GPS与imu组合导航系统原理及应用.doc

该【GPS与imu组合导航系统原理及应用 】是由【雨林书屋】上传分享，文档一共【48】页，该文档可以免费在线阅读，需要了解更多关于【GPS与imu组合导航系统原理及应用 】的内容，可以使用淘豆网的站内搜索功能，选择自己适合的文档，以下文字是截取该文章内的部分文字，如需要获得完整电子版，请下载此文档到您的设备，方便您编辑和打印。GPS的发展历程
人类是在一次有时事件中发现能够利用卫星进行导航。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(JohnsHopkins)大学应用物
理实验室(APL)两位科学家在追踪这颗苏联卫星时无心中发现,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,若知道卫星的精准轨道,不就能确立地面接收机的地址了吗?从
此,一种先进的导航技术“卫星导航”静静流行。
当时美国科学家们即建议利用卫星,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积累偏差。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***系统——经纬仪(Transit)构想,1960年4月开始发射首颗卫星,1964年供应军用服务,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,以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,即全世界定位系统(GPS)与和全世界
导航卫星系统(GLONASS格洛纳斯)。个人采集整理勿做商业用途
GPS的归纳
Gps是GlobalPositioningSystem的简称,即全世界***
系统,最先应用于军事领域,是美军71年代初“子午仪卫星导航定
1/46
位”技术发展起来的拥有球性,全能性(陆地,海洋,航空),全天
候优势。个人采集整理勿做商业用途
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:指引汽车在繁忙交通状态和复杂的道路网络中,
选择最正确的路径,使其能在尽量短的时间和行程内到达目的地。个人采集
整理勿做商业用途
GPS系统包含三大部分:
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。个人采集整理勿做商业用途
在两万公里高空的GPS卫星,当地球对恒星来说自转一周时,
它们绕地球运转二周,即绕地球一周的时间为12恒星时。这样,对
于地面察看者来说,每天将提前4分钟见到同一颗GPS卫星。位于地
2/46
个人采集整理勿做商业用途
平线以上的卫星颗数跟着时间和地址的不一样而不一样,最少可见到4颗,最多可见到11颗。在用GPS信号导航定位时,为了却算测站的三维坐标,一定察看4颗GPS卫星,称为定位星座。
地面监控系统
关于导航定位来说,GPS卫星是一动向已知点。星的地址是依照
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,是由地面监控系统供应的。卫星上的各种设备能否正常工作,以及卫星能否向来沿着预约轨道运转,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。而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含一个主控站、三个注入站和五个监测站。个人采集整理勿做商业用途
GPS信号接收机
GPS信号接收机的任务是:能够捕捉到按必定卫星高度截止角所
选择的待测卫星的信号,并追踪这些卫星的运转,对所接收到的GPS
信号进行变换、放大和办理,以便丈量出GPS信号从卫星到接收机天
线的流传时间,解译出GPS卫星所发送的导航电文,及时地计算出测
站的三维地址,地址,甚至三维速度和时间。个人采集整理勿做商业用途
3/46
当前,在全世界***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”系统和中国马上建立的“北斗
二号”系统,使用范围最广的就是美国的
GPS全世界定位系统。个人收
集整理勿做商业用途
个人采集整理勿做商业用途
“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
非静止轨道卫星构成,供应两种服务方式,即开放服务和受权服
务。开放服务是在服务区免费供应定位、测速和授时服务,定位
精度为厘米级,授时精度为50纳秒,。授
权服务是向受权用户供应更安全的定位、测速、授时和通佩服务
以及系统完满性信息。个人采集整理勿做商业用途
“伽利略”计划是一种中高度圆轨道***方案。“伽利略”卫
星导航定位系统的建立将于2007年终从前完成,2008年投入使用,总合发射30颗卫星,此中27颗卫星为工作卫星,3颗为候补卫星。卫星高度为24126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。个人采集整理勿做商业用途
4/46
Gps的原理
GPS接收机的定位实质是就是经过计算接收机距不一样卫星
的距离来完成的这一过程称为测距。
5/46
当出现接受信息时钟偏差是三个球面没法订交时利用第四颗卫
星的信息进行修正。
经过求出上式中的四个未知量,x,y,z,接收机的钟差Vt0,获取
了
基本的信号结构及正确率
一般民用GPS使用的是GPS系统的L1载波,
MHz。在这个载波频率上边以调相方式加载了两种不一样的伪随
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,,或每一百万分之一秒
跳动一次。P码是军用码,码长特别长,,即
每千万分之一秒跳动一次。个人采集整理勿做商业用途
因为GPS接收机经过比较码元的跳动来计算从卫星到接收
机的时间,而后再变换成距离,不言而喻,P码的时间精度高
10倍,距离精度也就高了10倍:现代信号办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,。换句话说,在计算某个卫星
距离接收机的实质距离的时候,C/A码的理论精度是3米。个人
采集整理勿做商业用途
6/46
接收机“知道”了自己与卫星的距离,其实不可以计算出自己的地址,因为它不知道卫星在发射电波时的地址,所以在卫星
载波上边,还加载了一个50Hz的导航电文,导航电文后边会
说到。个人采集整理勿做商业用途
好多种要素会影响到GPS的正确率,总定位偏差大体是28
米,主要GPS定位偏差来自于电离层和大气层,但是在卫星的
导航电文中,已经包含了大气层的修正参数,能够除掉50%到
70%偏差。个人采集整理勿做商业用途
这里面提到了两个知识点,就是导航电文的格式和地面差分台。
导航电文的格式
7/46
NMEA协议是为了在不一样的GPS(全世界定位系统)导航设备
中建立一致的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-TheNationalMarineElectronics
Associa-tion)拟定的一套通信协议。个人采集整理勿做商业用途
NMEA-0183协议定义的语句特别多,但是常用的也许说兼
容性最广的语句只有$GPGGA、$GPGSA、$GPGSV、$GPRMC、$GPVTG、
$GPGLL等。个人采集整理勿做商业用途
$GPGGA
例:
$GPGGA,,,S,,E,1,04,,
,M,,,,0000*1F个人采集整理勿做商业用途
字段6:GPS状态,0=不决位,1=非差分定位,2=差分定位,
3=无效PPS,6=正在估量
字段7:正在使用的卫星数目(00-12)(前导位数不足则补
0)
字段8:HDOP水平精度因子(-)
字段9:海拔高度(--)
字段10:地球椭球面相对大地水平面的高度
8/46
字段11:差分时间(从近来一次接收到差分信号开始的秒数,假如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
$GPGSA
例:$GPGSA,A,3,01,20,19,13,,,,,,,,,,,*0A
字段0:$GPGSA,语句ID,表示该语句为GPSDOPandActiveSatellites(GSA)当前卫星信息个人采集整理勿做商业用途
字段1:定位模式,A=自着手动2D/3D,M=手动2D/3D
字段2:定位种类,1=不决位,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综合地址精度因子(-)
字段16:HDOP水平精度因子(-)
字段17:VDOP垂直精度因子(-)
字段18:校验值
9/46
$GPGSV
例:
$GPGSV,3,1,10,20,78,331,45,01,59,235,47,22,41,069,,13
,32,252,45*70个人采集整理勿做商业用途
字段0:$GPGSV,语句ID,表示该语句为GPSSatellitesinView
(GSV)可见卫星信息个人采集整理勿做商业用途
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
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:卫星方向角(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)
10/46