第六章-GPS卫星导航

第六章GPS卫星导航5/10/202616.1概述导航（两层含义）：是测得运动载体的状态参数，并导引运动载体准确地运动到预定的后续位置。确定航行体的即时位置。“导引”该运动载体准确地驶向预定的后续位置。由此可见，导航是一种广义的动态定位。5/10/202626.1概述卫星导航（概念）卫星导航是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。5/10/202636.1概述GPS在导航领域的应用，有着广阔的前景。5/10/202646.1概述GPS导航具有的特点：用户多样性速度多异性定位实时性数据短时性精度要求多变性5/10/202656.2GPS卫星导航原理GPS导航的主要方法：单点动态定位（绝对动态定位）实时差分动态定位（相对动态定位）后处理差分动态定位5/10/202666.2.1单点动态定位单点动态定位是确定处于运动载体上的接收机在运动的每一瞬间的位置。由于接收机天线处于运动状态，故天线点位的坐标是一个变化的量，因此确定每一瞬间坐标的观测方程只有较少的多余观测(甚至没有多余观测)，且一般常利用测距码伪距进行单点动态定位。5/10/202676.2.1单点动态定位因此，其精度较低，一般仅有几十米的精度，在SA政策影响下，其精度甚至低于百米。通常这种定位方法只用于精度要求不高的飞机、船舶以及陆地车辆等运动载体的导航。5/10/202686.2.2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确位置。5/10/202696.2.2伪距差分动态定位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。它和安设在运动载体上的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。5/10/2026106.2.2伪距差分动态定位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。5/10/2026116.2.3动态载波相位差分测量

GPS载波相位测量方法不仅适用于静态定位，同样也适用于动态定位，并且已取得了厘米级的三维位置精度。5/10/2026126.3GPS用于测速、测时、测姿态前已述及，GPS卫星导航不仅要确定运动载体的实时位置，还要确定载体的瞬时速度，精确的时间，运动载体的姿态等状态参数。5/10/2026136.3.1GPS测速利用GPS信号测得运动载体的运动速度，叫做GPS测速。尽管载体的运行速度各不一样，且不是匀速运动，但是，只要在这些运动载体上安设GPS信号接收机，就可以在进行动态定位的同时，实时地测得它们的运行速度。利用GPS信号进行速度测量，是基于站星距离的测量。5/10/2026146.3.1GPS测速假设于历元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5/10/2026156.3.1GPS测速由此可得载体运行方向的速度为5/10/2026166.3.1GPS测速上述计算是在时间段Δt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。5/10/202617多普勒频移由于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。5/10/2026186.3.1GPS测速综上所述，在高精度测速的情况下，式(6-15)只有用户三维速度和接收机钟速共四个未知数；观测了四颗在视GPS卫星，即可解得这四个未知数。可求得运动载体的运行速度。5/10/2026196.3.1GPS测速另外，还可用GPS差分方法测速，从而消除星历误差对测速精度的损失，这对削弱SA技术的影响是一种有效的措施，此外，还可显著削弱电离层或对流层效应对测速精度的影响。5/10/2026206.3.2GPS定时GPS卫星都安装有四台原子时钟，GPS时间受到美国海军天文台(USNO)经常性的监测。GPS系统的地面主控站能够以优于±5ns的精度，使GPS时间和世界协调时UTC之差保持在±1μs以内。5/10/2026216.3.2GPS定时此外，GPS卫星还向用户播发它自己的钟差、钟速和钟漂等时钟参数，加之利用GPS信号可以测得站址的精确位置，因此，GPS卫星可以成为一种全球性的用户无限的时间信号源，用以进行精确的时间比对。5/10/2026226.3.2GPS定时GPS测时主要有以下两种方法：一站单机定时法共视比对定时法

5/10/202623一站单机定时法即在一个已知位置测站上，用一台GPS信号接收机观测一颗GPS卫星，从而测定用户时钟的偏差。5/10/202624一站单机定时法GPS定时的目的在于：测定用户时钟相对于GPS时间的偏差，并依据GPS卫星导航电文的有关参数，计算出世界协调时UTC。5/10/202625一站单机定时法上述可见，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）。5/10/202626共视比对定时法即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，而测定用户时钟的偏差。5/10/202627共视比对定时法实验表明，两个测站共同见到同一颗卫星的时间并不要求严格同步，前后相差20分钟以内时，定时准确度无显著差别；这为用户提供了方便，因此单星共视定时法获得了广泛的应用。5/10/202628共视比对定时法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±5ns。5/10/2026296.3.3GPS干涉仪载体姿态测量GPS干涉仪包括两个在距离上分离的天线，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干涉仪由两副天线A,B和一台GPS接收机组成。5/10/2026306.3.3GPS干涉仪载体姿态测量GPS测姿系统由四副天线A,B,C,D和一台24通道的GPS接收机组成。天线安装要构成一边形，它们组成三个线性无关的干涉仪，对应于三个基线。5/10/2026316.3.3GPS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。5/10/2026326.4GPS卫星导航的方法5/10/2026336.4GPS卫星导航的方法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。5/10/202634导航中为什么要定位？因为引航人员需要随时了解航行体已经到达的位置，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，当前的处境有无危险，原定的计划航线能否继续实施，还是需作适当的修正等。5/10/202635导航中为什么要定位？正因为在航行中，定位问题是如此重要，因此在习惯上往往将测定位置的方法和技术概称为导航。5/10/2026366.4.1基本概念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(总称之为一条航线)。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。5/10/2026376.4.1基本概念起始点、目的点、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，总之必须是已知的。5/10/2026386.4.1基本概念在航行过程中，GPS定位系统能够实时提供给航行体位置信息(坐标)，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纠正航行偏差、指导正确航行方向的制导参数，如应飞航迹角、偏航距和待航距离(待航时间)等。5/10/2026396.4.1基本概念随着科学技术的发展，80年代民用飞机以经济、准时、安全为目的，发展了飞行管理系统;军用飞机以完成军事任务为目的，发展了飞行综合控制系统;公路交通以经济、快速为目的，发展了智能交通管理系统。5/10/2026406.4.1基本概念这些系统都能在任务和地理、交通、气象情况改变的条件下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。这种系统对导航系统的准确性和可靠性提出了更高的要求，促使导航系统向综合化和容错化发展。5/10/2026416.4.2GPS单机导航单机就是在航行体上仅装配一台GPS接收机，单独实施导航。（概念）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。（应用）5/10/2026426.4.2GPS单机导航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。（优势）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。（不足）5/10/2026436.4.2GPS单机导航（配备辅助设备）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。5/10/2026446.4.2GPS单机导航（配备辅助设备）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。5/10/2026456.4.3差分GPS导航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。5/10/2026466.4.3差分GPS导航两种工作方式：位置差分法伪距差分法5/10/2026476.4.4GPS/惯性综合导航GPS导航系统的不足：卫星星座对地球覆盖不完善，特别在中纬度地区，存在着所谓“间隔区”。另外，GPS接收机的工作受飞行器机动的影响，当飞行器的机动超过GPS接收机的动态范围时，接收机会失锁，从而不能工作，或者动态误差太大，超过允许值，不能使用。5/10/202648GPS导航系统的不足当用在无人驾驶的飞行器上时，由于GPS接收机数据更新频率低(一般每秒一次)，因而难以满足实时控制的要求。5/10/202649GPS导航系统的不足由于上述不足，因此目前GPS全球定位系统在高可靠性的领域，还只能作为一种辅助导航设备，而不能作为唯一的导航设备使用。5/10/202650惯性导航系统由于它工作的完全自主性，在航空、航天、航海和许多民用领域都得到了广泛的应用，成为目前各种航行体上应用的一种主要导航设备。其主要缺点是导航定位误差随时间增长，因而难以长时间的独立工作。5/10/202651GPS/惯性导航系统（优势）对惯导系统可以实现惯性传感器的校准、惯导系统的空中对准、惯导系统高度通道的稳定等，从而可以有效地提高惯导系统的性能和精度。对GPS全球定位系统，惯导系统的辅助可以提高其跟踪卫星的能力，提高接收机的动态特性和抗干扰性。5/10/202652GPS/惯性导航系统（优势）另外，GPS/惯性综合还可以实现GPS完整性的检测，从而提高了可靠性。GPS/惯性综合还可以实现一体化，把GPS接收机放入惯导部件中，这样使系统的体积、重量和成本都可以减小，且便于实现惯导和GPS的同步，减小非同步误差。5/10/202653GPS/惯性导航系统（优势）GPS/惯性综合可以构成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。5/10/202654GPS/惯性导航综合系统分类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。按照综合深度，可以把综合系统大体分为两类：一类叫松散综合或称简易综合，另一类叫紧密综合。5/10/2026551.松散综合这是一种低水平的综合，其主要特点是GPS和惯导仍独立工作，综合作用仅表现在用GPS辅助惯导。包括两种分类：（1）用GPS重调惯导（2）用位置、速度信息综合5/10/202656（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。把惯导和GPS输出的位置和速度信息进行加权平均。5/10/