導(dǎo)航系統(tǒng)的PVT解算

1、導(dǎo)航系統(tǒng)的PVT解算一、緒論 通常衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)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(jī)的位置、速度和時(shí)間解算。 接下來(lái)將針對(duì)GPS和GLONASS系統(tǒng)來(lái)講述它們各自PVT解算中的用戶位置計(jì)算過(guò)程，這也是本人對(duì)該部分的學(xué)習(xí)和總結(jié)。 計(jì)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(guò)程。一、緒論 衛(wèi)星系統(tǒng)的時(shí)間問(wèn)題說(shuō)明。每個(gè)獨(dú)立的衛(wèi)星系統(tǒng)的衛(wèi)星鐘面時(shí)是由與之對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)時(shí)來(lái)設(shè)定的，每個(gè)系統(tǒng)時(shí)又由其相對(duì)應(yīng)的世界協(xié)調(diào)時(shí)（UTC）來(lái)設(shè)置的。二、單點(diǎn)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

2、位置，也可以測(cè)量出衛(wèi)星到接收機(jī)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(biāo)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(cè)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(fù)荷等誤差），它可以表示為： utTcbvITcbcD)(ctutucbb t令是傳輸時(shí)間的鐘面時(shí)，則有：uTbvITbtc)(TDTIvvbutb其中， 是偽距的精確值,為衛(wèi)星位置誤差對(duì)距離的影響，是對(duì)流層延遲誤差，是電離層延遲誤差， 是接收機(jī)測(cè)量誤差，是相對(duì)論時(shí)間修正，是衛(wèi)星的

3、時(shí)鐘誤差，是用戶時(shí)鐘誤差。由于D v誤差在數(shù)據(jù)處理中難以模型化消除其影響，所以當(dāng)暫不考慮和 它們時(shí)， ，（3.2）（3.1）三、定位方程令修正后的偽距為： )(vITbtc而，222)()()(uuuTzzyyxxii表示成，并把它稱為偽距的測(cè)量值，uuiuiuiibzzyyxx222)()()(所以式（3.2）可以表示為：uuiuiuiibzzyyxx222)()()(（3.3）其中， ),(iiizyx為第i顆衛(wèi)星的位置， ),(uuuzyx為所要求的用戶位置。 為方便討論，通常習(xí)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(cè)時(shí)刻。 第二步：提取導(dǎo)航電文。

4、第三步：計(jì)算觀測(cè)時(shí)刻的衛(wèi)星位置、速度、仰角和傾角。 第四步：獲得偽距測(cè)量值。 第五步：利用定位方程，計(jì)算各用戶位置、速度和時(shí)間。 第六步：用戶位置的經(jīng)緯度轉(zhuǎn)換。四、確定觀測(cè)時(shí)刻 這里的觀測(cè)時(shí)刻指的是當(dāng)前接收到的導(dǎo)航電文的發(fā)送時(shí)刻。假設(shè)在用戶端某時(shí)刻（由用戶接收機(jī)的本地時(shí)間確定）接收到來(lái)自n顆衛(wèi)星（n4）的導(dǎo)航電文，現(xiàn)在要通過(guò)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(gè)參考時(shí)刻時(shí)與衛(wèi)星位置相關(guān)的參數(shù)，所以，要計(jì)算當(dāng)前時(shí)刻的衛(wèi)星位置，就得由用戶重新確定出與參考時(shí)刻在同一參考時(shí)間系統(tǒng)下的該導(dǎo)航電文的發(fā)送時(shí)刻，即這里提到的觀測(cè)時(shí)刻，然后計(jì)算出觀測(cè)時(shí)刻

5、的衛(wèi)星位置。 四、確定觀測(cè)時(shí)刻 觀測(cè)時(shí)刻可以直接從導(dǎo)航電文中本幀的鐘面時(shí)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(shí)間（TOW）給出了發(fā)送本幀時(shí)刻的衛(wèi)星鐘面時(shí)，根據(jù)捕獲跟蹤所提供出的當(dāng)前時(shí)刻的子幀號(hào)、第幾個(gè)字、第幾個(gè)數(shù)據(jù)位和第幾個(gè)碼片周期，及周期內(nèi)的碼片相位，然后得出發(fā)射時(shí)刻的鐘面時(shí)間； GLONASS系統(tǒng)中，由導(dǎo)航電文 kt給出了發(fā)送本幀 時(shí)刻的衛(wèi)星鐘面時(shí)；以上求得的是當(dāng)前接收到的導(dǎo)航電文的發(fā)送時(shí)刻的衛(wèi)星鐘面時(shí)，再轉(zhuǎn)換到與參考時(shí)刻同一個(gè)參考時(shí)間系統(tǒng)下，就確定出了該導(dǎo)航電文的觀測(cè)時(shí)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(jìn)行如下步驟：第一步：將跟

6、蹤輸出數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為導(dǎo)航數(shù)據(jù)位；第二步：進(jìn)行子幀匹配和奇偶校驗(yàn)，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(gè)超幀包含25頁(yè)，每頁(yè)由5個(gè)子幀構(gòu)成，每個(gè)子幀包含10個(gè)字，每個(gè)字由30個(gè)導(dǎo)航數(shù)據(jù)位構(gòu)成，每個(gè)導(dǎo)航數(shù)據(jù)位包含20個(gè)C/A碼周期，每個(gè)C/A碼周期有1023個(gè)碼元。 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(jìn)行如下步驟：第一步：根據(jù)時(shí)間標(biāo)記，找到幀的起始位置；第二步：剝離明德碼；第三步：將相對(duì)碼變成導(dǎo)航數(shù)據(jù)位；第四

7、步：進(jìn)行漢明碼校驗(yàn)，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 2 、GLONASS系統(tǒng)導(dǎo)航數(shù)據(jù)格式及導(dǎo)航電文提取 每個(gè)字符串分?jǐn)?shù)據(jù)位和時(shí)間標(biāo)記兩大部分。一個(gè)串長(zhǎng)2s，在最后的0.3s傳輸時(shí)間標(biāo)記，時(shí)間標(biāo)記由30個(gè)碼元組成，每個(gè)碼長(zhǎng)10ms。在前1.7s傳輸85個(gè)數(shù)據(jù)位。每個(gè)串中的位序號(hào)按從右至左順序排列。導(dǎo)航數(shù)據(jù)占用第984位、漢明碼檢驗(yàn)碼（KX）占用第18位，最后1位（第85位）是空閑位（“0”）。其中這85個(gè)數(shù)據(jù)位要先變成相對(duì)碼，再與明德碼模二相加，

8、最后加上0.3s的時(shí)間標(biāo)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(jìn)行調(diào)制。相鄰串間利用時(shí)間標(biāo)記MB相互隔離。字符串?dāng)?shù)據(jù)生成過(guò)程如圖所示：字符串?dāng)?shù)據(jù)序列生成過(guò)程六、計(jì)算衛(wèi)星位置和速度1、GPS系統(tǒng)中衛(wèi)星位置和速度計(jì)算利用星歷（ephemeris）解算衛(wèi)星位置，過(guò)程如下：a、計(jì)算出發(fā)送時(shí)刻t的衛(wèi)星鐘面時(shí)間 ktkti、六、計(jì)算衛(wèi)星位置和速度j、計(jì)算升交點(diǎn)角距k、計(jì)算緯度、距離和軌道傾角的修正項(xiàng)i、修正升交點(diǎn)赤徑m、求出衛(wèi)星在WGS-84坐標(biāo)系下的位置a、計(jì)算偏近點(diǎn)角變化率b、計(jì)算升交點(diǎn)

9、角距 的變化率c、計(jì)算經(jīng)校正的緯度、距離和傾角變化率d、計(jì)算速度分量e、求出衛(wèi)星在WGS-84坐標(biāo)系下的速度六、計(jì)算衛(wèi)星位置和速度 歷書(shū)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(jì)算利用即時(shí)數(shù)據(jù)解算衛(wèi)星位置和速度 （1）計(jì)算觀測(cè)時(shí)刻的GLONASS系統(tǒng)時(shí)公式如下：cbnbbnGLONASSttttrtt)()(（2）采用即時(shí)數(shù)據(jù)計(jì)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(kù)塔方法進(jìn)行積分計(jì)算衛(wèi)星位置。GLONASS衛(wèi)星在地固坐標(biāo)系PZ-90坐標(biāo)系下的加速度簡(jiǎn)略公式 如下：六、計(jì)算衛(wèi)星位置和速度其中，222zyxr),(zyx，為衛(wèi)星位

10、置， ),(zyxVVV為衛(wèi)星速度， ),(zlsylsxls為衛(wèi)星加速度。為了方便后面的介紹，令：),(.1.xlszyxzyxfx ),(.2.ylszyxzyxfy ),(.3.zlszyxzyxfz 具體實(shí)現(xiàn)步驟如下：a、從即時(shí)數(shù)據(jù)中獲取參考時(shí)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(jìn)h，一般取30s或60s；c、采用四階龍貝格庫(kù)塔進(jìn)行積分計(jì)算。每次積分公式如下:六、計(jì)算衛(wèi)星位置和速度),(nnnzyx),(nnnzyx),( nnnzyx當(dāng)i1時(shí)，使用 和),(nnnzyx),(nnnzyx作為積分初始值。 六、計(jì)算衛(wèi)星位置和速度六、計(jì)算衛(wèi)星位置和速度 衛(wèi)星加

11、速度 ，它在15分鐘積分時(shí)間間隔內(nèi)保持不變，所以始終采用參考時(shí)刻的衛(wèi)星加速度 。),(zlsylsxls),( nnnzyx六、計(jì)算衛(wèi)星位置和速度利用非即時(shí)數(shù)據(jù)解算衛(wèi)星位置和速度 請(qǐng)參考GLONASS接口控制文件（翻譯稿）A.3.2七、偽距計(jì)算1、GPS偽距計(jì)算粗略偽距： )(siuttc，其中 ut是本地時(shí)鐘測(cè)量出的當(dāng)前數(shù)據(jù)的接收時(shí)刻，而sit是從導(dǎo)航電文中推算出的當(dāng)前數(shù)據(jù)的發(fā)射時(shí)刻，即之前提到的觀測(cè)時(shí)刻。TIsitb 這個(gè)偽距值是不精確的，它應(yīng)該進(jìn)行一些修正，即定位方程中提到的對(duì)流層 和電離層 的修正。由于 中已經(jīng)考慮過(guò)了衛(wèi)星時(shí)鐘誤差 和相對(duì)論時(shí)間修正 ，所以這里不再修正這兩項(xiàng)了。vGPS

12、中對(duì)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用的Hopfield模型。 2/122/12)0006854. 0sin()0019. 0sin(EKEKwdtrop七、偽距計(jì)算Hopfield模型的修正公式如下：其中，dsdsdssdsdhhhhhThhPK0)(102 .15545511000011000)(1046512. 74252sswsswwwhhhThheK11000)16.273(72.14840136wsdhTh)000256908. 0213166. 02465.37exp(5 . 02sswTTe 這里的 、 和 分別表示接收地點(diǎn)的氣溫、氣壓和飽和水氣壓， 和E表示接收地點(diǎn)的高度和仰角。 sTsPwesh七、偽距計(jì)算GPS中電離層修正電離層修正模型如下：(sec)57. 1)100 . 5(57. 1)2421)(100 . 59429xFxxxAMPFTiono其中，(sec)00030AMPAMPAMPAMPnnmn)()50400(2radiansPERtx(sec)72000720007200030PERPERP