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1、淺析GPS導航解算原理摘要本文重點分析了各種不同的地球坐標系以及互相轉(zhuǎn)換，闡述了GPS定位的基本原理，分析了其主要誤差來源以及消除方法，并給出了相應的疊代算法，最后，對該方法的實現(xiàn)過程提出了自己的觀點。關鍵詞GPS；導航；星歷；誤差全球定位系統(tǒng)(GPS)是英文GlobalPositioningSystem的字頭縮寫詞的簡稱。它的含義是利用導航衛(wèi)星進行測時和測距，以構成全球定位系統(tǒng)。它是由美國國防部主導開發(fā)的一套具有在海、陸、空進行全方位實時三維導航與定位能力的新一代衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)。GPS用戶部分的核心是GPS接收機。其主要由基帶信號處理和導航解算兩部分
2、組成。其中基帶信號處理部分主要包括對GPS衛(wèi)星信號的二維搜索、捕獲、跟蹤、偽距計算、導航數(shù)據(jù)解碼等工作。導航解算部分主要包括根據(jù)導航數(shù)據(jù)中的星歷參數(shù)實時進行各可視衛(wèi)星位置計算；根據(jù)導航數(shù)據(jù)中各誤差參數(shù)進行星鐘誤差、相對論效應誤差、地球自轉(zhuǎn)影響、信號傳輸誤差(主要包括電離層實時傳輸誤差及對流層實時傳輸誤差)等各種實時誤差的計算，并將其從偽距中消除；根據(jù)上述結(jié)果進行接收機PVT的解算；對各精度因子(DOP)進行實時計算和監(jiān)測以確定定位解的精度。本文中重點討論GPS接收機的導航解算部分，基帶信號處理部分可參看有關資料。本文討論的假設前提是GPS接收機已經(jīng)對GP
3、S衛(wèi)星信號進行了有效捕獲和跟蹤，對偽距進行了計算，并對導航數(shù)據(jù)進行了解碼工作。1地球坐標系簡述圖1背景圖片要描述一個物體的位置必須要有相關聯(lián)的坐標系，地球表面的GPS接收機的位置是相對于地球而言的。因此，要描述GPS接收機的位置，需要采用固聯(lián)于地球上隨同地球轉(zhuǎn)動的坐標系、即地球坐標系作為參照系。地球坐標系有兩種幾何表達形式，即地球直角坐標系和地球大地坐標系。地球直角坐標系的定義是：原點O與地球質(zhì)心重合，Z軸指向地球北極，X軸指向地球赤道面與格林威治子午圈的交點(即0經(jīng)度方向)，Y軸在赤道平面里與XOZ構成右手坐標系(即指向東經(jīng)90度方向)。地球大地坐標系
4、的定義是：地球橢球的中心與地球質(zhì)心重合，橢球的短軸與地球自轉(zhuǎn)軸重合。地球表面任意一點的大地緯度為過該點之橢球法線與橢球赤道面的夾角φ，經(jīng)度為該點所在之橢球子午面與格林威治大地子午面之間的夾角λ，該點的高度h為該點沿橢球法線至橢球面的距離。設地球表面任意一點P在地球直角坐標系內(nèi)表達為P(x，y，z)，在地球大地坐標系內(nèi)表達為P(φ，λ，h)。則兩者互換關系為：大地坐標系變?yōu)橹苯亲鴺讼担菏街校簄為橢球的卯酉圈曲率半徑，e為橢球的第一偏心率。若橢球的長半徑為a，短半徑為b，則有直角坐標系變?yōu)榇蟮刈鴺讼?，可由下述方法求得φ由疊代法獲得φc為地心緯度，ep為橢圓率
5、可設初始值φ=φc進行疊代，直到
6、φi=1-φi
7、小于某一門限為止。這兩種坐標系在定位系統(tǒng)中經(jīng)常交叉使用，必須熟悉兩種坐標系之間的轉(zhuǎn)換關系。2GPS定位中主要誤差及消除算法GPS定位中的主要誤差有：星鐘誤差，相對論誤差，地球自轉(zhuǎn)誤差，電離層和對流層誤差。1）星鐘誤差星鐘誤差是由于星上時鐘和GPS標準時之間的誤差形成的，GPS測量以精密測時為依據(jù)，星鐘誤差時間上可達1ms，造成的距離偏差可達到300Km，必須加以消除。一般用二項式表示星鐘誤差。GPS星歷中通過發(fā)送二項式的系數(shù)來達到修正的目的。經(jīng)此修正以后，星鐘和GPS標準時之間的誤差可以控制在20ns之內(nèi)
8、。2）相對論誤差由相對論理論，在地面上具有頻率的時鐘安裝在以速度運行的衛(wèi)星上以后，時鐘頻率將會發(fā)生變化，改變量為：即衛(wèi)星上時鐘比地面上要慢，要修正此誤差，可采用系數(shù)改進的方法。GPS星歷中廣播了此系數(shù)用以消除相對論誤差，可以將相對論誤差控制在70ns以內(nèi)。3）地球自轉(zhuǎn)誤差GPS定位采用的是與地球固連的協(xié)議地球坐標系，隨地球一起繞z軸自轉(zhuǎn)。衛(wèi)星相對于協(xié)議地球系的位置(坐標值)，是相對歷元而言的。若發(fā)射信號的某一瞬間，衛(wèi)星處于協(xié)議坐標系中的某個位置，當?shù)孛娼邮諜C接收到衛(wèi)星信號時，由于地球的自轉(zhuǎn)，衛(wèi)星已不在發(fā)射瞬時的位置〔坐標值)處了。也就是說，為求解接收機接
9、收衛(wèi)星信號時刻在協(xié)議坐標系中的位置，必須以該時刻的坐標系作為求解的參考坐標系。而求解衛(wèi)星位置時所使用的時刻為衛(wèi)星發(fā)射信號的時刻。這樣，必須把該時刻求解的衛(wèi)星位置轉(zhuǎn)化到參考坐標系中的位置。設地球自轉(zhuǎn)角速度為we，發(fā)射信號瞬時到接收信號瞬時的信號傳播延時為△t，則在此時間過程中升交點經(jīng)度調(diào)整為則三維坐標調(diào)整為地球自轉(zhuǎn)引起的定位誤差在米級，精密定位時必須考慮加以消除。4）電離層和對流層誤差電離層是指地球上空距地面高度在50-1000km之間的大氣層。電離層中的氣體分子由于受到太陽等天體各種射線輻射，產(chǎn)生強烈的電離，形成大量的自由電子和正離子。電離層誤差主要有電
10、離層折射誤差和電離層延遲誤差組成。其引起的誤差垂直方向可以達到50米左右，水平方
