GPS测速定姿与授时.ppt

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1、GPS应用技术,1、GPS测速技术2、GPS测姿技术3、GPS测向技术4、GPS测时技术,1、GPS测速技术,基于GPS高精度定位结果,通过位置差分来获取速度;利用GPS 原始多普勒观测值直接计算速度;利用载波相位中心差分所获得的多普勒观测值来计算速度。3 种方法之间有一的联系，源于速度数学定义公式。不过由于计算思路不同，所利用的观测量也不同，部分方法还作了不同程度的近似假设，所以它们所确定的速度的精度也不同。,位置差分测速法,优点：不需要新的观测值，直接利用定位结果计，简单方便缺点：是平均速度，时间间隔过长时不准确，不稳定应用场合：低速载体的速度测定,原理：假设于历元t1和t2测定的载体实时

2、位置分别为X1(t1)和X2(t2)，则其运动速度可简单地表示为：,由此可得载体运行方向的速度为：,多普勒频移测速法,fi为多普勒测速仪所发射的微波频率；g 是载体在运动方向上的速度分量，称之为地速（沿着地球表面运动的速度）；为运动方向和回波方向之间的夹角；r是载体相对回波方向的径向速度；c为电磁波的传播速度。如果测得多普勒频移fd，便可解算出载体的航行速度g或r,如果测得多普勒频移fd，便可解算出卫星与用户之间的距离变化率，即如果大气折射对伪距观测量的影响已改正，则站星伪距观测方程：考虑卫星钟差可由导航电文给出的参数加以修正，则伪距的时间变率为：,多普勒频移测速原理,多普勒频移测速原理,如果

3、卫星的运动速度已知，则有误差方程：当同步观测的卫星数大于4时，相应的误差方程组为：,由此得：上述计算的条件是卫星的运行速度已知（根据导航电文所提供的数据进行计算）。,卫星运行速度计算的实用公式,载波相位中心差分测速法,利用历元t-h 和t+h 的载波相位观测值1 和3,作中心差分,可以获得历元t 多普勒频移观测值：其中,h 为采样间隔。然后用它代替原始多普勒频移观测值,三种测速方法的比较分析,静态测试,三种测速方法的比较分析,动态测试 以将原始多普勒频移观测值所确定的速度作为参考,三种测速方法的比较分析,动态测试,三种测速方法的比较分析,动态测试,三种测速方法的比较分析,位置中心差分法和载波相

4、位中心差分法都是假设载体作匀速运动的近似方法，都要求1 Hz甚至更高的采样率，其测速精度主要取决于载波观测值精度和载体运动状态；原始多普勒频移法比较精确。其速度精度主要取决于多普勒频移观测值的精度，基本不受载体运动状态影响；载体匀速运动时，位置差分和载波相位中心差分确定的速度的精度基本相同，但稍优于原始多普勒观测值所确定的速度的精度；非匀速运动时，原始多普勒频移法测速精度最好，载波相位中心差分法次之，位置中心差分法最差。,2、GPS 测姿技术,载体坐标系（BFS)地平坐标系（LLS),惯导系统（INS）测姿技术,“GPS陀螺仪”：多GPS天线测姿技术,天线布设：只要测出此基线在地理坐标系中的指

5、向（或基线矢量），即可确定俯仰角和航向角，如果再用一个天线位于载体右横轴，形成另一条基线，且两条基线互相垂直，则可测出载体的横滚角，其布局成“L”形。,只要测定两个基线在地理坐标系中的坐标（x1，yl，z1）T和（x2，y2，z2）T，就可以通过如下公式直接计算姿态角：,“GPS陀螺仪”：多GPS天线测姿技术,基线矢量坐标（x2，y2，z2）T绕地理坐标系Z轴旋转，再绕地理坐标系X轴方向旋转得到坐标值（）T，横滚角为：,特点：（1）、基线短，各个天线轴之间的距离很近，从几个厘米到几十米之间；（2）、不分基准站和从观测站，每一个天线所在的位置都是未知量；（3）、基线的长度是一般经过精密测量，作为

6、己知值；（4）、利用多天线测姿时，天线安装要求中心严格在一个水平面上，安装技术难度大。,“GPS陀螺仪”：双GPS天线测姿技术,在一个运动载体的两个不同位置上分别安设GPS信号接收天线，而用GPS载波相位测量求解出运动载体的二维姿态参数。使用两根GPS天线进行运动载体的姿态测定，只能估计出两个姿态角。,L12为A12基线的长度。天线 A1到天线A2的矢量方向可以确定偏航角，天线A2的坐标（L12，0，0），将天线 A1设置为载体坐标系和当地水平坐标系的原点，可以直接计算偏航角和俯仰角：,“GPS陀螺仪”：单GPS天线测姿技术,多天线GPS测姿系统的不足各个GPS接收机天线延迟、噪声相互独立；运

7、算量大，实时性难以保证；天线安装时要求中心严格在一个水平面上，安装技术难度大。,传统姿态是由载体系相对于当地地理坐标系的欧拉角来描述的，即偏航角、俯仰角、横滚角。利用单天线GPS确定的姿态为伪姿态，与传统姿态不同，由稳定坐标系相对于当地地理坐标系的欧拉角来描述的。伪偏航角：载体速度矢量在水平面中的投影与地理坐标系的Y轴之间的夹角；伪横滚角：在稳定坐标系下，Xs轴绕Ys轴转动的角度。,“GPS陀螺仪”：单GPS天线测姿技术,试验结果I,纯GPS 定姿，存在许多飞点，造成定姿错误；,试验结果II,在惯导定姿结果，可以看到一些不是很光滑的部分。这是由于使用的陀螺精度不高，在一定的时间之后，利用GPS

8、 重新对惯导系统进行对准造成的。,3、GPS测向技术,GPS单点定位测向,利用单点伪距或相位测量法，分别在不同的GPS采样时刻t1、t2得到船舶的位置，并利用相同的投影法则，将它们投影到同一平面内，由此求得船位分别为P1（x1,y1）、P2（x2,y2），则在t1与t2时间内船舶的方位角为：,单点测向测得是相邻时刻的平均航向，对于高动态的目标，要求测向时刻越短越能反映载体的真实航向；单点测量还会受到对流层和电离层的影响，测向精度不高。,3、GPS测向技术,GPS干涉测向,关键技术：确定基线的载波模糊度,缺点：不稳定，在GPS信号受到遮挡时，定姿精度差，甚至不能定姿采样率低，1hz,不能满足高动

9、态拥护控制周期的要求。,单站测时法：应用一台GPS接收机在一个已知坐标的观测站上进行测时。假设于历元t由观测站Ti至观测卫星sj所得伪距由于站星在协议地球坐标系中的坐标已知，几何距离已知，卫星钟差和大气折射改正可根据导航电文中给出的参数推算，则接收机钟差为,4、GPS测时技术,当观测站坐标已知时，只需观测1颗卫星，即可确定未知钟差差数；如果观测站坐标未知，则至少同步观测4颗卫星，以便在确定观测站位置的同时，确定接收机钟差；单站单机测时的目的在于确定用户时钟相对GPS时的偏差，进一步根据导航电文给出的信息，计算相应的协调时（UTC）。,4、GPS测时技术,共视测时法在两个测站上各设一台GPS接收

10、机，同步观测同一卫星，来测定两用户时钟的相对偏差，达到高精度时间比对的目的。观测量之差为：当观测站坐标已知时，两站用户时钟的相对钟差为：共视法可消除卫星钟差影响，同时卫星轨道误差和大气折射误差也将明显减弱，相对钟差精度较高。误差大小与观测站间的距离和使用的测距码（P码、C/A码）有关，一般估计测时精度达数十ns。,差分GPS（DGPS）测时法 将差分GPS技术与共视测时法结合起来。根据差分GPS技术设立一个基准站，使这个基准站成为所有用户接收机共视比对测时公共的一端GPS接收机，这样该基准站和所有用户的接收机就构成了一个星形的GPS差分网。,思考题：,1、GPS测姿与测向有何区别？2、海洋测量中还可以采用哪些测时技术？3、试比较GPS不同测时技术的优缺点?列举它们各自应用场景？,