導(dǎo)航系統(tǒng)的PVT解算

導(dǎo)航系統(tǒng)的PVT解算 一 緒論 通常衛(wèi)星導(dǎo)航接收機由射頻接收 基帶處理和PVT解算三部分組成 PVT解算 顧名思義 即指用戶接收機的位置 速度和時間解算 接下來將針對GPS和GLONASS系統(tǒng)來講述它們各自PVT解算中的用戶位置計算過程 這也是本人對該部分的學習和總結(jié) 計算用戶位置可以采用偽距定位法和載波相位定位方法 后者精度較前者高 但前者比較普遍 以下講述的都是關(guān)于偽距定位的過程 一 緒論 衛(wèi)星系統(tǒng)的時間問題說明 每個獨立的衛(wèi)星系統(tǒng)的衛(wèi)星鐘面時是由與之對應(yīng)的系統(tǒng)時來設(shè)定的 每個系統(tǒng)時又由其相對應(yīng)的世界協(xié)調(diào)時 UTC 來設(shè)置的 二 單點定位原理 用戶可以從衛(wèi)星發(fā)射的星歷數(shù)據(jù)中得到GPS衛(wèi)星的位置 也可以測量出衛(wèi)星到接收機的距離 因此用戶位置就可以確定了 s1 s2 s3分別是二維坐標下衛(wèi)星位置 U為用戶位置 x1 x2 x3為衛(wèi)星到用戶的距離 從圖上可知 只要知道的三顆衛(wèi)星的位置以及它們到用戶的距離就可以確定出用戶的二維位置 三 定位方程 是用戶測得的偽距值 只考慮傳統(tǒng)誤差源 除此之外還有固體潮和大洋負荷等誤差 它可以表示為 令 是傳輸時間的鐘面時 則有 其中 是偽距的精確值 為衛(wèi)星位置誤差對距離的影響 是對流層延遲誤差 是電離層延遲誤差 是接收機測量誤差 是相對論時間修正 是衛(wèi)星的時鐘誤差 是用戶時鐘誤差 由于 誤差在數(shù)據(jù)處理中難以模型化消除其影響 所以當暫不考慮 和 它們時 3 2 3 1 三 定位方程 令修正后的偽距為 而 表示成 并把它稱為偽距的測量值 所以式 3 2 可以表示為 3 3 其中 為第i顆衛(wèi)星的位置 為所要求的用戶位置 為方便討論 通常習慣將 則確定用戶位置的方程如下 3 4 四 PVT解算流程 第一步 確定觀測時刻 第二步 提取導(dǎo)航電文 第三步 計算觀測時刻的衛(wèi)星位置 速度 仰角和傾角 第四步 獲得偽距測量值 第五步 利用定位方程 計算各用戶位置 速度和時間 第六步 用戶位置的經(jīng)緯度轉(zhuǎn)換 四 確定觀測時刻 這里的觀測時刻指的是當前接收到的導(dǎo)航電文的發(fā)送時刻 假設(shè)在用戶端某時刻 由用戶接收機的本地時間確定 接收到來自n顆衛(wèi)星 n 4 的導(dǎo)航電文 現(xiàn)在要通過這n組導(dǎo)航電文確定出用戶位置 則必須首先知道這n顆衛(wèi)星的位置 由于接收到的導(dǎo)航電文中只提供了某個參考時刻時與衛(wèi)星位置相關(guān)的參數(shù) 所以 要計算當前時刻的衛(wèi)星位置 就得由用戶重新確定出與參考時刻在同一參考時間系統(tǒng)下的該導(dǎo)航電文的發(fā)送時刻 即這里提到的觀測時刻 然后計算出觀測時刻的衛(wèi)星位置 四 確定觀測時刻 觀測時刻可以直接從導(dǎo)航電文中本幀的鐘面時和捕獲跟蹤所提供的碼片相位得到 GPS系統(tǒng)中 由導(dǎo)航電文的周時間 TOW 給出了發(fā)送本幀時刻的衛(wèi)星鐘面時 根據(jù)捕獲跟蹤所提供出的當前時刻的子幀號 第幾個字 第幾個數(shù)據(jù)位和第幾個碼片周期 及周期內(nèi)的碼片相位 然后得出發(fā)射時刻的鐘面時間 GLONASS系統(tǒng)中 由導(dǎo)航電文 給出了發(fā)送本幀 時刻的衛(wèi)星鐘面時 以上求得的是當前接收到的導(dǎo)航電文的發(fā)送時刻的衛(wèi)星鐘面時 再轉(zhuǎn)換到與參考時刻同一個參考時間系統(tǒng)下 就確定出了該導(dǎo)航電文的觀測時刻 五 提取導(dǎo)航電文 在GPS系統(tǒng)中 要提取出正確的導(dǎo)航電文 需要進行如下步驟 第一步 將跟蹤輸出數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為導(dǎo)航數(shù)據(jù)位 第二步 進行子幀匹配和奇偶校驗 找到子幀的起始位置 第三步 按照導(dǎo)航電文的編碼格式 從各子幀中獲得導(dǎo)航電文 1 GPS系統(tǒng)導(dǎo)航數(shù)據(jù)格式及導(dǎo)航電文提取 一個超幀包含25頁 每頁由5個子幀構(gòu)成 每個子幀包含10個字 每個字由30個導(dǎo)航數(shù)據(jù)位構(gòu)成 每個導(dǎo)航數(shù)據(jù)位包含20個C A碼周期 每個C A碼周期有1023個碼元 其中星歷數(shù)據(jù)包含在子幀1 子幀3中 歷書數(shù)據(jù) 電離層修正和協(xié)調(diào)世界時相關(guān)的數(shù)據(jù)包含在子幀4 子幀5中 星歷數(shù)據(jù)用于精確計算衛(wèi)星位置 歷書數(shù)據(jù)用于粗略計算衛(wèi)星位置 1 GPS系統(tǒng)導(dǎo)航數(shù)據(jù)格式及導(dǎo)航電文提取 2 GLONASS系統(tǒng)導(dǎo)航數(shù)據(jù)格式及導(dǎo)航電文提取 在GLONASS系統(tǒng)中 要提取出正確的導(dǎo)航電文 需要進行如下步驟 第一步 根據(jù)時間標記 找到幀的起始位置 第二步 剝離明德碼 第三步 將相對碼變成導(dǎo)航數(shù)據(jù)位 第四步 進行漢明碼校驗 獲得真正可用的導(dǎo)航數(shù)據(jù) 第五步 按照導(dǎo)航電文的編碼格式 從各字符串中獲得導(dǎo)航電文 2 GLONASS系統(tǒng)導(dǎo)航數(shù)據(jù)格式及導(dǎo)航電文提取 2 GLONASS系統(tǒng)導(dǎo)航數(shù)據(jù)格式及導(dǎo)航電文提取 由圖上的5個幀組成一個超幀 長2 5min 每個幀長30s 由15個字符串組成 每個字符串的持續(xù)時間為2s 在每個幀傳送發(fā)射該導(dǎo)航電文的GLONASS衛(wèi)星的實時數(shù)據(jù) 類似GPS中的星歷數(shù)據(jù) 和給定衛(wèi)星的非實時數(shù)據(jù) 類似GPS中的歷書數(shù)據(jù) 每幀的第1 4串含有發(fā)送該導(dǎo)航電文衛(wèi)星的實時數(shù)據(jù) 實時數(shù)據(jù)在一個超幀內(nèi)內(nèi)容是相同的 每幀的第6 15串含有24顆衛(wèi)星的非實時數(shù)據(jù) 第1 4幀含有20顆衛(wèi)星的數(shù)據(jù) 每幀5顆 第5幀含有剩下4顆衛(wèi)星的歷書數(shù)據(jù) 每顆衛(wèi)星的歷書占用2個字符串 同一個超幀中 每幀第5串含有的非實時數(shù)據(jù)是相同的 2 GLONASS系統(tǒng)導(dǎo)航數(shù)據(jù)格式及導(dǎo)航電文提取 每個字符串分數(shù)據(jù)位和時間標記兩大部分 一個串長2s 在最后的0 3s傳輸時間標記 時間標記由30個碼元組成 每個碼長10ms 在前1 7s傳輸85個數(shù)據(jù)位 每個串中的位序號按從右至左順序排列 導(dǎo)航數(shù)據(jù)占用第9 84位 漢明碼檢驗碼 KX 占用第1 8位 最后1位 第85位 是空閑位 0 其中這85個數(shù)據(jù)位要先變成相對碼 再與明德碼模二相加 最后加上0 3s的時間標記 構(gòu)成2s數(shù)據(jù) 字符串的數(shù)據(jù)格式 2 GLONASS系統(tǒng)導(dǎo)航數(shù)據(jù)格式及導(dǎo)航電文提取 最后 這2s的數(shù)據(jù)再由周期為1ms 比特速率為511kbps的PR碼進行調(diào)制 相鄰串間利用時間標記MB相互隔離 字符串數(shù)據(jù)生成過程如圖所示 字符串數(shù)據(jù)序列生成過程 六 計算衛(wèi)星位置和速度 1 GPS系統(tǒng)中衛(wèi)星位置和速度計算利用星歷 ephemeris 解算衛(wèi)星位置 過程如下 a 計算出發(fā)送時刻t的衛(wèi)星鐘面時間 在接收時刻鎖定到導(dǎo)航電文的某個數(shù)據(jù)位 然后根據(jù)數(shù)據(jù)位在幀中的位置直接計算出該數(shù)據(jù)位的鐘面時 即為該數(shù)據(jù)的發(fā)送時刻 觀測時刻 t b 將t轉(zhuǎn)換成GPS系統(tǒng)時間 c 計算t與初相時 星歷參數(shù)參考時間 的時間差 d 計算衛(wèi)星的平均角速度n e 計算平近點角M f 用迭代法計算偏近點角E g 計算衛(wèi)星到地心的距離r h 再次修正 i 計算真近點角v 六 計算衛(wèi)星位置和速度 j 計算升交點角距 k 計算緯度 距離和軌道傾角的修正項 i 修正升交點赤徑 m 求出衛(wèi)星在WGS 84坐標系下的位置 利用星歷解算衛(wèi)星速度 過程如下 a 計算偏近點角變化率 b 計算升交點角距的變化率 c 計算經(jīng)校正的緯度 距離和傾角變化率 d 計算速度分量 e 求出衛(wèi)星在WGS 84坐標系下的速度 六 計算衛(wèi)星位置和速度 利用歷書 almanac 解算衛(wèi)星位置和速度 歷書數(shù)據(jù)包含在子幀4和子幀5 解算衛(wèi)星位置和速度方法同上 2 GLONASS系統(tǒng)中衛(wèi)星位置和速度計算 利用即時數(shù)據(jù)解算衛(wèi)星位置和速度 1 計算觀測時刻的GLONASS系統(tǒng)時公式如下 2 采用即時數(shù)據(jù)計算衛(wèi)星位置的方法有2種 一般常用方法是利用四階龍貝格 庫塔方法進行積分計算衛(wèi)星位置 GLONASS衛(wèi)星在地固坐標系PZ 90坐標系下的加速度簡略公式如下 六 計算衛(wèi)星位置和速度 其中 為衛(wèi)星位置 為衛(wèi)星速度 為衛(wèi)星加速度 為了方便后面的介紹 令 具體實現(xiàn)步驟如下 a 從即時數(shù)據(jù)中獲取參考時刻的衛(wèi)星位置參數(shù) 包括位置 速度 加速度 b 確定積分步進h 一般取30s或60s c 采用四階龍貝格 庫塔進行積分計算 每次積分公式如下 六 計算衛(wèi)星位置和速度 當i 1時 使用和 作為積分初始值 六 計算衛(wèi)星位置和速度 六 計算衛(wèi)星位置和速度 衛(wèi)星加速度 它在 15分鐘積分時間間隔內(nèi)保持不變 所以始終采用參考時刻的衛(wèi)星加速度 六 計算衛(wèi)星位置和速度 利用非即時數(shù)據(jù)解算衛(wèi)星位置和速度 請參考 GLONASS接口控制文件 翻譯稿 A 3 2 七 偽距計算 1 GPS偽距計算 粗略偽距 其中 是本地時鐘測量出的當前 數(shù)據(jù)的接收時刻 而 是從導(dǎo)航電文中推算出的當前數(shù)據(jù)的 發(fā)射時刻 即之前提到的觀測時刻 這個偽距值是不精確的 它應(yīng)該進行一些修正 即定位方程中提到的對流層和電離層的修正 由于中已經(jīng)考慮過了衛(wèi)星時鐘誤差和相對論時間修正 所以這里不再修正這兩項了 GPS中對流層修正 在GPS系統(tǒng)中 最常用的模型有Hopfield模型和Black模型 下面介紹程序中所使