测绘学概论(7.2)--全球卫星定位导航技术

第7讲 习题作业

思考题

1、定位与导航在概念上有哪些区别与联系？

2天文导航、惯性导航、地基无线电导航是绝对定位还是相对定位方式？为什么

3用全球卫星导航定位系统（GNSS）进行定位或导航时，为什么一定要同时至少观测到4颗以上的卫星？ 即GPS原理

4用GNSS相对定位或导航，你认为可以消除或消减哪些定位导航误差？

5你能否设想并提出应用GNSS实时或事后导航定位的原理和方法开展你最感兴趣的应用？（如机器人野外工作定位，道路交通流量控制，等等）

参考答案

1、定位与导航在概念上有哪些区别与联系？

从广义和现代意义上来说，定位就是测量和表达信息、事件或目标发生在什么时间、什么相关的空间位置的理论方法与技术；导航是指对运动目标，通常是指运载工具如飞船、飞机、船舶、汽车、运载武器等的实时、动态定位，即三维位置、速度和包括航向偏转、纵向摇摆、横向摇摆三个角度的姿态的确定。由此，定位是导航的基础，导航是目标或物体在动态环境下位置与姿态的确定。

2天文导航、惯性导航、地基无线电导航是绝对定位还是相对定位方式？为什么

（1）天文定位与导航一般属于绝对定位方式。其最基本的思路是建立与地球上观测者位置相对应的天球，天球上有星体和地球表面观测者对应的天顶点，这样，如果测定了星体与天顶点间的夹角（即天顶距），也就得到了星体在天球上的投影点与观测者在天球上的投影点之间的角距离。通过观测两个星体，得到两个星体投影点和两个角距离，分别以两个星体投影点为圆心，以各自到观测者天顶的角距离为半径画圆，两圆的交点就是观测者的位置。

（2）惯性导航属于相对定位方式。其是一种不依赖于任何外部信息、也不向外部辐射能量，利用陀螺仪和加速度计这两种惯性敏感器，通过测量运动载体的加速度和角速度矢量而实现的自主式导航定位系统。主要优点：①由于它是不依赖于任何外部信息、也不向外部辐射能量的自主式系统，故隐蔽性好且不受外界电磁干扰的影响；②可全天侯全球、全时间地工作于空中地球表面乃至水下；③能提供位置、速度、航向和姿态角数据，

所产生的导航信息连续性好而且噪声低；④数据更新率高、短期精度和稳定性好。缺点：

①由于导航信息经过积分而产生，定位误差随时间而增大，长期精度差；②每次使用

之前需要较长的初始对准时间；③设备的价格较昂贵；④不能给出时间信息。

（3）地基无线电导航一般属于相对定位方式，应用较广的有罗兰C（Loran-C），奥米伽（OMEGA）和塔康（TACAN）等。地基无线电导航是利用无线电波来确定动态目标至安设在地球表面的位置坐标已知的无线电导航信号发射台之间的距离或时间差的定位与导航技术。优点：不受时间、天气限制，精度高，作用距离远方，定位时间短，设备简单可靠。缺点：必须辐射和接收无线电波而易被发现和干扰，需要载体外的导航台支持，一旦导航台失效，与之对应的导航设备无法使用；同时，易发生故障。

3用全球卫星导航定位系统（GNSS）进行定位或导航时，为什么一定要同时至少观测到4颗以上的卫星？ 即GPS原理

GPS定位的基本原理是根据高速运动的卫星瞬间位置作为已知的起算数据，采用空间距离后方交会的方法，确定待测点的位置。如图所示，假设t时刻在地面待测点上安置GPS 接收机，可以测定GPS信号到达接收机的时间△t，再加上接收机所接收到的卫星星历等其它数据可以确定以下四个方程式：

四个方程式中各个参数意义如下：

d i=c△t i (i=1、2、3、4)；

xi、yi、zi (i=1、2、3、4) 分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4在t时刻的空间直角坐标，可由卫星导航电文求得；

Vti (i=1、2、3、4) 分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4的卫星钟差，由卫星星历提供；

di (i=1、2、3、4) 分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4到接收机之间的距离；

△ti (i=1、2、3、4) 分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4的信号到达接收机所经历的时间；c为GPS信号的传播速度（即光速）；

由以上四个方程即可解算出待测点的坐标x、y、z和接收机的钟差Vto。

这个方程组里面看到四个未知数x、y、z和Vto。因此定位需要四颗卫星，所以一般来讲我们说用卫星定位及三维定位至少需要四颗卫星就是这个原理

4用GNSS相对定位或导航，你认为可以消除或消减哪些定位导航误差？

（1）与卫星相关的误差：大大消弱卫星的轨道误差影响，几乎完全消除卫星钟差

（2）与接收机相关的误差：消除接收机的钟差，并消弱其信道误差

（3）与大气传输相关的误差：大大消弱电离层和对流层的影响

5你能否设想并提出应用GNSS实时或事后导航定位的原理和方法开展你最感兴趣的应用？（如机器人野外工作定位，道路交通流量控制，等等）

应用GPS进行动物跟踪。如今GPS硬件越来越小，可做到一颗纽扣大小，将这些迷你型的GPS装置安装到动物身上，可实现对动物的动态跟踪，研究动物的生活规律，比如鸟类迁徙等，为生物学家研究各种陆地生物的相关信息提供了一种有效的手段。