GPS测速、定姿与授时
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GPS应用技术
1、GPS测速技术 2、GPS测姿技术 3、GPS测向技术 4、GPS测时技术
1、GPS测速技术
基于GPS高精度定位结果,通过位置差分来获取速度; 利用GPS 原始多普勒观测值直接计算速度; 利用载波相位中心差分所获得的多普勒观测值来计 算速度。
3 种方法之间有一的联系，源于速度数学定义公式。 不过由于计算思路不同，所利用的观测量也不同， 部分方法还作了不同程度的近似假设，所以它们所 确定的速度的精度也不同。
速运动的近似方法，都要求1 Hz甚至更高的采样率，其测 速精度主要取决于载波观测值精度和载体运动状态； 原始多普勒频移法比较精确。其速度精度主要取决于多普 勒频移观测值的精度，基本不受载体运动状态影响； 载体匀速运动时，位置差分和载波相位中心差分确定的速 度的精度基本相同，但稍优于原始多普勒观测值所确定的 速度的精度； 非匀速运动时，原始多普勒频移法测速精度最好，载波相 位中心差分法次之，位置中心差分法最差。
fi为多普勒测速仪所发射的微波频率； υg 是载体在运动方向上的速度分量，称之为地速（沿着地球表 面运动的速度）； 为运动方向和回波方向之间的夹角； υr是载体相对回波方向的径向速度； c为电磁波的传播速度。 如果测得多普勒频移fd，便可解算出载体的航行速度υg或υr
多普勒频移测速原理
如果测得多普勒频移fd，便可解算出卫星与用户之间的距 离变化率，即
2、GPS 测姿技术
载体坐标系（BFS) 地平坐标系（LLS)
惯导系统（INS）测姿技术
“GPS陀螺仪”：多GPS天线测姿技术
天线布设：只要测出此基线在地理坐 标系中的指向（或基线矢量），即可 确定俯仰角θ和航向角ψ，如果再用 一个天线位于载体右横轴，形成另一 条基线，且两条基线互相垂直，则可 测出载体的横滚角，其布局成“L”形。
上述计算的条件是卫星的运行速度已知（根据导航电文所提供的数据进 行计算）。
卫星运行速度计算的实用公式
X Y Z x 0 y j 0 R 0 j x0 r cos u I y0 r sin u
其中, h 为采样间隔。然后用它代替原始多普勒 频移观测值
三种测速方法的比较分析
静态测试
三种测速方法的比较分析
动态测试 以将原始多普勒频移观测值所确定的速度作为 参考
三种测速方法的Βιβλιοθήκη Baidu较分析
动态测试
三种测速方法的比较分析
动态测试
三种测速方法的比较分析
位置中心差分法和载波相位中心差分法都是假设载体作匀
j X X i j j n Y Y c t i i i j Z Z i
多普勒频移测速原理
如果卫星的运动速度已知，则有误差方程：
v ij li j
m ij
1 2 2 2 2 X Y Z 由此可得载体运行方向的速度为：v s
优点：不需要新的观测值，直接利用定位结果计，简单方便 缺点：是平均速度，时间间隔过长时不准确，不稳定 应用场合：低速载体的速度测定
多普勒频移测速法
f f d i
2 c o s g c
f
2 r i c
c i fd fd fs
j
如果大气折射对伪距观测量的影响已改正，则站星伪距 观测方程：
j j j ~ c t c t i i i
考虑卫星钟差可由导航电文给出的参数加以修正，则伪 距的时间变率为：
~ j ij c t i i
j ~ j l i i j m i
i 2 I (c 2 u c sin 2 u u iscos 0 ic 0) 0 2 ae sin r EE (c cos 2 u c sin 2 u) u
s s s s rs 0 rc 0
1 es 0 u 1 e s E s
n ij
Xi j Y c t L i i i Zi
j L ij i j l i j m i j n i j j 当同步观测的卫星数大于4时，相应的误差方程组为： V A X L
j
X Y Z
T 1 T X ( A A ) A L 由此得：
1 2
f cos 2 s 2 E s 2 Es cos 2
0
( u 1 c cos 2 u 2 c sin 2 u u us 0 uc 0) 0
n n 1 e s cos E s
载波相位中心差分测速法
利用历元t - h 和t + h 的载波相位观测值 φ1 和φ3 ,作中心差分, 可以获得历元t 多普勒频移 观测值：
位置差分测速法
原理：假设于历元t1和t2测定的载体实时位置分别为X1(t1)和 X2(t2)，则其运动速度可简单地表示为：
X t2) t ) X X i( i( 1 1 Y( Y( Y t ) t ) i 2 i 1 t t 2 1 Z t2) t ) i( i( 1 Z Z
j
x cos u r sin u r 0 y sin u r cos u u 0
cos sin cos i ( x sin y cos cos i ) y sin sin i 0 0 0 R sin cos cos i x cos y sin cos i y cos sin i 0 0 0 sin i 0 y cos i 0 0
1、GPS测速技术 2、GPS测姿技术 3、GPS测向技术 4、GPS测时技术
1、GPS测速技术
基于GPS高精度定位结果,通过位置差分来获取速度; 利用GPS 原始多普勒观测值直接计算速度; 利用载波相位中心差分所获得的多普勒观测值来计 算速度。
3 种方法之间有一的联系，源于速度数学定义公式。 不过由于计算思路不同，所利用的观测量也不同， 部分方法还作了不同程度的近似假设，所以它们所 确定的速度的精度也不同。
速运动的近似方法，都要求1 Hz甚至更高的采样率，其测 速精度主要取决于载波观测值精度和载体运动状态； 原始多普勒频移法比较精确。其速度精度主要取决于多普 勒频移观测值的精度，基本不受载体运动状态影响； 载体匀速运动时，位置差分和载波相位中心差分确定的速 度的精度基本相同，但稍优于原始多普勒观测值所确定的 速度的精度； 非匀速运动时，原始多普勒频移法测速精度最好，载波相 位中心差分法次之，位置中心差分法最差。
fi为多普勒测速仪所发射的微波频率； υg 是载体在运动方向上的速度分量，称之为地速（沿着地球表 面运动的速度）； 为运动方向和回波方向之间的夹角； υr是载体相对回波方向的径向速度； c为电磁波的传播速度。 如果测得多普勒频移fd，便可解算出载体的航行速度υg或υr
多普勒频移测速原理
如果测得多普勒频移fd，便可解算出卫星与用户之间的距 离变化率，即
2、GPS 测姿技术
载体坐标系（BFS) 地平坐标系（LLS)
惯导系统（INS）测姿技术
“GPS陀螺仪”：多GPS天线测姿技术
天线布设：只要测出此基线在地理坐 标系中的指向（或基线矢量），即可 确定俯仰角θ和航向角ψ，如果再用 一个天线位于载体右横轴，形成另一 条基线，且两条基线互相垂直，则可 测出载体的横滚角，其布局成“L”形。
上述计算的条件是卫星的运行速度已知（根据导航电文所提供的数据进 行计算）。
卫星运行速度计算的实用公式
X Y Z x 0 y j 0 R 0 j x0 r cos u I y0 r sin u
其中, h 为采样间隔。然后用它代替原始多普勒 频移观测值
三种测速方法的比较分析
静态测试
三种测速方法的比较分析
动态测试 以将原始多普勒频移观测值所确定的速度作为 参考
三种测速方法的Βιβλιοθήκη Baidu较分析
动态测试
三种测速方法的比较分析
动态测试
三种测速方法的比较分析
位置中心差分法和载波相位中心差分法都是假设载体作匀
j X X i j j n Y Y c t i i i j Z Z i
多普勒频移测速原理
如果卫星的运动速度已知，则有误差方程：
v ij li j
m ij
1 2 2 2 2 X Y Z 由此可得载体运行方向的速度为：v s
优点：不需要新的观测值，直接利用定位结果计，简单方便 缺点：是平均速度，时间间隔过长时不准确，不稳定 应用场合：低速载体的速度测定
多普勒频移测速法
f f d i
2 c o s g c
f
2 r i c
c i fd fd fs
j
如果大气折射对伪距观测量的影响已改正，则站星伪距 观测方程：
j j j ~ c t c t i i i
考虑卫星钟差可由导航电文给出的参数加以修正，则伪 距的时间变率为：
~ j ij c t i i
j ~ j l i i j m i
i 2 I (c 2 u c sin 2 u u iscos 0 ic 0) 0 2 ae sin r EE (c cos 2 u c sin 2 u) u
s s s s rs 0 rc 0
1 es 0 u 1 e s E s
n ij
Xi j Y c t L i i i Zi
j L ij i j l i j m i j n i j j 当同步观测的卫星数大于4时，相应的误差方程组为： V A X L
j
X Y Z
T 1 T X ( A A ) A L 由此得：
1 2
f cos 2 s 2 E s 2 Es cos 2
0
( u 1 c cos 2 u 2 c sin 2 u u us 0 uc 0) 0
n n 1 e s cos E s
载波相位中心差分测速法
利用历元t - h 和t + h 的载波相位观测值 φ1 和φ3 ,作中心差分, 可以获得历元t 多普勒频移 观测值：
位置差分测速法
原理：假设于历元t1和t2测定的载体实时位置分别为X1(t1)和 X2(t2)，则其运动速度可简单地表示为：
X t2) t ) X X i( i( 1 1 Y( Y( Y t ) t ) i 2 i 1 t t 2 1 Z t2) t ) i( i( 1 Z Z
j
x cos u r sin u r 0 y sin u r cos u u 0
cos sin cos i ( x sin y cos cos i ) y sin sin i 0 0 0 R sin cos cos i x cos y sin cos i y cos sin i 0 0 0 sin i 0 y cos i 0 0