GPS测速、定姿与授时.ppt

GPS应用技术,1、GPS测速技术 2、GPS测姿技术 3、GPS测向技术 4、GPS测时技术,1、GPS测速技术,基于GPS高精度定位结果,通过位置差分来获取速度; 利用GPS 原始多普勒观测值直接计算速度; 利用载波相位中心差分所获得的多普勒观测值来计算速度。 3 种方法之间有一的联系，源于速度数学定义公式。 不过由于计算思路不同，所利用的观测量也不同，部分方法还作了不同程度的近似假设，所以它们所确定的速度的精度也不同。,位置差分测速法,优点：不需要新的观测值，直接利用定位结果计，简单方便 缺点：是平均速度，时间间隔过长时不准确，不稳定 应用场合：低速载体的速度测定,原理：假设于历元t1和t2测定的载体实时位置分别为X1(t1)和X2(t2)，则其运动速度可简单地表示为：,由此可得载体运行方向的速度为：,多普勒频移测速法,fi为多普勒测速仪所发射的微波频率； g 是载体在运动方向上的速度分量，称之为地速（沿着地球表面运动的速度）； 为运动方向和回波方向之间的夹角； r是载体相对回波方向的径向速度； c为电磁波的传播速度。 如果测得多普勒频移fd，便可解算出载体的航行速度g或r,如果测得多普勒频移fd，便可解算出卫星与用户之间的距离变化率，即 如果大气折射对伪距观测量的影响已改正，则站星伪距观测方程： 考虑卫星钟差可由导航电文给出的参数加以修正，则伪距的时间变率为：,多普勒频移测速原理,多普勒频移测速原理,如果卫星的运动速度已知，则有误差方程： 当同步观测的卫星数大于4时，相应的误差方程组为：,由此得： 上述计算的条件是卫星的运行速度已知（根据导航电文所提供的数据进行计算）。,卫星运行速度计算的实用公式,载波相位中心差分测速法,利用历元t - h 和t + h 的载波相位观测值 1 和3 ,作中心差分, 可以获得历元t 多普勒频移观测值： 其中, h 为采样间隔。然后用它代替原始多普勒频移观测值,三种测速方法的比较分析,静态测试,三种测速方法的比较分析,动态测试 以将原始多普勒频移观测值所确定的速度作为参考,三种测速方法的比较分析,动态测试,三种测速方法的比较分析,动态测试,三种测速方法的比较分析,位置中心差分法和载波相位中心差分法都是假设载体作匀速运动的近似方法，都要求1 Hz甚至更高的采样率，其测速精度主要取决于载波观测值精度和载体运动状态； 原始多普勒频移法比较精确。其速度精度主要取决于多普勒频移观测值的精度，基本不受载体运动状态影响； 载体匀速运动时，位置差分和载波相位中心差分确定的速度的精度基本相同，但稍优于原始多普勒观测值所确定的速度的精度； 非匀速运动时，原始多普勒频移法测速精度最好，载波相位中心差分法次之，位置中心差分法最差。,2、GPS 测姿技术,载体坐标系（BFS) 地平坐标系（LLS),惯导系统（INS）测姿技术,“GPS陀螺仪”：多GPS天线测姿技术,天线布设：只要测出此基线在地理坐标系中的指向（或基线矢量），即可确定俯仰角和航向角，如果再用一个天线位于载体右横轴，形成另一条基线，且两条基线互相垂直，则可测出载体的横滚角，其布局成“L”形。,只要测定两个基线在地理坐标系中的坐标（x1，yl，z1）T和（x2，y2，z2）T，就可以通过如下公式直接计算姿态角：,“GPS陀螺仪”：多GPS天线测姿技术,基线矢量坐标（x2，y2，z2）T绕地理坐标系Z轴旋转，再绕地理坐标系X轴方向旋转得到坐标值（ ） T，横滚角为：,特点： （1）、基线短，各个天线轴之间的距离很近，从几个厘米到几十米之间； （2）、不分基准站和从观测站，每一个天线所在的位置都是未知量； （3）、基线的长度是一般经过精密测量，作为己知值； （4）、利用多天线测姿时，天线安装要求中心严格在一个水平面上，安装技术难度大 。,“GPS陀螺仪”：双GPS天线测姿技术,在一个运动载体的两个不同位置上分别安设GPS信号接收天线，而用GPS载波相位测量求解出运动载体的二维姿态参数。使用两根GPS天线进行运动载体的姿态测定，只能估计出两个姿态角。,L12为A12基线的长度。天线 A1到天线A2的矢量方向可以确定偏航角，天线A2的坐标（L12，0，0），将天线 A1设置为载体坐标系和当地水平坐标系的原点，可以直接计算偏航角和俯仰角：,“GPS陀螺仪”：单GPS天线测姿技术,多天线GPS测姿系统的不足 各个GPS接收机天线延迟、噪声相互独立； 运算量大，实时性难以保证； 天线安装时要求中心严格在一个水平面上，安装技术难度大。,传统姿态是由载体系相对于当地地理坐标系的欧拉角来描述的，即偏航角、俯仰角、横滚角。 利用单天线GPS确定的姿态为伪姿态，与传统姿态不同，由稳定坐标系相对于当地地理坐标系的欧拉角来描述的。 伪偏航角：载体速度矢量在水平面中的投影与地理坐标系的Y轴之间的夹角； 伪横滚角：在稳定坐标系下，Xs轴绕Ys轴转动的角度。,“GPS陀螺仪”：单GPS天线测姿技术,试验结果I,纯GPS 定姿，存在许多飞点，造成定姿错误；,试验结果II,在惯导定姿结果， 可以看到一些不是很光滑的部分。这是由于使用的陀螺精度不高，在一定的时间之后， 利用GPS 重新对惯导系统进行对准造成的。,3、GPS测向技术,GPS单点定位测向,利用单点伪距或相位测量法，分别在不同的GPS采样时刻t1、t2得到船舶的位置，并利用相同的投影法则，将它们投影到同一平面内，由此求得船位分别为P1（x1,y1）、P2（x2,y2），则在t1与t2时间内船舶的方位角为：,单点测向测得是相邻时刻的平均航向，对于高动态的目标，要求测向时刻越短越能反映载体的真实航向； 单点测量还会受到对流层和电离层的影响，测向精度不高。,3、GPS测向技术,GPS干涉测向,关键技术：确定基线的载波模糊度,缺点： 不稳定，在GPS信号受到遮挡时，定姿精度差，甚至不能定姿 采样率低，1hz,不能满足高动态拥护控制周期的要求。,单站测时法： 应用一台GPS接收机在一个已知坐标的观测站上进行测时。 假设于历元t由观测站Ti至观测卫星sj所得伪距 由于站星在协议地球坐标系中的坐标已知，几何距离已知，卫星钟差和大气折射改正可根据导航电文中给出的参数推算，则接收机钟差为,4、GPS测时技术,当观测站坐标已知时，只需观测1颗卫星，即可确定未知钟差差数； 如果观测站坐标未知，则至少同步观测4颗卫星，以便在确定观测站位置的同时，确定接收机钟差； 单站单机测时的目的在于确定用户时钟相对GPS时的偏差，进一步根据导航电文给出的信息，计算相应的协调时（UTC）。,4、GPS测时技术,共视测时法 在两个测站上各设一台GPS接收机，同步观测同一卫星，来测定两用户时钟的相对偏差，达到高精度时间比对的目的。 观测量之差为： 当观测站坐标已知时，两站用户时钟的相对钟差为： 共视法可消除卫星钟差影响，同时卫星轨道误差和大气折射误差也将明显减弱，相对钟差精度较高。 误差大小与观测站间的距离和使用的测距码（P码、C/A码）有关，一般估计测时精度达数十ns。,差分GPS（DGPS）测时法 将差分GPS技术与共视测时法结合起来。