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1、GPS原理及其应用,长春师范学院 城市与环境科学学院,第六章 GPS卫星导航,6.1 概述 6.2 GPS卫星导航原理 6.3 GPS用于测速测时测姿态 6.4 GPS卫星导航方法,6.1 概述,GPS 卫星导航,所谓导航，就是引导航行的意思；也就是确定航行体运动到什么地方和向何方向运动的意思卫星导航是用导航卫星发送的导航定位信号引导运动载体安全到达目的地的一门新兴科学GPS在导航领域的应用中，有着比GPS静态定位更广阔的前景，两者相比较，GPS导航具有：用户多样、速度多变、定位实时、数据和精度多变等特点,GPS卫星导航 GPS卫星导航原理,（1）单点动态定位它是用安设在一个运动载体上的GPS
2、信号接收机,自主地测得该运动载体的实时位置,从而描绘出该运动载体的运行轨迹。所以单点定位又叫绝对动态定位。例如，行驶的汽车和火车，常用单点动态定位。,6.2 GPS卫星导航原理,（2）实时差分动态定位它是用安设在一个运动载体上的GPS信号接收机，及安设在一个基准站上的另一台GPS接收机，联合测得该运动载体的实时位置，从而描绘出该运动载体的运行轨迹，故差分动态定位又称为相对动态定位。例如，飞机着陆和船舰进港，一般要求采用实时差分动态定位，以满足它们所要求的较高定位精度。,GPS卫星导航 GPS卫星导航原理,(3)后处理差分动态定位它和实时差分动态定位的主要差别在于，在运动载体和基准站之间，不必像
3、实时差分动态定位那样建立实时数据传输，而是在定位观测以后，对两台GPS接收机所采集的定位数据进行测后的联合处理，从而计算出接收机所在运动载体在对应时间上的坐标位置。例如，在航空摄影测量时，用GPS信号测量每一个摄影瞬间的摄站位置，就可以采用后处理差分动态定位。,GPS卫星导航 GPS卫星导航原理,单点动态定位的基本方程为:式中,Xu,Yu,Zu为动态用户在tk时刻的瞬时位置；Xj、Yj、Zj是第j颗GPS卫星在其运行轨道上的瞬时位置，它可以根据广播星历计算；为码接收机所测得的GPS信号接收机天线和第j颗GPS卫星之间的距离，即站星距离；d是由于接收机时钟误差等因素所引起的站星距离偏差。,6.2
4、.1 单点动态定位,(6-1),GPS卫星导航 GPS卫星导航原理,利用（61）式解算用户位置时，不是直接求它的三维坐标，而是求各个坐标分量的修正量，即给定用户三维坐标的初始值(Xu0,Yu0,Zu0),而求解三维坐标的改正值(Xu,Yu,Zu)和距离偏差d。解算运动载体的实时点位时，后续点位的初始坐标值可以依据前一个点位坐标来假定，因此，关键是要确定第一个点位坐标的初始值，才能精确求得第一个点位的三维坐标。,GPS卫星导航 GPS卫星导航原理,6.2.2 伪距差分动态定位,所谓差分动态定位（DGPS），就是用两台接收机在两个测站上同时测量来自相同GPS卫星的导航信号，用以联合测得动态用户的精
5、确位置。其中一个测站是位于已知坐标点，设在该已知点的GPS信号接收机，叫做基准接收机。基准接收机和安设在运动载体上的GPS信号接收机同时测量来自相同GPS卫星的导航定位信号。,GPS卫星导航 GPS卫星导航原理,基准接收机所测得的三维位置与该点已知值进行比较，便可获得GPS定位数据的改正值。如果及时将GPS改正值发送给若干台共视卫星用户的动态接收机，而改正后者所测得的实时位置，便叫做实时差分动态定位。,GPS卫星导航 GPS卫星导航原理,GPS卫星导航 GPS卫星导航原理,由式(6-1)可知，基准站R测得至GPS卫星j的伪距为：式中，为基准站和第j颗GPS卫星之间的真实距离；是GPS卫星星历误
6、差所引起的距离偏差；为接收机时钟相对于GPS时间系统的偏差；是第j颗GPS卫星时钟相对于GPS时间系统的偏差；为电离层时延所引起的距离偏差；是对流层时延所引起的距离偏差；c 为电磁波的传播速度。,GPS卫星导航 GPS卫星导航原理,6.2.3 动态载波相位差分测量,GPS卫星导航 GPS卫星导航原理,6.3 GPS用于测速、测时、测姿态,GPS卫星导航 GPS用于测速、测时、测姿态,1、GPS测速 利用GPS信号测得运动载体的运动速度，叫做GPS测速。只要在这些运动载体上安设GPS信号接收机，就可以在进行动态定位的同时,实时的测得他们的运动速度。利用GPS信号进行速度测量,是基于站星距离的测量
7、。,2、GPS定时GPS卫星都安装有四台原子时钟，GPS时间受到美国海军天文台（USNO）经常性的监制。GPS系统的地面主控站以优于5ns的精度，使GPS时间和世界协调时UTC之差保持在1us以内。,GPS卫星导航 GPS用于测速、测时、测姿态,利用GPS信号进行时间传递，一般采用下列两种方法：（1）一站单机定时法在一个已知位置测站上，用一台GPS信号接收机观测一颗GPS卫星，从而测定用户时钟的偏差。（2）共视比对定时法在两个测站上各安设一台GPS信号接收机，在相同的时间内，观测同一颗GPS卫星，而测定用户时钟的偏差。,GPS卫星导航 GPS用于测速、测时、测姿态,3、GPS干涉仪载体姿态测量
8、GPS干涉仪包括两个在距离上分离的天线，通过测量多颗卫星在两个天线上的载波相位差，可解得两个天线组成的基线矢量。由三个线性无关的干涉仪便可测得载体的三个姿态角。GPS干涉仪由两副天线和一台GPS接收机组成。,GPS卫星导航 GPS用于测速、测时、测姿态,6.4 GPS卫星导航方法,1、基本概念 在航行过程中，GPS定位系统能够实时提供给航行体位置信息（坐标），结合计算机中储存的航行路径中各航路点位置信息，可以计算出各种可用来纠正航行偏差、指导正确航行方向的制导参数，如应航迹角、偏航距和待航距离（待航时间）等。,GPS卫星导航 GPS卫星导航方法,2、GPS单机导航单机导航就是在航行体上仅装配一
9、台GPS接收机，单独实施导航，如在地质勘探、资源调查、船只航行、汽车导航等方面，得到广泛的应用。因为一台GPS接收机只要能接收到4颗以上的卫星信号便可测定所处的位置。因此操作和使用非常简单，价格也便宜，且具有全天候、全球性、较高精度及实时三维定位和测速能力。,GPS卫星导航 GPS卫星导航方法,GPS卫星导航 GPS卫星导航方法,GPS用于汽车导航,3、差分GPS导航差分GPS导航有两种工作方式：（1）位置差分法差分接收机和用户接收机一样，通过伪距测量确定自己的位置。把测量确定的位置数据和已知位置数据比较，即得位置校正量x,y,z。通过发射机把这些位置修正信息发送给用户接收机，用户接收机用以校
10、正自己的输出坐标。,GPS卫星导航 GPS卫星导航方法,（2）伪距差分法地面接收机对所有可见卫星测量伪距，并根据星历数据和已知位置计算用户到卫星的距离，两者相减得到伪距误差。把伪距误差作为修正信息发送给用户接收机，用户接收机用来修正自己测量的伪距，然后进行定位计算。这种方法不要求用户接收机和地面接收机使用相同的星座，使用方便，但对地面接收机要求的通道数多。,GPS卫星导航 GPS卫星导航方法,GPS卫星导航 GPS卫星导航方法,4、GPS/惯性综合导航GPS/惯性综合，克服了各自缺点，取长补短，使综合导航精度高于两个系统单独工作的精度。GPS接收机和惯性导航系统的综合，按照综合深度，可以把综合
11、系统大体分为两类，一类叫松散综合或简易综合，另一类叫紧密综合。,GPS卫星导航 GPS卫星导航方法,（1）松散综合1）用GPS重调惯导2）用位置、速度信息综合（2）紧密综合1）用伪距、伪距率综合2）用惯性速度信息辅助GPS接收机环路3）用惯性位置和速度信息辅助GPS导航功能,GPS卫星导航 GPS卫星导航方法,6.5 精密单点定位技术,精密单点定位技术（PPPPrecise Point Positioning)由美国喷气推进实验室(JPL)的Zumberge于1997年提出。20世纪90年代末,由于全球GPS跟踪站的数量急剧上升,全球GPS数据处理工作量不断增加,计算时间呈指数上升。为了解决这
12、个问题,作为国际GPS服务组织(IGS)的一个数据分析中心,JPL提出了这一方法,用于非核心GPS站的数据处理。,精密单点定位原理,在GPS定位中,主要的误差来源于三类,即轨道误差、卫星钟差和电离层延时。利用IGS提供的高精度的GPS精密卫星星历和卫星钟差，以及单台双频GPS接收机采集的载波相位观测值，采用非差模型进行精密单点定位。精密单点定位的优点在于在进行精密单点定位时，除能解算出测站坐标，同时解算出接收机钟差、卫星钟差、电离层和对流层延迟改正信息等参数,这些结果可以满足不同层次用户的需要(如研究授时、电离层、接收机钟差、卫星钟差及地球自转等)。,GPS卫星导航 GPS卫星导航方法,GPS卫星导航 GPS卫星导航方法,GPS卫星导航 GPS卫星导航方法,GPS卫星导航 GPS卫星导航方法,GPS卫星导航 GPS卫星导航方法,GPS卫星导航 GPS卫星导航方法,GPS卫星导航 GPS卫星导航方法,GPS卫星导航 GPS卫星导航方法,GPS卫星导航 GPS卫星导航方法,GPS卫星导航 GPS卫星导航方法,GPS卫星导航 GPS卫星导航方法,GPS卫星导航 GPS卫星导航方法,GPS卫星导航 GPS卫星导航方法,GPS卫星导航 GPS卫星导航方法,GPS卫星导航 GPS卫星导航方法,GPS卫星导航 GPS卫星导航方法,手机GPS导航应用,
