gps原理第五章解析.ppt

第六章GPS卫星导航 本章内容 6 1概述导航的意义 导航的方法 应用前景 6 2GPS卫星导航原理单点动态导航 伪距差分动态定位 动态载波相位差分测量 6 3GPS用于测速 测时 测姿态GPS测速 GPS定时 GPS干涉仪进行载体姿态测量 6 4GPS卫星导航方法GPS导航方法 GPS单机导航 差分GPS导航 GPS 惯性综合导航 6 5精密单点定位技术 6 1概述 导航的意义 确定并引导运载体从一个地点航行到另一个地点的过程 包括航行中测定并提供载体位置 航速 航向 时间以及载体姿态等信息 导航方法 天文导航 无线电导航 惯性导航 卫星导航等 卫星导航的特点及应用 全天候 全球 实时 七维状态参数 三维姿态参数 导航的概念首先起源于航海事业 其最初的含义是引导运载体从一个地点航行到另一个地点的过程 导航的首要问题就是确定航行体的即时位置 还要测定其速度 时间 姿态等状态参数 由此可见 导航是一种广义的动态定位 卫星导航是用导航卫星发射的导航定位信息引导运动载体安全到达目的地的一门新兴科学 GPS在导航领域的应用 有着比GPS静态定位更为广阔的前景 导航的概念首先起源于航海事业 其最初的含义是引导运载体从一个地点航行到另一个地点的过程 随着时代的变迁 各种标志着近代 现代科学技术的众多的运载工具 诸如 飞机 火箭 导弹 核潜艇 海洋地球物理调查船 巨型货轮 人造卫星 宇宙飞船等的相继出现也大大扩展了 导航 的概念 除了保证航行安全外 还需要为载体或者载体中的监视 测量 装备等系统提供精确的导航信息 这样在不同的领域先后出现了许多导航体制与导航仪表 除了最古老的推算船位导航术外 还有天文导航 无线电导航 惯性导航 卫星导航等 导航的首要问题就是确定航行体的即时位置 还要测定其速度 时间 姿态等状态参数 由此可见 导航是一种广义的动态定位 卫星导航是用导航卫星发射的导航定位信息引导运动载体安全到达目的地的一门新兴科学 导航的发展和概念 GPS卫星所发出的导航定位信号 是一种可供无数用户共享的空间信息资源 陆地 海洋和空间的广大用户 只要持有一种能够接受 跟踪 变换和测量GPS信号的接收机 就可以全天候和全球性的测量运动载体的七维状态参数 三维坐标 三维速度 时间 和三维姿态参数 其用途之大 影响之大 是任何其他接收装备望尘莫及的 GPS在导航领域的应用 有着比GPS静态定位更为广阔的前景 与GPS静态定位相比较 GPS导航具有 用户多样 速度多变 定位实时 数据和精度多变等特点 因此 应该依据GPS动态测量的这些特点 选购适宜的接收机 采用适当的的数据处理方法 以便获得所要求的运动载体的七维状态参数和三维姿态参数的测量精度 GPS在导航中的应用 天文导航 一 恒星的位置与星下点1 恒星的天球坐标 2 天球坐标转换为地球坐标 LB 二 船位与星下点的距离测量三 用船与星下点的距离交绘出船的位置 一 恒星的位置与星下点测量时间确定星下点位置测量船与两个星下点的距离 交会出船的位置 N S P1 P2 S1 S2 船 赤道 Zz x y y x o 二 船位与星下点的距离测量测量恒星的垂直角 计算天顶距Z 90 船与星下点的距离用角度Z所对的圆弧度量 1分为1海里 即1 852km 三 用船与星下点的距离交绘出船的位置 无线电导航 海岸上设立两个以上的无线电发射电台船上的接收机测量船与电台的距离或距离差 交会出船的位置 陆地 海洋 S1 S2 S3 6 2GPS卫星导航原理 GPS导航是一种广义的GPS动态定位 从目前的应用看来 主要分为以下几种方法 1 单点动态定位 2 实时差分动态定位 3 后处理差分动态定位 用于摄影测量 6 2GPS卫星导航原理 GPS单点动态定位单点动态定位是用安设在一个运动载体上的GPS信号接收机 自主地测得该运动载体的实时位置 从而描述出该运动载体的运动轨迹 所以单点动态定位又叫绝对动态定位 例如 行驶的汽车和火车 常用单点动态定位 GPS实时差分动态定位实时差分动态定位是用安设在一个运动载体上的GPS信号接收机 及安设在一个基准站上的另一台GPS接收机 联合测得该运动载体的实时位置 从而描述出该运动载体的运行轨迹 故差分动态定位又称为相对动态定位 例如 飞机着陆和船舰进港 一般要求采用实时差分动态定位 以满足它们所要求的较高定位精度 6 2GPS卫星导航原理 GPS后处理差分动态定位后处理差分动态定位和实时差分动态定位的主要差别在于 在运动载体和基准站之间 不必像实时差分动态定位那样建立实时数据传输 而是在定位观测以后 对两台GPS接收机所采集的定位数据进行测后的联合处理 从而计算出接收机所在运动载体在对应时间上的坐标位置 例如 在航空摄影测量时 用GPS信号测量每一个摄影瞬间的摄站位置 就可以采用后处理差分动态定位 6 2 1单点动态定位原理 原理 由单点动态定位基本方程输入动态用户接收机的初始三维坐标值后 进行线性化 列出伪距观测值的误差方程式 解算接收机瞬时位置 6 2 2伪距差分动态定位 原理 一台接收机在基准站上 另一台接收机为动态用户接收机 对卫星同步观测 基准接收机测得三维位置与该点已知值比较得改正数 及时将改正数发给动态接收机 动态接收机改正所测得位置 叫实时差分动态定位 6 2 3动态载波相位差分测量 cm级位置精度 设t1为初始时刻 t为任意时刻 r为基准站接收机 i为动态接收机 T为接收机时间与GPS标准时间之差 j0为参考卫星 则载波相位动态双差分方程为式 6 10 式中 t时运动机星间差分 t时基站星间差分 t1时运动机星间差分 t1时基站星间差分 站间t t1双差分 若动态用户初始位置已知 则上式右边第二项为0 设左边为 两边同乘以c f 上式变为 6 3GPS用于测速 测时 测姿态 GPS测速 利用GPS信号测得运动载体的运动速度 根据定位原理方程 由站星距离的变化率 可以导出运动载体的运行速度 由伪距定位方程对时间求导 6 3GPS用于测速 测时 测姿态 GPS定时 1 GPS时间精度 与UTC之差 1 s 2 时间比对方法 1 一站单机定时法 原理见右图示 2 共视比对定时法 a 卫星时钟 b GPS时间 c 用户时钟 发射时刻 到达标准时刻 到达时刻 GPS定时 共视比对两个测站上各安置一台接收机在相同的时间内观测同一卫星 测定用户时钟钟差 右图 先分别计算每个测站时钟偏差 再计算两个测站时钟之间的钟差 可以消除或减弱卫星钟差和星历误差 A B测站共视时间比对 A B 数据传输 GPS卫星 测姿态 如右图 载体上4付天线和一台GPS接收机组成测姿系统 天线构成四边形 组成三个线性无关的干涉仪 对应于三个基线AB AC AD 定义惯性坐标系和载体直角坐标系 通过观测并解算基线 求两坐标系的旋转角从而得出载体的姿态变化 确定载体的航向 俯仰 横滚角 Z X为前进方向 6 4GPS卫星导航方法 1 GPS导航方法基本概念2 GPS单机导航3 差分GPS导航 DGPS 1 位置差分 RTP 2 伪距差分 RTD 4 GPS 惯性综合导航 6 4 1GPS导航方法基本概念 导航的任务是引导航行体自起始点出发沿着预定的航线 经济而安全地到达目的地 对于任何某一具体的导航过程 首先必须确定本次航行的起始点 目的点以及航行计划路径 路径的标定一般是用一系列均匀分布与路径上的坐标点来确定 这些坐标点就叫航路点 经常地测定在航行中的航行体位置 是完成导航任务的一个重要课题 因为引航人员需要随时体了解航行已经到达的位置 以便掌握航行体的运动状态 判明其有无偏离预定的航线 偏离的程度如何 GPS定位系统能够实时提供给航行体位置信息 结合计算机中存储的航行路径中各航路点位置信息 可以计算出各种可用来校正航差 指导正确的航行方向的制导参数 GPS卫星导航中的常用方法包括 GPS单机导航 差分GPS导航 GPS 惯性综合导航 6 4 2GPS单机导航 顾名思义 单机就是在航行体上仅装配一台C用接收机 单独实施导航 如在地质勘探 资源调查 船只航行 汽车导航等方面 得到广泛应用 因为一台GPS接收只要能接收到4颗以上的卫星信号便可测定出所处的位置 因此操作和使用非常简单 价格也便宜 且具有全天候 全球性 较高精度及实时三维定位和测速能力 但是在众多阶情况下 单机导航还需配备适当的辅助设备 以保证导航的安全可靠性 如船只航行不仅要确定船的实时位置 还必须实时测定水深 才不致使船只触礁而能够安全的航行 又如汽车导航时 当汽车行驶在高层建筑的街道或林荫道上 可能GPS接收机接收不到足够的卫星数以满足定位的需要 一般在汽车上还要配备电子罗盘 结合速度计和相应软件 来实现不能实施GPS定位情况下的连续定位导航工作 在陆地车辆的导航中 还经常配备电子地图 交通信息库和智能选线功能 以帮助驾驶员安全 快速地到达目的地 6 4 3差分CPS导航 由于使用C A码的民用用户的定位精度低 因而就提出了如何提高民用定位精度的问题 差分GPS就是适应这一要求而产生的 其原理如图10 3所示 在地面已知位置设置一个地面站 地面站由一个GPS差分接收机和一个差分发射机组成 差分接收机接收卫星信号 监测GPS差分系统的误差 并按规定的时间间隔把修正信息发送给用户 用户用修正信息校正自己的测量或位置解 差分GPS导航有两种工作方式 1 位置差分法差分接收机和用户接收机一样 通过伪距测量确定自己的位置 把测量确定的位置数据和已知位置数据比较 即得位置校正量 X Y Z 通过发射机把这些位置修正信息发送给用户接收机 用户接收机用以校正自己的输出坐标 差分原理图 2 伪距差分法地面接收机对所有可见卫星测量伪距 并根据星历数据和已知位置计算用户到卫星的距离 两者相减得到伪距误差 把伪距误差作为修正信息发送给用户接收机 用户接收机用来修正自己测量的伪距 然后进行定位计算 这种方法不要求用户接收机和地面接收机使用相同的星座 使用方便 但对地面接收机要求的通道数多 上述两种校正方法都是以用户接收机和地面接收机具有相同的误差为前提 实际上 两台接收机所处的位置不同 接收机本身也不一样 因此误差不可能相同 随着两台接收机间距离的增大 修正效果变差 6 4 4GPS 惯性综合导航 GPS全球定位系统是一种高精度的全球三维实时导航的卫星导航系统 其导航定位的全球性和高精度 使之成为一种先进的导航设备 但GPS也存在一些不足 卫星星座对地球覆盖不完善 特别在中纬度地区 GPS接收机的工作受飞行器机动的影响 机动超出GPS接收机的动态范围时 接收机会失锁 误差很大 不能使用 GPS接收机数据更新频率低 难以满足实时控制的要求 而惯性导航系统由于其工作的完全自主性 在航空 航天 航海等领域都得到了广泛的应用 称为目前各种航行体上应用的以一种主要导航设备 其主要缺点 导航定位误差随时间增长 因而难以长时间的独立工作 GPS 惯性导航综合 克服了各自的缺点 取长补短 是综合后的导航精度高于两种系统单独工作的精度 有效的提高了惯性导航系统的性能和精度 提高了GPS接收机的动态特性和抗干扰性以及其可靠性 GPS 惯性综合可以构成那个一种比较理想的导航系统 是目前导航技术发展的主要方向 根据不同的应用要求 可以有不同水平的综合 即综合的深度不同 按照综合的深度 可以把综合系统大致氛围两类 一类是松散综合 另一类是紧密综合 1 松散综合GPS和惯导仍独立工作 综合作用仅表现在用GPS辅助惯导 包括两种综合 1 用GPS重调惯导 用GPS给出的位置 速度信息直接重调惯导系统的输出 2 用位置 速度信息综合 这是采用综合卡尔曼滤波器的一种综合模式 用GPS和惯导输出的位置和速度信息的差值 井综合卡尔曼滤波 估计惯导系统的误差 然后对惯导系统进行校正 2 紧密综合其特点是GPS接收机和惯导系统相互辅助 属于紧密综合的基本模式是伪距 伪距率的综合 以及在伪距 伪距率综合基础上再加上用惯导位置和速度对GPS接收机跟踪环进行辅助 也可以再对GPS接收机导航功能的辅助 用在高动态飞行器上的GPS 惯性综合系统通常都是采用紧密综合模式 定义单独利用一台接收机确定待定点在地固坐标系中绝对位置的方法定位结果 与所用星历同属一坐标系的绝对坐标采用广播星历时属WGS 84采用IGS InternationalGPSService精密星历时为ITRF InternationalTerrestrialReferenceFrames特点优点 一台接收机单独定位 观测简单 可瞬时定位缺点 精度主要受系统性偏差的影响 定位精度低应用领域低精度导航 资源普查 军事 6 5单点定位 伪距单点定位的误差方程 对于卫星i 在某一个历元的误差方程为 伪距单点定位的误差方程 对在某历元同时观测的n颗卫星 其误差方程及位置解为 单点定位有4个待定参数 因而至少需要同时观测4颗以上的卫星 才能同时确定出所有的待定参数 DOP值 DOP DilutionofPrecision GDOP GeometryDilutionofPrecisionPDOP PositionDilutionofPrecisionTDOP TimeDilutionofPrec