GPS测量原理及应用：第六章 GPS卫星导航

1、2022/7/291GPS测量原理及应用2022/7/2926.1 概述导航 引导航行的意思,也就是确定航行体运动到什么地方和向那个方向运动的意思。起始点、目标位置、航路位置瞬时速度、精确的时间、运动载体的姿态2022/7/293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。 七维状态参数：（三维坐标、三维速度、时间） 三维姿态参数： (三个姿态角) 航空航天、农业、大地测量学、地球动力学、地球物理学、天体力学、载人航天学、全球海洋学和全球气象学2022/7/294（1）用户多样性： 概括为地面行驶的车辆、水中航行的舰船和空中飞行的航空航天器。GPS 动态

2、定位发展特点：2022/7/295（2）速度多异性：低动态定位:运动速度为几m/秒到几十米/秒；中等动态定位:运动速度为100m/s到1000m/s；高动态定位:运动速度在1km/s以上时。地球板块运动2022/7/296（3）定位的实时性： 当用三级火箭发射人造地球卫星时，从第一级火箭发动机点火开始到卫星入轨运行，共需17分19秒。从第859秒关闭第三级火箭发动机结束制导，到第1039秒卫星脱离第三级火箭入轨运行共计3分钟。2022/7/297（4）精度要求多变性 ：2022/7/2986.2 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信号接收机，自主地测得该运

3、动载体的实时位置，从而描绘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。2022/7/299（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。飞机着陆和船舰进港2022/7/2910（3）后处理差分动态定位 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

4、上的坐标位置。 在航空摄影测量2022/7/29116.2.1.单点动态定位单点动态定位的基本方程是：d是由于接受机时钟误差等因素所引起的站星距离偏差.注：把卫星钟差、电离层、对流层延迟影响略去了。2022/7/29126.2.1.单点动态定位 2022/7/29136.2.1.单点动态定位在解算运动载体的时实定位时，后续点的初始坐标值可以根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。2022/7/29146.2.1.伪距差分动态定位（DGPS） 用两台接收机在两个测站上同时测量来自相同GPS卫星的导航定位信号，用以联合测得动态用户的精确

5、位置。如果及时将GPS改正值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。2022/7/29152022/7/29166.2.1.伪距差分动态定位（DGPS）2022/7/29176.2.1.伪距差分动态定位（DGPS）2022/7/29186.3.1 GPS测速利用GPS信号测得运动载体的运动速度，叫做GPS测速。利用GPS信号进行速度测量,是基于站星距离的测量。 2022/7/29196.3.1 GPS测速2022/7/29206.3.1 GPS测速2022/7/29216.3.1 GPS测速2022/7/29226.3.2 GPS定时 GPS卫星

6、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。2022/7/29231）一站单机定时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。GPS定时的目的：在于测定用户时钟相对于GPS时间的偏差，并依据GPS卫星导航电文的有关参数，计算出世界协调时UTC。2022/7/29242022/7/29256.3.2 GPS定时2022/7/29262)共视比对定时法即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，

7、而测定用户时钟的偏差。6.3.2 GPS定时2022/7/29276.3.2 GPS定时2022/7/29286.3.2 GPS定时2022/7/29296.4.1基本概念 起始点 目的点 航行计划路径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、航路点的位置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。2022/7/29306.4.2 GPS单机导航单机导航就是在航行体上仅装配一台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。因此操作和使用非常简单，价格也便宜，且具有全天候、全球性、

8、较高精度及实时三维定位和测速能力。2022/7/2931GPS单机导航2022/7/29326.4.3差分GPS导航 差分GPS就是在地面已知位置设置一个地面站，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置解。2022/7/29332022/7/29341.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，用户接收机用以校正自己的输出坐标。

9、 2022/7/29352022/7/29362.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。2022/7/29376.4.3 GPS/惯性综合导航惯性技术: 对飞机、舰船、火箭等载体进行导航与控制的关键技术之一，在军事和民用领域有着广泛的应用。二次世界大战以来，惯性导航技术得到了迅速的发展。在我国，惯性导航技术已在航空、航天、航海和陆地车辆的导

10、航和定位中得到了应用。2022/7/2938惯性导航: 完全自主式的导航系统，它利用陀螺和加速度计这两类惯性传感器的测量信息直接计算出载体的姿态、速度、位置等导航参数。它既不向外界发射能量，也不依赖外界的任何信息，具有不受干扰、可在任何地方使用、动态性能好、导航输出信息丰富等独特的优点。2022/7/2939惯性导航系统（INS）: 一个自主式的空间基准保持系统，由惯性测量装置、控制显示装置、状态选择装置、导航计算机和电源等组成。惯性测量装置包括3个加速度计和3个陀螺仪。前者用来测量运载器的3个平移运动的加速度，指示当地地垂线的方向；后者用来测量运载器的3个转动运动的角位移，指示地球自转轴的方向。对测出的加速度进行两次积分，可算出运载器在所选择的导航参考坐标系的位置。2022/7/2940利用GPS的长期稳定性与适中精度，来弥补INS的误差随时间传播或增大的缺点;利用INS的短期高精度来弥补GPS接收机在受干扰时误差增大或遮挡时丢失信号等的缺点，进一步突出捷联式惯性导航系统结构简单、可靠性高、体积小、重量轻、造价低的优势，并借助惯导系统的姿态信息和角速度信息，提高GPS接收机天线的定向操纵性能，使之快速捕获或重新捕获GPS卫星信号;2022/7/2941同时借助GPS连续提供的高精度位置信息和速度信息，估计并校正惯导系统的位置误差、速度误差和系统其它误差参数，实现对