在GPS系統(tǒng)中 要提取出正確的導(dǎo)航電文 需要進(jìn)行如下步驟 第一步 將跟蹤輸出數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為導(dǎo)航數(shù)據(jù)位 第二步 進(jìn)行子幀匹配和奇偶校驗(yàn) 找到子幀的起始位置 第三步 按照導(dǎo)航電文的編碼格式 從各子幀中獲得導(dǎo)航電文 1 GPS系統(tǒng)導(dǎo)航數(shù)據(jù)格式及導(dǎo)航電文提取 一個(gè)超幀包含25頁(yè) 每頁(yè)由5個(gè)子幀構(gòu)成 每個(gè)子幀包含10個(gè)字 每個(gè)字由30個(gè)導(dǎo)航數(shù)據(jù)位構(gòu)成 每個(gè)導(dǎo)航數(shù)據(jù)位包含20個(gè)C A碼周期 每個(gè)C A碼周期有1023個(gè)碼元 其中星歷數(shù)據(jù)包含在子幀1 子幀3中 歷書(shū)數(shù)據(jù) 電離層修正和協(xié)調(diào)世界時(shí)相關(guān)的數(shù)據(jù)包含在子幀4 子幀5中 星歷數(shù)據(jù)用于精確計(jì)算衛(wèi)星位置 歷書(shū)數(shù)據(jù)用于粗略計(jì)算衛(wèi)星位置 1 GPS系統(tǒng)導(dǎo)航數(shù)據(jù)格式及導(dǎo)航電文提取 2 GLONASS系統(tǒng)導(dǎo)航數(shù)據(jù)格式及導(dǎo)航電文提取 在GLONASS系統(tǒng)中 要提取出正確的導(dǎo)航電文 需要進(jìn)行如下步驟 第一步 根據(jù)時(shí)間標(biāo)記 找到幀的起始位置 第二步 剝離明德碼 第三步 將相對(duì)碼變成導(dǎo)航數(shù)據(jù)位 第四步 進(jìn)行漢明碼校驗(yàn) 獲得真正可用的導(dǎo)航數(shù)據(jù) 第五步 按照導(dǎo)航電文的編碼格式 從各字符串中獲得導(dǎo)航電文 2 GLONASS系統(tǒng)導(dǎo)航數(shù)據(jù)格式及導(dǎo)航電文提取 2 GLONASS系統(tǒng)導(dǎo)航數(shù)據(jù)格式及導(dǎo)航電文提取 由圖上的5個(gè)幀組成一個(gè)超幀 長(zhǎng)2 5min 每個(gè)幀長(zhǎng)30s 由15個(gè)字符串組成 每個(gè)字符串的持續(xù)時(shí)間為2s 在每個(gè)幀傳送發(fā)射該導(dǎo)航電文的GLONASS衛(wèi)星的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù) 類(lèi)似GPS中的星歷數(shù)據(jù) 和給定衛(wèi)星的非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù) 類(lèi)似GPS中的歷書(shū)數(shù)據(jù) 每幀的第1 4串含有發(fā)送該導(dǎo)航電文衛(wèi)星的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù) 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)在一個(gè)超幀內(nèi)內(nèi)容是相同的 每幀的第6 15串含有24顆衛(wèi)星的非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù) 第1 4幀含有20顆衛(wèi)星的數(shù)據(jù) 每幀5顆 第5幀含有剩下4顆衛(wèi)星的歷書(shū)數(shù)據(jù) 每顆衛(wèi)星的歷書(shū)占用2個(gè)字符串 同一個(gè)超幀中 每幀第5串含有的非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)是相同的 2 GLONASS系統(tǒng)導(dǎo)航數(shù)據(jù)格式及導(dǎo)航電文提取 每個(gè)字符串分?jǐn)?shù)據(jù)位和時(shí)間標(biāo)記兩大部分 一個(gè)串長(zhǎng)2s 在最后的0 3s傳輸時(shí)間標(biāo)記 時(shí)間標(biāo)記由30個(gè)碼元組成 每個(gè)碼長(zhǎng)10ms 在前1 7s傳輸85個(gè)數(shù)據(jù)位 每個(gè)串中的位序號(hào)按從右至左順序排列 導(dǎo)航數(shù)據(jù)占用第9 84位 漢明碼檢驗(yàn)碼 KX 占用第1 8位 最后1位 第85位 是空閑位 0 其中這85個(gè)數(shù)據(jù)位要先變成相對(duì)碼 再與明德碼模二相加 最后加上0 3s的時(shí)間標(biāo)記 構(gòu)成2s數(shù)據(jù) 字符串的數(shù)據(jù)格式 2 GLONASS系統(tǒng)導(dǎo)航數(shù)據(jù)格式及導(dǎo)航電文提取 最后 這2s的數(shù)據(jù)再由周期為1ms 比特速率為511kbps的PR碼進(jìn)行調(diào)制 相鄰串間利用時(shí)間標(biāo)記MB相互隔離 字符串?dāng)?shù)據(jù)生成過(guò)程如圖所示 字符串?dāng)?shù)據(jù)序列生成過(guò)程 六 計(jì)算衛(wèi)星位置和速度 1 GPS系統(tǒng)中衛(wèi)星位置和速度計(jì)算利用星歷 ephemeris 解算衛(wèi)星位置 過(guò)程如下 a 計(jì)算出發(fā)送時(shí)刻t的衛(wèi)星鐘面時(shí)間 在接收時(shí)刻鎖定到導(dǎo)航電文的某個(gè)數(shù)據(jù)位 然后根據(jù)數(shù)據(jù)位在幀中的位置直接計(jì)算出該數(shù)據(jù)位的鐘面時(shí) 即為該數(shù)據(jù)的發(fā)送時(shí)刻 觀(guān)測(cè)時(shí)刻 t b 將t轉(zhuǎn)換成GPS系統(tǒng)時(shí)間 c 計(jì)算t與初相時(shí) 星歷參數(shù)參考時(shí)間 的時(shí)間差 d 計(jì)算衛(wèi)星的平均角速度n e 計(jì)算平近點(diǎn)角M f 用迭代法計(jì)算偏近點(diǎn)角E g 計(jì)算衛(wèi)星到地心的距離r h 再次修正 i 計(jì)算真近點(diǎn)角v 六 計(jì)算衛(wèi)星位置和速度 j 計(jì)算升交點(diǎn)角距 k 計(jì)算緯度 距離和軌道傾角的修正項(xiàng) i 修正升交點(diǎn)赤徑 m 求出衛(wèi)星在WGS 84坐標(biāo)系下的位置 利用星歷解算衛(wèi)星速度 過(guò)程如下 a 計(jì)算偏近點(diǎn)角變化率 b 計(jì)算升交點(diǎn)角距的變化率 c 計(jì)算經(jīng)校正的緯度 距離和傾角變化率 d 計(jì)算速度分量 e 求出衛(wèi)星在WGS 84坐標(biāo)系下的速度 六 計(jì)算衛(wèi)星位置和速度 利用歷書(shū) almanac 解算衛(wèi)星位置和速度 歷書(shū)數(shù)據(jù)包含在子幀4和子幀5 解算衛(wèi)星位置和速度方法同上 2 GLONASS系統(tǒng)中衛(wèi)星位置和速度計(jì)算 利用即時(shí)數(shù)據(jù)解算衛(wèi)星位置和速度 1 計(jì)算觀(guān)測(cè)時(shí)刻的GLONASS系統(tǒng)時(shí)公式如下 2 采用即時(shí)數(shù)據(jù)計(jì)算衛(wèi)星位置的方法有2種 一般常用方法是利用四階龍貝格 庫(kù)塔方法進(jìn)行積分計(jì)算衛(wèi)星位置 GLONASS衛(wèi)星在地固坐標(biāo)系PZ 90坐標(biāo)系下的加速度簡(jiǎn)略公式如下 六 計(jì)算衛(wèi)星位置和速度 其中 為衛(wèi)星位置 為衛(wèi)星速度 為衛(wèi)星加速度 為了方便后面的介紹 令 具體實(shí)現(xiàn)步驟如下 a 從即時(shí)數(shù)據(jù)中獲取參考時(shí)刻的衛(wèi)星位置參數(shù) 包括位置 速度 加速度 b 確定積分步進(jìn)h 一般取30s或60s c 采用四階龍貝格 庫(kù)塔進(jìn)行積分計(jì)算 每次積分公式如下 六 計(jì)算衛(wèi)星位置和速度 當(dāng)i 1時(shí) 使用和 作為積分初始值 六 計(jì)算衛(wèi)星位置和速度 六 計(jì)算衛(wèi)星位置和速度 衛(wèi)星加速度 它在 15分鐘積分時(shí)間間隔內(nèi)保持不變 所以始終采用參考時(shí)刻的衛(wèi)星加速度 六 計(jì)算衛(wèi)星位置和速度 利用非即時(shí)數(shù)據(jù)解算衛(wèi)星位置和速度 請(qǐng)參考 GLONASS接口控制文件 翻譯稿 A 3 2 七 偽距計(jì)算 1 GPS偽距計(jì)算 粗略偽距 其中 是本地時(shí)鐘測(cè)量出的當(dāng)前 數(shù)據(jù)的接收時(shí)刻 而 是從導(dǎo)航電文中推算出的當(dāng)前數(shù)據(jù)的 發(fā)射時(shí)刻 即之前提到的觀(guān)測(cè)時(shí)刻 這個(gè)偽距值是不精確的 它應(yīng)該進(jìn)行一些修正 即定位方程中提到的對(duì)流層和電離層的修正 由于中已經(jīng)考慮過(guò)了衛(wèi)星時(shí)鐘誤差和相對(duì)論時(shí)間修正 所以這里不再修正這兩項(xiàng)了 GPS中對(duì)流層修正 在GPS系統(tǒng)中 最常用的模型有Hopfield模型和Black模型 下面介紹程序中所使