gps原理第五章

1、第六章第六章 GPSGPS衛(wèi)星導(dǎo)航衛(wèi)星導(dǎo)航本章內(nèi)容本章內(nèi)容6.1 6.1 概述概述 導(dǎo)航的意義、導(dǎo)航的方法、應(yīng)用前景導(dǎo)航的意義、導(dǎo)航的方法、應(yīng)用前景6.2 GPS6.2 GPS衛(wèi)星導(dǎo)航原理衛(wèi)星導(dǎo)航原理 單點(diǎn)動(dòng)態(tài)導(dǎo)航、偽距差分動(dòng)態(tài)定位、動(dòng)態(tài)載波相位單點(diǎn)動(dòng)態(tài)導(dǎo)航、偽距差分動(dòng)態(tài)定位、動(dòng)態(tài)載波相位差分測(cè)量差分測(cè)量6.3 GPS6.3 GPS用于測(cè)速、測(cè)時(shí)、測(cè)姿態(tài)用于測(cè)速、測(cè)時(shí)、測(cè)姿態(tài) GPSGPS測(cè)速、測(cè)速、GPSGPS定時(shí)、定時(shí)、GPSGPS干涉儀進(jìn)行載體姿態(tài)測(cè)量干涉儀進(jìn)行載體姿態(tài)測(cè)量6.4 GPS6.4 GPS衛(wèi)星導(dǎo)航方法衛(wèi)星導(dǎo)航方法 GPSGPS導(dǎo)航方法、導(dǎo)航方法、GPSGPS單機(jī)導(dǎo)航、差分單機(jī)

2、導(dǎo)航、差分GPSGPS導(dǎo)航、導(dǎo)航、GPS/GPS/慣慣性綜合導(dǎo)航性綜合導(dǎo)航6.5 6.5 精密單點(diǎn)定位技術(shù)精密單點(diǎn)定位技術(shù)6.1 6.1 概述概述導(dǎo)航的意義導(dǎo)航的意義確定并引導(dǎo)運(yùn)載體從一個(gè)地點(diǎn)確定并引導(dǎo)運(yùn)載體從一個(gè)地點(diǎn)航行到另一個(gè)地點(diǎn)的過(guò)程。包括航行中測(cè)航行到另一個(gè)地點(diǎn)的過(guò)程。包括航行中測(cè)定并提供載體位置、航速、航向、時(shí)間以定并提供載體位置、航速、航向、時(shí)間以及載體姿態(tài)等信息。及載體姿態(tài)等信息。導(dǎo)航方法：天文導(dǎo)航、無(wú)線電導(dǎo)航、慣性導(dǎo)導(dǎo)航方法：天文導(dǎo)航、無(wú)線電導(dǎo)航、慣性導(dǎo)航、衛(wèi)星導(dǎo)航等。航、衛(wèi)星導(dǎo)航等。衛(wèi)星導(dǎo)航的特點(diǎn)及應(yīng)用：全天候、全球、實(shí)衛(wèi)星導(dǎo)航的特點(diǎn)及應(yīng)用：全天候、全球、實(shí)時(shí)、七維狀態(tài)參數(shù)、

3、三維姿態(tài)參數(shù)。時(shí)、七維狀態(tài)參數(shù)、三維姿態(tài)參數(shù)。導(dǎo)航的概念首先起源于航海事業(yè)，其最初的導(dǎo)航的概念首先起源于航海事業(yè)，其最初的含義是引導(dǎo)運(yùn)載體從一個(gè)地點(diǎn)航行到另一含義是引導(dǎo)運(yùn)載體從一個(gè)地點(diǎn)航行到另一個(gè)地點(diǎn)的過(guò)程。導(dǎo)航的首要問(wèn)題就是確定個(gè)地點(diǎn)的過(guò)程。導(dǎo)航的首要問(wèn)題就是確定航行體的即時(shí)位置，還要測(cè)定其速度、時(shí)航行體的即時(shí)位置，還要測(cè)定其速度、時(shí)間、姿態(tài)等狀態(tài)參數(shù)。由此可見(jiàn)，導(dǎo)航是間、姿態(tài)等狀態(tài)參數(shù)。由此可見(jiàn)，導(dǎo)航是一種廣義的動(dòng)態(tài)定位。一種廣義的動(dòng)態(tài)定位。衛(wèi)星導(dǎo)航是用導(dǎo)航衛(wèi)星發(fā)射的導(dǎo)航定位信衛(wèi)星導(dǎo)航是用導(dǎo)航衛(wèi)星發(fā)射的導(dǎo)航定位信息引導(dǎo)運(yùn)動(dòng)載體安全到達(dá)目的地的一門新息引導(dǎo)運(yùn)動(dòng)載體安全到達(dá)目的地的一門新興科學(xué)

4、。興科學(xué)。GPSGPS在導(dǎo)航領(lǐng)域的應(yīng)用，有著比在導(dǎo)航領(lǐng)域的應(yīng)用，有著比GPSGPS靜態(tài)定位更為廣闊的前景。靜態(tài)定位更為廣闊的前景。 導(dǎo)航的概念首先起源于航海事業(yè)，其最初的含義是引導(dǎo)運(yùn)導(dǎo)航的概念首先起源于航海事業(yè)，其最初的含義是引導(dǎo)運(yùn)載體從一個(gè)地點(diǎn)航行到另一個(gè)地點(diǎn)的過(guò)程。隨著時(shí)代的變遷，載體從一個(gè)地點(diǎn)航行到另一個(gè)地點(diǎn)的過(guò)程。隨著時(shí)代的變遷，各種標(biāo)志著近代、現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的眾多的運(yùn)載工具，諸如：飛各種標(biāo)志著近代、現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的眾多的運(yùn)載工具，諸如：飛機(jī)、火箭、導(dǎo)彈、核潛艇、海洋地球物理調(diào)查船、巨型貨輪、機(jī)、火箭、導(dǎo)彈、核潛艇、海洋地球物理調(diào)查船、巨型貨輪、人造衛(wèi)星、宇宙飛船等的相繼出現(xiàn)也大大擴(kuò)展了人

5、造衛(wèi)星、宇宙飛船等的相繼出現(xiàn)也大大擴(kuò)展了“導(dǎo)航導(dǎo)航”的概的概念，除了保證航行安全外，還需要為載體或者載體中的監(jiān)視、念，除了保證航行安全外，還需要為載體或者載體中的監(jiān)視、測(cè)量、裝備等系統(tǒng)提供精確的導(dǎo)航信息。這樣在不同的領(lǐng)域先測(cè)量、裝備等系統(tǒng)提供精確的導(dǎo)航信息。這樣在不同的領(lǐng)域先后出現(xiàn)了許多導(dǎo)航體制與導(dǎo)航儀表。除了最古老的推算船位導(dǎo)后出現(xiàn)了許多導(dǎo)航體制與導(dǎo)航儀表。除了最古老的推算船位導(dǎo)航術(shù)外，還有天文導(dǎo)航、無(wú)線電導(dǎo)航、慣性導(dǎo)航、衛(wèi)星導(dǎo)航等。航術(shù)外，還有天文導(dǎo)航、無(wú)線電導(dǎo)航、慣性導(dǎo)航、衛(wèi)星導(dǎo)航等。 導(dǎo)航的首要問(wèn)題就是確定航行體的即時(shí)位置，還要測(cè)定其導(dǎo)航的首要問(wèn)題就是確定航行體的即時(shí)位置，還要測(cè)定其速

6、度、時(shí)間、姿態(tài)等狀態(tài)參數(shù)。由此可見(jiàn)，導(dǎo)航是一種廣義的速度、時(shí)間、姿態(tài)等狀態(tài)參數(shù)。由此可見(jiàn)，導(dǎo)航是一種廣義的動(dòng)態(tài)定位。動(dòng)態(tài)定位。 衛(wèi)星導(dǎo)航是用導(dǎo)航衛(wèi)星發(fā)射的導(dǎo)航定位信息引導(dǎo)運(yùn)動(dòng)載體衛(wèi)星導(dǎo)航是用導(dǎo)航衛(wèi)星發(fā)射的導(dǎo)航定位信息引導(dǎo)運(yùn)動(dòng)載體安全到達(dá)目的地的一門新興科學(xué)。安全到達(dá)目的地的一門新興科學(xué)。 導(dǎo)航的發(fā)展和概念 GPS GPS衛(wèi)星所發(fā)出的導(dǎo)航定位信號(hào)，是一種可供無(wú)數(shù)用戶衛(wèi)星所發(fā)出的導(dǎo)航定位信號(hào)，是一種可供無(wú)數(shù)用戶共享的空間信息資源；陸地、海洋和空間的廣大用戶，只要持共享的空間信息資源；陸地、海洋和空間的廣大用戶，只要持有一種能夠接受、跟蹤、變換和測(cè)量有一種能夠接受、跟蹤、變換和測(cè)量GPSGPS信號(hào)的

7、接收機(jī)，就可以信號(hào)的接收機(jī)，就可以全天候和全球性的測(cè)量運(yùn)動(dòng)載體的七維狀態(tài)參數(shù)（三維坐標(biāo)、全天候和全球性的測(cè)量運(yùn)動(dòng)載體的七維狀態(tài)參數(shù)（三維坐標(biāo)、三維速度、時(shí)間）和三維姿態(tài)參數(shù)；其用途之大，影響之大，三維速度、時(shí)間）和三維姿態(tài)參數(shù)；其用途之大，影響之大，是任何其他接收裝備望塵莫及的；是任何其他接收裝備望塵莫及的； GPS GPS在導(dǎo)航領(lǐng)域的應(yīng)用，有著比在導(dǎo)航領(lǐng)域的應(yīng)用，有著比GPSGPS靜態(tài)定位更為廣闊的前靜態(tài)定位更為廣闊的前景。與景。與GPSGPS靜態(tài)定位相比較，靜態(tài)定位相比較，GPSGPS導(dǎo)航具有：用戶多樣、速度多導(dǎo)航具有：用戶多樣、速度多變、定位實(shí)時(shí)、數(shù)據(jù)和精度多變等特點(diǎn)。因此，應(yīng)該依據(jù)變、

8、定位實(shí)時(shí)、數(shù)據(jù)和精度多變等特點(diǎn)。因此，應(yīng)該依據(jù)GPSGPS動(dòng)動(dòng)態(tài)測(cè)量的這些特點(diǎn)，選購(gòu)適宜的接收機(jī)，采用適當(dāng)?shù)牡臄?shù)據(jù)處態(tài)測(cè)量的這些特點(diǎn)，選購(gòu)適宜的接收機(jī)，采用適當(dāng)?shù)牡臄?shù)據(jù)處理方法，以便獲得所要求的運(yùn)動(dòng)載體的七維狀態(tài)參數(shù)和三維姿理方法，以便獲得所要求的運(yùn)動(dòng)載體的七維狀態(tài)參數(shù)和三維姿態(tài)參數(shù)的測(cè)量精度。態(tài)參數(shù)的測(cè)量精度。GPS在導(dǎo)航中的應(yīng)用天文導(dǎo)航天文導(dǎo)航一、恒星的位置與星下點(diǎn)一、恒星的位置與星下點(diǎn) 1 1、恒星的天球坐標(biāo)（、恒星的天球坐標(biāo)（）；）； 2 2、天球坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為地球坐標(biāo)（、天球坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為地球坐標(biāo)（L BL B）二、船位與星下點(diǎn)的距離測(cè)量二、船位與星下點(diǎn)的距離測(cè)量三、用船與星下點(diǎn)的距離交繪出

9、船的位置三、用船與星下點(diǎn)的距離交繪出船的位置一、恒星的一、恒星的位置與星下點(diǎn)測(cè)位置與星下點(diǎn)測(cè)量時(shí)間確定星量時(shí)間確定星下點(diǎn)位置測(cè)量下點(diǎn)位置測(cè)量船與兩個(gè)星下船與兩個(gè)星下點(diǎn)的距離，交點(diǎn)的距離，交會(huì)出船的位置會(huì)出船的位置。NSP1P2S1S2船赤道Z zxyyxo二、船位與星下點(diǎn)的距離測(cè)二、船位與星下點(diǎn)的距離測(cè)量量 測(cè)量恒星的垂直角測(cè)量恒星的垂直角， 計(jì)算天頂距計(jì)算天頂距Z=90- Z=90- ， 船與星下點(diǎn)的距離船與星下點(diǎn)的距離 用角度用角度Z Z所對(duì)的圓弧度量，所對(duì)的圓弧度量，1 1分為分為1 1海里，即海里，即1.852km1.852km。三、用船與星下點(diǎn)的距離交三、用船與星下點(diǎn)的距離交繪出船的

10、位置繪出船的位置恒恒星星ZZ地平線地平線船船地心地心星下點(diǎn)星下點(diǎn)距距離離天頂天頂無(wú)線電導(dǎo)航無(wú)線電導(dǎo)航海岸上設(shè)立兩個(gè)以上的海岸上設(shè)立兩個(gè)以上的無(wú)線電發(fā)射電臺(tái)無(wú)線電發(fā)射電臺(tái)船上的接收機(jī)測(cè)量船與船上的接收機(jī)測(cè)量船與電臺(tái)的距離或距離差，電臺(tái)的距離或距離差，交會(huì)出船的位置交會(huì)出船的位置陸陸地地海海 洋洋S1S2S36.2 GPS6.2 GPS衛(wèi)星導(dǎo)航原理衛(wèi)星導(dǎo)航原理GPSGPS導(dǎo)航是一種廣義的導(dǎo)航是一種廣義的GPSGPS動(dòng)態(tài)定位，從目前的動(dòng)態(tài)定位，從目前的應(yīng)用看來(lái)，主要分為以下幾種方法：應(yīng)用看來(lái)，主要分為以下幾種方法： （1 1）單點(diǎn)動(dòng)態(tài)定位）單點(diǎn)動(dòng)態(tài)定位（2 2）實(shí)時(shí)差分動(dòng)態(tài)定位）實(shí)時(shí)差分動(dòng)態(tài)定位（3

11、 3）后處理差分動(dòng)態(tài)定位（用于攝影測(cè)量）后處理差分動(dòng)態(tài)定位（用于攝影測(cè)量） 6.2 GPS6.2 GPS衛(wèi)星導(dǎo)航原理衛(wèi)星導(dǎo)航原理GPSGPS單點(diǎn)動(dòng)態(tài)定位單點(diǎn)動(dòng)態(tài)定位單點(diǎn)動(dòng)態(tài)定位是用安設(shè)在一個(gè)運(yùn)動(dòng)載體上的單點(diǎn)動(dòng)態(tài)定位是用安設(shè)在一個(gè)運(yùn)動(dòng)載體上的GPSGPS信信號(hào)接收機(jī)，自主地測(cè)得該運(yùn)動(dòng)載體的實(shí)時(shí)位置，從號(hào)接收機(jī)，自主地測(cè)得該運(yùn)動(dòng)載體的實(shí)時(shí)位置，從而描述出該運(yùn)動(dòng)載體的運(yùn)動(dòng)軌跡。所以單點(diǎn)動(dòng)態(tài)定而描述出該運(yùn)動(dòng)載體的運(yùn)動(dòng)軌跡。所以單點(diǎn)動(dòng)態(tài)定位又叫絕對(duì)動(dòng)態(tài)定位。例如，行駛的汽車和火車，位又叫絕對(duì)動(dòng)態(tài)定位。例如，行駛的汽車和火車，常用單點(diǎn)動(dòng)態(tài)定位。常用單點(diǎn)動(dòng)態(tài)定位。GPSGPS實(shí)時(shí)差分動(dòng)態(tài)定位實(shí)時(shí)差分動(dòng)態(tài)定位

12、實(shí)時(shí)差分動(dòng)態(tài)定位是用安設(shè)在一個(gè)運(yùn)動(dòng)載體上的實(shí)時(shí)差分動(dòng)態(tài)定位是用安設(shè)在一個(gè)運(yùn)動(dòng)載體上的GPSGPS信號(hào)接收機(jī)，及安設(shè)在一個(gè)基準(zhǔn)站上的另一臺(tái)信號(hào)接收機(jī)，及安設(shè)在一個(gè)基準(zhǔn)站上的另一臺(tái)GPSGPS接收機(jī)，聯(lián)合測(cè)得該運(yùn)動(dòng)載體的實(shí)時(shí)位置，從接收機(jī)，聯(lián)合測(cè)得該運(yùn)動(dòng)載體的實(shí)時(shí)位置，從而描述出該運(yùn)動(dòng)載體的運(yùn)行軌跡，故差分動(dòng)態(tài)定位而描述出該運(yùn)動(dòng)載體的運(yùn)行軌跡，故差分動(dòng)態(tài)定位又稱為相對(duì)動(dòng)態(tài)定位。例如，飛機(jī)著陸和船艦進(jìn)港，又稱為相對(duì)動(dòng)態(tài)定位。例如，飛機(jī)著陸和船艦進(jìn)港，一般要求采用實(shí)時(shí)差分動(dòng)態(tài)定位，以滿足它們所要一般要求采用實(shí)時(shí)差分動(dòng)態(tài)定位，以滿足它們所要求的較高定位精度。求的較高定位精度。6.2 GPS6.2 GPS

13、衛(wèi)星導(dǎo)航原理衛(wèi)星導(dǎo)航原理GPSGPS后處理差分動(dòng)態(tài)定位后處理差分動(dòng)態(tài)定位后處理差分動(dòng)態(tài)定位和實(shí)時(shí)差分動(dòng)態(tài)定位后處理差分動(dòng)態(tài)定位和實(shí)時(shí)差分動(dòng)態(tài)定位的主要差別在于，在運(yùn)動(dòng)載體和基準(zhǔn)站之的主要差別在于，在運(yùn)動(dòng)載體和基準(zhǔn)站之間，不必像實(shí)時(shí)差分動(dòng)態(tài)定位那樣建立實(shí)間，不必像實(shí)時(shí)差分動(dòng)態(tài)定位那樣建立實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸，而是在定位觀測(cè)以后，對(duì)兩時(shí)數(shù)據(jù)傳輸，而是在定位觀測(cè)以后，對(duì)兩臺(tái)臺(tái)GPSGPS接收機(jī)所采集的定位數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)后的接收機(jī)所采集的定位數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)后的聯(lián)合處理，從而計(jì)算出接收機(jī)所在運(yùn)動(dòng)載聯(lián)合處理，從而計(jì)算出接收機(jī)所在運(yùn)動(dòng)載體在對(duì)應(yīng)時(shí)間上的坐標(biāo)位置。例如，在航體在對(duì)應(yīng)時(shí)間上的坐標(biāo)位置。例如，在航空攝影測(cè)量時(shí)，用

14、空攝影測(cè)量時(shí)，用GPSGPS信號(hào)測(cè)量每一個(gè)攝影信號(hào)測(cè)量每一個(gè)攝影瞬間的攝站位置，就可以采用后處理差分瞬間的攝站位置，就可以采用后處理差分動(dòng)態(tài)定位。動(dòng)態(tài)定位。6.2.1 6.2.1 單點(diǎn)動(dòng)態(tài)定位原理單點(diǎn)動(dòng)態(tài)定位原理原理：原理：由單點(diǎn)動(dòng)態(tài)定位基本方程輸入動(dòng)態(tài)用戶接收機(jī)的初始三由單點(diǎn)動(dòng)態(tài)定位基本方程輸入動(dòng)態(tài)用戶接收機(jī)的初始三維坐標(biāo)值后，進(jìn)行線性化，列出偽距觀測(cè)值的誤差方程式，解算維坐標(biāo)值后，進(jìn)行線性化，列出偽距觀測(cè)值的誤差方程式，解算接收機(jī)瞬時(shí)位置。接收機(jī)瞬時(shí)位置。 4040303020201010400440044004300330033003200220022002100110011001100

15、021222,1111,:,)()()( BZZYYXXZZYYXXZZYYXXZZYYXXAtfZYXXBAXZYXZYXtfZZYYXXTkkjjjj線線性性方方程程為為求求解解的的改改正正數(shù)數(shù)為為用用戶戶三三維維坐坐標(biāo)標(biāo)初初始始值值6.2.2 6.2.2 偽距差分動(dòng)態(tài)定位偽距差分動(dòng)態(tài)定位原理：一臺(tái)接收機(jī)在基準(zhǔn)站上，另一臺(tái)接收機(jī)為動(dòng)態(tài)用戶接原理：一臺(tái)接收機(jī)在基準(zhǔn)站上，另一臺(tái)接收機(jī)為動(dòng)態(tài)用戶接收機(jī)。對(duì)衛(wèi)星同步觀測(cè)?；鶞?zhǔn)接收機(jī)測(cè)得三維位置與該點(diǎn)已收機(jī)。對(duì)衛(wèi)星同步觀測(cè)。基準(zhǔn)接收機(jī)測(cè)得三維位置與該點(diǎn)已知值比較得改正數(shù)，及時(shí)將改正數(shù)發(fā)給動(dòng)態(tài)接收機(jī)，動(dòng)態(tài)接知值比較得改正數(shù)，及時(shí)將改正數(shù)發(fā)給動(dòng)態(tài)接收機(jī)，

16、動(dòng)態(tài)接收機(jī)改正所測(cè)得位置，叫實(shí)時(shí)差分動(dòng)態(tài)定位。收機(jī)改正所測(cè)得位置，叫實(shí)時(shí)差分動(dòng)態(tài)定位。)()()()()(, 0,1000),()()(:,)(:,)(:,)(:2/122222122121jKKkjkjkjjKKjKjrjKjrjKjrjKjrjKjKKjKjrjKjKjKjKjKKjKjKjrjrjrjsrjrjrjrjrjrjrjsrjrjrddcZZYYXXddckmddddcdddcdddcdddcj 有有上上式式右右邊邊后后三三項(xiàng)項(xiàng)近近似似為為以以內(nèi)內(nèi)時(shí)時(shí)動(dòng)動(dòng)態(tài)態(tài)用用戶戶距距離離基基準(zhǔn)準(zhǔn)站站所所測(cè)測(cè)得得偽偽距距發(fā)發(fā)來(lái)來(lái)的的偽偽距距改改正正值值改改正正動(dòng)動(dòng)態(tài)態(tài)接接收收機(jī)機(jī)收收到到基基

17、準(zhǔn)準(zhǔn)站站動(dòng)動(dòng)態(tài)態(tài)接接收收機(jī)機(jī)測(cè)測(cè)得得偽偽距距偽偽距距改改正正值值衛(wèi)衛(wèi)星星的的偽偽距距基基準(zhǔn)準(zhǔn)站站測(cè)測(cè)得得6.2.3 6.2.3 動(dòng)態(tài)載波相位差分測(cè)量（動(dòng)態(tài)載波相位差分測(cè)量（cmcm級(jí)位置精度）級(jí)位置精度） 設(shè)設(shè)t1t1為初始時(shí)刻，為初始時(shí)刻，t t為任意時(shí)刻；為任意時(shí)刻；r r為基準(zhǔn)站接收機(jī)，為基準(zhǔn)站接收機(jī)，i i為動(dòng)態(tài)接收機(jī)；為動(dòng)態(tài)接收機(jī)；T T為接收機(jī)時(shí)間與為接收機(jī)時(shí)間與GPSGPS標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間之差；標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間之差；j0j0為參考衛(wèi)星。則載波相位動(dòng)態(tài)雙為參考衛(wèi)星。則載波相位動(dòng)態(tài)雙差分方程為式（差分方程為式（6-106-10）：）：式中式中tt時(shí)運(yùn)動(dòng)機(jī)星間差分時(shí)運(yùn)動(dòng)機(jī)星間差分-t-t時(shí)基站星間差時(shí)

18、基站星間差分分- t1- t1時(shí)運(yùn)動(dòng)機(jī)星間差分時(shí)運(yùn)動(dòng)機(jī)星間差分-t1-t1時(shí)基站星間差分時(shí)基站星間差分=-=-站間站間t tt1t1雙差雙差分。分。100100000000)()()()()()(tjijitjijitrjrjrjrjrijijijijitrjrjrjrjrijijijijicfcfTcfTcfTcfTcf若動(dòng)態(tài)用戶初始位置已知，則上式右邊第二項(xiàng)為若動(dòng)態(tài)用戶初始位置已知，則上式右邊第二項(xiàng)為0 0。設(shè)左邊為設(shè)左邊為，兩邊，兩邊 同乘同乘 以以c/fc/f，上式變?yōu)椋?，上式變?yōu)椋篿jiijjiijijiijjiijijiijjiijZZZZZYYYYYXXXXXfc/)(/)(/)

19、(/)(/)(/)(0000006.3 GPS6.3 GPS用于測(cè)速、測(cè)時(shí)、測(cè)姿態(tài)用于測(cè)速、測(cè)時(shí)、測(cè)姿態(tài) GPSGPS測(cè)速測(cè)速利用利用GPSGPS信號(hào)測(cè)得運(yùn)動(dòng)載體的運(yùn)動(dòng)速度。根據(jù)定位信號(hào)測(cè)得運(yùn)動(dòng)載體的運(yùn)動(dòng)速度。根據(jù)定位原理方程，由站星距離的變化率，可以導(dǎo)出運(yùn)動(dòng)載體的運(yùn)原理方程，由站星距離的變化率，可以導(dǎo)出運(yùn)動(dòng)載體的運(yùn)行速度。由偽距定位方程對(duì)時(shí)間求導(dǎo)：行速度。由偽距定位方程對(duì)時(shí)間求導(dǎo)：22221:.,.,.,)/()(:)(/)()()(uuuKjuujujjrjrsrjjjjjjjjZYXvTffNTfcTffNddcZZZZYYYYXXXX 為為則則運(yùn)運(yùn)動(dòng)動(dòng)載載體體的的運(yùn)運(yùn)行行速速度度率率可

20、可以以忽忽略略不不計(jì)計(jì)電電離離層層對(duì)對(duì)流流層層時(shí)時(shí)延延變變化化鐘鐘差差變變化化率率另另外外變變化化率率可可以以算算得得距距離離這這些些參參數(shù)數(shù)均均是是已已知知是是測(cè)測(cè)速速時(shí)時(shí)間間間間隔隔載載波波頻頻率率是是衛(wèi)衛(wèi)星星發(fā)發(fā)射射是是接接收收到到的的載載波波頻頻率率是是多多普普勒勒頻頻移移計(jì)計(jì)數(shù)數(shù)式式中中化化率率是是由由接接收收機(jī)機(jī)測(cè)測(cè)得得的的上上式式左左邊邊站站星星距距離離的的變變 6.3 GPS6.3 GPS用于測(cè)速、測(cè)時(shí)、測(cè)姿態(tài)用于測(cè)速、測(cè)時(shí)、測(cè)姿態(tài)GPSGPS定時(shí)：定時(shí)：1 1。GPSGPS時(shí)間精度：時(shí)間精度： 與與UTCUTC之差之差1s1s。2 2。時(shí)間比對(duì)方法：。時(shí)間比對(duì)方法：（1 1）

21、一站單機(jī)定時(shí)法（原理見(jiàn)右圖示）一站單機(jī)定時(shí)法（原理見(jiàn)右圖示）（2 2）共視比對(duì)定時(shí)法）共視比對(duì)定時(shí)法 StddUagtgadStUadStUagtgadUaUagaUaStStgtStdStUadTttTTTtTTtTTTTtTTTTTTTTtTTt則則用用戶戶鐘鐘差差為為式式中中到到接接收收機(jī)機(jī)時(shí)時(shí)刻刻信信號(hào)號(hào)發(fā)發(fā)射射時(shí)時(shí)刻刻信信號(hào)號(hào)傳傳播播時(shí)時(shí)間間.,（a a）衛(wèi)星時(shí)鐘）衛(wèi)星時(shí)鐘（b b）GPSGPS時(shí)間時(shí)間（c c）用戶時(shí)鐘）用戶時(shí)鐘StTStT gtTgaTUaTUaT ctd ctd 發(fā)射時(shí)刻發(fā)射時(shí)刻到達(dá)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)刻到達(dá)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)刻到達(dá)時(shí)刻到達(dá)時(shí)刻 GPS GPS定時(shí)：共視比對(duì)定時(shí)：共視比對(duì)

22、 兩個(gè)測(cè)站上各安置一臺(tái)接收機(jī)兩個(gè)測(cè)站上各安置一臺(tái)接收機(jī)在相同的時(shí)間內(nèi)觀測(cè)同一衛(wèi)星，在相同的時(shí)間內(nèi)觀測(cè)同一衛(wèi)星，測(cè)定用戶時(shí)鐘鐘差。（右圖）測(cè)定用戶時(shí)鐘鐘差。（右圖） 先分別計(jì)算每個(gè)測(cè)站時(shí)鐘偏差，先分別計(jì)算每個(gè)測(cè)站時(shí)鐘偏差，再計(jì)算兩個(gè)測(cè)站時(shí)鐘之間的鐘差。再計(jì)算兩個(gè)測(cè)站時(shí)鐘之間的鐘差。 可以消除或減弱衛(wèi)星鐘差和星可以消除或減弱衛(wèi)星鐘差和星歷誤差。歷誤差。)()(:12121212 ddddUaUaUattttTTT兩兩用用戶戶的的鐘鐘差差A(yù)、B 測(cè)站共視時(shí)間比對(duì)測(cè)站共視時(shí)間比對(duì)AB數(shù)據(jù)傳輸數(shù)據(jù)傳輸GPS衛(wèi)星衛(wèi)星 測(cè)姿態(tài)：測(cè)姿態(tài)：如右圖，載如右圖，載體上體上4 4付天線和一臺(tái)付天線和一臺(tái)GPSGPS接

23、收機(jī)組成測(cè)姿系統(tǒng)。接收機(jī)組成測(cè)姿系統(tǒng)。天線構(gòu)成四邊形。組成天線構(gòu)成四邊形。組成三個(gè)線性無(wú)關(guān)的干涉儀，三個(gè)線性無(wú)關(guān)的干涉儀，對(duì)應(yīng)于三個(gè)基線對(duì)應(yīng)于三個(gè)基線ABAB、ACAC、ADAD。 定義慣性坐標(biāo)系和定義慣性坐標(biāo)系和載體直角坐標(biāo)系。通過(guò)載體直角坐標(biāo)系。通過(guò)觀測(cè)并解算基線，求兩觀測(cè)并解算基線，求兩坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)角從而得坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)角從而得出載體的姿態(tài)變化出載體的姿態(tài)變化, ,確確定載體的航向、俯仰、定載體的航向、俯仰、橫滾角。橫滾角。ZXY橫滾橫滾俯仰俯仰航向航向（X為前進(jìn)方向）為前進(jìn)方向）6.4 GPS6.4 GPS衛(wèi)星導(dǎo)航方法衛(wèi)星導(dǎo)航方法 1 1。GPSGPS導(dǎo)航方法基本概念導(dǎo)航方法基本概念 2

24、 2。GPSGPS單機(jī)導(dǎo)航單機(jī)導(dǎo)航 3 3。差分。差分GPSGPS導(dǎo)航（導(dǎo)航（DGPSDGPS） （1 1）位置差分（）位置差分（RTPRTP） （2 2）偽距差分（）偽距差分（RTDRTD） 4 4。GPS/GPS/慣性綜合導(dǎo)航慣性綜合導(dǎo)航6.4.1 GPS導(dǎo)航方法基本概念導(dǎo)航的任務(wù)是引導(dǎo)航行體自起始點(diǎn)出發(fā)沿著預(yù)定的航線，經(jīng)濟(jì)而安全地到達(dá)目的地。 對(duì)于任何某一具體的導(dǎo)航過(guò)程，首先必須確定本次航行的起始點(diǎn)、目的點(diǎn)以及航行計(jì)劃路徑。路徑的標(biāo)定一般是用一系列均勻分布與路徑上的坐標(biāo)點(diǎn)來(lái)確定，這些坐標(biāo)點(diǎn)就叫航路點(diǎn)。經(jīng)常地測(cè)定在航行中的航行體位置，是完成導(dǎo)航任務(wù)的一個(gè)重要課題，因?yàn)橐饺藛T需要隨時(shí)體了解

25、航行已經(jīng)到達(dá)的位置，以便掌握航行體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，判明其有無(wú)偏離預(yù)定的航線，偏離的程度如何，GPS定位系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)提供給航行體位置信息，結(jié)合計(jì)算機(jī)中存儲(chǔ)的航行路徑中各航路點(diǎn)位置信息，可以計(jì)算出各種可用來(lái)校正航差、指導(dǎo)正確的航行方向的制導(dǎo)參數(shù)。 GPS衛(wèi)星導(dǎo)航中的常用方法包括： GPS單機(jī)導(dǎo)航；差分單機(jī)導(dǎo)航；差分GPS導(dǎo)航；導(dǎo)航；GPS/慣性綜合導(dǎo)航。慣性綜合導(dǎo)航。6.4.2 GPS單機(jī)導(dǎo)航顧名思義，單機(jī)就是在航行體上僅裝配一臺(tái)C用接收機(jī)，單獨(dú)實(shí)施導(dǎo)航，如在地質(zhì)勘探、資源調(diào)查、船只航行、汽車導(dǎo)航等方面，得到廣泛應(yīng)用。因?yàn)橐慌_(tái)GPS接收只要能接收到4顆以上的衛(wèi)星信號(hào)便可測(cè)定出所處的位置。因此操作和使用

26、非常簡(jiǎn)單，價(jià)格也便宜，且具有全天候、全球性、較高精度及實(shí)時(shí)三維定位和測(cè)速能力。 但是在眾多階情況下，單機(jī)導(dǎo)航還需配備適當(dāng)?shù)妮o助設(shè)備，以保證導(dǎo)航的安全可靠性。如船只航行不僅要確定船的實(shí)時(shí)位置，還必須實(shí)時(shí)測(cè)定水深，才不致使船只觸礁而能夠安全的航行。又如汽車導(dǎo)航時(shí)，當(dāng)汽車行駛在高層建筑的街道或林蔭道上，可能GPS接收機(jī)接收不到足夠的衛(wèi)星數(shù)以滿足定位的需要。一般在汽車上還要配備電子羅盤，結(jié)合速度計(jì)和相應(yīng)軟件，來(lái)實(shí)現(xiàn)不能實(shí)施GPS定位情況下的連續(xù)定位導(dǎo)航工作。在陸地車輛的導(dǎo)航中，還經(jīng)常配備電子地圖、交通信息庫(kù)和智能選線功能，以幫助駕駛員安全、快速地到達(dá)目的地。6.4.3 差分CPS導(dǎo)航由于使用CA碼的民

27、用用戶的定位精度低，因而就提出了如何提高民用定位精度的問(wèn)題。差分GPS就是適應(yīng)這一要求而產(chǎn)生的，其原理如圖10-3所示。在地面已知位置設(shè)置一個(gè)地面站，地面站由一個(gè)GPS差分接收機(jī)和一個(gè)差分發(fā)射機(jī)組成。差分接收機(jī)接收衛(wèi)星信號(hào)，監(jiān)測(cè)GPS差分系統(tǒng)的誤差，并按規(guī)定的時(shí)間間隔把修正信息發(fā)送給用戶，用戶用修正信息校正自己的測(cè)量或位置解。差分GPS導(dǎo)航有兩種工作方式。（1）位置差分法）位置差分法 差分接收機(jī)和用戶接收機(jī)一樣，通過(guò)偽距測(cè)量確定自己的位置。把測(cè)量確定的位置數(shù)據(jù)和已知位置數(shù)據(jù)比較，即得位置校正量X，Y，Z。通過(guò)發(fā)射機(jī)把這些位置修正信息發(fā)送給用戶接收機(jī)，用戶接收機(jī)用以校正自己的輸出坐標(biāo)。差分原理圖

28、（2）偽距差分法）偽距差分法 地面接收機(jī)對(duì)所有可見(jiàn)衛(wèi)星測(cè)量偽距，并根據(jù)星歷數(shù)據(jù)和已知位置計(jì)算用戶到衛(wèi)星的距離，兩者相減得到偽距誤差。把偽距誤差作為修正信息發(fā)送給用戶接收機(jī)，用戶接收機(jī)用來(lái)修正自己測(cè)量的偽距，然后進(jìn)行定位計(jì)算。這種方法不要求用戶接收機(jī)和地面接收機(jī)使用相同的星座，使用方便，但對(duì)地面接收機(jī)要求的通道數(shù)多。上述兩種校正方法都是以用戶接收機(jī)和地面接收機(jī)具有相同的誤差為前提。實(shí)際上，兩臺(tái)接收機(jī)所處的位置不同，接收機(jī)本身也不一樣，因此誤差不可能相同。隨著兩臺(tái)接收機(jī)間距離的增大，修正效果變差。6.4.4 GPS/慣性綜合導(dǎo)航GPS全球定位系統(tǒng)是一種高精度的全球三維實(shí)時(shí)導(dǎo)航的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，其導(dǎo)航

29、定位的全球性和高精度，使之成為一種先進(jìn)的導(dǎo)航設(shè)備。但GPS也存在一些不足：衛(wèi)星星座對(duì)地球覆蓋不完善，特別在中緯度地區(qū)；GPS接收機(jī)的工作受飛行器機(jī)動(dòng)的影響，機(jī)動(dòng)超出GPS接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍時(shí)，接收機(jī)會(huì)失鎖，誤差很大，不能使用；GPS接收機(jī)數(shù)據(jù)更新頻率低，難以滿足實(shí)時(shí)控制的要求。而慣性導(dǎo)航系統(tǒng)由于其工作的完全自主性，在航空、航天、航海等領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用，稱為目前各種航行體上應(yīng)用的以一種主要導(dǎo)航設(shè)備，其主要缺點(diǎn)：導(dǎo)航定位誤差隨時(shí)間增長(zhǎng)，因而難以長(zhǎng)時(shí)間的獨(dú)立工作。GPS/慣性導(dǎo)航綜合，克服了各自的缺點(diǎn)，取長(zhǎng)補(bǔ)短，是綜合后的導(dǎo)航精度高于兩種系統(tǒng)單獨(dú)工作的精度。有效的提高了慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的性能和精度。

30、提高了GPS接收機(jī)的動(dòng)態(tài)特性和抗干擾性以及其可靠性。GPS/慣性綜合可以構(gòu)成那個(gè)一種比較理想的導(dǎo)航系統(tǒng)，是目前導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展的主要方向。根據(jù)不同的應(yīng)用要求，可以有不同水平的綜合，即綜合的深度不同。按照綜合的深度，可以把綜合系統(tǒng)大致氛圍兩類，一類是松散綜合，另一類是緊密綜合。1、松散綜合 GPS和慣導(dǎo)仍獨(dú)立工作，綜合作用僅表現(xiàn)在用GPS輔助慣導(dǎo)。包括兩種綜合（1）用GPS重調(diào)慣導(dǎo)：用GPS給出的位置、速度信息直接重調(diào)慣導(dǎo)系統(tǒng)的輸出。（2）用位置、速度信息綜合：這是采用綜合卡爾曼濾波器的一種綜合模式，用GPS和慣導(dǎo)輸出的位置和速度信息的差值，井綜合卡爾曼濾波，估計(jì)慣導(dǎo)系統(tǒng)的誤差，然后對(duì)慣導(dǎo)系統(tǒng)進(jìn)行校

31、正。2、緊密綜合 其特點(diǎn)是GPS接收機(jī)和慣導(dǎo)系統(tǒng)相互輔助。屬于緊密綜合的基本模式是偽距、偽距率的綜合，以及在偽距、偽距率綜合基礎(chǔ)上再加上用慣導(dǎo)位置和速度對(duì)GPS接收機(jī)跟蹤環(huán)進(jìn)行輔助，也可以再對(duì)GPS接收機(jī)導(dǎo)航功能的輔助。用在高動(dòng)態(tài)飛行器上的GPS/慣性綜合系統(tǒng)通常都是采用緊密綜合模式。定義單獨(dú)利用一臺(tái)接收機(jī)確定待定點(diǎn)在地固坐標(biāo)系中絕對(duì)位置的方法定位結(jié)果與所用星歷同屬一坐標(biāo)系的絕對(duì)坐標(biāo)采用廣播星歷時(shí)屬WGS-84采用IGS International GPS Service精密星歷時(shí)為ITRF International Terrestrial Reference Frames特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：一臺(tái)接收

32、機(jī)單獨(dú)定位，觀測(cè)簡(jiǎn)單，可瞬時(shí)定位缺點(diǎn)：精度主要受系統(tǒng)性偏差的影響，定位精度低應(yīng)用領(lǐng)域低精度導(dǎo)航、資源普查、軍事、.6.56.5單點(diǎn)定位單點(diǎn)定位偽距單點(diǎn)定位的誤差方程對(duì)于衛(wèi)星i，在某一個(gè)歷元的誤差方程為itropiionitiitiiiiVVVcVcdZndYmdXlVSR)()()(0偽距單點(diǎn)定位的誤差方程對(duì)在某歷元同時(shí)觀測(cè)的n顆衛(wèi)星，其誤差方程及位置解為單點(diǎn)定位有單點(diǎn)定位有4個(gè)待定參數(shù)，個(gè)待定參數(shù)，因而至少需因而至少需要同時(shí)觀測(cè)要同時(shí)觀測(cè)4顆以上的衛(wèi)顆以上的衛(wèi)星，才能同星，才能同時(shí)確定出所時(shí)確定出所有的待定參有的待定參數(shù)。數(shù)。4)()()()()(.)()()()()()(1.11.)()(

33、)(.)()()()()()(2011020222210111122211121022222022221111101111nVVVcVVVcVVVccVdZdYdXnmlnmlnmlVVVVVVcVcdZndYmdXlVVVVcVcdZndYmdXlVVVVcVcdZndYmdXlVnntropnionntntropionttropionttnnnnntropnionntnntnnnntropiontttropionttSSSRSRSRSRVVQDBBQlBBBxlxBVlBxVT0TTT；用矩陣形式表示：DOP值DOP（Dilution of Precision）GDOP Geometry

34、Dilution of PrecisionPDOP Position Dilution of PrecisionTDOP Time Dilution of PrecisionHDOP Horizontal Dilution of PrecisionVDOP Vertical Dilution of Precision,XXXYXZXtYXYYYZYtZXZYZZZttXtYtZttXXYYZZttXXYYZZttNNEEUUqqqqqqqqqqqqqqqqGDOPqqqqPDOPqqqTDOPqHDOPqqVDOPqN E UQ其中：為站心地平坐標(biāo)系下的坐標(biāo)分量。DOP值的定義值的定義DOP值

35、DOP值與定位精度DOP值的性質(zhì)DOP值與單點(diǎn)定位時(shí)，所觀測(cè)衛(wèi)星的數(shù)量與分布有關(guān)，它所表示的是定位的幾何條件DOP值越小，定位的幾何條件越好posposmURA PDOPmURA其中：為位置中誤差，為用戶等效距離誤差。DOP值1-sigma 誤差，單位 m 誤差來(lái)源 偏差 隨機(jī)誤差 總誤差 星歷數(shù)據(jù) 2 .1 0.0 2.1 衛(wèi)星鐘 2.0 0.7 2.1 電離層 4.0 0.5 4.0 對(duì)流層 0.5 0.5 0.7 多路徑 1.0 1.0 1.4 接收機(jī)觀測(cè) 0.5 0.2 0.5 用戶等效距離誤差(UERE), rms 5.1 1.4 5.3 濾波后的 UERE，rms 5.1 0.4

36、5.1 1-sigma 垂直誤差VDOP = 2.5 12.8 1-sigma 水平誤差HDOP = 2.0 10.2 SPS 誤差模型 無(wú) SA DOP值1-sigma 誤差，單位 m 誤差來(lái)源 偏差 隨機(jī)誤差 總誤差 星歷數(shù)據(jù) 2 .1 0.0 2.1 衛(wèi)星鐘 2.0 0.7 2.1 電離層 1.0 0.7 1.2 對(duì)流層 0.5 0.5 0.7 多路徑 1.0 1.0 1.4 接收機(jī)觀測(cè) 0.5 0.2 0.5 用戶等效距離誤差(UERE), rms 3.3 1.5 3.6 濾波后的 UERE，rms 3.3 0.4 3.3 1-sigma 垂直誤差VDOP = 2.5 8.3 1-sigma 水平誤差HDOP = 2.0 6.6 PPS 誤差模型，雙頻，P/Y 碼 載波相位單點(diǎn)定位的誤差方程對(duì)于衛(wèi)星i，誤差方程為0()()()RSiiiitiiiiionitropitVl dXmdYndZc VNc VVV 載波相位單點(diǎn)定位的誤差方程若在k個(gè)歷元里每歷元均觀測(cè)了n顆相同的衛(wèi)星，則誤差方程kntropknionkntnknnktknknknknntropnionntnnntnnnnntropnionntnntnnnnntropnionntnnntnnnntropionttVVVcNVcdZndYmd