gps导航原理【浅析GPS导航解算原理】
全球定位系统(G)是英Glblg头缩写词简称。
它是由美国国防部主导开发套具有海、陆、空进行全方位实三维导航与定位能力新代卫星导航定位系统。
G用户部分核心是G接收机。
其主要由基带信处理和导航算两部分组成。
其基带信处理部分主要包括对G卫星信二维、捕获、跟踪、伪距计算、导航数据码等工作。
导航算部分主要包括根据导航数据星历参数实进行各可视卫星位置计算;根据导航数据各误差参数进行星钟误差、相对论效应误差、地球影响、信传输误差(主要包括电离层实传输误差及对流层实传输误差)等各种实误差计算并将其从伪距消除;根据上述结进行接收机V(位置、速、)算;对各精因子()进行实计算和监测以确定定位精。
讨论假设前提是G接收机已对G卫星信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码工作。
地球坐标系简述图背景图片要描述物体位置必须要有相关坐标系地球表面G接收机位置是相对地球而言。
因要描述G接收机位置要采用固地球上随地球动坐标系、即地球坐标系作参照系。
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地坐标系。
地球直角坐标系定义是原与地球质心重合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交(即0方向)轴赤道平面里与XZ构成右手坐标系(即指向东90方向)。
地球地坐标系定义是地球椭球心与地球质心重合椭球短轴与地球轴重合。
地球表面任地纬该椭球法线与椭球赤道面夹角该所椭球子午面与格林威治地子午面夹角该高该沿椭球法线至椭球面距离。
设地球表面任地球直角坐标系表达(xz)地球地坐标系表达()。
则两者换关系地坐标系变直角坐标系()式椭球卯酉圈曲率半径椭球偏心率。
若椭球长半径短半径b则有()直角坐标系变地坐标系可由下述方法得由叠代法获得地心纬椭圆率可设初始值进行叠代直到||某门限止。
G定位主要误差及消除算法G定位主要误差有星钟误差相对论误差地球误差电离层和对流层误差。
)星钟误差星钟误差是由星上钟和G标准误差形成G测量以精密测依据星钟误差上可达造成距离偏差可达到300K必须加以消除。
般用二项式表示星钟误差。
(3)G星历通发送二项式系数达到修正目。
修正以星钟和G标准误差可以控制0。
)相对论误差由相对论理论地面上具有频率钟安装以速运行卫星上以钟频率将会发生变化改变量即卫星上钟比地面上要慢要修正误差可采用系数改进方法。
G星历广播了系数用以消除相对论误差可以将相对论误差控制70以。
3)地球误差G定位采用是与地球固连协议地球坐标系随地球起绕z轴。
若发射信某瞬卫星处协议坐标系某位置当地面接收机接收到卫星信由地球卫星已不发射瞬位置〔坐标值)处了。
也就是说接收机接收卫星信刻协议坐标系位置必须以该刻坐标系作参考坐标系。
设地球角速发射信瞬到接收信瞬信传播延△则程升交调整则三维坐标调整()地球引起定位误差米级精密定位必须考虑加以消除。
)电离层和对流层误差电离层是指地球上空距地面高50000k气层。
电离层气体分子由受到太阳等天体各种射线辐射产生强烈电离形成量由电子和正离子。
其引起误差垂直方向可以达到50米左右水平方向可以达到50米左右。
目前还无法用严格数学模型描述电子密和变化规律因消除电离层误差采用电离层改正模型或双频观测加以修正。
对流层是指从地面向上约0k围气底层占整气质量99%。
其气密比电离层更气状态也更复杂。
对流层与地面接触从地面得到辐射热能温随高上升而降低。
对流层折射包括两部分是由电磁波传播速或光速气变慢造成路径延迟这占主要部分;二是由G卫星信通对流层也使传播路径发生弯曲从而使测量距离产生偏差。
垂直方向可达到5米水平方向可达到0米。
G星历通给定电离层对流层模型以及模型参数消除电离层和对流层误差。
实验表明利用模型对电离层误差改进有效性达到75%对流层误差改进有效性95%。
3G星历结构及算程要得到接收机位置接收机钟和G标准严格步情况下则待位置是3知变量要3独立方程。
但是实际情况很难做到接收机钟和G标准严格步这样我们把接收机和G标准偏差也作知变量这样就要独立方程也就是要有颗观测卫星。
图G定位示图(考虑偏差)假设接收机位置(xz)接收机偏差则由偏差引起距离偏差得到伪距观测值。
我们可以得到立方程(5)将上式线性化即真实位置(xz)进行泰勒级数展开忽略高次项得到(6)其式(6)即实际计算叠代公式叠代终止条件是真实位置(xz)变化量某阈值终得到可以作调整接收机偏差依据计算般采用矩阵方式。
要该方程我们还要预先知道颗卫星位置(xz)而卫星位置可以从该卫星星历获得。
G卫星星历给出了星星历根据星历可以算出卫星实位置并且星历给出了消除卫星星钟误差、相对论误差、地球误差、电离层和对流层误差参数根据这些参数计算出卫星位置可以基上消除上述误差。
卫星位置基步骤计算卫星运行平角速①计算归化;②计算观测刻平近角;③计算偏近角;④计算卫星矢径;⑤计算卫星真近角;⑥计算升交角距;⑦计算摄动改正项;⑧计算摄动改正升交距角、卫星矢径、轨道倾角;⑨计算观测刻升交;⑩计算卫星地心坐标系位置。
特别值得指出是计算卫星真近角Vk应采用公式(7)其偏心率k卫星偏近角。
有部分参考籍计算卫星真近角公式有误会导致卫星真近角象限模糊问题从而无法得到卫星正确位置。
结论我们详细地叙述了G卫星导航定位原理以及定位算算法分析了其主要误差和消除方法。
当然对卫星数多颗星算法以及差分G算法都可以算法基础上进行深入研究。