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衛星導航系統-第9講-衛星導航基本方法-1

衛星位置已知,衛星在向使用者接收機發送信号,信号裡面包含的分量:導航電文(衛星星曆等資訊,計算衛星的實際位置),測距碼(自相關性正确實作衛星信号的解調),載波(用于遠距離傳輸信号);接收機接收到這三個信号之後,這所有的工作我們是看不到的,它的第一步工作是解調出導航電文,測距碼,載波,第二步是利用導航電文,測距碼,載波計算接收機自己的位置,這個就需要衛星導航基本方法來做;

衛星定位方法的分類

分類1:按接收機天線所處位置

靜态定位和動态定位;

靜止定位:

如果待定點相對于周圍的固定點沒有可以覺察到的運動,或者雖有可覺察到的運動,但由于這種運動是如此緩慢以緻在一次觀測期間(一般為數小時至若幹天)無法被覺察到,而隻有在兩次觀測之間(一般為幾個月至幾年)這些運動才能被反映出來,确定這些待定點的位置稱為靜态定位。

靜态定位應用

靜态定位在大地測量、精密工程測量、地球動力學及地震監測等領域内得到了廣泛的應用,是精密定位中的基本模式。

動态定位

如果在一次觀測期間待定點相對于周圍的固定點有可覺察到的運動或者顯著的運動,因而在處理該時段的觀測資料時待定點的位置将随時變化,确定這些運動的待定點的位置稱為動态定。

動态定位特點

使用者多樣性、速度多異性、定位實時性、精度要求多變性、、、、、

動态定位應用

導航——探險、車輛、船舶、航空器等;

跟蹤、監控與排程——車輛、船舶、航空器等;

制導            ——武器制導、自動駕駛等;

定軌            ——衛星、航天器等;

姿态确定    ——衛星、航天器、航空器等。

靜态定位與動态定位差別

嚴格地說,靜态定位和動态定位的根本差別并不在于待定點本身是否在運動,而在于建立數學模型中待定點的位置是否可看成常數。也就是說,在觀測期間待定點的位移量和允許的定位誤差相比是否顯著,能否忽略不計。

由于進行靜态定位時待定點的位置可視為固定不動,因而就有可能通過大量重複觀測來提高定位精度 。随着快速解算整周模糊度技術的出現,靜态定位的作業時間可大為減少,因而在普通測量和一般工程測量等領域内也将得到廣泛應用。

分類2 按是否具有參考基準:

絕對定位、相對定位

絕對定位(單點定位)

獨立确定待定點在坐标系中的絕對位置的方法稱為單點定位,也稱為絕對定位;

由于目前GPS系統采用WGS-84系統,因而單點定位的結果也屬該坐标系統。

單點靜态定位:

地質礦産勘探、暗礁定位、建立浮标等低精度領域。

單點動态定位:船舶、火車和汽車等不需要太高精度的移動使用者。

單點定位基本原理

以衛星和使用者接收機天線之間的距離(或距離差)觀測量為基礎,根據已知的衛星瞬時坐标,來确定接收機天線所對應的點位,即觀測站的位置。

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 相對定位

同步跟蹤相同GPS衛星信号的若幹台接收機之間确定相對位置的一種定位方法。

相對定位的結果是各同步跟蹤站之間的基線向量,因而至少需給出網中一點的坐标後才能求出其餘各點的坐标。

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優點:各同步測站的衛星鐘的時鐘誤差、衛星星曆誤差、衛星信号在大氣中的傳播誤差等相同的或近似的,在相對定位的過程中這些誤差可得以消除或大幅度削弱,因而可獲得很高精度的相對位置。

缺點:多台(至少兩台)接收機進行同步觀測,若其中一台接收機因未能正常工作,都将使得與該測站有關的相對定位工作無法進行。是以相對定位中觀測的組織和實施就較單點定位更為複雜,資料處理也更為麻煩。

相對定位的應用

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分類3 按定位觀測資訊的性質

測碼僞距定位

通過僞随機碼測定傳播時間實作定位的方法;(時間乘以光速度)

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測相僞距定位

通過載波相位測量實作定位的方法

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多普勒定位

通過測量多普勒頻移(或稱多普勒頻率)實作定位的方法。

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射電幹涉定位

通過測量觀測類星體、導航衛星信号時間延遲實作定位的方法

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2、衛星定位基本觀測量(導航電文、測距碼、載波)

接收機收到的信号

僞随機碼:利用m序列自相關特性可測量時間延遲;

載波頻率:利用載波相位的變化實作距離測量;高頻的正弦信号

導航電文:衛星星曆、時鐘改正、電離層延時改正;

多普勒頻移:多普勒頻移中包含有位置資訊;

測碼僞距

通過僞随機碼測量傳播時間t實作定位的方法。

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上面波形是一個僞随機碼的波形,接收機在t時刻,任取一個長度為碼周期的僞随機碼,我們知道接收機在t時候會接收到很多衛星的信号,我們選擇其中一個,假設僞随機碼的相位為tao,僞随機的周期為1ms,一個周期内還有1023個碼元,那麼tao=N/1023(N=0,1,...1022).假設接收機在接收到的這個碼元,在衛星發射的時候它的相位為0;這個信号經過n個碼周期以及時間tao之後被接收到。那麼就可以知道衛星發射的這個僞随機碼了C(t-tao-nT);接收機在接收到這個信号以後,利用本地碼,通過本地時鐘,來控制

本地碼的發生器,來産生一個與接收信号形式完全一緻的波形;用C(t+delta_t)來表示;那麼在收到這個信号之後,開始對本地碼進行移位;

衛星的發射信号:C(t-tao-nTc/a)

接收機産生的信号:C(t+delta_t);delta_t為接收機的時鐘誤差;

為了找到傳播時間,對本地碼進行移位,移位tao一撇的時間,就得到一個新的信号

C(t+delta_t - tao一撇),那麼再得到這個信号與衛星信号以後,我們對這兩個信号進行相關性處理,

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 求出delta_tao = (t - tao - nTc/a) - (t - delta_t - tao一撇)

如果說對本地碼進行移位,移位之後。本地碼的形式與接收到的碼的形式完全同步,那麼上面的先關函數達到最大值,那麼上面R右邊兩個函數完全一抹一樣,那麼意思就是通過移位的方式使上面兩個信号完全同步的;那麼delta_tao就等于0。

那麼就可以得到tao一撇的結果

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 我們測碼僞距的目的是什麼呢,為了得到衛星發送的時間和接收時間的這個傳播時間差;那麼這個時間就等于n個碼周期+上面的tao一撇;

那麼通過移位的方式得到傳播時間,再乘上傳播的速度c,就得到了衛星到使用者之間的距離;

當考慮說衛星時鐘也有鐘差的時候的情況呢,結果如下:

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 delta_tk是接收機時鐘的鐘差,delta_ts是衛星時鐘的鐘差;衛星的鐘差可以通過導航電文中的鐘差給到;

接收機的鐘差是不可能消除的,

從上面可以看出我的移位時間tao一撇就等信号傳播時間加上接收機的鐘差delta_t;

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問一個問題,本地碼在移位的過程中,如果移位tao+delta_t,相關值可能是最大,如果是移位tao+delta_t+1T相關值可能最大,那麼要把上面的那個n找出來,找不出來可能就不對了;針對這個問題,如下

衛星的導航電文一個子幀(有十個碼字,每個碼字30個bit,導航電文頻率為50Hz,周期為0.02s)的時間是6s,有300個資料位,每個資料位裡面有20個C/A碼,每個C/A碼的周期為1ms;

想要知道确切的時間,就需要知道它持續了多少個子幀數,那麼怎麼得到呢,從衛星上,每個周日的零時開始,導航電文裡面有個Z計數值,它以6s為一間隔來計數,它在計數的同時,衛星也在往外發送導航電文,在接收機接收到的導航電文裡面,用這個Z計數-1再乘以6,就可以知道目前這個導航電文的這一幀的起始時刻是什麼時候發送出來的了。

其實我們就想知道兩個結果,衛星在什麼時間t1發射信号出來,以及接收機在什麼時間把這個信号接收到t2;二者相減t2-t1就得到了傳播時間;如果不到一個子幀的資料怎麼辦呢,下圖的delta_t等于多少;它等于這一子幀裡面包含的導航電文數,下圖中的delta_t計算;

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上式右邊第一項為這一子幀裡面包含的導航電文數(導航電文周期為0.02s),第二項為導航電文裡面讀到的C/A碼周期數,第三項為不到一個c/a碼周期裡面的碼片數,第四項為不到一個碼片的值的時間。

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