6第六章GPS卫星导航

第六章GPS卫星导航中国矿业大学环境与测绘学院王坚本章内容§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（αδ）；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。NSP1P2S1S2船赤道Zzxyyxo二、船位与星下点的距离测量测量恒星的垂直角α，计算天顶距Z=90-α，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恒星ZZ地平线船地心星下点距离α天顶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S1S2S3§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。4040303020201010400440044004300330033003200220022002100110011001100021222,1111,],,,[:,,,,,,,])()()[(BZZYYXXZZYYXXZZYYXXZZYYXXAtfZYXXBAXZYXZYXtfZZYYXXTkkjjjj线性方程为求解的改正数为用户三维坐标初始值§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。)(])()()[()(,0,1000),())()(:,)(:,)(:,)(:2/122222122121jKKkjkjkjjKKjKjrjKjrjKjrjKjrjKjKKjKjrjKjKjKjKjKKjKjKjrjrjrjsrjrjrjrjrjrjrjsrjrjrddcZZYYXXddckmddddcdddcdddcdddcj有上式右边后三项近似为以内时动态用户距离基准站所测得伪距发来的伪距改正值改正动态接收机收到基准站动态接收机测得伪距伪距改正值卫星的伪距基准站测得§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。100100000000)()(]})([])({[]})([])({[tjijitjijitrjrjrjrjrijijijijitrjrjrjrjrijijijijicfcfTcfTcfTcfTcf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φ，两边同乘以c/f，上式变为：ijiijjiijijiijjiijijiijjiijZZZZZYYYYYXXXXXfc]/)(/)[(]/)(/)[(]/)(/)[(000000§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：22221:.,,.,.,,,,)/]()([:)(/)])(())(())([(uuuKjuujujjrjrsrjjjjjjjjZYXvTffNTfcTffNddcZZZZYYYYXXXX为则运动载体的运行速度率可以忽略不计电离层对流层时延变化钟差变化率另外变化率可以算得距离这些参数均是已知是测速时间间隔载波频率是卫星发射是接收到的载波频率是多普勒频移计数式中化率是由接收机测得的上式左边站星距离的变§6.3GPS用于测速、测时、测姿态GPS定时：1。GPS时间精度：与UTC之差±1μs。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StddUagtgadStUadStUagtgadUaUagaUaStStgtStdStUadTttTTTtTTtTTTTtTTTTTTTTtTTt则用户钟差为式中到接收机时刻信号发射时刻信号传播时间.,,,,（a）卫星时钟（b）GPS时间（c）用户时钟StTStTgtTgaTUaTUaTctdctd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。)()(:12121212ddddUaUaUattttTTT两用户的钟差A、B测站共视时间比对AB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。ZXY横滚俯仰航向（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