衛星導航系統-第9講-衛星導航基本方法-1


衛星位置已知,衛星在向用戶接收機發送信號,信號里面包含的分量:導航電文(衛星星歷等信息,計算衛星的實際位置),測距碼(自相關性正確實現衛星信號的解調),載波(用於遠距離傳輸信號);接收機接收到這三個信號之后,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

靜態定位和動態定位;

靜止定位:

如果待定點相對於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,但由於這種運動是如此緩慢以致在一次觀測期間(一般為數小時至若干天)無法被覺察到,而只有在兩次觀測之間(一般為幾個月至幾年)這些運動才能被反映出來,確定這些待定點的位置稱為靜態定位

靜態定位應用

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

動態定位

如果在一次觀測期間待定點相對於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將隨時變化,確定這些運動的待定點的位置稱為動態定。

動態定位特點

用戶多樣性、速度多異性、定位實時性、精度要求多變性、、、、、

動態定位應用

導航——探險、車輛、船舶、航空器等;

跟蹤、監控與調度——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;

姿態確定    ——衛星、航天器、航空器等。

靜態定位與動態定位區別

嚴格地說,靜態定位和動態定位的根本區別並不在於待定點本身是否在運動,而在於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。
由於進行靜態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復觀測來提高定位精度 。隨着快速解算整周模糊度技術的出現,靜態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內也將得到廣泛應用。

分類2 按是否具有參考基准:

絕對定位、相對定位

絕對定位(單點定位

獨立確定待定點在坐標系中的絕對位置的方法稱為單點定位,也稱為絕對定位

由於目前GPS系統采用WGS-84系統,因而單點定位的結果也屬該坐標系統

單點靜態定位

地質礦產勘探、暗礁定位、建立浮標等低精度領域。

單點動態定位:船舶、火車和汽車等不需要太高精度的移動用戶。

單點定位基本原理

以衛星和用戶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標,來確定接收機天線所對應的點位,即觀測站的位置。

 相對定位

同步跟蹤相同GPS衛星信號的若干台接收機之間確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標后才能求出其余各點的坐標。

優點:各同步測站的衛星鍾的時鍾誤差、衛星星歷誤差、衛星信號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,都將使得與該測站有關的相對定位工作無法進行。所以相對定位中觀測的組織和實施就較單點定位更為復雜,數據處理也更為麻煩

相對定位的應用

 分類3 按定位觀測信息的性質

測碼偽距定位

通過偽隨機碼測定傳播時間實現定位的方法;(時間乘以光速度)

測相偽距定位

通過載波相位測量實現定位的方法

多普勒定位

通過測量多普勒頻移(或稱多普勒頻率)實現定位的方法。

射電干涉定位

通過測量觀測類星體、導航衛星信號時間延遲實現定位的方法

 

 

2、衛星定位基本觀測量(導航電文、測距碼、載波)

接收機收到的信號

偽隨機碼: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現距離測量;高頻的正弦信號

導航電文:衛星星歷、時鍾改正、電離層延時改正;

多普勒頻移:多普勒頻移中包含有位置信息;

測碼偽距

通過偽隨機碼測量傳播時間t實現定位的方法。

上面波形是一個偽隨機碼的波形,接收機在t時刻,任取一個長度為碼周期的偽隨機碼,我們知道接收機在t時候會接收到很多衛星的信號,我們選擇其中一個,假設偽隨機碼的相位為tao,偽隨機的周期為1ms,一個周期內還有1023個碼元,那么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;這個信號經過n個碼周期以及時間tao之后被接收到。那么就可以知道衛星發射的這個偽隨機碼了C(t-tao-nT);接收機在接收到這個信號以后,利用本地碼,通過本地時鍾,來控制

本地碼的發生器,來產生一個與接收信號形式完全一致的波形;用C(t+delta_t)來表示;那么在收到這個信號之后,開始對本地碼進行移位;

 

衛星的發射信號:C(t-tao-nTc/a)

接收機產生的信號:C(t+delta_t);delta_t為接收機的時鍾誤差;

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

C(t+delta_t - tao一撇),那么再得到這個信號與衛星信號以后,我們對這兩個信號進行相關性處理,

 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,移位之后。本地碼的形式與接收到的碼的形式完全同步,那么上面的先關函數達到最大值,那么上面R右邊兩個函數完全一抹一樣,那么意思就是通過移位的方式使上面兩個信號完全同步的;那么delta_tao就等於0。

那么就可以得到tao一撇的結果

 我們測碼偽距的目的是什么呢,為了得到衛星發送的時間和接收時間的這個傳播時間差;那么這個時間就等於n個碼周期+上面的tao一撇;

那么通過移位的方式得到傳播時間,再乘上傳播的速度c,就得到了衛星到用戶之間的距離;

當考慮說衛星時鍾也有鍾差的時候的情況呢,結果如下:

 delta_tk是接收機時鍾的鍾差,delta_ts是衛星時鍾的鍾差;衛星的鍾差可以通過導航電文中的鍾差給到;

接收機的鍾差是不可能消除的,

從上面可以看出我的移位時間tao一撇就等信號傳播時間加上接收機的鍾差delta_t;

 

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,那么要把上面的那個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個數據位,每個數據位里面有20個C/A碼,每個C/A碼的周期為1ms;

想要知道確切的時間,就需要知道它持續了多少個子幀數,那么怎么得到呢,從衛星上,每個周日的零時開始,導航電文里面有個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里面,用這個Z計數-1再乘以6,就可以知道當前這個導航電文的這一幀的起始時刻是什么時候發送出來的了。

其實我們就想知道兩個結果,衛星在什么時間t1發射信號出來,以及接收機在什么時間把這個信號接收到t2;二者相減t2-t1就得到了傳播時間;如果不到一個子幀的數據怎么辦呢,下圖的delta_t等於多少;它等於這一子幀里面包含的導航電文數,下圖中的delta_t計算;

 

 

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

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


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