GPS導(dǎo)航定位原理以及定位解算算法.pdf

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1、。GPS導(dǎo)航定位原理以及定位解算算法全球定位系統(tǒng)(GPS)是英文GlobalPositioningSystem的字頭縮寫(xiě)詞的簡(jiǎn)稱(chēng)。它的含義是利用導(dǎo)航衛(wèi)星進(jìn)行測(cè)時(shí)和測(cè)距，以構(gòu)成全球定位系統(tǒng)。它是由美國(guó)國(guó)防部主導(dǎo)開(kāi)發(fā)的一套具有在海、陸、空進(jìn)行全方位實(shí)時(shí)三維導(dǎo)航與定位能力的新一代衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)。GPS用戶(hù)部分的核心是GPS接收機(jī)。其主要由基帶信號(hào)處理和導(dǎo)航解算兩部分組成。其中基帶信號(hào)處理部分主要包括對(duì)GPS衛(wèi)星信號(hào)的二維搜索、捕獲、跟蹤、偽距計(jì)算、導(dǎo)航數(shù)據(jù)解碼等工作。導(dǎo)航解算部分主要包括根據(jù)導(dǎo)航數(shù)據(jù)中的星歷參數(shù)實(shí)時(shí)

2、進(jìn)行各可視衛(wèi)星位置計(jì)算；根據(jù)導(dǎo)航數(shù)據(jù)中各誤差參數(shù)進(jìn)行星鐘誤差、相對(duì)論效應(yīng)誤差、地球自轉(zhuǎn)影響、信號(hào)傳輸誤差(主要包括電離層實(shí)時(shí)傳輸誤差及對(duì)流層實(shí)時(shí)傳輸誤差)等各種實(shí)時(shí)誤差的計(jì)算，并將其從偽距中消除；根據(jù)上述結(jié)果進(jìn)行接收機(jī)PVT（位置、速度、時(shí)間）的解算；對(duì)各精度因子(DOP)進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算和監(jiān)測(cè)以確定定位解的精度。本文中重點(diǎn)討論GPS接收機(jī)的導(dǎo)航解算部分，基帶信號(hào)處理部分可參看有關(guān)資料。本文討論的假設(shè)前提是GPS接收機(jī)已經(jīng)對(duì)GPS衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行了有效捕獲和跟蹤，對(duì)偽距進(jìn)行了計(jì)算，并對(duì)導(dǎo)航數(shù)據(jù)進(jìn)行了解碼工作。1地球坐標(biāo)

3、系簡(jiǎn)述要描述一個(gè)物體的位置必須要有相關(guān)聯(lián)的坐標(biāo)系，地球表面的GPS接收機(jī)的位置是相對(duì)于地球而言的。因此，要描述GPS接收機(jī)的位置，需要采用固聯(lián)于地球上隨同地球轉(zhuǎn)動(dòng)的坐標(biāo)系、即地球坐標(biāo)系作為參照系。地球坐標(biāo)系有兩種幾何表達(dá)形式，即地球直角坐標(biāo)系和地球大地坐標(biāo)系。地球直角坐標(biāo)系的定義是：原點(diǎn)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(diǎn)(即0經(jīng)度方向)，Y軸在赤道平面里與XOZ構(gòu)成右手坐標(biāo)系(即指向東經(jīng)90度方向)。地球大地坐標(biāo)系的定義是：地球橢球的中心與地球質(zhì)心重合，橢球的短軸與地球

4、自轉(zhuǎn)軸重合。地球表面任意一點(diǎn)的大地緯度為過(guò)該點(diǎn)之橢球法線與橢球赤道面的夾角φ，經(jīng)度為該點(diǎn)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(diǎn)的高度h為該點(diǎn)沿橢球法線至橢球面的距離。設(shè)地球表面任意一點(diǎn)P在地球直角坐標(biāo)系內(nèi)表達(dá)為P(x，y，z)，在地球大地坐標(biāo)系內(nèi)表達(dá)為P(φ，λ，h)。則兩者互換關(guān)系為：大地坐標(biāo)系變?yōu)橹苯亲鴺?biāo)系：（1）。1。式中：n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(zhǎng)半徑為a，短半徑為b，則有（2）直角坐標(biāo)系變?yōu)榇蟮刈鴺?biāo)系，可由下述方法求得φ由疊代法獲得φc為地心緯度，ep為

5、橢圓率可設(shè)初始值φ=φc進(jìn)行疊代，直到

6、φi=1-φi

7、小于某一門(mén)限為止。這兩種坐標(biāo)系在定位系統(tǒng)中經(jīng)常交叉使用，必須熟悉兩種坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)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(duì)論誤差，地球自轉(zhuǎn)誤差，電離層和對(duì)流層誤差。1）星鐘誤差。2。星鐘誤差是由于星上時(shí)鐘和GPS標(biāo)準(zhǔn)時(shí)之間的誤差形成的，GPS測(cè)量以精密測(cè)時(shí)為依據(jù)，星鐘誤差時(shí)間上可達(dá)1ms，造成的距離偏差可達(dá)到300Km，必須加以消除。一般用二項(xiàng)式表示星鐘誤差。（3）GPS星歷中通過(guò)發(fā)送二項(xiàng)式的系數(shù)來(lái)達(dá)到修正的目的。經(jīng)

8、此修正以后，星鐘和GPS標(biāo)準(zhǔn)時(shí)之間的誤差可以控制在20ns之內(nèi)。2）相對(duì)論誤差由相對(duì)論理論，在地面上具有頻率的時(shí)鐘安裝在以速度運(yùn)行的衛(wèi)星上以后，時(shí)鐘頻率將會(huì)發(fā)生變化，改變量為：即衛(wèi)星上時(shí)鐘比地面上要慢，要修正此誤差，可采用系數(shù)改進(jìn)的方法。GPS星歷中廣播了此系數(shù)用以消除相對(duì)論誤差，可以將相對(duì)論誤差控制在70ns以?xún)?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(biāo)系，隨地球一起繞z軸自轉(zhuǎn)。衛(wèi)星相對(duì)于協(xié)議地球系的位置(坐標(biāo)值)，是相對(duì)歷元而言的。若發(fā)射信號(hào)的某一瞬間，衛(wèi)星處于協(xié)議坐標(biāo)系中的某個(gè)位置，當(dāng)?shù)?/p>

9、面接收機(jī)接收到衛(wèi)星信號(hào)時(shí)，由于地球的自轉(zhuǎn)，衛(wèi)星已不在發(fā)射瞬時(shí)的位置〔坐標(biāo)值)處了。也就是說(shuō)，為求解接收機(jī)接收衛(wèi)星信號(hào)時(shí)刻在協(xié)議坐標(biāo)系中的位置，必須以該時(shí)刻的坐標(biāo)系作為求解的參考坐標(biāo)系。而求解衛(wèi)星位置時(shí)所使用的時(shí)刻為衛(wèi)星發(fā)射信號(hào)的時(shí)刻。這樣，必須把該時(shí)刻求解的衛(wèi)星位置轉(zhuǎn)化到參考坐標(biāo)系中的位置。設(shè)地球自轉(zhuǎn)角速度為we，發(fā)射信號(hào)瞬時(shí)到接收信號(hào)瞬時(shí)的信號(hào)傳播延時(shí)為△t，則在此時(shí)間過(guò)程中升交點(diǎn)經(jīng)度調(diào)整為則三維坐標(biāo)調(diào)整為（4）。3。地球自轉(zhuǎn)引起的定位誤差在米級(jí)，精密定位時(shí)必須考慮加以消除。4）電離層和對(duì)流層誤差電離層是指地

10、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(yáng)等天體各種射線輻射，產(chǎn)生強(qiáng)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(dá)到50米左右，水平方向可以達(dá)到150米左右。目前，還無(wú)法用一個(gè)嚴(yán)格的數(shù)學(xué)模型來(lái)描述電子密度的大小和變化規(guī)律，因此，消除電離層誤差采用電離層改正模型或雙頻觀測(cè)加以修正。