《GPS卫星导航》PPT课件

第六章GPS卫星导航,GPS测量原理及应用,6.1概述,导航的定义：所谓导航，就是引导航行的意思；也就是确定航行体运动到什么地方和向何方向运动的意思。,导航的首要问题就是确定航行体的即时位置。另外，为现代载体提供精确的导航信息，还需要测定载体的瞬间速度，精确的时间，运动载体的姿态等状态参数，进而“导引”该运动载体准确地驶向预定的位置。由此可见，导航是一种广义的动态定位。,卫星导航：即用导航卫星发送的导航定位信号引导运动载体安全到达目的地的一门新兴科学。,GPS导航的特点：用户多样、速度多样、定位实时、数据和精度多变。,GPS测量原理及应用,6.2GPS卫星导航原理,（1）单点动态定位它是用安设在一个运动载体上的GPS接收机，自主地测得该运动载体的实时位置，从而描绘出运动载体的运行轨迹。所以单点动态定位又叫做绝对动态定位。（2）实时差分动态定位它是用安设在一个运动载体上GPS信号接收机，及安设在一个基准站之间的另一台GPS接收机，联合测得该运动载体的实时位置，从而描绘出该运动载体的运行轨道，故差分动态定位又称相对动态定位。（3）后处理差分动态定位它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坐标位置。,从目前GPS导航的应用看，主要分以下几种方法：,GPS测量原理及应用,6.2.1单点动态定位,单点动态定位的基本方程为:,利用（6-1）解算用户位置时，不是直接求它的三维坐标，而是求各个坐标分量的修正量，即给定用户三维坐标的初始值（Xu0,Yu0,Zu0），而求解三维坐标的改正值（Xu,YuZu）和距离偏差d。对（6-1）式中Xu，Yu，Zu分别微分，便得到线性方程：,GPS测量原理及应用,6.2.1单点动态定位,其中矩阵:,（6-3）,GPS测量原理及应用,T,6.2.1单点动态定位,对应第j颗卫星的伪距观测值,GPS测量原理及应用,6.2.2伪距差分动态定位,所谓差分动态定位（DGPS），就是用两台接收机在两个测站上同时测量来自相同GPS卫星的导航定位信号，用以联合测得动态用户的精密位置。其中一个测站是位于已知坐标点，设在该已知点（又称基准点）的GPS信号接收机，叫做基准接收机。它和安装在运动载体上的GPS信号接收机（简称为动态接收机）同时测量来自相同GPS卫星的导航定位信号。基准接收机所测得的三维位置与该点已知值进行比较，便可获得GPS定位数据的改正值。如果及时将GPS改正值发送给若干台共视卫星用户的动态接收机，而改正后者所测得的实时位置，便叫做实时差分动态定位。,图6-1差分动态定位的原理框图,GPS测量原理及应用,6.2.2伪距差分动态定位,由式（6-1）可知，基准站R测得至GPS卫星j的伪距为：,（6-4）,伪距的改正值为：,(6-5),动态接收机所测得的伪距：,(6-6),动态接收机所测得的伪距加改正后为：,(6-7),GPS测量原理及应用,6.2.2伪距差分动态定位,当动态用户远离基准站在1000km以内时，则有:,，,故（6-7）式变为：,(6-8),则基准/动态接收机的钟差之差所引起的距离偏差为：,(6-9),如果基准/动态接收机各观测了4颗GPS卫星，则按（6-8）列出4个方程式，可解出4个未知数（Xk，Yk，Zk，dr）。,GPS测量原理及应用,当动态用户和基准站同时观测了4颗相同的GPS卫星时，则可得到三个值，从而按上式列出三个方程式。因为光速c和载波频率f是已知的，卫星的轨道位置可以按第四章的方法算得，故可按三个方程式解算出在t时刻动态用户位置估值,6.2.3动态载波相位差分测量,GPS测量原理及应用,6.3GPS用于测速、测时、测姿态,6.3.1GPS测速利用GPS信号测得运动载体的运动速度，叫做GPS测速。利用GPS信号进行速度测量，是基于站星距离的测量。,GPS测量原理及应用,对于动态GPS用户，除了需要确定GPS接收机载体的实时位置，往往还要测定载体的实时航行速度。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,GPS测量原理及应用,上述测定航速的方法，不需要新的观测量，计算简单，测速的实质仍是定位。上述计算是在时间段t内的平均速度，如果计算过程中所取时间间隔过短或过长，都难以正确描述载体的实时运行速度。因此可以采用观测载波多普勒频移的方法，来实时测定载体运行速度。由于GPS用户接收机载体和GPS卫星之间的相对运动，接收机接收到的GPS载波信号与卫星发射的载波信号频率不同，其间的频率差称为多普勒频移。频移的大小与接收机与卫星之间距离的变率有关。,GPS测量原理及应用,假设df为多普勒频移（已知观测量），f为卫星发射的载波频率，c为光速，则有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：,GPS测量原理及应用,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：,GPS测量原理及应用,式中由此得：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）。,GPS测量原理及应用,6.3GPS用于测速、测时、测姿态,6.3.2GPS定时1、一站单机定时法：在一个已知位置上，用一台GPS信号接收机观测，从而测定用户时钟的偏差。,GPS测量原理及应用,一站单机定时法：应用一台GPS接收机在一个已知坐标的观测站上进行测时的方法。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：,GPS测量原理及应用,上述计算可见，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（如前述的实时绝对定位）。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）。,GPS测量原理及应用,6.3.2GPS定时,2、共视比对定时法：在两个测站上各安设一台GPS信号接收机，在相同的时间内，观测同一颗GPS卫星，从而测定用户时钟的偏差。,GPS测量原理及应用,共视法：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：,GPS测量原理及应用,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。,GPS测量原理及应用,6.3GPS用于测速、测时、测姿态,6.3.3GPS干涉仪载体姿态测量GPS干涉仪包括两个分离的天线，通过测量多颗卫星在两个天线上的载波相位差，可解得两个天线组成的基线矢量。由三个线性无关的干涉仪便可测得载体的三个姿态角。GPS测姿系统由四副天线和一台24通道的GPS接收机组成。天线安装要构成一个四边形，它们组成3个线性无关的干涉仪，对应于3个基线。,GPS测量原理及应用,6.3GPS用于测速、测时、测姿态,6.3.3GPS干涉仪载体姿态测量定义惯性直角坐标系的X轴指向正北，Y轴指向正东，Z轴垂直向下，原点位于载体质心。定义载体直角坐标系的X轴指向载体正前方，Y轴指向右翼，Z轴垂直于地板，原点位于载体质心。,GPS测量原理及应用,6.4GPS卫星导航定位方法,6.4.1基本概念导航必须确定航行的起始点、目的地以及航行计划路线（总称为一条航线）。航路点：路径的标定一般是用一系列均匀分布于路径上的坐标点来确定，这些坐标点就叫航路点。起始点、目的地、航路点的位置坐标可以是从地图上量取，也可以是直接测得，总之是必须已知的。,GPS测量原理及应用,6.4GPS卫星导航定位方法,6.4.1基本概念（续）航行方向的制导参数：应飞航迹角、偏航距、待航距离（待航时间）、真航向、航迹角、偏流角和地速V。民用飞行管理系统、军用飞行综合控制系统、公路智能交通管理系统；能够自动计算出最优的前进路径，并将控制系统和导航系统组合在一起，完成航行任务。,GPS测量原理及应用,6.4GPS卫星导航定位方法,6.4.2GPS单机导航GPS单机导航就是在航行体上仅装配一台GPS接收机，单独实施导航。单独实施导航需要配备适当的辅助设备，以保证导航的安全可靠性。船只航行必须实时测定水深，汽车导航必须配备电子罗盘、速度计、软件、电子地图、交通信息库、智能选线功能。,GPS测量原理及应用,6.4GPS卫星导航定位方法,6.4.3差分GPS导航在地面已知位置上设置一个地面站，地面站由一个GPS差分接收机和一个GPS差分发射机组成。差分接收机接收GPS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；有两种工作方式：,GPS测量原理及应用,6.4GPS卫星导航定位方法,6.4.3差分GPS导航（续）1、位置差分法：差分接收机，通过伪距测量确定自己的位置。2、伪距差分法：地面接收机对所有可见卫星测距，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。,GPS测量原理及应用,6.4GPS卫星导航定位方法,6.4.4GPS/惯性综合导航GPS全球定位系统有一些不足之处：1、卫星星座对地球覆盖不完善，特别是在中纬度地区，存在着所谓“间隔区”。2、GPS接收机数据更新频率低（一般每秒一次），难以满足实时控制的要求。,GPS测量原理及应用,6.4GPS卫星导航定位方法,6.4.4GPS/惯性综合导航（续）惯性导航系统由于它工作的完全自主性，成为各种航行体上的一种主要导航设备。其主要缺点是导航定位误差随着时间增长，因而难以长时间地独立工作。GPS/惯性综合导航，克服了各自的缺点，取长补短，使综合后的导航精度高于两个系统单独工作的精度。,GPS测量原理及应用,6.4GPS卫星导航定位方法,6.4.4GPS/惯性综合导航（续）1、松散综合其主要特点是GPS和惯性导航仍能独立工作，综合作用仅表现在用GPS辅助惯性导航。（1）用GPS重调惯性导航a、用GPS给出的位置、速度信息直接重调惯导系统的输出。b、把惯导和GPS输出的位置和速度信息进行加权平均。（2）用位置、速度信息综合。,GPS测量原理及应用,6.4GPS卫星导航定位方法,卡尔曼滤波：目前,卡尔曼滤波已经有很多不同的实现。卡尔曼最初提出的形式现在一般称为简单卡尔曼滤波器，它在收音机,计算机和几乎任何视频或通讯设备中广泛存在。卡尔曼滤波的一个典型实例是从一组有限的，对物体位置的，包含噪声的观察序列预测出物体的坐标位置及速度，在很多工程应用(雷达,计算机视觉)中都可以找到它的身影。同时，卡尔曼滤波也是控制理论以及控制系统工程中的一个重要话题。比如,在雷达中,人们感兴趣的是跟踪目标,但目标的位置,速度,加速度的测量值往往在任何时候都有噪声.卡尔曼滤波利用目标的动态信息,设法去掉噪声的影响,得到一个关于目标位置的好的估计。这个估计可以是对当前目标位置的估计(滤波),也可以是对于将来位置的估计(预测)，也可以是对过去位置的估计(插值或平滑)。,GPS测量原理及应用,6.4GPS卫星导航定位方法,6.4.4GPS/惯性综合导航（续）2、紧密综合紧密综合是指高水平的综合或深综合，其主要特点是GPS接收机和惯性导航系统相互辅助。（1）用伪距、伪距率综合；（2）用惯性速度信息辅助GPS接收机环路；（3）用惯性位置和速度信息辅助GPS导航功能。,GPS测量原理及应用,6.5精密单点定位技术,精密单点定位:(PrecisePointPositioning,PPP):该方法能够直接得到测站坐标，测站与测站之间没有距离限制。PPP方法是先用全球IGS站数据计算卫星轨道参数和钟差，再采用单点的相位和伪距观测值进行非差定位处理。由于IGS精密星历精度可以达到几个厘米，卫星钟差改正数达到几个纳秒，经15min初始化后，非差相位单历元定位精度可以达到20厘米，增加观测时间水平精度可达3-5mm。,GPS测量原理及应用,6.5精密单点定位技术,6.5.1精密单点定位精密单点定位采用双频载波相位观测值，设某一历元t观测值误差方