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文档简介

1、计算与测定GNSS卫星位置任务概述】 利用GNSS1星进行导航和定位,就是根据已知的卫星轨道参数计算 出卫星瞬时位臵, 通过观测和数据处理, 确定接收机的位臵和载体的 运动速度。所以, 获取准确的卫星轨道参数,计算出卫星在观测瞬间 的位臵,是GNS导航定位的基础。因为GNS系统坐标系统采用WGS-84 坐标系统。为了计算卫星在 WGS-84地坐标系中的位臵,首先需要计算卫星在其轨道平面内的位臵。此时定义:原点与地心M相重合, x 轴指向升交点, y 轴在轨道平面内垂直于 x 轴,我们称其为轨道平 面直角坐标系,它是一种过渡性的坐标系。再进行坐标系的转换,将 卫星在其轨道的坐标转换到地面直角坐标

2、系下。学习目标】(1) 知识目标:星历文件的获取方法有哪些?了解星历文件的 构成?明确卫星星历参数,及计算公式推导过程。(2) 技能目标:如何打开星历文件;如何读取星历文件,并将 参数赋值到变量中;如何计算卫星位臵。教学内容】、GPS导航原理GPSE星导航,就是用GPS卫星发送的导航定位信号引导运载体从一 个地点航行到另一个地点的过程。 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。要使飞机、舰船、车辆等运载 工具成功地完成所预定的航行任务。除了起始点和目标的位臵之外, 主要的就是必须知道航行体所处的即时位臵。 因为只有确定了即时位 臵才能考虑怎样到达下一目的地的问题;

3、如果连自己已经到了什么地 方和以后该到什么地方也不知道的话, 那就无从谈起完成预定航行任 务的问题。由此可见,导航的首要问题就是确定航行体的即时位臵。另外,为现代载体提供精确的导航信息, 还需要测定载体的瞬时速度, 精确的时间,运动裁体的姿态等状态参数,进而“导引”该运动载体 准确地驶向预定的后续位臵。 由此可见,导航是一种广义的动态定位。GPS卫星所发送的导航定位信号,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收、跟 踪、变换和测量GPS信号的接收机,就可以全天候和全球性地测量运 动栽体的七维状态参数 (三维坐标、三维速度、时间)和三维姿态参数;

4、其用途之广,影响之大,是任何其他接收设备望尘莫及的;上至航空 航天,下至渔业、导游、摄影和农业生产,均可利用GPS言号接收机。对于任何某一具体的导航过程, 首先必须确定本次航行的起始点、 目 的点以及航行计划路径 (总称之为一条航线 ) 。路径的标定一般是用一 系列均匀分布于路径上的坐标点来确定, 这些坐标点就叫航路点。 起 始点、目的点、 航路点的位臵坐标可以是从地图上量取,也可以是直 接测得,总之必须是已知的。在航行过程中,GPS定位系统能够实时提供给航行体位臵信息(坐标), 结合计算机中存储的航行路径中各航路点位臵信息, 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

5、应航迹角、 偏航距和待航距离 (待航时间 ) 等,图 10-1 以飞机导航为例,说明各 制导参数的物理意义 (图中还示出真航向、 航迹角、偏流角和地速 V)。利用制导参数,可以计算出航行体的操纵指令,再通过控制系统,可 实现航行的自动化。上述GPS导航是广义的GPS动态定位,它有着极其广阔的应用前 景。例如,用于陆地、水上和航空航天运载体的导航。根据用户的应 用目的和精度要求的不同,GPS动态定位方法也随之而改变。从目前 的应用看来,主要分为以下几种方法:(1)单点动态定位它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臵, 从而描绘出该运动载体的运 行轨迹。所以单

6、点动态定位又叫做绝对动态定位。例如,行驶的汽车 和火车,常用单点动态定位。(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 动载体的实时位臵, 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。(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

7、计算出接收机所在运动载体在对应时间上的 坐标位臵。例如,在航空摄影测量时,用GPS言号测量每一个摄影瞬 间的摄站位臵,就可以采用后处理差分动态定位。因此,应该依据GPS动态测量的这些特点,载体的运行速度和加 速度的不同, 以及所要求的精度不同选购适宜的接收机, 采用适当的 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。例如, 用于航空摄影测量摄站的接收机,不仅要 求它在秒速300m左右时能够作伪距和载波相位测量,而且要求它具 有秒脉冲输出的时间同步能力; 对于海洋测绘用户而言, 则宜选购具 有速度测量和定时功能的双频接收机, 并附设有带抑径板或抑径圈的GPS

8、言号接收天线,以减弱海面所产生的多路径效应的影响。二、GPS导航方法导航的任务是引导航行体自起始点出发沿着预定的航线, 经济而 安全地到达目的地。 经常地测定在航行中的航行体位臵, 是完成导航 任务的一个重要课题, 因为引航人员需要随时了解航行体已经到达的 位臵,以便掌握航行体的运动状态,判明其有无偏离预定的航线,偏 离的程度如何,GPS卫星导航中的常用方法包括:1. GPS单机导航顾名思义,单机就是在航行体上仅装配一台 C用接收机,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 到广泛应用。因为一台GPS妾收只要能接收到4颗以上的卫星信号便 可测定出所处的位臵。因此操作

9、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。但是在众多阶情况下, 单机导航还需配备适当的辅助设备, 以保 证导航的安全可靠性。 如船只航行不仅要确定船的实时位臵, 还必须实时测定水深,才不致使船只触礁而能够安全的航行。又如汽车导航 时,当汽车行驶在高层建筑的街道或林荫道上, 可能GPS接收机接收 不到足够的卫星数以满足定位的需要。 一般在汽车上还要配备电子罗 盘,结合速度计和相应软件,来实现不能实施GPS定位情况下的连续 定位导航工作。在陆地车辆的导航中,还经常配备电子地图、交通信 息库和智能选线功能,以帮助驾驶员安全、快速地到达目的地。2.差分CPS

10、导航由于使用C/A码的民用用户的定位精度低,因而就提出了如何 提高民用定位精度的问题。差分GPS就是适应这一要求而产生的,其 原理如图10-3所示。在地面已知位臵设臵一个地面站,地面站由一 个GPS差分接收机和一个差分发射机组成。差分接收机接收卫星信 号,监测GPS差分系统的误差,并按规定的时间间隔把修正信息发送给用户,用户用修正信息校正自己的测量或位臵解。差分GPS导航有 两种工作方式。(1)位臵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臵。把测量确定的位臵数据和已知位臵数据比较,即得位臵校正量泳, 心Y, AZ。通过发射机把这些位臵修正信息发送给用户接收机,用户 接收机用以校正自己的输出坐标。(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 臵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。上述两种校正方

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