第六章-- GPS卫星导航.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,GPS,技术,讲授老师：王志芳,第六章,GPS,卫星导航,6.1,概述,6.2 GPS,卫星导航原理,6.3 GPS,用于测速、测时、测姿态,6.4 GPS,卫星导航方法,6.5,精密单点定位技术,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,6.2 GPS,卫星导航原理,从目前,GPS,导航的应用看，主要分以下几种方法：,（,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道。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。,6.2.1,单点动态定位的基本方程为,:,利用上式解算用户位置时，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（,X,u,Y,u,Z,u,），而求解三维坐标的改正值（,X,u,Y,u,Z,u,）,）。,d,是由于接收机时钟误差等因素所引起的站星距离偏差。,6.2 GPS,卫星导航原理,6.2 GPS,卫星导航原理,对上式中,Xu,，,Yu,，,Zu,分别微分，便得到线性方程：,其中,A,T,对应第,j,颗卫星的伪距观测值,6.2 GPS,卫星导航原理,6.2.2,实时差分动态定位,6.2 GPS,卫星导航原理,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。,差分动态定位,6.2 GPS,卫星导航原理,6.2 GPS,卫星导航原理,k,k,k,k,k,r,r,k,6.2 GPS,卫星导航原理,当动态用户远离基准站在,1000km,以内时，则有,:,故上式变为：,则基准,/,动态接收机的钟差之差所引起的距离偏差为：,如果基准,/,动态接收机各观测了,4,颗,GPS,卫星，则按上式列出,4,个方程式，可解出,4,个未知数（,X,k,，,Y,k,，,Z,k,，,d,r,）。,6.3 GPS,用于测速、测时、测姿态,，,1.GPS,测速,即是利用,GPS,信号测得运动载体的运动速度。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，就可以进行动态定位的同时，实时的测得它们的运行速度。,2.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的载体的三个姿态角。,6.3 GPS,用于测速、测时、测姿态,，,3.GPS,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经常性的监测。,GPS,系统的地面主控站能够以优于 的精度，使,GPS,时间和世界协调时,UTC,之差保持在 以内。此外，,GPS,卫星还向用户播发它自己的钟差、钟速等时钟参数，加之利用,GPS,信号可以测得站址的精确位置。,GPS,定时的目的,：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,。,GPS,信号进行时间传递，采用两种方法：,(1),一站单机定时法：即在一个已知位置测站上，用一台,GPS,接收机观测一颗,GPS,卫星，从而测定用户时钟的偏差。,(2),共视比对定时法：即在两个测站上各安设一台,GPS,接收机，在相同时间内，观测同一颗,GPS,卫星，而测定用户时钟的偏差。,6.4 GPS,卫星导航方法,，,6.4.1,基本概念：,对于任何某一具体导航过程，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于路径上的坐标点来确定,(,航路点,),。,具体过程：,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。利用制导参数，可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。,6.4 GPS,卫星导航方法,，,6.4.2,单机导航,即在航行体上仅装配一台,GPS,接收机，单独实施导航。,优点：,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。,缺点：,众多情况下，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。如船只航行测实时位置的同时还要实施测定水深等。,6.4 GPS,卫星导航方法,，,6.4.3,差分,GPS,导航,由于,SA,政策降低了使用,C/A,码的民用用户的精度，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。,工作原理,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。,6.4 GPS,卫星导航方法,，,差分,GPS,导航的两种工作方式：,(1),位置差分法,差分接收机和用户接收机一样，通过伪距测量确定自己的位置。把测量确定的位置数据和已知位置数据比较，即得位置校正量。通过发射机把这些位置修正信息发送给用户接收机，用户接收机用以校正自己的输出坐标。,(2),伪距差分法,地面接收机对所有可见卫星测量伪距，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。把伪距误差作为修正信息发送给用户接收机，用户接收机用来修正自己测量的伪距，然后进行定位计算。,6.4 GPS,卫星导航方法,，,6.4.4 GPS/,惯性综合导航,GPS,全球定位系统,一种高精度的全球三维实时导航的卫星导航系统，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。,不足处：卫星星座对地球覆盖不完善，存在着所谓间隔区；受飞行器机动影响，出现失锁，动态误差大，只能作为辅助导航设备。,惯性导航系统,工作完全自主性，应用广泛，成为目前各种航行上应用的一种主要导航设备。,不足处：导航定位误差随时间增长，因而难以长时间的独立工作。,GPS/,惯性综合导航，克服各自缺点，取长补短。,6.4 GPS,卫星导航方法,，,GPS/,惯性综合导航优点,(1),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,(2),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。,(3),实现,GPS,完整性的检测，提高了可靠性。,(4),可实现一体化，把,GPS,接收机放入惯导部件中，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。,6.4 GPS,卫星导航方法,，,GPS/,惯性综合系统分类,1.,松散综合：,这是一种低水平的综合，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。,(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。,(2),用位置、速度信息综合,这是采用综合卡尔曼滤波器的一种综合模式。用,GPS,和惯导输出的位置和速度信息的差值作为量测值，经综合卡尔曼滤波，估计惯导系统的误差，然后对惯导系统进行校正。,6.4 GPS,卫星导航方法,，,GPS/,惯性综合系统分类,2.,紧密综合：,这是高水平的综合或深综合，主要特点是,GPS,接收机和惯导系统相互辅助。,(1),用伪距、伪距率综合,用,GPS,给出的星历数据和惯导给出的位置和速度计算相应于惯导位置和速度的伪距和伪距率，具有更高的导航精度。,(2),用惯性速度信息辅助,GPS,接收机环路,有效地提高环路的等效带宽，提高接收机的抗干扰性，减小动态误差，提高跟踪和捕获性能。,(3),用惯性位置和速度信息辅助,GPS,导航功能,采用卡尔曼滤波技术，对于高动态接收机和低动态接收机，导航滤波器状态不同。,6.5,精密单点定位技术,，,原因,GPS,在测绘中应用一般采用相对定位方法，通过组成双差观测值消除接收机钟差、卫星钟差等公共误差，以及消弱对流层延迟误差、电离层延迟等相关性较强的误差影响，达到提高精度的目的。然而，随着距离的增大，有关相关性减弱，则只能采用延长观测时间来达到预期的精度。,概述,非差精密单点定位,(PPP),方法是克服相对定位缺点的新方法，该方法能直接得到测站坐标，测站与测站之间无距离限制。,PPP,方法先用全球,GPS,服务,(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。,，,精密单点定位应顾及的误差,(1),与卫星有关的误差,精密单点定位采用精密星历以消除卫星轨道误差，对卫星钟差采用钟差内差的方法进行改正，同时还要考虑相对论效应、卫星天线相位中心偏差的影响。,(2),与接收机有关的误差,包括接收机钟差、地球固体潮改正、海洋潮汐改正、地球自转改正等误差。,(3),与信号传播有关的误差,包括对流层延迟、电离层延迟改正和多路径效应等误差。对流层延迟误差采用数学模型进行改正，电离层改正采用双频观测值求差消除，多路径误差可以采用长时间观测及小波分析等方法消除或减弱。,6.5,精密单点定位技术,，,精密单点定位数据处理步骤,(1),初始化,进行实时非差精密单点定位时，首先利用伪距观测值确定载波相位观测值的模糊度。,(2),点位坐标解算,按照已知的卫星轨道、卫星钟差、加入各项误差改正，逐历年进行点位坐标解算,6.5,精密单点定位技术,，,本章小结,1.GPS,卫星导航原理,单点动态定位,实时差分动态定位,后处理差分动态定位,2.GPS,用于测速、测时、测姿态,3.GPS,卫星导航方法,单机导航、差分导航、,GPS/,惯性综合导航,4.,精密单点定位技术,误差、处理步骤,