第三章 GPS定位

第三章定位 3 1引言1 定位 指确定地球表面上车辆的坐标 2 三种定位技术 独立定位技术 卫星定位技术和地面无线电定位技术 3 定位模块 图3 1一般得定位模块 3 2推算定位 Dead Reckoning 1 二维 图3 2推算定位方法 是时刻车辆的初始位置 是行驶距离或时刻到的位移量 是位移向量的方向 是等时间间隔的角速度 2 三维 3 3相对传感器相对传感器 基于预先确定或以前测量距离 位置或取向变化的装置 3 3 1传动传感器传动拾取 TransmissionPickup 传感器用于测量传动轴的角位置 1 可变阻式位置传感器 自学 原理 闭合电路感应的总电磁力 emf 等于中继电路总磁通量减少的倍率 缺点 不适用于速度接近零的情况 2 霍尔效应定位传感器 自学 霍尔效应 导体在磁场移动时产生电压的效应 它是基于导体中电荷和外部磁场的相互作用 3 3 1轮传感器差动式里程表 差动测距 它是一种通过综合两个里程表的输出提供行驶距离和取向变化信息的技术 里程表 一个测量相对初始位置行驶距离的相对传感器 左右轮旋转计数平均起来 再乘以适当的比例因子 就能确定车辆行驶的距离 左右轮计数差乘以同样的比例因子 然后除以轴的长度就得到车轴取向的变化 d 距离 CL CR左右轮计数值 KL KR左右轮的比例因子 两轮之间的轴长 汽车 1 打滑2 气压 轮胎 3 温度 3 3 1陀螺 Gyroscope 用陀螺仪测量角速率 挠动陀螺仪对于许多车辆定位和导航系统是可选装置 车辆方向 陀螺仪属惯性器件 有陀螺漂移 误差随着时间的增大而增大 3 4绝对传感器绝对传感器可提供相对于大地的车辆位置信息 3 4 1罗盘用于定位系统时可测量所附属物体 如车辆 的取向 取向测量相对于磁场北极 地球磁场与地球旋转轴倾角大约11 图3 4磁通量闸门罗盘 当罗盘安装在车辆时它测量相对于磁场的车辆取向 以罗盘的测量结果减去车辆的磁场矢量 可得到地球的磁场矢量 罗盘测量的实际磁场方向由地球磁场和车辆本身的磁场所确定 3 4 2全球定位系统GlobalPositioningSystem GPS 全球定位系统 GlobalPositioningSystem GPS 是美国继阿波罗登月 航天飞机后又一空间大工程 是美国从本世纪70年代开始研制 历时20年 耗资200亿美元 于1994年全面建成 具有在海 陆 空进行全方位实时三维导航 定位与授时能力的新一代卫星导航与定位系统 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 目前已遍及国民经济各个部门 并已逐步深入人们的日常生活 如 经过近10年我国测绘部门的使用表明 GPS以全天候 高精度 自动化 高效益等显著特点 赢得广大测绘工作者的信赖 并成功地应用于大地测量 工程测量 航空摄影测量 运载工具导航和管制 地壳运动监测 工程变形监测 资源勘察 地球动力学等多种学科 从而给测绘领域带来一场深刻的技术革命 GPS系统的特点 1 全球 全天候工作 能为用户提供连续 实时的三维位置 三维速度和精密时间 不受天气的影响 2 定位精度高 单机定位精度优于10米 采用差分定位 精度可达厘米级和毫米级 授时为纳秒级的 3 功能多 应用广 随着人们对GPS认识的加深 GPS不仅在测量 导航 测速 测时等方面得到更广泛的应用 而且其应用领域不断扩大 GPS发展历史在卫星定位系统出现之前 远程导航与定位主要用无线电导航系统 1 无线电导航系统 罗兰 C 工作在100KHZ 由三个地面导航台组成 导航工作区域2000KM 一般精度200 300M Omega 奥米茄 工作在十几千赫 由八个地面导航台组成 可覆盖全球 精度几英里 多卜勒系统 利用多卜勒频移原理 通过测量其频移得到运动物参数 地速和偏流角 推算出飞行器位置 属自备式航位推算系统 误差随航程增加而累加 缺点 覆盖的工作区域小 电波传播受大气影响 定位精度不高 2 卫星定位系统最早的卫星定位系统是美国的子午仪系统 Transit 1958年研制 64年正式投入使用 由于该系统卫星数目较小 5 6颗 运行高度较低 平均1000KM 从地面站观测到卫星的时间隔较长 平均1 5h 因而它无法提供连续的实时三维导航 而且精度较低 为满足军事部门和民用部门对连续实时和三维导航的迫切要求 1973年美国国防部制定了GPS计划 3 GPS发展历程GPS实施计划共分三个阶段 第一阶段为方案论证和初步设计阶段 从1973年到1979年 共发射了4颗试验卫星 研制了地面接收机及建立地面跟踪网 第二阶段为全面研制和试验阶段 从1979年到1984年 又陆续发射了7颗试验卫星 研制了各种用途接收机 实验表明 GPS定位精度远远超过设计标准 第三阶段为实用组网阶段 1989年2月4日第一颗GPS工作卫星发射成功 表明GPS系统进入工程建设阶段 1993年底实用的GPS网即 21 3 GPS星座已经建成 今后将根据计划更换失效的卫星 GPS原理 GPS由三个独立的部分组成 空间部分 21颗工作卫星 3颗备用卫星 GPS工作卫星及其星座由21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成GPS卫星星座 记作 21 3 GPS星座 24颗卫星均匀分布在6个轨道平面内 轨道倾角为55度 各个轨道平面之间相距60度 即轨道的升交点赤经各相差60度 每个轨道平面内各颗卫星之间的升交角距相差90度 一轨道平面上的卫星比西边相邻轨道平面上的相应卫星超前30度 在两万公里高空的GPS卫星 当地球对恒星来说自转一周时 它们绕地球运行二周 这样 对于地面观测者来说 每天将提前4分钟见到同一颗GPS卫星 位于地平线以上的卫星颗数随着时间和地点的不同而不同 最少可见到4颗 最多可见到11颗 在用GPS信号导航定位时 为了结算测站的三维坐标 必须观测4颗GPS卫星 称为定位星座 这4颗卫星在观测过程中的几何位置分布对定位精度有一定的影响 地面支撑系统 1个主控站 3个注入站 5个监测站 对于导航定位来说 GPS卫星是一动态已知点 星的位置是依据卫星发射的星历 描述卫星运动及其轨道的参数算得的 每颗GPS卫星所播发的星历 是由地面监控系统提供的 卫星上的各种设备是否正常工作 以及卫星是否一直沿着预定轨道运行 都要由地面设备进行监测和控制 地面监控系统另一重要作用是保持各颗卫星处于同一时间标准 GPS时间系统 这就需要地面站监测各颗卫星的时间 求出钟差 然后由地面注入站发给卫星 卫星再由导航电文发给用户设备 用户设备部分 接收GPS卫星发射信号 以获得必要的导航和定位信息 经数据处理 完成导航和定位工作 GPS接收机硬件一般由主机 天线和电源组成 能够捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星的信号 并跟踪这些卫星的运行 对所接收到的GPS信号进行变换 放大和处理 以便测量出GPS信号从卫星到接收机天线的传播时间 解译出GPS卫星所发送的导航电文 实时地计算出测站的三维位置 三维速度和时间 GPS接收机对收到的卫星信号 进行解码或采用其它技术 将调制在载波上的信息去掉后 就可以恢复载波 严格而言 载波相位应被称为载波拍频相位 它是收到的受多普勒频移影响的卫星信号载波相位与接收机本机振荡产生信号相位之差 一般在接收机钟确定的历元时刻量测 保持对卫星信号的跟踪 就可记录下相位的变化值 但开始观测时的接收机和卫星振荡器的相位初值是不知道的 起始历元的相位整数也是不知道的 即整周模糊度 只能在数据处理中作为参数解算 相位观测值的精度高至毫米 但前提是解出整周模糊度 因此只有在相对定位 并有一段连续观测值时才能使用相位观测值 而要达到优于米级的定位精度也只能采用相位观测值 按定位方式 GPS定位分为单点定位和相对定位 差分定位 单点定位就是根据一台接收机的观测数据来确定接收机位置的方式 它只能采用伪距观测量 可用于车船等的概略导航定位 相对定位 差分定位 是根据两台以上接收机的观测数据来确定观测点之间的相对位置的方法 它既可采用伪距观测量也可采用相位观测量 大地测量或工程测量均应采用相位观测值进行相对定位 在GPS观测量中包含了卫星和接收机的钟差 大气传播延迟 多路径效应等误差 在定位计算时还要受到卫星广播星历误差的影响 在进行相对定位时大部分公共误差被抵消或削弱 因此定位精度将大大提高 双频接收机可以根据两个频率的观测量抵消大气中电离层误差的主要部分 在精度要求高 接收机间距离较远时 大气有明显差别 应选用双频接收机 根据应用领域的不同 接收机还可以进一步分为 车载型 用于车辆导航定位 航海型 用于船舶导航定位 航空型 用于飞机导航定位 由于飞机运行速度快 因此 在航空上用的接收机要求能适应高速运动 星载型 用于卫星的导航定位 由于卫星的速度高达7km s以上 因此对接收机的要求更高 2 GPS定位原理GPS定位的基本原理是根据高速运动的卫星瞬间位置作为已知的起算数据 采用空间距离后方交会的方法 确定待测点的位置 如图所示 假设t时刻在地面待测点上安置GPS接收机 可以测定GPS信号到达接收机的时间 t 再加上接收机所接收到的卫星星历等其它数据可以确定以下四个方程式 上述四个方程式中待测点坐标x y z和Vto为未知参数 其中di c ti i 1 2 3 4 di i 1 2 3 4 分别为卫星1 卫星2 卫星3 卫星4到接收机之间的距离 ti i 1 2 3 4 分别为卫星1 卫星2 卫星3 卫星4的信号到达接收机所经历的时间 c为GPS信号的传播速度 即光速 四个方程式中各个参数意义如下 x y z为待测点坐标的空间直角坐标 xi yi zi i 1 2 3 4 分别为卫星1 卫星2 卫星3 卫星4在t时刻的空间直角坐标 可由卫星导航电文求得 Vti i 1 2 3 4 分别为卫星1 卫星2 卫星3 卫星4的卫星钟的钟差 由卫星星历提供 Vto为接收机的钟差 由以上四个方程即可解算出待测点的坐标x y z和接收机的钟差Vto 注意 5颗6 7 8颗用最小二乘法去求解 研究表明 8通道的低价接收机提供了可靠跟踪卫星信号的最佳性能价格比 DGPS原理目前GPS系统提供的定位精度是优于20米 而为得到更高的定位精度 我们通常采用差分GPS技术 将一台GPS接收机安置在基准站上进行观测 根据基准站已知精密坐标 计算出基准站到卫星的距离改正数 并由基准站实时将这一数据发送出去 用户接收机在进行GPS观测的同时 也接收到基准站发出的改正数 并对其定位结果进行改正 从而提高定位精度 差分GPS分为两大类 伪距差分和载波相位差分 1 伪距差分原理这是应用最广的一种差分 在基准站上 观测所有卫星 根据基准站已知坐标和各卫星的坐标 求出每颗卫星每一时刻到基准站的真实距离 再与测得的伪距比较 得出伪距改正数 将其传输至用户接收机 提高定位精度 这种差分 能得到米级定位精度 如沿海广泛使用的 信标差分 2 载波相位差分原理载波相位差分技术又称RTK RealTimeKinematic 技术 是实时处理两个测站载波相位观测量的差分方法 即是将基准站采集的载波相位发给用户接收机 进行求差解算坐标 载波相位差分可使定位精度达到厘米级 大量应用于动态需要高精度位置的领域 GPS的精度2000年5月 克林顿取消SA政策定位精度 标准定位服务 StandardPositioningService SPS 水平25m 2dRMS 垂直 40m5 精确定位服务 PrecisePositioningService PPS 水平 几m 2dRMS 垂直 29m 95 2dRMS 二倍均方根距离误差速度 SPS 0 5 2m s 0 25m s 无SA PPS 0 2m s 0 1m s P码 无SA 时间精度 SPS 340ns 95 PPS 200ns 95 以上精度都是C A码 受到选择可用性 SelectiveAvailability SA 数据更新 1次 秒C A Coarse Acquisition粗测 捕获P Precise精确 GPS的误差 主要误差来源于3个方面 1 空间飞行器部分 卫星星历误差 卫星时钟偏差 2 信号传播部分 电波信号的电离层传播延迟 对流层传播延迟和多路效应 3 用户系统部分 用户接收机测量误差 用户计算误差 A 卫星星历误差 卫星星历所给出的卫星在空中的位置与卫星实际位置之差称为卫星星历误差 由地面监测站的分布及其站址所取得的观测量精度 卫星所承受的摄动力模型的精确程度 计算精度和卫星钟的稳定度等因素所决定 B 卫星钟误差 卫星钟本身以及广义相对论和狭义相对论引起的频率漂移均影响卫星中的准确性 C 电离层传播延迟 50公里到1000公里的大气层 卫星信号通过电离层时将受到这一介质散特性的影响 使信号的传播路径产生变化 产生时间延迟 D 对流层传播延迟 40公里以下的大气层 信号通过对流层时其传播速度不同于真空中的光速所引起的延迟 E 多路径效应 接收机天线除直接接收到卫星的信号外 还收到经天线周围地物反射的卫星信号 两种信号叠加对定位精度影响 随周围环境不同而不同 F 用户接收机测量误差 由相关接收机对测距码的分辨率和接收机噪声造成的 GPS的应用1 军事上 陆 海 空 天全方位定位与导航 航天飞机 战斗机 导弹 军用车辆 航空母舰 驱逐舰等 2 民用领域GPS用于导航