第6章 GPS卫星导航.ppt

第六章 GPS卫星导航 6.1 概述 导航（两层含义）：是测得运动载体的状态参数，并导引运动载体准确地运动到预定的后续位置。 确定航行体的即时位置。 “导引”该运动载体准确地驶向预定的后续位置。 由此可见，导航是一种广义的动态定位。 6.1 概述 卫星导航（概念） 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。 6.1 概述 GPS在导航领域的应用，有着广阔的前景。 6.1 概述 GPS导航具有的特点： 用户多样性 速度多异性 定位实时性 数据短时性 精度要求多变性 6.2 GPS卫星导航原理 GPS导航的主要方法： 单点动态定位（绝对动态定位） 实时差分动态定位（相对动态定位） 后处理差分动态定位 6.2.1 单点动态定位 单点动态定位是确定处于运动载体上的接收机在运动的每一瞬间的位置。 由于接收机天线处于运动状态，故天线点位的坐标是一个变化的量，因此确定每一瞬间坐标的观测方程只有较少的多余观测(甚至没有多余观测)，且一般常利用测距码伪距进行单点动态定位。 6.2.1 单点动态定位 因此，其精度较低，一般仅有几十米的精度，在SA政策影响下，其精度甚至低于百米。 通常这种定位方法只用于精度要求不高的飞机、船舶以及陆地车辆等运动载体的导航。 6.2.2 伪距差分动态定位 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的精确位置。 6.2.2 伪距差分动态定位 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。 6.2.2 伪距差分动态定位 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。 6.2.3 动态载波相位差分测量 GPS载波相位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。 6.3 GPS用于测速、测时、测姿态 6.3.1 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。 6.3.1 GPS测速 假设于历元t1和t2测定的载体实时位置分 别为X1(t1)和X2(t2)，则其运动速度可简单地表示为 6.3.1 GPS测速 由此可得载体运行方向的速度为 6.3.1 GPS测速 上述计算是在时间段Δt内的平均速度，如果计算过程中所取时间间隔过短或过长，都难以正确描述载体的实时运行速度。 因此可以采用观测载波多普勒频移的方法，来实时测定载体运行速度。 多普勒频移 由于GPS用户接收机载体和GPS卫星之间的相对运动，接收机接收到的GPS载波信号与卫星发射的载波信号频率不同，其间的频率差称为多普勒频移。 频移的大小与接收机与卫星之间距离的变率有关。 6.3.1 GPS测速 综上所述，在高精度测速的情况下，式(6-15)只有用户三维速度和接收机钟速共四个未知数；观测了四颗在视 GPS卫星，即可解得这四个未知数。可求得运动载体的运行速度。 6.3.1 GPS测速 另外 ，还可用GPS差分方法测速，从而消除星历误差对测速精度的损失，这对削弱 SA技术的影响是一种有效的措施，此外 ，还可显著削弱电离层或对流层效应对测速精度的影响。 6.3.2 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(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±1μs以内。 6.3.2 GPS定时 此外，GPS卫星还向用户播发它自己的钟差、钟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用户无限的时间信号源，用以进行精确的时间比对。 6.3.2 GPS定时 GPS测时主要有以下两种方法： 一站单机定时法 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。 一站单机定时法 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。 一站单机定时法 上述可见，当观测站坐标已知时，只需观测1颗卫星，即