GPS与imu组合导航系统原理及应用.docxVIP

GPS的发展历程 人类是在一次偶然事件中发现可以利用卫星进行导航。1957 年， 前苏联成功发射第一枚人造卫星“斯普特尼克”1 号(Sputnik-1)进 入轨道后不久，美国詹斯·霍普金斯（Johns Hopkins）大学应用物 理实验室（APL）两位科学家在跟踪这颗苏联卫星时无意中发现，他 们收到的无线电信号有多普勒频移效应，即卫星在飞近地面时，接收 机收到的无线电频率逐渐增高，飞远时则逐渐降低。科学家对这种现 象研究后产生灵感，卫星的轨道可由地面站测得的多普勒频移曲线确 定，若知道卫星的精确轨道，不就能确定地面接收机的位置了吗?从 此，一种先进的导航技术“卫星导航”悄然兴起。 当时美国科学家们即倡议利用卫星，为其核动力弹道导弹潜艇进 行定位导航，以修正惯性导航系统的时间累积误差。于是美国在1958 年提出利用“多普勒频移效应”与“标准时间差”定位原理的第一 代卫星定位系统——经纬仪(Transit)构想，1960 年4 月开始发射首 颗卫星，1964 年提供军用服务，1967 年开放给民间使用，此后曾进 行两次改进，1988 年8 月进行最后一次发射，2000 年系统报废。“经 纬仪卫星导航定位系统”的成功，导致美国与苏联研发与建立更大规 模、高精度的卫星导航定位系统， 即全球定位系统(GPS) 与和全球导航卫星系统(GLONASS 格洛纳斯)。 GPS的概述 Gps是Global　Positioning　System的简称，即全球卫星定位系统，最初应用于军事领域，是美军71年代初“子午仪卫星导航定位”技术发展起来的具有球性，全能性（陆地，海洋，航空），全天候优势。 民用方面：最大的民用市场就是汽车导航系统 汽车导航的目的：引导汽车在繁忙交通状态和复杂的道路网络中,选择最佳的路径,使其能在尽量短的时间和路程内到达目的地。 GPS系统包括三大部分： 1).空间部分—GPS卫星星座； 2).地面控制部分—地面监控系统； 3).用户设备部分—GPS信号接收机。 美国的GPS卫星星座 GPS工作卫星及其星座由21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成GPS卫星星座，记作（21+3）GPS星座。24颗卫星均匀分布在6个轨道平面内，轨道倾角为55度，各个轨道平面之间相距60度，即轨道的升交点赤经各相差60度。每个轨道平面内各颗卫星之间的升交角距相差90度，一轨道平面上的卫星比西边相邻轨道平面上的相应卫星超前30度。 在两万公里高空的GPS卫星，当地球对恒星来说自转一周时，它们绕地球运行二周，即绕地球一周的时间为12恒星时。这样，对于地面观测者来说，每天将提前4分钟见到同一颗GPS卫星。位于地平线以上的卫星颗数随着时间和地点的不同而不同，最少可见到4颗，最多可见到11颗。在用GPS信号导航定位时，为了结算测站的三维坐标，必须观测4颗GPS卫星，称为定位星座。 地面监控系统 对于导航定位来说，GPS卫星是一动态已知点。星的位置是依据卫星发射的星历—描述卫星运动及其轨道的参数算得的。每颗GPS卫星所播发的星历，是由地面监控系统提供的。卫星上的各种设备是否正常工作，以及卫星是否一直沿着预定轨道运行，都要由地面设备进行监测和控制。地面监控系统另一重要作用是保持各颗卫星处于同一时间标准—GPS时间系统。这就需要地面站监测各颗卫星的时间，求出钟差。然后由地面注入站发给卫星，卫星再由导航电文发给用户设备。GPS工作卫星的地面监控系统包括一个主控站、三个注入站和五个监测站。 GPS信号接收机 GPS信号接收机的任务是：能够捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星的信号，并跟踪这些卫星的运行，对所接收到的GPS信号进行变换、放大和处理，以便测量出GPS信号从卫星到接收机天线的传播时间，解译出GPS卫星所发送的导航电文，实时地计算出测站的三维位置，位置，甚至三维速度和时间。 目前，在全球卫星定位系统方面，有 HYPERLINK /view/2398.htm \t _blank 美国的GPS系统、 HYPERLINK /view/19788.htm \t _blank 欧盟的伽利略系统、 HYPERLINK /view/2403.htm \t _blank 俄罗斯的“格洛纳斯”系统和中国即将建立的“北斗二号”系统，使用范围最广的就是美国的GPS全球定位系统。  HYPERLINK /image/b6045da9503cd7de1e17a21a \o 查看图片 \t _blank ?? “北斗”导航卫星  HYPERLINK /view/83954.htm \t _blank 北斗二号”卫星导航系统空间段由5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星组成，提供两种服