6第六章GPS卫星导航

[(Y [( Z
j0 j0
Yi ) / i j 0 (Y j Yi ) / i j ]Yi Z i ) / i j 0 ( Z j Z i ) / i j ]Z i
§.3
GPS用于测速、测时、测姿态
GPS测速—利用GPS信号测得运动载体的运动速度。根据定位 原理方程，由站星距离的变化率，可以导出运动载体的运 行速度。由伪距定位方程对时间求导：
天文导航
一、恒星的位置与星下点 1、恒星的天球坐标（αδ）； 2、天球坐标转换为地球坐标（L B） 二、船位与星下点的距离测量 三、用船与星下点的距离交绘出船的位置
一、恒星的 位置与星下点测 量时间确定星 下点位置测量 船与两个星下 点的距离，交 会出船的位置。
x
x S
S1
Zz
N
P1 P2
S2
o
船
赤道
y
y
二、船位与星下点的距离测 量 测量恒星的垂直角α， 计算天顶距Z=90- α ， 船与星下点的距离 用角度Z所对的圆弧度量， 1分为1海里，即1.852km。 三、用船与星下点的距离交 绘出船的位置
天顶 Z α 距 Z
恒 星 地平线
船
离
星下点
地心
无线电导航
海岸上设立两个以上的 无线电发射电台 船上的接收机测量船与 电台的距离或距离差， 交会出船的位置
第六章
GPS卫星导航
王 坚
中国矿业大学环境与测绘学院
本章内容
§6.1 §6.2 §6.3 §6.4 概述 GPS卫星导航原理 GPS用于测速、测时、测姿态 GPS卫星导航方法
导航的意义、导航的方法、应用前景
单点动态导航、伪距差分动态定位、动态载波相位 差分测量 GPS测速、GPS定时、GPS干涉仪进行载体姿态测量 GPS导航方法、GPS单机导航、差分GPS导航、GPS/惯 性综合导航
GPS在导航中的应用
GPS卫星所发出的导航定位信号，是一种可供无数用户 共享的空间信息资源；陆地、海洋和空间的广大用户，只要持 有一种能够接受、跟踪、变换和测量GPS信号的接收机，就可以 全天候和全球性的测量运动载体的七维状态参数（三维坐标、 三维速度、时间）和三维姿态参数；其用途之大，影响之大， 是任何其他接收装备望尘莫及的； GPS在导航领域的应用，有着比GPS静态定位更为广阔的前 景。与GPS静态定位相比较，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。因此，应该依据GPS动 态测量的这些特点，选购适宜的接收机，采用适当的的数据处 理方法，以便获得所要求的运动载体的七维状态参数和三维姿 态参数的测量精度。
{[ i j i j 0 ( i i ) {[ i i
j j0
f f Ti ] [ rj rj 0 ( r r ) Tr ]}t c c
( i i
j
j0
j j0 f f j j0 ) Ti ] [ r r ( r r ) Tr ]}t1 c c
导航的概念首先起源于航海事业，其最初的 含义是引导运载体从一个地点航行到另一 个地点的过程。导航的首要问题就是确定 航行体的即时位置，还要测定其速度、时 间、姿态等状态参数。由此可见，导航是 一种广义的动态定位。 卫星导航是用导航卫星发射的导航定位信 息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，有着比 GPS静态定位更为广阔的前景。
陆 地 S2 S3
S1
海 洋
§6.2 GPS卫星导航原理
GPS导航是一种广义的GPS动态定位，从目前的 应用看来，主要分为以下几种方法： （1）单点动态定位 （2）实时差分动态定位 （3）后处理差分动态定位（用于摄影测量）
6.2
GPS卫星导航原理
GPS单点动态定位 单点动态定位是用安设在一个运动载体上的GPS信 号接收机，自主地测得该运动载体的实时位置，从 而描述出该运动载体的运动轨迹。所以单点动态定 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。 GPS实时差分动态定位 实时差分动态定位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 而描述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。
6.2
GPS卫星导航原理
GPS后处理差分动态定位 后处理差分动态定位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。
（2）共视比对定时法
Tt
S
（b）GPS时间
到达标准时刻
Tt
g
T
到达时刻
g a
（c）用户时钟
Tt t d c td c
j [( X X )( X X ) (Y Y )(Y Y ) ( Z Z )( Z Z )] / j
j j j j j j
c(d r d s ) 1jr 2jr 上式左边站星距离的变 率是由接收机测得的 化 : j [ N ( f u f j )T ]( c / f u )T 式 中, N是 多 普 勒 频 移 计 数 f u 是 接 收 到 的 载 波 频 率f j 是 卫 星 发 射 , , 载 波 频 率 T是 测 速 时 间 间 隔 些 参 数 均 是 已 知 以 算 得 距 离 , .这 ,可 变 化 率. 另 外, 钟 差 变 化 率电 离 层 对 流 层 时 延 变 化 可 以 忽 略 不 计 , 率 . 则运动载体的运行速度 : 为 vK 2 2 X u Yu2 Z u

f f ( i j i j 0 ) t ( i j i j 0 ) t1 c c
若动态用户初始位置已知，则上式右边第二项为0。
设左边为φ，两边 同乘 以c/f，上式变为： c [( X j 0 X i ) / i j 0 ( X j X i ) / i j ]X i f
原理：由单点动态定位基本方程输入动态用户接收机的初始三
维坐标值后，进行线性化，列出伪距观测值的误差方程式，解算 接收机瞬时位置。
j [( X j X ) 2 (Y j Y ) 2 ( Z j Z ) 2 ] ft k ,
用 户 三 维 坐 标 初 始 值 0 , Y0 , Z 0 , 求 解 的 改 正 数 为 X , Y , Z , X 线 性 方 程 为 X A 1 B : X [ X , Y , Z , ft k ]T , X 1 X0 2 10 X X0 A 3 20 X X0 4 30 X X0 40 Y 1 Y0 Y 2 Y0 Y 3 Y0 Y 4 Y0 Z 1 Z0 Z 2 Z0 Z 3 Z0 Z 4 Z0 1 10 1 , B 20 30 1 40 1
§6.5 精密单点定位技术
§6.1 概述
导航的意义—确定并引导运载体从一个地点 航行到另一个地点的过程。包括航行中测 定并提供载体位置、航速、航向、时间以 及载体姿态等信息。 导航方法：天文导航、无线电导航、惯性导 航、卫星导航等。 卫星导航的特点及应用：全天候、全球、实 时、七维状态参数、三维姿态参数。
基 准 站 测 得卫 星 的 伪 距: j r j rj c(d r d sj ) d rj 1jr 2jr , 伪 距 改 正 值: rj rj r j c(d r d sj ) d rj 1jr 2jr , 动态接收机测得伪距 :
导航的发展和概念
导航的概念首先起源于航海事业，其最初的含义是引导运 载体从一个地点航行到另一个地点的过程。随着时代的变迁， 各种标志着近代、现代科学技术的众多的运载工具，诸如：飞 机、火箭、导弹、核潜艇、海洋地球物理调查船、巨型货轮、 人造卫星、宇宙飞船等的相继出现也大大扩展了“导航”的概 念，除了保证航行安全外，还需要为载体或者载体中的监视、 测量、装备等系统提供精确的导航信息。这样在不同的领域先 后出现了许多导航体制与导航仪表。除了最古老的推算船位导 航术外，还有天文导航、无线电导航、惯性导航、卫星导航等。 导航的首要问题就是确定航行体的即时位置，还要测定其 速度、时间、姿态等状态参数。由此可见，导航是一种广义的 动态定位。 卫星导航是用导航卫星发射的导航定位信息引导运动载体 安全到达目的地的一门新兴科学。
j j j j j K c(d K d K ) d K K 2jK , K
动 态 接 收 机 收 到 基 准 站 来 的 伪 距 改 正 值 改 正 测 得 伪 距: 发 所
j j j j j rj K c(d K d K ) (d K d rj ) K 1jr ) ( 2jK 2jr ), K
§6.3 GPS用于测速、测时、测姿态
GPS定时：
1。GPS时间精度： 与UTC之差±1μs。 2。时间比对方法： （1）一站单机定时法（原理见右图示）
（a）卫星时钟 发射时刻
t d TaU Tt S , t d 信号 传播 时间 Tt S Tt g Tt S , Tt S 信号 发射 时刻 TaU Tag TaU , TaU 到接 收机 时刻 t d Tag Tt g TaU Tt S t d TaU Tt S 式中, t d Tag Tt g . 则用 户钟 差为 TaU t d t d Tt S