第六章 GPS卫星导航

所谓导航，就是测得运动载体的状态参数，并导引运动载体准确地运动到预定的后续位置。要使舰船、飞机和航天器等成功地完成预定的任务，除了起始点和目标位置之外，就是必须知道航行体所处的实时位置，只有知道现势位置才能考虑怎样到达下一目的地的问题。为了解决这个问题，可以在车辆、舰船、飞机和航天器等运动载体上安设GPS接收机，全天侯和全球性地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，实时地测得载体上GPS接收机天线的所在位置。所以，GPS导航的实质就是广义的GPS动态定位，和GPS静态定位相比较，GPS动态定位有用户多样、速度多变、定位定时、数据和精度多变等特点。

GPS动态定位和GPS静态定位相比较，有以下显著特点：

1、用户的广泛性

GPS动态定位的用户可概括为地面行驶的车辆、水上航行的船舰、空中飞行的航空航天器。或者说，GPS信号接收机可以安设在地面车辆、水上船舰和航空航天器三大类型的运动载体上进行动态定位。还可以将GPS信号接收机安置在煤矿挖掘机的铲掘头上，在露天煤矿开采时，实时地测定铲掘头的掘进位置，以便为煤矿开采数字监测系统提供铲掘头的动态位置。

2、定位的实时性

GPS动态定位的实时性在某种情况下，显得特别重要。例如，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，到人造地球卫星入轨运行，共需17分19秒钟的时间。从第859秒钟关闭第三级火箭的发动机而结束制导，到第1039秒钟卫星脱离第三级火箭而进入轨道运行，共计3分钟。在此入轨历程中，若需测得卫星的运行轨迹（简称入行轨道），以便确知卫星能否入轨运行，那么，每秒钟至少要测得一个动态点位，以便用180个实测点位描绘出3分钟历程，用以监测人造地球卫星准确入轨运行。不少商品GPS信号接收机，都能够甚至零点几秒测得一个点位。

3、速度的多异性

GPS动态定位拥有多种多样的运动载体。在一般情况下，这些运动载体的速度从每秒几米到每秒几公里。按照载体的不同运动速度，GPS动态定位分为低中高三种定位形式。当载体的运动速度为每秒几米到每秒几十米时，这种类型的定位叫做低动态定位；当载体的运动速度为每秒100m至每秒1000m时，这种类型的定位，叫做中等动态定位；当载体的运动速度在每秒1km以上时，这种类型的定位，叫做高动态定位。GPS动态定位不仅遇到因载体不同而速度相异的情况，而且会遇到同一类型的载体因不同条件而具有不同的速度。例如，火车出站后的加速行驶，站间的准匀速前进，进站前的减速运行；人造地球卫星随着它距离地面高度的不同而以不同的速度环绕地球飞行。

4.数据短时性

对于动态定位而言，用户天线随着运动载体而相对于地球不停地运动着，它就不可能为一个点位花费较长的时间来采集定位数据，特别是在高动态定位场合，更要求以较短的时间（如亚秒级）来采集一个点位的定位数据，称之为定位数据的短时性。例如，1960年7月，前苏联向太平洋发射一颗射程为13000km的试验性导弹，从发射到着陆仅飞行了37分钟，若要在14775km的弹道上每隔2km测得一个点位，则每0.27s便应进行一次GPS定位，亦即采集定位数据的时间约为0.26s。

5、精度要求多变性

随着运动载体的多种多样和应用目的之异，GPS动态用户所要求的位置/速度精度也随之而异。应用目的位置精度速度精度海洋重力测量陆地和航空重力测量航空重力梯度测量相对大地水淮面测量陆地和海洋的三维地震监测航空磁场测景资源测图：

1:500001:200001:10000±20m±1m（高程）±20m±1m±1～3m±1m±2m±0.5m±0.1m<±10cm/s<±0.01cm/s<±10cm/s

±10cm/s

±50cm/s

±30cm/s

±100cm/s

±25cm/s

±5cm/s

由上所述，动态定位显著区别于静态定位。在用户天线以每秒几米到几公里的速度相对于地球运动的情况下，需要用GPS信号测定它们的七维状态参数：三维坐标、三维速度、时间。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测量精度。一.GPS卫星导航原理1.单点动态定位：

单点动态定位又叫绝对动态定位。在单点动态定位的情况下，由于观测站是运动的，为了获得瞬时定位结果，必须至少同步观测4颗卫星，以便获取4个同步伪距观测值，解得4个未知参数。研究表明，单点动态定位所确定的三维位置精度为+10～40m左右，速度测量误差为±30cm/s，时间测量精度为±300～400ns。应用：车船等概略导航定位，户外活动导航等。单点动态定位导航

1.在动态定位中，不是直接求运动载体的三维坐标。一般是将前一时刻的点位坐标作为下一时刻点位的初始坐标，通过求解该时刻的三维坐标改正值来确定该时刻的三维坐标值。因此关键是确定第一个点位坐标的精确值。由于该点的坐标的初始值难以较精确地求得，因此需要通过一定的算法，经过多次迭代求得第一点精确的三维坐标，并为后续点位的解算提供初始坐标值，这个迭代计算第一点位坐标值的过程也称为动态定位的初始化过程。

2.GPS动态绝对定位一般常采用测码伪距定位方法。主要是该方法无论在作业上还是在计算上均简单易行。注意2.实时差分动态定位：

所谓实时差分动态定位，就是使用两台接收机分别置于两个测站上同时测量来自相同GPS卫星的导航定位信号，用以联合测出动态用户的精确位置。其中一个测站是已知的基准点，该点的GPS接收机称为基准接收机；另一台安设于运动载体上，称为动态接收机。两台接收机同时测量来自相同GPS卫星的导航定位信号。联合测出动态接收机的实时位置。应用：车,船,飞机，导弹等的精确导航定位,如飞机着陆和船舰进港，跟踪、监控与调度车辆、船舶及航空器等。实时差分动态定位导航

差分动态定位的结果，消除了星钟误差、星历误差、电离层与对流层时延误差，从而显著地提高了动态定位的精度。近年来以载波相位为观测量的高精度动态相对定位的研究工作，日益受到关注。在汽车和飞机上的差分动态定位实验表明，载波相位测量能高有效地用于动态定位，并且已取得了厘米级的三维位置精度。伪距差分动态定位精度也可达亚米级。3.后处理差分动态定位：

它与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建立实时数据传输系统，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。应用：航空摄影测量等在航空摄影测量时，用GPS信号测量每一个摄影瞬间的摄站位置。后处理差分动态定位后处理差分动态定位不需要实时传输数据，也无法实时求出定位结果，但由于可以在测后对观测数据进行详细的分析，易于发现粗差，提高定位精度（cm~dm级）。二.GPS测速、测时、测姿态1.GPS测速：

利用GPS信号实时地测得载波的运动速度，称之为GPS测速。只要在这些运动载体上安置GPS接收机，就可以在进行动态定位的同时，利用GPS信号进行速度测量，是基于站星距离的测量。另外，还可用GPS差分法测速，从而消除星历误差对测速精度的损失，可显著削弱电离层或对流层效应对测速精度的影响。

GPS接收机的载体速度测量,可以用两种方法来实现,一种是平均速度法，另一种是多普勒频移法。

1）.平均速度法：设在历元t1测定的载体的实时位置为X（t1），并保存起来；在历元t2测定的载体实时位置为X（t2），则载体的运动速度可简单地表示为：

这种载体速度测定方法计算简单，不需要其他新的观测量。只要选定测速取样周期和前后两次的载体定位数据时间间隔应取得合适，过长或过短的，将使平均速度不能较正确的近似载体的实际速度。这种平均速度对于高速飞行的载体速度描述，其正确性一般不如对低速运动载体速度的描述。一般应用于船舶导航、陆地车辆导航中。载体速度的大小为：

2）、多普勒频移法：

因为GPS卫星和GPS用户接收机之间存在着相对运动，所以载体用户接收机接收到的GPS卫星发射的载波信号频率fj，与卫星发射的载波信号的频率fu是不同的，它们之间的频率差称为多普勒频移。用多普勒频移法测速是基于站星距离的测量。

根据物理学关于线速度是运动质点在单位时间内的距离变化率的定义，则微分上式而知动态用户的三维速度表达式：式中：（1）站星距离此处的（Xj

、Yj

、Zj）是卫星位置，用户位置（Xu

、Yu

、Zu）是用GPS信号实时测得的，因此，ρj是一个已知量。1

（2）站星距离的变化率，也是由GPS信号接收机测得的，且知：

此处的N是GPS信号接收机所测得的积分多普勒频移计数；fu为GPS信号接收机所接收到的载波频率；fj是第j颗GPS卫星所发射的载波频率；c为电磁波的传播速度；ΔT是动态用户拟定的测速时间间隔，或称之为测速更新率。这些参数均是已知的，故可算得距离变化率。（3）接收机时钟偏差变化率（钟速），一般是1ns/s，如果要求测速精度只需达到每秒米级以下，则可略而不计；若要求达到每秒亚米级甚至更高的测速精度，便应该考虑的影响，并作为一个未知数，联同动态用户的三维速度进行解算，故至少需要观测四颗GPS卫星。（4）卫星时钟偏差变化率，它小于0.1ns/s，因此可略去的影响。（5）电离层/对流层时延的变化率，因为测速时间间隔较短（如秒级），则有：（6）卫星的运行速度可根据导航电文求得。也可按初始化法求得。所谓初始化，就是在进行测速之前，先使动态接收机处于静止状态，此时则有：称此为GPS测速的（k，S）状态（卫星运动，用户静止）。在（k，S）状态下，即可按式①解算出卫星的三维速度，随即进行动态用户的速度测量。综上（1）～（6）项对式①的分析可知，在高精度测速的情况下，式①只有用户三维速度和接收机时钟钟速共四个未知数，观测了四颗在视GPS卫星，即可解得这四个求未知数。算得动态用户的三维速度后，即可求得运动载体的运行速度从上述可见，用GPS信号测量载体的运行速度时，只需要在被测量的运动载体上安设GPS信号接收机，便可按照用户所要求的时间间隔，在作动态定位的同时，实时地测得整个运行轨道上各点处的运行速度。因它只需要接收GPS卫星发送的微波信号，而运行载体本身并不必要发射任何形式的信号，这表明，GPS测速是工作于被动测速原理的。此外应用差分GPS测速方法都能够显著地提高测速精度。优点是：全天候、全球性、全方位、全测程和高精度。类型定位方式

点位中误差（m）测速中误差（m/sec）数据采集时水平垂直水平垂直HDOPVDOP车载单点4.011.90.720.642.13.5差分1.3

4.60.320.202.23.9机载单点5.7

9.71.011.502.04.0差分2.5

6.50.610.761.94.3

GPS测速试验结果

2GPS测时

人们的生活离不开时间，从日常生活到航海、航空和航天，定时有着广泛的应用领域。随着使用目的的不同，人们对时间准确度的要求也不同。若用GPS卫星信号进行时间传递，只要有一台能够接收、跟踪、变换和测量GPS信号的接收机，就可以获得较高的定时精度。

GPS卫星上都安装有四台原子钟，GPS时间与世界协调时UTC之差经常保持在±1μs以内。因此，GPS卫星可以成为一种全球性用户的时间信号源，用以进行精确的时间比对。在用GPS信号传递时间时，存在着三种时间尺度（时标）：其一为GPS时间，它是一种全球性的时间信号源，用以进行精确的时间比对；二是每颗GPS卫星的时钟；三是用户接收机的时钟。GPS定时的实质是测定用户时钟相对于GPS时间的偏差，并根据卫星电文给出的有关参数，计算出世界协调时（UTC）。

1）.一站单机法：

在一