第六章GPS衛(wèi)星導(dǎo)航

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 單點動態(tài)導(dǎo)航、偽距差分動態(tài)定位、動態(tài)載波相位單點動態(tài)導(dǎo)航、偽距差分動態(tài)定位、動態(tài)載波相位差分測量差分測量6.3 GPS6.3 GPS用于測速、測時、測姿態(tài)用于測速、測時、測姿態(tài) GPSGPS測速、測速、GPSGPS定時、定時、GPSGPS干涉儀進(jìn)行載體姿態(tài)測量干涉儀進(jìn)行載體姿態(tài)測量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單機導(dǎo)航、差分單機

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 精密單點定位技術(shù)精密單點定位技術(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)運載體從一個地點確定并引導(dǎo)運載體從一個地點航行到另一個地點的過程。包括航行中測航行到另一個地點的過程。包括航行中測定并提供載體位置、航速、航向、時間以定并提供載體位置、航速、航向、時間以及載體姿態(tài)等信息。及載體姿態(tài)等信息。導(dǎo)航方法：天文導(dǎo)航、無線電導(dǎo)航、慣性導(dǎo)導(dǎo)航方法：天文導(dǎo)航、無線電導(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)航的特點及應(yīng)用：全天候、全球、實衛(wèi)星導(dǎo)航的特點及應(yīng)用：全天候、全球、實時、七維狀態(tài)參數(shù)、

3、三維姿態(tài)參數(shù)。時、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)運載體從一個地點航行到另一含義是引導(dǎo)運載體從一個地點航行到另一個地點的過程。導(dǎo)航的首要問題就是確定個地點的過程。導(dǎo)航的首要問題就是確定航行體的即時位置，還要測定其速度、時航行體的即時位置，還要測定其速度、時間、姿態(tài)等狀態(tài)參數(shù)。由此可見，導(dǎo)航是間、姿態(tài)等狀態(tài)參數(shù)。由此可見，導(dǎo)航是一種廣義的動態(tài)定位。一種廣義的動態(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)運動載體安全到達(dá)目的地的一門新息引導(dǎo)運動載體安全到達(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)運載體從一個地點航行到另一個地點的過程。隨著時代的變遷，載體從一個地點航行到另一個地點的過程。隨著時代的變遷，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)的眾多的運載工具，諸如：飛機、火箭、導(dǎo)彈、核潛艇、海洋地球物理調(diào)查船、巨型貨輪、機、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)也大大擴展了人

5、造衛(wèi)星、宇宙飛船等的相繼出現(xiàn)也大大擴展了“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、無線電導(dǎo)航、慣性導(dǎo)航、衛(wèi)星導(dǎo)航等。 導(dǎo)航的首要問題就是確定航行體的即時位置，還要測定其導(dǎo)航的首要問題就是確定航行體的即時位置，還要測定其速

6、度、時間、姿態(tài)等狀態(tài)參數(shù)。由此可見，導(dǎo)航是一種廣義的速度、時間、姿態(tài)等狀態(tài)參數(shù)。由此可見，導(dǎo)航是一種廣義的動態(tài)定位。動態(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)運動載體衛(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)運動載體安全到達(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，是一種可供無數(shù)用戶衛(wèi)星所發(fā)出的導(dǎo)航定位信號，是一種可供無數(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、變換和測量有一種能夠接受、跟蹤、變換和測量GPSGPS信號的

7、接收機，就可以信號的接收機，就可以全天候和全球性的測量運動載體的七維狀態(tài)參數(shù)（三維坐標(biāo)、全天候和全球性的測量運動載體的七維狀態(tài)參數(shù)（三維坐標(biāo)、三維速度、時間）和三維姿態(tài)參數(shù)；其用途之大，影響之大，三維速度、時間）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、定位實時、數(shù)據(jù)和精度多變等特點。因此，應(yīng)該依據(jù)變、

8、定位實時、數(shù)據(jù)和精度多變等特點。因此，應(yīng)該依據(jù)GPSGPS動動態(tài)測量的這些特點，選購適宜的接收機，采用適當(dāng)?shù)牡臄?shù)據(jù)處態(tài)測量的這些特點，選購適宜的接收機，采用適當(dāng)?shù)牡臄?shù)據(jù)處理方法，以便獲得所要求的運動載體的七維狀態(tài)參數(shù)和三維姿理方法，以便獲得所要求的運動載體的七維狀態(tài)參數(shù)和三維姿態(tài)參數(shù)的測量精度。態(tài)參數(shù)的測量精度。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一、恒星的位置與星下點 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、船位與星下點的距離測量二、船位與星下點的距離測量三、用船與星下點的距離交繪出

9、船的位置三、用船與星下點的距離交繪出船的位置一、恒星的一、恒星的位置與星下點測位置與星下點測量時間確定星量時間確定星下點位置測量下點位置測量船與兩個星下船與兩個星下點的距離，交點的距離，交會出船的位置會出船的位置。NSP1P2S1S2船赤道Z zxyyxo二、船位與星下點的距離測二、船位與星下點的距離測量量 測量恒星的垂直角測量恒星的垂直角， 計算天頂距計算天頂距Z=90- Z=90- ， 船與星下點的距離船與星下點的距離 用角度用角度Z Z所對的圓弧度量，所對的圓弧度量，1 1分為分為1 1海里，即海里，即1.852km1.852km。三、用船與星下點的距離交三、用船與星下點的距離交繪出船的

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星下點距距離離天頂天頂無線電導(dǎo)航無線電導(dǎo)航海岸上設(shè)立兩個以上的海岸上設(shè)立兩個以上的無線電發(fā)射電臺無線電發(fā)射電臺船上的接收機測量船與船上的接收機測量船與電臺的距離或距離差，電臺的距離或距離差，交會出船的位置交會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動態(tài)定位，從目前的動態(tài)定位，從目前的應(yīng)用看來，主要分為以下幾種方法：應(yīng)用看來，主要分為以下幾種方法： （1 1）單點動態(tài)定位）單點動態(tài)定位（2 2）實時差分動態(tài)定位）實時差分動態(tài)定位（3

11、 3）后處理差分動態(tài)定位（用于攝影測量）后處理差分動態(tài)定位（用于攝影測量） 6.2 GPS6.2 GPS衛(wèi)星導(dǎo)航原理衛(wèi)星導(dǎo)航原理GPSGPS單點動態(tài)定位單點動態(tài)定位單點動態(tài)定位是用安設(shè)在一個運動載體上的單點動態(tài)定位是用安設(shè)在一個運動載體上的GPSGPS信信號接收機，自主地測得該運動載體的實時位置，從號接收機，自主地測得該運動載體的實時位置，從而描述出該運動載體的運動軌跡。所以單點動態(tài)定而描述出該運動載體的運動軌跡。所以單點動態(tài)定位又叫絕對動態(tài)定位。例如，行駛的汽車和火車，位又叫絕對動態(tài)定位。例如，行駛的汽車和火車，常用單點動態(tài)定位。常用單點動態(tài)定位。GPSGPS實時差分動態(tài)定位實時差分動態(tài)定位

12、實時差分動態(tài)定位是用安設(shè)在一個運動載體上的實時差分動態(tài)定位是用安設(shè)在一個運動載體上的GPSGPS信號接收機，及安設(shè)在一個基準(zhǔn)站上的另一臺信號接收機，及安設(shè)在一個基準(zhǔn)站上的另一臺GPSGPS接收機，聯(lián)合測得該運動載體的實時位置，從接收機，聯(lián)合測得該運動載體的實時位置，從而描述出該運動載體的運行軌跡，故差分動態(tài)定位而描述出該運動載體的運行軌跡，故差分動態(tài)定位又稱為相對動態(tài)定位。例如，飛機著陸和船艦進(jìn)港，又稱為相對動態(tài)定位。例如，飛機著陸和船艦進(jìn)港，一般要求采用實時差分動態(tài)定位，以滿足它們所要一般要求采用實時差分動態(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后處理差分動態(tài)定位后處理差分動態(tài)定位后處理差分動態(tài)定位和實時差分動態(tài)定位后處理差分動態(tài)定位和實時差分動態(tài)定位的主要差別在于，在運動載體和基準(zhǔn)站之的主要差別在于，在運動載體和基準(zhǔn)站之間，不必像實時差分動態(tài)定位那樣建立實間，不必像實時差分動態(tài)定位那樣建立實時數(shù)據(jù)傳輸，而是在定位觀測以后，對兩時數(shù)據(jù)傳輸，而是在定位觀測以后，對兩臺臺GPSGPS接收機所采集的定位數(shù)據(jù)進(jìn)行測后的接收機所采集的定位數(shù)據(jù)進(jìn)行測后的聯(lián)合處理，從而計算出接收機所在運動載聯(lián)合處理，從而計算出接收機所在運動載體在對應(yīng)時間上的坐標(biāo)位置。例如，在航體在對應(yīng)時間上的坐標(biāo)位置。例如，在航空攝影測量時，用

14、空攝影測量時，用GPSGPS信號測量每一個攝影信號測量每一個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態(tài)定位。動態(tài)定位。6.2.1 6.2.1 單點動態(tài)定位原理單點動態(tài)定位原理原理：原理：由單點動態(tài)定位基本方程輸入動態(tài)用戶接收機的初始三由單點動態(tài)定位基本方程輸入動態(tài)用戶接收機的初始三維坐標(biāo)值后，進(jìn)行線性化，列出偽距觀測值的誤差方程式，解算維坐標(biāo)值后，進(jìn)行線性化，列出偽距觀測值的誤差方程式，解算接收機瞬時位置。接收機瞬時位置。 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 偽距差分動態(tài)定位偽距差分動態(tài)定位原理：一臺接收機在基準(zhǔn)站上，另一臺接收機為動態(tài)用戶接原理：一臺接收機在基準(zhǔn)站上，另一臺接收機為動態(tài)用戶接收機。對衛(wèi)星同步觀測?；鶞?zhǔn)接收機測得三維位置與該點已收機。對衛(wèi)星同步觀測。基準(zhǔn)接收機測得三維位置與該點已知值比較得改正數(shù)，及時將改正數(shù)發(fā)給動態(tài)接收機，動態(tài)接知值比較得改正數(shù)，及時將改正數(shù)發(fā)給動態(tài)接收機，

16、動態(tài)接收機改正所測得位置，叫實時差分動態(tài)定位。收機改正所測得位置，叫實時差分動態(tài)定位。)()()()()(, 0,1000),()()(:,)(:,)(:,)(:2/122222122121jKKkjkjkjjKKjKjrjKjrjKjrjKjrjKjKKjKjrjKjKjKjKjKKjKjKjrjrjrjsrjrjrjrjrjrjrjsrjrjrddcZZYYXXddckmddddcdddcdddcdddcj 有有上上式式右右邊邊后后三三項項近近似似為為以以內(nèi)內(nèi)時時動動態(tài)態(tài)用用戶戶距距離離基基準(zhǔn)準(zhǔn)站站所所測測得得偽偽距距發(fā)發(fā)來來的的偽偽距距改改正正值值改改正正動動態(tài)態(tài)接接收收機機收收到到基基

17、準(zhǔn)準(zhǔn)站站動動態(tài)態(tài)接接收收機機測測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)站站測測得得6.2.3 6.2.3 動態(tài)載波相位差分測量（動態(tài)載波相位差分測量（cmcm級位置精度）級位置精度） 設(shè)設(shè)t1t1為初始時刻，為初始時刻，t t為任意時刻；為任意時刻；r r為基準(zhǔn)站接收機，為基準(zhǔn)站接收機，i i為動態(tài)接收機；為動態(tài)接收機；T T為接收機時間與為接收機時間與GPSGPS標(biāo)準(zhǔn)時間之差；標(biāo)準(zhǔn)時間之差；j0j0為參考衛(wèi)星。則載波相位動態(tài)雙為參考衛(wèi)星。則載波相位動態(tài)雙差分方程為式（差分方程為式（6-106-10）：）：式中式中tt時運動機星間差分時運動機星間差分-t-t時基站星間差時

18、基站星間差分分- t1- t1時運動機星間差分時運動機星間差分-t1-t1時基站星間差分時基站星間差分=-=-站間站間tt1tt1雙差雙差分。分。100100000000)()()()()()(tjijitjijitrjrjrjrjrijijijijitrjrjrjrjrijijijijicfcfTcfTcfTcfTcf若動態(tài)用戶初始位置已知，則上式右邊第二項為若動態(tài)用戶初始位置已知，則上式右邊第二項為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用于測速、測時、測姿態(tài)用于測速、測時、測姿態(tài) GPSGPS測速測速利用利用GPSGPS信號測得運動載體的運動速度。根據(jù)定位信號測得運動載體的運動速度。根據(jù)定位原理方程，由站星距離的變化率，可以導(dǎo)出運動載體的運原理方程，由站星距離的變化率，可以導(dǎo)出運動載體的運行速度。由偽距定位方程對時間求導(dǎo)：行速度。由偽距定位方程對時間求導(dǎo)：22221:.,.,.,)/()(:)(/)()()(uuuKjuujujjrjrsrjjjjjjjjZYXvTffNTfcTffNddcZZZZYYYYXXXX 為為則則運運動動載載體體的的運運行行速速度度率率可可

20、以以忽忽略略不不計計電電離離層層對對流流層層時時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測速速時時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計數(shù)數(shù)式式中中化化率率是是由由接接收收機機測測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用于測速、測時、測姿態(tài)用于測速、測時、測姿態(tài)GPSGPS定時：定時：1 1。GPSGPS時間精度：時間精度： 與與UTCUTC之差之差1s1s。2 2。時間比對方法：。時間比對方法：（1 1）一

21、站單機定時法（原理見右圖示）一站單機定時法（原理見右圖示）（2 2）共視比對定時法）共視比對定時法 StddUagtgadStUadStUagtgadUaUagaUaStStgtStdStUadTttTTTtTTtTTTTtTTTTTTTTtTTt則則用用戶戶鐘鐘差差為為式式中中到到接接收收機機時時刻刻信信號號發(fā)發(fā)射射時時刻刻信信號號傳傳播播時時間間.,（a a）衛(wèi)星時鐘）衛(wèi)星時鐘（b b）GPSGPS時間時間（c c）用戶時鐘）用戶時鐘StTStT gtTgaTUaTUaT ctd ctd 發(fā)射時刻發(fā)射時刻到達(dá)標(biāo)準(zhǔn)時刻到達(dá)標(biāo)準(zhǔn)時刻到達(dá)時刻到達(dá)時刻 GPS GPS定時：共視比對定時：共視比對

22、兩個測站上各安置一臺接收機兩個測站上各安置一臺接收機在相同的時間內(nèi)觀測同一衛(wèi)星，在相同的時間內(nèi)觀測同一衛(wèi)星，測定用戶時鐘鐘差。（右圖）測定用戶時鐘鐘差。（右圖） 先分別計算每個測站時鐘偏差，先分別計算每個測站時鐘偏差，再計算兩個測站時鐘之間的鐘差。再計算兩個測站時鐘之間的鐘差。 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 測站共視時間比對測站共視時間比對AB數(shù)據(jù)傳輸數(shù)據(jù)傳輸GPS衛(wèi)星衛(wèi)星 測姿態(tài)：測姿態(tài)：如右圖，載如右圖，載體上體上4 4付天線和一臺付天線和一臺GPSGPS接收

23、機組成測姿系統(tǒng)。接收機組成測姿系統(tǒng)。天線構(gòu)成四邊形。組成天線構(gòu)成四邊形。組成三個線性無關(guān)的干涉儀，三個線性無關(guān)的干涉儀，對應(yīng)于三個基線對應(yīng)于三個基線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。通過載體直角坐標(biāo)系。通過觀測并解算基線，求兩觀測并解算基線，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單機導(dǎo)航單機導(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。 對于任何某一具體的導(dǎo)航過程，首先必須確定本次航行的起始點、目的點以及航行計劃路徑。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)點來確定，這些坐標(biāo)點就叫航路點。經(jīng)常地測定在航行中的航行體位置，是完成導(dǎo)航任務(wù)的一個重要課題，因為引航人員需要隨時體了解航

25、行已經(jīng)到達(dá)的位置，以便掌握航行體的運動狀態(tài)，判明其有無偏離預(yù)定的航線，偏離的程度如何，GPS定位系統(tǒng)能夠?qū)崟r提供給航行體位置信息，結(jié)合計算機中存儲的航行路徑中各航路點位置信息，可以計算出各種可用來校正航差、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單機導(dǎo)航；差分單機導(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單機導(dǎo)航顧名思義，單機就是在航行體上僅裝配一臺C用接收機，單獨實施導(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。因為一臺GPS接收只要能接收到4顆以上的衛(wèi)星信號便可測定出所處的位置。因此操作和使用非

26、常簡單，價格也便宜，且具有全天候、全球性、較高精度及實時三維定位和測速能力。 但是在眾多階情況下，單機導(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時位置，還必須實時測定水深，才不致使船只觸礁而能夠安全的航行。又如汽車導(dǎo)航時，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)合速度計和相應(yīng)軟件，來實現(xiàn)不能實施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碼的民用

27、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)置一個地面站，地面站由一個GPS差分接收機和一個差分發(fā)射機組成。差分接收機接收衛(wèi)星信號，監(jiān)測GPS差分系統(tǒng)的誤差，并按規(guī)定的時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 差分接收機和用戶接收機一樣，通過偽距測量確定自己的位置。把測量確定的位置數(shù)據(jù)和已知位置數(shù)據(jù)比較，即得位置校正量X，Y，Z。通過發(fā)射機把這些位置修正信息發(fā)送給用戶接收機，用戶接收機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 地面接收機對所有可見衛(wèi)星測量偽距，并根據(jù)星歷數(shù)據(jù)和已知位置計算用戶到衛(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，用戶接收機用來修正自己測量的偽距，然后進(jìn)行定位計算。這種方法不要求用戶接收機和地面接收機使用相同的星座，使用方便，但對地面接收機要求的通道數(shù)多。上述兩種校正方法都是以用戶接收機和地面接收機具有相同的誤差為前提。實際上，兩臺接收機所處的位置不同，接收機本身也不一樣，因此誤差不可能相同。隨著兩臺接收機間距離的增大，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時導(dǎo)航的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，其導(dǎo)航定

29、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)星星座對地球覆蓋不完善，特別在中緯度地區(qū)；GPS接收機的工作受飛行器機動的影響，機動超出GPS接收機的動態(tài)范圍時，接收機會失鎖，誤差很大，不能使用；GPS接收機數(shù)據(jù)更新頻率低，難以滿足實時控制的要求。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：導(dǎo)航定位誤差隨時間增長，因而難以長時間的獨立工作。GPS/慣性導(dǎo)航綜合，克服了各自的缺點，取長補短，是綜合后的導(dǎo)航精度高于兩種系統(tǒng)單獨工作的精度。有效的提高了慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的性能和精度。提

30、高了GPS接收機的動態(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，估計慣導(dǎo)系統(tǒng)的誤差，然后對慣導(dǎo)系統(tǒng)進(jìn)行校正

31、。2、緊密綜合 其特點是GPS接收機和慣導(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GPS接收機跟蹤環(huán)進(jìn)行輔助，也可以再對GPS接收機導(dǎo)航功能的輔助。用在高動態(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。定義單獨利用一臺接收機確定待定點在地固坐標(biāo)系中絕對位置的方法定位結(jié)果與所用星歷同屬一坐標(biāo)系的絕對坐標(biāo)采用廣播星歷時屬WGS-84采用IGS International GPS Service精密星歷時為ITRF International Terrestrial Reference Frames特點優(yōu)點：一臺接收機

32、單獨定位，觀測簡單，可瞬時定位缺點：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單點定位單點定位偽距單點定位的誤差方程對于衛(wèi)星i，在某一個歷元的誤差方程為itropiionitiitiiiiVVVcVcdZndYmdXlVSR)()()(0偽距單點定位的誤差方程對在某歷元同時觀測的n顆衛(wèi)星，其誤差方程及位置解為單點定位有單點定位有4個待定參數(shù)，個待定參數(shù)，因而至少需因而至少需要同時觀測要同時觀測4顆以上的衛(wèi)顆以上的衛(wèi)星，才能同星，才能同時確定出所時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 D

34、ilution 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D

35、OP值與定位精度DOP值的性質(zhì)DOP值與單點定位時，所觀測衛(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 誤差來源 偏差 隨機誤差 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 對流層 0.5 0.5 0.7 多路徑 1.0 1.0 1.4 接收機觀測 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 5

36、.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 SA DOP值1-sigma 誤差，單位 m 誤差來源 偏差 隨機誤差 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 對流層 0.5 0.5 0.7 多路徑 1.0 1.0 1.4 接收機觀測 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 載波相位單點定位的誤差方程對于衛(wèi)星i，誤差方程為0()()()RSiiiitiiiiionitropitVl dXmdYndZc VNc VVV 載波相位單點定位的誤差方程若在k個歷元里每歷元均觀測了n顆相同的衛(wèi)星，則誤差方程kntropknionkntnknnktknknknknntropnionntnnntnnnnntropnionntnntnnnnntropnionntnnntnnnntropionttVVVcNVcdZndYmd