GPS与imu组合导航系统的原理及应用.pdf

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1、GPSGPSGPSGPS的发展历程的发展历程的发展历程的发展历程 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

2、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

3、斯 GPSGPSGPSGPS 的概述的概述的概述的概述 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 系统包括三大部分系统包括三大部分系统包括三大部分系统包括三大部分 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

4、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

5、 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

6、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 有美国的 GPS 系统 欧盟 的伽利略系统 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

7、的就是美国的 GPS 全球定位系统 北斗 导航卫星 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 提供两种服务方式 即开放服务和授权服 务 开放服务是在服务区免费提供定位 测速和授时服务 定位 精度为厘米级 授时精度为 50 纳秒 测速精度 0 2 米 秒 授 权服务是向授权用户提供更安全的定位 测速 授时和通信服务 以及系统完好性信息 伽利略 计划是一种中高度圆轨道卫星定位方案 伽利略 卫 星导航定位系统的建立将于 2007 年底之前完成 2008 年投入使 用 总共发射 30 颗卫星 其中 27 颗卫星为工作卫星 3 颗为候 补卫星 卫星高度为 241

8、26 公里 位于 3 个倾角为 56 度的轨道平 面内 该系统除了 30 颗中高度圆轨道卫星外 还有 2 个地面控制 中心 G G G Gpspspsps 的原理的原理的原理的原理 GPS 接收机的定位实际是就是通过计算接收机距不同卫星 的距离来完成的这一过程称为测距 当出现接受信息时钟误差是三个球面无法相交时利用第四颗卫 星的信息进行修正 通过求出上式中的四个未知量 x y z 接收机的钟差 Vt0 得到 了 基本的信号结构及准确率基本的信号结构及准确率基本的信号结构及准确率基本的信号结构及准确率 一般民用 GPS使用的是 GPS系统的 L1载波 频率为 1575 42 MHz 在这个载波频

9、率上面以调相方式加载了两种不同的伪随 机噪声码 C A 码和 P 码 C A 码是用于民用的测距码 码长 为 1023 个码元 即 1023 次从数字零到数字 1 的跳动 这 1023 个码元每秒重复 1000 次 即 1 023MHz 或每一百万分之一秒 跳动一次 P 码是军用码 码长非常长 码速为 10 23MHz 即 每千万分之一秒跳动一次 由于 GPS 接收机通过对比码元的跳动来计算从卫星到接收 机的时间 然后再转换成距离 显而易见 P 码的时间精度高 了 10 倍 距离精度也就高了 10 倍 现代信号处理技术计算码 元跳动的时间精度是码宽的百分之一 一百万分之一秒折合出 来的距离是

10、300 米 它的百分之一就是 3 米 而 P 码的精度是 这个数值的十分之一 即 0 3 米 换句话说 在计算某个卫星 距离接收机的实际距离的时候 C A 码的理论精度是 3 米 接收机 知道 了自己与卫星的距离 并不能计算出自己 的位置 因为它不知道卫星在发射电波时的位置 因此在卫星 载波上面 还加载了一个 50Hz 的导航电文 导航电文后面会 说到 很多种因素会影响到 GPS 的准确率 总定位误差大概是 28 米 主要 GPS 定位误差来自于电离层和大气层 不过在卫星的 导航电文中 已经包含了大气层的修正参数 能够消除 50 到 70 误差 这里面提到了两个知识点 就是导航电文的格式和地面

11、差 分台 导航电文的格式导航电文的格式导航电文的格式导航电文的格式 NMEA 协议是为了在不同的 GPS 全球定位系统 导航设备 中建立统一的 BTCM 海事无线电技术委员会 标准 由美国国 家海洋电子协会 NMEA The National Marine Electronics Associa tion 制定的一套通讯协议 NMEA 0183 协议定义的语句非常多 但是常用的或者说兼 容性最广的语句只有 GPGGA GPGSA GPGSV GPRMC GPVTG GPGLL 等 GPGGA GPGGA GPGGA GPGGA 例 GPGGA 092204 999 4250 5589 S 14

12、718 5084 E 1 04 24 4 19 7 M 0000 1F 字段 6 GPS 状态 0 未定位 1 非差分定位 2 差分定位 3 无效 PPS 6 正在估算 字段 7 正在使用的卫星数量 00 12 前导位数不足则补 0 字段 8 HDOP 水平精度因子 0 5 99 9 字段 9 海拔高度 9999 9 99999 9 字段 10 地球椭球面相对大地水准面的高度 字段 11 差分时间 从最近一次接收到差分信号开始的秒数 如果不是差分定位将为空 字段 12 差分站 ID 号 0000 1023 前导位数不足则补 0 如 果不是差分定位将为空 字段 13 校验值 GPGSA GPGS

13、A GPGSA GPGSA 例 GPGSA A 3 01 20 19 13 40 4 24 4 32 2 0A 字段 0 GPGSA 语句 ID 表明该语句为 GPS DOP and Active Satellites GSA 当前卫星信息 字段 1 定位模式 A 自动手动 2D 3D M 手动 2D 3D 字段 2 定位类型 1 未定位 2 2D 定位 3 3D 定位 字段 3 PRN 码 伪随机噪声码 第 1 信道正在使用的卫星 PRN 码编号 00 前导位数不足则补 0 字段 15 PDOP 综合位置精度因子 0 5 99 9 字段 16 HDOP 水平精度因子 0 5 99 9 字段

14、17 VDOP 垂直精度因子 0 5 99 9 字段 18 校验值 GPGSV GPGSV GPGSV GPGSV 例 GPGSV 3 1 10 20 78 331 45 01 59 235 47 22 41 069 13 32 252 45 70 字段 0 GPGSV 语句 ID 表明该语句为 GPS Satellites in View GSV 可见卫星信息 字段 1 本次 GSV 语句的总数目 1 3 字段 2 本条 GSV 语句是本次 GSV 语句的第几条 1 3 字段 3 当前可见卫星总数 00 12 前导位数不足则补 0 字段 4 PRN 码 伪随机噪声码 01 32 前导位数不足

15、 则补 0 字段 5 卫星仰角 00 90 度 前导位数不足则补 0 字段 6 卫星方位角 00 359 度 前导位数不足则补 0 字段 7 信噪比 00 99 dbHz 字段 8 PRN 码 伪随机噪声码 01 32 前导位数不足 则补 0 字段 9 卫星仰角 00 90 度 前导位数不足则补 0 字段 10 卫星方位角 00 359 度 前导位数不足则补 0 字段 11 信噪比 00 99 dbHz 字段 12 PRN 码 伪随机噪声码 01 32 前导位数不 足则补 0 字段 13 卫星仰角 00 90 度 前导位数不足则补 0 字段 14 卫星方位角 00 359 度 前导位数不足则补

16、 0 字段 15 信噪比 00 99 dbHz 字段 16 校验值 GPGSV 3 1 10 24 82 023 40 05 62 285 32 01 62 123 00 17 59 229 28 70 每条语句包含四部分内容 例如 第一部分是 24 82 023 40 第二部分是 05 62 285 32 等等 每部 分的第一个词为 PRC 第二个词为卫星高程 跟着为方位角和 信号强度 这个语句里最重要的指标应该算是 信号躁声比 NMEA0183NMEA0183NMEA0183NMEA0183 标准语句另一种表达方式详解标准语句另一种表达方式详解标准语句另一种表达方式详解标准语句另一种表达方式详解 1 Global Positioning System Fix Data GGA GPS 定位信 息 GPGGA M M hh UTC 时间 hhmmss 时分秒 格式 纬度 ddmm mmmm 度分 格式 前面的 0 也将被传输 纬度半球 N 北半球 或 S 南半球 经度 dddmm mmmm 度分 格式 前面的 0 也将被传输 经度半球 E 东经 或 W 西经 GPS 状态 0 未定位