《GPS定位测速原理ppt课件.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《GPS定位测速原理ppt课件.ppt（60页珍藏版）》请在三一办公上搜索。
1、22GPS定位、测速原理,控制理论与制导技术研究中心,卫星导航电文的解调,调制是在卫星上发生的进行解调的位置：接收机获得导航电文的目的：获得观测到的卫星在WGS-84坐标中的位置、速度；捕获GPS导航信号过程中会得到：接收机与卫星之间的信号传播时间、信号的多普勒频移。粗捕获过程：载波频率与码相位搜索精细调节伪随机信号跟踪和载波跟踪从中解调出导航电文 根据C/A码导航电文的内容，辅助捕获P码,粗搜索,伪随机信号跟踪环路方块图,载波跟踪方块图,接收机能够以较高的频率计算出卫星的位置。为了给用户定位，接收机还需要能够以同样高的频率测量与卫星之间的距离。接收机只能每30s才收齐一帧导航电文。接收机不是
2、使用导航电文测距的吗？如何才能高频率的测出卫星与接收机的距离？,获得导航电文同时可得信号离开卫星时卫星钟读数与信号到达接收机时接收机时钟读数之差。信号离开卫星时的相位与卫星钟对齐，但卫星钟有误差 。信号离开卫星时的真实时间（GPS系统时）为 ，对应卫星钟读数为接收机产生的本地码相位受接收机时钟控制，接收机时钟有误差 。信号到达接收机的GPS系统时为 ，对应接收机时钟读数为测到的码相位之差对应的时间 包含卫星钟误差和接收机时钟误差。测量无需等到每帧导航电文全发完进行。伪距,不是真正的卫星与接收机间的距离，假货！,伪距与真实距离之间有什么关系？,利用伪距确定位置,卫星与接收机间的几何距离伪距 已知
3、，可以在伪距中被补偿掉。 为方便起见，将 简记为 。对第i颗卫星进行观测，可得,同时观测4颗卫星，求解位置,为了确定用户位置 、 、 以及用户时钟差 ，需要对至少4颗卫星进行观测,解法：1）求解析解，太复杂。2）基于线性化迭代。3）卡尔曼滤波法将以上方程在用户位置估计点（ ），估计时间 附近作线性化（泰勒展开）,令泰勒展开式改写为令接收机到卫星视线的单位矢量,可迭代进行计算，直到增量足够小H与星座的几何布局有关。,伪距测量误差,计算的定位误差,观测卫星数多于4颗时,观测n颗卫星，观测方程有n个,H为n4矩阵,观测卫星数多于4颗时,存在最小二乘解误差传递方程 （*）当n=4时，方程退化为为具有代
4、表性，今后以（*）式讨论,如何衡量测距误差对定位误差的影响？,用户测距误差具有随机性，可认为对不同卫星的观测误差是0均值、独立同分布的。以用户测距误差的协方差来衡量误差大小：由用户测距误差造成的用户定位误差也具有随机性，同样以其协方差来衡量大小：其中， 为44方阵,用精度衰减因子DOP(dilution of precision )来衡量误差传递情况,精度衰减因子,几何精度因子,位置精度因子,时间精度因子,WGS-84到当地地理坐标系的转换,x,y,z,1. 绕Z轴旋转,WGS-84,2. 绕东向旋转,令,垂直精度因子,水平精度因子,DOP与星座形状有关,较小的DOP 较大的DOP,DOP与星
5、座形状有关,4颗卫星时与卫星用户矢量端点组成的多面体体积有关体积最大时，DOP最小,求解用户的速度,GPS不用位置差分方法求速度！,接收机接收到的频率,卫星发射信号频率,卫星与用户相对运动速度矢量,沿用户指向卫星的直线的方向矢量,光速,为卫星的运动速度,为用户的速度,参考系地固坐标系,是 的量测值,GPS通过估计多普勒频移进行速度测量 。,具体对于第j颗卫星,定义时钟漂移,方程左侧变量都是已知量，记为,方程右侧，可近似认为,令得,速度求解,DOP也是速度测量的精度因子,所处环境对接收机的影响,信号的遮蔽接收机周围的山体、建筑、树林水层射频干扰,GPS的抗干扰能力比较脆弱GPS系统功率较低；其信
6、号强度只有电视接收机天线接受到的信号的10亿分之一；仅相当于人的肉眼在能见度较好的条件下观看1万公里以外一只2 5瓦普通灯泡的亮光。干扰装置易于制造美军空军曾经成立了一支代号“太空侵略者中队”的小组，专门寻找卫星通讯和导航系统的弱点。结果，充当“敌人”的两位工程师，通过互联网下载的资料和购自家庭用品店的配件，成功制造了一台干扰装置。如果将该装置装上货车，就成为一台干扰卫星天线或军方超高频接收器的“有效流动干扰安置”。俄罗斯推出了一种便携式全球定位系统干扰机，该干扰机能对美国现有全球导航卫星系统的两个频段（1227兆赫和1575兆赫）实施有效的干扰，其干扰距离可达数百公里，而且体积小，重量轻，价
7、格相当，便于大量装备使用。,试验表明：一台1瓦的干扰机可以使以它为中心、半径22公里范围内的民用GPS接收机无法正常工作，一台100瓦的干扰机可以使以它为中心、半径1000公里范围内的民用GPS接收机难以有效捕捉和跟踪GPS信号。,不考虑以上因素的影响，我们可以从以下几方面估计GPS定位误差。,误差源、测量精度及用户位置精度和时间精度的估计,概述GPS解误差精度因子伪距测量误差误差源： 卫星钟误差相对论影响卫星轨道误差大气效应：对流层、电离层多路径误差接收机噪声与分辨率选择可用性误差（已取消）,卫星时钟误差及补偿,为补偿相对论效应，卫星发射前已经把时钟频率调整到10.229 999 995 4
8、5 MHz，海平面用户所观测到的频率为10.23MHz。卫星上装有原子钟，但仍有偏差、漂移存在，另外，相对论效应也会影响时钟。此部分误差可以通过模型进行补偿。,：时钟偏移(s),：时钟漂移(s/s),：频率漂移(s/s2),：时钟数据基准时间(s),：卫星轨道偏心率,：卫星轨道半长轴的平方根,：卫星轨道偏近点角以上各项皆可由导航电文获得,：当前时间（s）,：相对论修正（s）,卫星星历的最佳估计值是计算出来的，并上行加载给卫星，再通过导航电文广播给用户。分为径向、切向、法向误差。径向误差直接影响伪距误差。,卫星星历误差,2000年5月1日0时起已经取消，此项误差不计,选择可用性(SA),电离层延
9、迟电离层位于地球表面以上约70km1000km之间的大气层区域影响：使伪距测量增长，使载波相位测量超前特点：a. 对电波的影响与电波频率有关(可利用)b. 与卫星仰角有关：夜间垂直，误差3m，白天15m，低仰角（010deg）白天可达45m双频接收机可有效地消除电离层延时单频接收机利用导航电文中的参数，通过模型可作部分补偿。,大气层效应（1）,双频接收机补偿电离层影响,电离层对伪距测量的延时误差K与卫星仰角和电离层垂直方向电子密度有关求出K即可确定出修正量,单频接收机利用模型修正电离层影响,电离层延时其中倾斜因子SF，垂直方向电离层延迟TRE为卫星仰角，R0为地球平均半径，h为高度，DC=51
10、0-9s=50400s,A与Tp可由导航电文中的相关参数计算,对流层延迟对流层延迟引起的测距误差 沿路径积分。n为折射率，与当地温度、压力、相对湿度有关。如不补偿，卫星在天顶，用户在海平面，则误差约2.4m。卫星仰角5，则误差25m左右。 ,nd:干分量。nw:湿分量其中，干燥空气引起的分量占约90%，可以比较准确的预测。潮湿空气引起的分量很难预测，目前仍在研究中。 霍普菲尔德经验公式沿天顶方向，对流层延迟干分量 P:气压其它方向干分量,大气层效应（2）,成因：信号通过地面、周围物体（车辆、建筑物、山脉等）反射后到达接收机影响：接收机测量中的主要误差源之一：载波相位影响5cm，对伪距测量影响1
11、0-20m。使PRN码、导航电文失真载波相位畸变严重可导致信号失锁解决方案：天线场地：高于反射体、周围有吸波材料、空旷合理选择天线高度天线类型：如choke-ring天线（航海与陆地测量可用），可有效衰减水平、负向入射信号 截止角：选星仰角大于5，一般7度左右当信号直射与多路径之差超过10m，可用算法加以抑制,多路径误差,几种常见地面的反射情况,水面：无损耗全部反射（最强），反射系数1水泥地面、盐碱地带反射强（仅次于水面）稻田：反射系数0.8野地：反射系数0.6森林：反射系数0.3,与接收机元件、跟踪环路带宽、载体动态、信噪比有关一般C/A码接收机1.5m(1)，P码接收机20cm(1 ),接
12、收机噪声,定位误差估计,主要指标,GPS 差分技术,控制理论与制导技术研究中心,差分GPS,主要内容差分GPS应用背景伪距差分广域差分GPS简介以载波为基础的技术,背景,2000年5月1日以前，SA政策致使民用精度下降到100m，难以满足要求即使SA关闭，民用定位精度仍只有14m左右，难以满足某些特定民用行业需求 精密进场/着陆要求（国际民航组织规定）车辆自动驾驶：35m精细农业：约1m,差分技术的主要分支(1),基于码测距的技术：坐标差分法：这是一种最简单的差分方法局限性：基准站和用户必须观测同一组卫星。定位精度不稳定。基本淘汰。 伪距差分法 局限性：修正效果与基线长短有关 短基线时可消除卫
13、星星历误差、卫星钟误差和大部分电离层、对流层误差。 应用最广。广域差分法,差分技术的主要分支(2),基于载波的技术 载波相位差分（实时动态/RTK）：利用载波相位观测量辅助定位、测姿。应用热门、研究活跃、重点。,伪距差分技术 （1）,基准站m位置（xm,ym,zm）已知,实际使用的基准站校正算法比较复杂，但更为精确。,tm时刻完成测量，基准站到卫星的真实距离可求,tm时刻基准站对第i颗卫星做出伪距测量,基准站形成伪距差分校正值,考虑时效问题，基准站除了播发卫星ID、tm、伪距校正值还播发伪距变化率校正值,伪距差分技术（2）,用户在t时刻完成观测，生成伪距校正量,用户对伪距值进行校正,得到校正后
14、伪距观测值,同时观测4颗卫星，求出位置,伪距差分的实质,计算的伪距校正值是直接在WGS-84坐标上进行的，无需做坐标变换，因此精度很高。表面上看，可以直接获得用户在WGS-84坐标中的绝对位置。实质上其位置是通过基站广播数据进行修正得到的。其修正是消除基站与用户在伪距测量中的公共误差。提供伪距校正值和伪距校正值变化率校正值，使用户可以在未得到改正数的间隙内，继续进行精密定位。基准站提供所有观测到卫星的改正数，用户可以接收任意4颗或多颗组成星座进行定位，不必与基准站所用星座相同。因此，用户采用具有差分功能的简易接收机即可。伪距差分可以消除基准站与接收机的公共误差（星历、SA、大气等）。对多路径误
15、差无效。同时引入与基准站有关的误差，比较而言，带来的精度提高是主要的。,伪距差分的局限性,基线长度对精度有决定性影响随着基线长度的增加，基准站与用户的伪距误差相关性越来越弱，其修正效果也越来越差。基线长度30km时，由电离层造成的伪距误差之差达2.7m，对流层的影响为2m。基线长度150km时，由电离层造成的伪距误差之差达5.3m。,使用伪距差分技术所需设备,基准站接收机数传电台具有差分功能的接收机独立的差分信号接收设备,占用独立的通信频道。配置简单，绝大部分微型差分网均采用。,差分GPS基站,差分GPS用户设备,差分技术的应用,伪距差分技术主要用于微型差分网和局域网（基于载波的差分方法在这两
16、种网中也有应用）。GPS用户通常使用微型差分网的方式来进行监控定位，它由1个基准站和若干个移动站组成，一般作用距离50km左右，不超过100km。使用该方式工作，配置灵活，投资较少，实时相对定位精度从米（伪距差分）到厘米（载波相位差分）级，事后处理的相对精度甚至可达毫米级，进行实时差分时，数据通讯通常采用单频点的数传电台。,局域差分,局域差分（LADGPS）是在局部区域内布设一个GPS差分网，网内由若干个差分GPS基准站组成，通常还包含至少1个监控站。处于该局域内的用户可根据多个基准站提供的改正信息，经平差后求得自己的改正数。它的作用距离一般在200300km内。,广域差分(WADGPS)简介
17、,在一个广阔区域内，建立由若干监测站与一个主控站构成的网络。每一个监测站对其视野内全部卫星进行观测，得到伪距测量改正数，并传递给主控站。主控站接收监测站数据，加以组合，并将各卫星伪距测量误差按误差源分解。将电离层、对流层改正参数及卫星星历误差估计等改正数播发给用户。用户根据接收到的改正数对误差进行修正。它的作用距离一般在1000km以上，广域网的建设应当属于国家投资行为。,广域增强系统（WAAS）,主要工作方式是将主控站所计算得到的广域差分改正信息，通过地球同步卫星(该同步卫星以GPS的L1频率为载波)将上述差分改正信息当作GPS导航电文转发给用户站，由于数据传输链所采用的载波频率和GPS卫星
18、的信号一致，因此用户GPS接收机可以直接接收到WAAS中的差分改正信息而无需外加同步卫星信号接收装置。实时传输能力强，而且可以覆盖很大的区域，从而较好地解决了主控站与播发站，播发站与用户站间的数据传输问题。,广域增强系统的特点,广域增强系统建成后，除向用户提供导航定位信息外，还能给用户提供定位系统的完整性和可靠性信息，从而可确保用户使用导航定位的安全可靠，这点对飞行导航尤其重要，另外，数据处理中心站存储的大量数据还可为GPS气象学、地球形变监测、高精度的GPS控制网的建立等应用提供大量宝贵的原始资料。,广域增强系统示意图,伪距差分能够达到的定位误差一般为m级，前面多次提到定位误差达到厘米、毫米级的应用。如何做到？基于载波的差分技术,
