GPS导航定位原理以及定位解算算法[借鉴].pdfVIP

GPS 导航定位原理以及定位解算算法 全球定位系统(GPS)是英文 Global Positioning System 的字头缩写词的简称。它的含义是 利用导航卫星进行测时和测距，以构成全球定位系统。它是由美国国防部主导开发的一套 具有在海、陆、空进行全方位实时三维导航与定位能力的新一代卫星导航定位系统。 GPS 用户部分的核心是 GPS 接收机。其主要由基带信号处理和导航解算两部分组成。 其中基带信号处理部分主要包括对 GPS 卫星信号的二维有哪些信誉好的足球投注网站、捕获、跟踪、伪距计算、导 航数据解码等工作。导航解算部分主要包括根据导航数据中的星历参数实时进行各可视卫 星位置计算；根据导航数据中各误差参数进行星钟误差、相对论效应误差、地球自转影响、 信号传输误差(主要包括电离层实时传输误差及对流层实时传输误差)等各种实时误差的计 算，并将其从伪距中消除；根据上述结果进行接收机 PVT （位置、速度、时间）的解算； 对各精度因子(DOP)进行实时计算和监测以确定定位解的精度。 本文中重点讨论 GPS 接收机的导航解算部分，基带信号处理部分可参看有关资料。本文 讨论的假设前提是 GPS 接收机已经对 GPS 卫星信号进行了有效捕获和跟踪，对伪距进行了 计算，并对导航数据进行了解码工作。 1 地球坐标系简述 要描述一个物体的位置必须要有相关联的坐标系，地球表面的 GPS 接收机的位置是 相对于地球而言的。因此，要描述 GPS 接收机的位置，需要采用固联于地球上随同地球转 动的坐标系、即地球坐标系作为参照系。 地球坐标系有两种几何表达形式，即地球直角坐标系和地球大地坐标系。地球直角坐 标系的定义是：原点 O 与地球质心重合，Z 轴指向地球北极，X 轴指向地球赤道面与格林 威治子午圈的交点(即 0 经度方向)，Y 轴在赤道平面里与 XOZ 构成右手坐标系(即指向东经 90 度方向)。 地球大地坐标系的定义是：地球椭球的中心与地球质心重合，椭球的短轴与地球自转 轴重合。地球表面任意一点的大地纬度为过该点之椭球法线与椭球赤道面的夹角 φ，经度 为该点所在之椭球子午面与格林威治大地子午面之间的夹角 λ ，该点的高度 h 为该点沿椭 球法线至椭球面的距离。设地球表面任意一点 P 在地球直角坐标系内表达为 P( x ，y ，z )， 在地球大地坐标系内表达为 P ( φ，λ ，h)。则两者互换关系为：大地坐标系变为直角坐 标系： （1） 1 / 8 式中：n 为椭球的卯酉圈曲率半径，e 为椭球的第一偏心率。 若椭球的长半径为 a，短半径为 b，则有 （2） 直角坐标系变为大地坐标系，可由下述方法求得 φ 由叠代法获得 φc 为地心纬度， ep 为椭圆率 可设初始值 φ=φc 进行叠代，直到|φi=1-φi| 小于某一门限为止。 这两种坐标系在定位系统中经常交叉使用，必须熟悉两种坐标系之间的转换关系。 2 GPS 定位中主要误差及消除算法 GPS 定位中的主要误差有：星钟误差，相对论误差，地球自转误差，电离层和对流层 误差。 1）星钟误差 2 / 8 星钟误差是由于星上时钟和 GPS 标准时之间的误差形成的，GPS 测量以精密测时为 依据，星钟误差时间上可达 1ms，造成的距离偏差可达到 300Km，必须加以消除。一般用 二项式表示星钟误差。 （3） GPS 星历中通过发送二项式的系数来达到修正的目的。经此修正以后，星钟和 GPS 标准时之间的误差可以控制在 20ns 之内。 2）相对论误差 由相对论理论，在地面上具有频率的时钟安装在以速度 运行的卫星上以后，时钟频 率将会发生变化，改变量为： 即卫星上时钟比地面上要慢，要修正此误差，可采用系数改进的方法。GPS 星历中 广播了此系数用以消除相对论误差，可以将相对论误差控制在 70ns 以内。 3）地球自转误差 G