课程《GPS原理及应用》课件第5章GPS卫星导航.ppt
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- GPS原理及应用 课程 GPS 原理 应用 课件 卫星 导航
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1、第五章第五章 GPS卫星导航卫星导航5.1概述概述 导航的概念首先起源于航海事业,其最初的含导航的概念首先起源于航海事业,其最初的含义是引导载体从一个地点航行到另一个地点的过程。义是引导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、巨型油轮、集装箱船、艇、海洋地球物理调查船、巨型油轮、集装箱船、人造卫星、宇宙飞船等的相继出现也大大扩展了人造卫星、宇宙飞船等的相继出现也大大扩展了“导航导航”的概念,除了保证
2、航行安全外,还需要为的概念,除了保证航行安全外,还需要为载体或载体中的监视、测量、装备等系统提供精确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。这样在不同领域先后出现了许多导航的导航信息。这样在不同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,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、卫星导航还有天文导航、无线电导航、惯性导航、卫星导航等。等。所谓导航,就是引导航行的意思;也就是所谓导航,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那个方向运动确定航行体运动到什么地方和向那个方向运动的意思。要使飞机、舰船等成功
3、地完成所预定的意思。要使飞机、舰船等成功地完成所预定的航行任务。除了起始点和目标的位置之外,的航行任务。除了起始点和目标的位置之外,主要的就是必须知道航行体所处的即时位置。主要的就是必须知道航行体所处的即时位置。因为只有确定了即时位置才能考虑怎样到达下因为只有确定了即时位置才能考虑怎样到达下一目的地的问题;如果连自己已经到了什么地一目的地的问题;如果连自己已经到了什么地方,以后该到什么地方也不知道的话,那就无方,以后该到什么地方也不知道的话,那就无从谈起完成预定航行任务的问题。由此可见,从谈起完成预定航行任务的问题。由此可见,导航的首要问题就是确定航行体的即时位置。导航的首要问题就是确定航行体
4、的即时位置。另外,为现代载体提供精确的导航信息,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时速度,精确的时间等状还需要测定载体的瞬时速度,精确的时间等状态参数,进而态参数,进而“导引导引”该运动载体准确地驶向该运动载体准确地驶向预定的后续位置。由此可见,导航是一种广义预定的后续位置。由此可见,导航是一种广义的动态定位。的动态定位。卫星导航是用导航卫星发送的导航定位信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号引导运动载体安全到达目的地的一门新兴科学。学。GPS卫星所发送的导航定位信号,是一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
5、源;陆地、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海洋和空间的广大用户,只要持有一种能够接收、跟踪、变换和测量收、跟踪、变换和测量GPS信号的接收机,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);其状态参数(三维坐标、三维速度、时间);其用途之广,影响之大,是任何其它接收设备望用途之广,影响之大,是任何其它接收设备望尘莫及的;上至航空航天器,下至打渔船、导尘莫及的;上至航空航天器,下至打渔船、导游、摄影和农业生产,均可利用游、摄影和农业生产,均可利用GPS信号接信号接收
6、机。收机。不仅如此,不仅如此,GPS卫星的入轨运行,还为卫星的入轨运行,还为大地测量学、地球动力学、地球物理学、天体大地测量学、地球动力学、地球物理学、天体力学、载人航天学、全球海洋学和全球气象学力学、载人航天学、全球海洋学和全球气象学提供了一种高精度和全天候的测量新技术。提供了一种高精度和全天候的测量新技术。GPS在导航领域的应用,有着比在导航领域的应用,有着比GPS静静态定位更广阔的前景,两者相比较,态定位更广阔的前景,两者相比较,GPS导导航具有:用户多样、速度多变、定位实时、数航具有:用户多样、速度多变、定位实时、数据和精度多变等特点。因此,应该依据据和精度多变等特点。因此,应该依据G
7、PS动态测量的这些特点,选购适宜的接收机,采动态测量的这些特点,选购适宜的接收机,采用适当的数据处理方法,以便获得所要求的运用适当的数据处理方法,以便获得所要求的运动载体的状态参数的测量精度。动载体的状态参数的测量精度。5.2 GPS卫星导航原理卫星导航原理 上节已论述到上节已论述到GPSGPS导航是广义的导航是广义的GPSGPS动态定动态定位,它有着极其广阔的应用前景。例如,用于位,它有着极其广阔的应用前景。例如,用于陆地、水上和航空航天运载体的导航。根据用陆地、水上和航空航天运载体的导航。根据用户的应用目的和精度要求的不同,户的应用目的和精度要求的不同,GPSGPS动态定动态定位方法也随之
8、而改变。从目前的应用看来,主位方法也随之而改变。从目前的应用看来,主要分为以下几种方法:要分为以下几种方法:(1)单点动态定位:它是用安设在一个运动载单点动态定位:它是用安设在一个运动载体上的体上的GPS信号接收机,自主地测得该运动信号接收机,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,常用单点动态位。例如,行驶的汽车和火车,常用单点动态定位。定位。(2)实时差分动态定位:它是用安设在一个)实时差分动态定位:它是用安设在一个运动载体上的
9、运动载体上的GPS信号接收机,及安设在一信号接收机,及安设在一个基准站上的另一台个基准站上的另一台GPS接收机,联合测得接收机,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。的较高定位精度。(3)后处理差分动态定位:它和实时差分动)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
10、准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,对两实时数据传输,而是在定位观测以后,对两台台GPS接收机所采集的定位数据进行测后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,在航空体在对应时间上的坐标位置。例如,在航空摄影测量时,用摄影测量时,用GPS信号测量每一个摄影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瞬间的摄站位置,就可以采用后处理差分动态定位。态定位。此外,根据载体的运行速度
11、和加速度的不此外,根据载体的运行速度和加速度的不同,以及所要求的精度不同而选用相应型号的同,以及所要求的精度不同而选用相应型号的接收机。例如,用于航空摄影测量摄站的接收接收机。例如,用于航空摄影测量摄站的接收机,不仅要求它在秒速机,不仅要求它在秒速300m左右时能够作左右时能够作伪距和载波相位测量,而且要求它具有秒脉冲伪距和载波相位测量,而且要求它具有秒脉冲输出的时间同步能力;对于海洋测绘用户而言,输出的时间同步能力;对于海洋测绘用户而言,则宜选购具有速度测量和定时功能的双频接收则宜选购具有速度测量和定时功能的双频接收机,并附设有带抑径板或抑径圈的机,并附设有带抑径板或抑径圈的GPS信号信号接
12、收天线,以减弱海面所产生的多路径效应的接收天线,以减弱海面所产生的多路径效应的影响。影响。5.2.1 单点动态定位单点动态定位单点动态定位的基本方程为单点动态定位的基本方程为其中:其中:Xu、Yu、Zu为动态用户在为动态用户在tk时刻的瞬时刻的瞬时位置;时位置;Xj、Yj、Zj是第是第j颗颗GPS卫星在其运卫星在其运行轨道上的瞬时位置,它可根据广播星历计算;行轨道上的瞬时位置,它可根据广播星历计算;为码接收机所测得的为码接收机所测得的GPS信号接收天线和第信号接收天线和第j颗颗GPS卫星之间的距离,即站星距离;卫星之间的距离,即站星距离;d是由是由于接收机时钟误差等因素所引起的站星距离偏于接收
13、机时钟误差等因素所引起的站星距离偏差。差。利用式(利用式(1)解算用户位置时,不是直接求它的三)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(户三维坐标的初始值(Xu0,Yu0,Zu0),而求解),而求解三维坐标的改正值(三维坐标的改正值(Xu、Yu、Zu)和距离偏)和距离偏差差d。对式(。对式(1)中)中Xu、Yu、Zu分别微分,便得到分别微分,便得到线性方程线性方程 X=A-1B (2)其中其中X=XuYuZudT利用(利用(2)式解算运动载体的实时点位时,后续点位)式解算运动载体的实时点位时,后
14、续点位的初始坐标值可以依据前一个点位坐标来假定,因的初始坐标值可以依据前一个点位坐标来假定,因此,关键是要确定第一个点位坐标的初始值,才能此,关键是要确定第一个点位坐标的初始值,才能精确求得第一个点位的三维坐标。精确求得第一个点位的三维坐标。5.2.2 伪距差分动态定位伪距差分动态定位 所谓差分动态定位(所谓差分动态定位(DGPS)就是用两台)就是用两台接收机在两个测站上同时测量来自相同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卫星的导航定位信号,用以联合测得动态用户的精确位置,其中一个测站是位于已知坐标点,的精确位置,其中一个测站是位于已知坐标点,设在该
15、已知点(又称基准点)的设在该已知点(又称基准点)的GPS信号接信号接收机,叫做基准接收机。它和安设在运动载体收机,叫做基准接收机。它和安设在运动载体上的上的GPS信号接收机(简称动态接收机)同信号接收机(简称动态接收机)同时测量来自相同时测量来自相同GPS卫星的导航定位信号。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,便可获得行比较,便可获得GPS定位数据的改正值。定位数据的改正值。如果及时将如果及时将GPS改正值发送给若干台共视卫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星用户的动态接收机,而改正后者所测得
16、的实时位置,便叫做实时差分动态定位。时位置,便叫做实时差分动态定位。由式(由式(1)可知,基准站)可知,基准站R测得至测得至GPS卫星卫星j的的伪距为伪距为5.2.3 动态载波相位差分测量动态载波相位差分测量 GPS载波相位测量方位不仅适用于静态载波相位测量方位不仅适用于静态定位,同样也适用于动态定位,并且已取得厘定位,同样也适用于动态定位,并且已取得厘米级的三维位置精度。米级的三维位置精度。由载波相位观测方程得出动态差分方程:由载波相位观测方程得出动态差分方程:5.3 GPS用于测速、测时用于测速、测时 前面已经说过,前面已经说过,GPS卫星导航不仅要确卫星导航不仅要确定运动载体的实时位置,
17、还要确定载体的瞬时定运动载体的实时位置,还要确定载体的瞬时速度,精确的时间等状态参数。本节对上述问速度,精确的时间等状态参数。本节对上述问题分别介绍。题分别介绍。5.3.1 GPS测速测速 利用利用GPS信号测得运动载体的运动速度,叫信号测得运动载体的运动速度,叫做做GPS测速。尽管载体的运动速度各不一样,且测速。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不是匀速运动,但是,只要在这些运动载体上安设设GPS信号接收机,就可以在进行动态定位的同信号接收机,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。利用时,实时地测得它们的运行速度。利用GPS信号信号进行速
18、度测量,是基于站星距离的测量。用户天进行速度测量,是基于站星距离的测量。用户天线和线和GPS卫星之间的距离:卫星之间的距离:根据物理学关于线速度是运动质点在单位时间根据物理学关于线速度是运动质点在单位时间内的距离变化率的定义,则微分上式得到动态内的距离变化率的定义,则微分上式得到动态用户的三维速度表达式:用户的三维速度表达式:另外,还可用另外,还可用GPS差分方法测速,从而差分方法测速,从而消除星历误差对测速精度的损失,这对消弱消除星历误差对测速精度的损失,这对消弱SA技术的影响是一种有效的措施,另外还可技术的影响是一种有效的措施,另外还可以显著消弱电离层或对流层效应对测速精度的以显著消弱电离
19、层或对流层效应对测速精度的影响。影响。5.3.2 GPS定时定时 定时有着广泛的应用。从日常生活到航天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。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随着使用目的的不同,人们对时间准确度的要求也不一样。求也不一样。GPS卫星都安装有卫星都安装有4台原子时钟,台原子时钟,GPS时间受美国海军天文台经常性监测。时间受美国海军天文台经常性监测。GPS系系统的地面主控站能够以优于统的地面主控站能够以优于5ns的精度,使的精度,使GPS时间和世界协调时之差保持在时间和世界协调时之差保持在 以以
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