第六章GNSS导航_精品文档.ppt

1、第六章、GPS卫星导航概述GPS卫星导航原理GPS用于测速、测时、测姿态GPS卫星导航方法第一节、概述导航的定义 所谓导航就是引导航行的意思，即引导运动载体从一个地点航行到另一个地点的过程，保证航行的安全并为载体或载体中的监视、测量、装备等系统提供精确的导航信息。导航的意义-广义的动态定位导航必须知道运动载体的开始位置、终点位置和即时位置，本质上还是定位，现代导航还要测定载体的瞬时速度、精确的时间、运动载体的姿态等状态参数。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。GPS卫星所发送的导航定位信号，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

2、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地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；其用途之广，影响之大，是任何其他接受设备望尘莫及的；上至航空航天，下至渔业、导游、摄影和农业生产，均可利用GPS信号接收机。第二节、GPS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信号接收机，自主地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迹。所以单点动态定位又叫做绝对动态定位。例如，行驶的汽车和火车，常用单点动态定位。2、实时差分动态定位 它是用安设在一个运动载体上的GPS信号接收机，及安设在一个基准站

3、上的另一台GPS接收机，联合测得该运动载体的实时位置，从而描绘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，一般要求用实时差分动态定位，以满足它们所要求的较高定位精度.又分测码和载波两种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 单点动态定位单点动态定位的

4、基本方程 j=(Xj Xu)2+(Yj Yu)2+(Zj Zu)2)1/2+d（6-1）式中Xu,Yu,Zu为动态用户在tk时刻的瞬时位置；Xj ,Yj,Xj是第j颗卫星在其运行轨道上的瞬时位置，它可根据广播星历计算；j为码接收机所测得GPS信号接收天线和第j颗GPS卫星之间得距离，即站星距离；d是由于接收机时钟误差等因素引起得站星距离偏差。利用（6-1）式解算用户位置时，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（X,Y,Z）和距离偏差。对（6-1）式中分别微分，便得到线性方程 X=A-1 B （6-2）伪

5、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得精确位置。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。基准接收机所测得的三维位置与该点的已知值进行比较，便可获得GPS定位数据的改正值（伪距改正值）。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，便叫做实时伪距差分动态定位。动态载波相位差分测量6.2.3 动态载波相位差分

6、测量动态载波相位差分测量GPS载波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。利用伪距实时测得动态接收机的初始位置，再利用载波相位观测值差分方程实时解算得到的动态用户位置估值（初始位置）的改正数，从而实现了动态载波相位测量的目的。第三节、GPS测速、测时、测姿态 1、GPS测速利用GPS信号测得运动载体的运动速度，叫做GPS测速。尽管载体的运动速度各不一样，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。1、多普勒频移的测定2、GPS单

7、点测速3、GPS差分测速第三节、GPS测速、测时、测姿态 2、GPS测定时间定时有着广泛的应用。从日常生活到航天发射，从出外步行到航空航海，都离不开定时。随着使用目的的不同，人们对时间准确度的要求也不一样。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1秒以内。此外，GPS卫星还向用户播发它自己的钟差、时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时间信号源，用以进行精确的时间比对。利用GPS信号进行时间传递，一般采

8、用下列两种方法：一站单点定时法共视比对定时法 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。如图6-3所示，运用GPS信号传送时间时，存在3种时间尺度（时标）：即GPS时间，每颗GPS卫星的时钟，用户时钟。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共视比对定时法。即在两个测站上各安装一台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。图6-4所示的单颗GPS卫星共视定时法。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

9、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，因此单星共视比对定时法获得了广泛的应用 原理是利用两站差分方程可以完全消去卫星钟差和卫星星历误差，进而提高了授时的精度。GPSGPS和多种技术组合与集成和多种技术组合与集成 人们说，GPS的技术发展，只受人们想象力是否丰富的限制。GPS与其它技术的组合与集成，成为GPS技术发展的一个主流方向。例如,GPS与惯性导航器件的组合用于陆地运载工具的导航；GPS与电子地图的组合用于公安，保险等救助系统的车辆监控管理,GPS与CCD摄像机的组合，用于快速地面测量监视系统；GPS与DTM的组合用于矿山工程和土石方开挖量的进度管理；实时动态定位

10、(RTK)与全站仪的组合，构成全能型超级全站仪或全能测量工作站；GPS与多种探测仪器的组合，将产生自动的实时的地下、水下和高空大气监测系统。无疑GPS高精度实时动态定位与姿态确定，将成为未来测量机器人或某些工程机器人的核心和中枢。3、GPS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（见图6-5）。基线长和GPS卫星离载体的距离相比甚短，卫星信号可视为平面波（平行线）利用甚长基线干涉测量的原理测得两天线之间姿态参

11、数。第四节、GPS卫星导航方法 导航的任务是引导航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。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，因此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，还是需要适当的修正等，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。本节将介绍GPS卫星导航中的常用方法 基本概念基本概念 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、目的地以及航行计划路径（总称之为一条航线）。路径的

12、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，也可以是直接测得，总之必须是已知的。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、指导正确航向的制导参数，如应航迹角、航偏距和待航距离（待航时间）等，图67以飞机导航为例，形象说明各制导参数的物理意义（图中还显示出真航向、航迹角、偏流角和地速V）。基本概念基本概念 利用制导参数，可以计算出航行体的操纵指令，再通过控制系统，可实现航行的自动化。按给定航行计划航行，常因自然条件和任务的改变而不可能实现。随着科学技术的发展，20世

13、纪80年代民用飞机以经济、准时、安全为目的，发展飞机管理系统；军用飞机以完成军事任务为目的，发展了飞机综合控制系统；公路交通以经济、快速为目的，发展了智能交通管理系统。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。GPS单机导航单机导航 顾名思义，单机就是在航行体上仅装配一台GPS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接收机只有能接收导4颗以上的卫星信号便可根据（6-2

14、）式测定出所处的位置。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。但是在众多的情况此下，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。差分差分

15、GPS导航导航 由于SA政策降低了使用C/A码民用用户的定位精度，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6-8所示。在地面已知位置设置一个地面站，地面点由一个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。位置差分和伪距差分。GPS/惯性综合导航惯性综合导航 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。但是GPS全球定位系统也存在着一些

16、不足之处，主要是：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。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。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。惯性综合 惯性导航系统（如陀螺仪配合加速度计）由于它工作的完全自主性，在航天、航空、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，因而难以长时间地独立工作GPS/惯性综合 GPS/惯性综合，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。综合的优点表现为：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；而对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