GPS衛(wèi)星導(dǎo)航工作

1、GPS衛(wèi)星導(dǎo)航工作第六章 GPS 6.1 概述概述 6.2 GPS衛(wèi)星導(dǎo)航原理衛(wèi)星導(dǎo)航原理 6.3 GPS用于測速、測時(shí)、測姿態(tài)用于測速、測時(shí)、測姿態(tài) 6.4 GPS 6.5 精密單點(diǎn)定位技術(shù)精密單點(diǎn)定位技術(shù)6.1 概述概述 導(dǎo)航的定義：導(dǎo)航的定義：所謂導(dǎo)航，就是引導(dǎo)航行的意思；也就是確定航行體運(yùn)動(dòng)到什么地方和向何方運(yùn)動(dòng)的意思。 導(dǎo)航的首要問題導(dǎo)航的首要問題就是確定航行體的即時(shí)位置。另外，為現(xiàn)代載體提供精確的導(dǎo)航信息，還需要測定載體的瞬間速度，精確的時(shí)間，運(yùn)動(dòng)載體的姿態(tài)等狀態(tài)參數(shù)，進(jìn)而“導(dǎo)引”該運(yùn)動(dòng)載體準(zhǔn)確地駛向預(yù)定的位置。由此可見，導(dǎo)航是一種廣義的動(dòng)態(tài)定位。 衛(wèi)星導(dǎo)航：衛(wèi)星導(dǎo)航：即用導(dǎo)航衛(wèi)星

2、發(fā)送的導(dǎo)航定位信號引導(dǎo)運(yùn)動(dòng)載體安全到達(dá)目的地的一門新興科學(xué)。 GPSGPS導(dǎo)航的特點(diǎn)導(dǎo)航的特點(diǎn)：用戶多樣、速度多樣、定位實(shí)時(shí)、數(shù)據(jù)和精度多變6.2 GPS衛(wèi)星導(dǎo)航原理衛(wèi)星導(dǎo)航原理 從目前GPS導(dǎo)航的應(yīng)用看，主要分以下幾種方法：（1 1）單點(diǎn)動(dòng)態(tài)定位）單點(diǎn)動(dòng)態(tài)定位 它是用安設(shè)在一個(gè)運(yùn)動(dòng)載體上的GPS接收機(jī)，自主地測得該運(yùn)動(dòng)載體的實(shí)時(shí)位置，從而描繪出運(yùn)動(dòng)載體的運(yùn)行軌道。所以單點(diǎn)動(dòng)態(tài)定位又叫做絕對動(dòng)態(tài)定位。 （2 2）實(shí)時(shí)差分動(dòng)態(tài)定位）實(shí)時(shí)差分動(dòng)態(tài)定位 它是用安設(shè)在一個(gè)運(yùn)動(dòng)載體上GPS信號接收機(jī)，及安設(shè)在一個(gè)基準(zhǔn)站之間的另一臺(tái)GPS接收機(jī)，聯(lián)合測得該運(yùn)動(dòng)載體的實(shí)時(shí)位置，從而描繪出該運(yùn)動(dòng)載體的運(yùn)行軌道

3、，故差分動(dòng)態(tài)定位又稱相對動(dòng)態(tài)定位。 （3 3）后處理差分動(dòng)態(tài)定位）后處理差分動(dòng)態(tài)定位 它和實(shí)時(shí)差分動(dòng)態(tài)定位的主要差別在于，在運(yùn)動(dòng)載體和基準(zhǔn)站之間，不必像實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位那樣建立實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸，而是在定位觀測以后，對兩臺(tái)GPS接收機(jī)所采集的定位數(shù)據(jù)進(jìn)行測后的聯(lián)合處理，從而計(jì)算出接收機(jī)所在運(yùn)動(dòng)載體在對應(yīng)時(shí)間上坐標(biāo)位置。6.2.1 單點(diǎn)動(dòng)態(tài)定位的基本方程為:12222jjjjuuuXXYYZZd（61） 利用上式解算用戶位置時(shí)，不是直接求它的三維坐標(biāo)，而是求各個(gè)坐標(biāo)分量的修正量，即給定用戶三維坐標(biāo)的初始值（Xu,Yu,Zu），而求解三維坐標(biāo)的改正值（Xu,YuZu）。d是由于接收機(jī)時(shí)鐘誤差等因素所引起的站

4、星距離偏差。6.2 GPS衛(wèi)星導(dǎo)航原理衛(wèi)星導(dǎo)航原理 6.2 GPS衛(wèi)星導(dǎo)航原理衛(wèi)星導(dǎo)航原理 對上式中Xu，Yu，Zu分別微分，便得到線性方程： 0000000000000000000000001111112122223333334444441111uuuuuuuuuuuuuuuXXYZXXYZZZXXYXZZXXYXZZXXYXZX其中AT1XAB（ 6 2 ）0000000011223344B對應(yīng)第j顆衛(wèi)星的偽距觀測值0j6.2 GPS衛(wèi)星導(dǎo)航原理衛(wèi)星導(dǎo)航原理 6.2.2 實(shí)時(shí)差分動(dòng)態(tài)定位 6.2 GPS衛(wèi)星導(dǎo)航原理衛(wèi)星導(dǎo)航原理 所謂差分動(dòng)態(tài)定位所謂差分動(dòng)態(tài)定位（DGPS），就是用兩臺(tái)接收機(jī)

5、在兩個(gè)測站上同時(shí)測量來自相同GPS衛(wèi)星的導(dǎo)航定位信號，用以聯(lián)合測得動(dòng)態(tài)用戶的精密位置。 其中一個(gè)測站是位于已知坐標(biāo)點(diǎn)，設(shè)在該已知點(diǎn)（又稱基準(zhǔn)點(diǎn)）的GPS信號接收機(jī)，叫做基準(zhǔn)接收機(jī)。它和安裝在運(yùn)動(dòng)載體上的GPS信號接收機(jī)（簡稱為動(dòng)態(tài)接收機(jī)）同時(shí)測量來自相同GPS衛(wèi)星的導(dǎo)航定位信號?；鶞?zhǔn)接收機(jī)所測得的三維位置與該點(diǎn)已知值進(jìn)行比較，便可獲得GPS定位數(shù)據(jù)的改正值。 如果及時(shí)將GPS改正值發(fā)送給若干臺(tái)共視衛(wèi)星用戶的動(dòng)態(tài)接收機(jī)，而改正后者所測得的實(shí)時(shí)位置，便叫做實(shí)時(shí)差分動(dòng)態(tài)定位。 差分動(dòng)態(tài)定位 6.2 GPS衛(wèi)星導(dǎo)航原理衛(wèi)星導(dǎo)航原理 6.2 GPS衛(wèi)星導(dǎo)航原理衛(wèi)星導(dǎo)航原理 kkkkkrrk6.2 GPS

6、衛(wèi)星導(dǎo)航原理衛(wèi)星導(dǎo)航原理 jrjkddjrjk11jrjk22rkjkjkjrkjkjrjkdZZYYXXddc21222)(當(dāng)動(dòng)態(tài)用戶遠(yuǎn)離基準(zhǔn)站在當(dāng)動(dòng)態(tài)用戶遠(yuǎn)離基準(zhǔn)站在1000km1000km以內(nèi)時(shí)，則有以內(nèi)時(shí)，則有: :故上式變?yōu)椋汗噬鲜阶優(yōu)椋簉krddcd則基準(zhǔn)則基準(zhǔn)/動(dòng)態(tài)接收機(jī)的鐘差之差所引起的距離偏差為：動(dòng)態(tài)接收機(jī)的鐘差之差所引起的距離偏差為：如果基準(zhǔn)/動(dòng)態(tài)接收機(jī)各觀測了4顆GPS衛(wèi)星，則按上式列出4個(gè)方程式，可解出4個(gè)未知數(shù)（Xk，Yk，Zk，dr）。6.3 GPS用于測速、測時(shí)、測姿態(tài)用于測速、測時(shí)、測姿態(tài) ， 1. GPS1. GPS測速測速 即是利用GPS信號測得運(yùn)動(dòng)載體的運(yùn)

7、動(dòng)速度。盡管載體的運(yùn)行速度各不一樣，且不是勻速運(yùn)動(dòng)。但是，只要在這些運(yùn)動(dòng)載體上安設(shè)GPS信號接收機(jī)，就可以進(jìn)行動(dòng)態(tài)定位的同時(shí)，實(shí)時(shí)的測得它們的運(yùn)行速度。2. GPS2. GPS干涉儀載體姿態(tài)測量干涉儀載體姿態(tài)測量 GPS干涉儀包括兩個(gè)在距離上分離的天線，通過測量多顆衛(wèi)星在兩個(gè)天線上的載波相位差，可解得兩個(gè)天線組成的基線矢量。由三個(gè)線性無關(guān)的干涉儀便可測的載體的三個(gè)姿態(tài)角。6.3 GPS用于測速、測時(shí)、測姿態(tài)用于測速、測時(shí)、測姿態(tài) 5ns ， 3. GPS3. GPS定時(shí)定時(shí) GPS衛(wèi)星都安裝有四臺(tái)原子時(shí)鐘，GPS時(shí)間受到美國海軍天文臺(tái)經(jīng)常性的監(jiān)測。GPS系統(tǒng)的地面主控站能夠以優(yōu)于 的精度，使G

8、PS時(shí)間和世界協(xié)調(diào)時(shí)UTC之差保持在 以內(nèi)。此外，GPS衛(wèi)星還向用戶播發(fā)它自己的鐘差、鐘速等時(shí)鐘參數(shù)，加之利用GPS信號可以測得站址的精確位置。 GPSGPS定時(shí)的目的定時(shí)的目的：測定用戶時(shí)鐘相對于GPS時(shí)間的偏差，并依據(jù)GPS衛(wèi)星導(dǎo)航電文的有關(guān)參數(shù)，計(jì)算出世界協(xié)調(diào)時(shí)UTC。 GPSGPS信號進(jìn)行時(shí)間傳遞，采用兩種方法：信號進(jìn)行時(shí)間傳遞，采用兩種方法： (1)一站單機(jī)定時(shí)法：即在一個(gè)已知位置測站上，用一臺(tái)GPS接收機(jī)觀測一顆GPS衛(wèi)星，從而測定用戶時(shí)鐘的偏差。 (2)共視比對定時(shí)法：即在兩個(gè)測站上各安設(shè)一臺(tái)GPS接收機(jī)，在相同時(shí)間內(nèi)，觀測同一顆GPS衛(wèi)星，而測定用戶時(shí)鐘的偏差。1 s6.4 G

9、PS衛(wèi)星導(dǎo)航方法衛(wèi)星導(dǎo)航方法 ， 6.4.1 6.4.1 基本概念：基本概念： 對于任何某一具體導(dǎo)航過程，首先必須確定本次航行的起始點(diǎn)、目的點(diǎn)以及航行計(jì)劃路徑。路徑的標(biāo)定一般是用一系列均勻分布于路徑上的坐標(biāo)點(diǎn)來確定(航路點(diǎn))。具體過程：具體過程： 在航行過程中，GPS定位系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)提供給航行體位置信息(坐標(biāo))結(jié)合計(jì)算機(jī)中存儲(chǔ)的航行路徑中各航路點(diǎn)位置信息，可計(jì)算出各種可用來糾正航行偏差、指導(dǎo)正確航行方向的制導(dǎo)參數(shù)。利用制導(dǎo)參數(shù)，可計(jì)算出航行體的操縱指令，再通過控制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)航行的自動(dòng)化。6.4 GPS衛(wèi)星導(dǎo)航方法衛(wèi)星導(dǎo)航方法 ， 6.4.2 6.4.2 單機(jī)導(dǎo)航單機(jī)導(dǎo)航 即在航行體上僅裝配一

10、臺(tái)GPS接收機(jī)，單獨(dú)實(shí)施導(dǎo)航。 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)： 操作和使用非常簡單，價(jià)格也便宜，且具有全天候、全球性、較高精度及實(shí)時(shí)三維定位和測速能力。 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)： 眾多情況下，單機(jī)導(dǎo)航還需配備適當(dāng)?shù)妮o助設(shè)備，以保證導(dǎo)航的安全可靠性。如船只航行測實(shí)時(shí)位置的同時(shí)還要實(shí)施測定水深等。6.4 GPS衛(wèi)星導(dǎo)航方法衛(wèi)星導(dǎo)航方法 ， 差分差分GPSGPS導(dǎo)航導(dǎo)航 由于SA政策降低了使用C/A碼的民用用戶的精度，因而就提出了如何提高民用定位精度的問題，差分GPS就是適應(yīng)這一要求而產(chǎn)生的。 工作原理工作原理 在地面已知位置設(shè)置一個(gè)地面站，地面站由一個(gè)GPS差分接收機(jī)和一個(gè)差分發(fā)射機(jī)組成。差分接收機(jī)接收衛(wèi)星信號，監(jiān)測GPS差分

11、系統(tǒng)的誤差，并按規(guī)定的時(shí)間間隔把修正信息發(fā)送給用戶，用戶用修正信息校正自己的測量或位置解。6.4 GPS衛(wèi)星導(dǎo)航方法衛(wèi)星導(dǎo)航方法 ， 差分差分GPSGPS導(dǎo)航的兩種工作方式：導(dǎo)航的兩種工作方式： (1)(1)位置差分法位置差分法 差分接收機(jī)和用戶接收機(jī)一樣，通過偽距測量確定自己的位置。把測量確定的位置數(shù)據(jù)和已知位置數(shù)據(jù)比較，即得位置校正量。通過發(fā)射機(jī)把這些位置修正信息發(fā)送給用戶接收機(jī)，用戶接收機(jī)用以校正自己的輸出坐標(biāo)。 (2)(2)偽距差分法偽距差分法 地面接收機(jī)對所有可見衛(wèi)星測量偽距，并根據(jù)星歷數(shù)據(jù)和已知位置計(jì)算用戶到衛(wèi)星的距離，兩者相減得到偽距誤差。把偽距誤差作為修正信息發(fā)送給用戶接收機(jī)，

12、用戶接收機(jī)用來修正自己測量的偽距，然后進(jìn)行定位計(jì)算。 6.4 GPS衛(wèi)星導(dǎo)航方法衛(wèi)星導(dǎo)航方法 ， 6.4.4 GPS/6.4.4 GPS/慣性綜合導(dǎo)航慣性綜合導(dǎo)航 GPSGPS全球定位系統(tǒng)全球定位系統(tǒng) 一種高精度的全球三維實(shí)時(shí)導(dǎo)航的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，其導(dǎo)航定位的全球性和高精度，使之成為一種先進(jìn)的導(dǎo)航設(shè)備。 不足處：衛(wèi)星星座對地球覆蓋不完善，存在著所謂間隔區(qū)；受飛行器機(jī)動(dòng)影響，出現(xiàn)失鎖，動(dòng)態(tài)誤差大，只能作為輔助導(dǎo)航設(shè)備。 慣性導(dǎo)航系統(tǒng)慣性導(dǎo)航系統(tǒng) 工作完全自主性，應(yīng)用廣泛，成為目前各種航行上應(yīng)用的一種主要導(dǎo)航設(shè)備。 不足處：導(dǎo)航定位誤差隨時(shí)間增長，因而難以長時(shí)間的獨(dú)立工作。 GPS/GPS/慣性綜合

13、導(dǎo)航，克服各自缺點(diǎn)，取長補(bǔ)短。慣性綜合導(dǎo)航，克服各自缺點(diǎn)，取長補(bǔ)短。 6.4 GPS衛(wèi)星導(dǎo)航方法衛(wèi)星導(dǎo)航方法 ， GPS/GPS/慣性綜合導(dǎo)航優(yōu)點(diǎn)慣性綜合導(dǎo)航優(yōu)點(diǎn) (1)對慣導(dǎo)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)慣性傳感器的校準(zhǔn)、慣導(dǎo)系統(tǒng)的空中對準(zhǔn)、慣導(dǎo)系統(tǒng)高度通道的穩(wěn)定等，從而可以有效地提高慣導(dǎo)系統(tǒng)的性能和精度 (2)對GPS全球定位系統(tǒng)，慣導(dǎo)系統(tǒng)的輔助可以提高其跟蹤衛(wèi)星的能力，提高接收機(jī)的動(dòng)態(tài)特性和抗干擾性。 (3)實(shí)現(xiàn)GPS完整性的檢測，提高了可靠性。 (4)可實(shí)現(xiàn)一體化，把GPS接收機(jī)放入慣導(dǎo)部件中，使系統(tǒng)的體積、重量和成本都可以減小，且便于實(shí)現(xiàn)慣導(dǎo)和GPS的同步，減小非同步誤差。6.4 GPS衛(wèi)星導(dǎo)航方法衛(wèi)

14、星導(dǎo)航方法 ， GPS/GPS/慣性綜合系統(tǒng)分類慣性綜合系統(tǒng)分類 1.1.松散綜合：松散綜合：這是一種低水平的綜合，主要特點(diǎn)是GPS和慣導(dǎo)仍獨(dú)立工作，綜合作用僅表現(xiàn)在用GPS輔助慣導(dǎo)。 (1)(1)用用GPSGPS重調(diào)慣導(dǎo)重調(diào)慣導(dǎo)用GPS給出的位置、速度信息直接重調(diào)慣導(dǎo)系統(tǒng)的輸出把慣導(dǎo)和GPS輸出的位置和速度信息進(jìn)行加權(quán)平均。(2)(2)用位置、速度信息綜合用位置、速度信息綜合這是采用綜合卡爾曼濾波器的一種綜合模式。用GPS和慣導(dǎo)輸出的位置和速度信息的差值作為量測值，經(jīng)綜合卡爾曼濾波，估計(jì)慣導(dǎo)系統(tǒng)的誤差，然后對慣導(dǎo)系統(tǒng)進(jìn)行校正。6.4 GPS衛(wèi)星導(dǎo)航方法衛(wèi)星導(dǎo)航方法 ， GPS/GPS/慣性綜

15、合系統(tǒng)分類慣性綜合系統(tǒng)分類 2.2.緊密綜合：緊密綜合：這是高水平的綜合或深綜合，主要特點(diǎn)是GPS接收機(jī)和慣導(dǎo)系統(tǒng)相互輔助。 (1)(1)用偽距、偽距率綜合用偽距、偽距率綜合用GPS給出的星歷數(shù)據(jù)和慣導(dǎo)給出的位置和速度計(jì)算相應(yīng)于慣導(dǎo)位置和速度的偽距和偽距率，具有更高的導(dǎo)航精度。(2)(2)用慣性速度信息輔助用慣性速度信息輔助GPSGPS接收機(jī)環(huán)路接收機(jī)環(huán)路有效地提高環(huán)路的等效帶寬，提高接收機(jī)的抗干擾性，減小動(dòng)態(tài)誤差，提高跟蹤和捕獲性能。(3)(3)用慣性位置和速度信息輔助用慣性位置和速度信息輔助GPSGPS導(dǎo)航功能導(dǎo)航功能 采用卡爾曼濾波技術(shù)，對于高動(dòng)態(tài)接收機(jī)和低動(dòng)態(tài)接收機(jī)，導(dǎo)航濾波器狀態(tài)不同

16、。6.5 精密單點(diǎn)定位技術(shù)精密單點(diǎn)定位技術(shù) ， 原因原因 GPS在測繪中應(yīng)用一般采用相對定位方法，通過組成雙差觀測值消除接收機(jī)鐘差、衛(wèi)星鐘差等公共誤差，以及消弱對流層延遲誤差、電離層延遲等相關(guān)性較強(qiáng)的誤差影響，達(dá)到提高精度的目的。然而，隨著距離的增大，有關(guān)相關(guān)性減弱，則只能采用延長觀測時(shí)間來達(dá)到預(yù)期的精度。 概述概述 非差精密單點(diǎn)定位(PPP)方法是克服相對定位缺點(diǎn)的新方法，該方法能直接得到測站坐標(biāo)，測站與測站之間無距離限制。PPP方法先用全球GPS服務(wù)(IGS)站數(shù)據(jù)計(jì)算衛(wèi)星軌道參數(shù)和鐘差,再采用單點(diǎn)的相位和偽距觀測值進(jìn)行非差定位處理。 ， 精密單點(diǎn)定位應(yīng)顧及的誤差精密單點(diǎn)定位應(yīng)顧及的誤差

17、(1)(1)與衛(wèi)星有關(guān)的誤差與衛(wèi)星有關(guān)的誤差 精密單點(diǎn)定位采用精密星歷以消除衛(wèi)星軌道誤差，對衛(wèi)星鐘差采用鐘差內(nèi)差的方法進(jìn)行改正，同時(shí)還要考慮相對論效應(yīng)、衛(wèi)星天線相位中心偏差的影響。 (2)(2)與接收機(jī)有關(guān)的誤差與接收機(jī)有關(guān)的誤差 包括接收機(jī)鐘差、地球固體潮改正、海洋潮汐改正、地球自轉(zhuǎn)改正等誤差。 (3)(3)與信號傳播有關(guān)的誤差與信號傳播有關(guān)的誤差 包括對流層延遲、電離層延遲改正和多路徑效應(yīng)等誤差。對流層延遲誤差采用數(shù)學(xué)模型進(jìn)行改正，電離層改正采用雙頻觀測值求差消除，多路徑誤差可以采用長時(shí)間觀測及小波分析等方法消除或減弱。6.5 精密單點(diǎn)定位技術(shù)精密單點(diǎn)定位技術(shù) ， 精密單點(diǎn)定位數(shù)據(jù)處理步驟精密單點(diǎn)定位數(shù)據(jù)處理步驟 (1)(1)初始化初始化 進(jìn)行實(shí)時(shí)非差精密單點(diǎn)定位時(shí)，首先利