導(dǎo)航系統(tǒng)的PVT解算

1、導(dǎo)航系統(tǒng)的PVT解算一、緒論 通常衛(wèi)星導(dǎo)航接收機由射頻接收，基帶處理和PVT解算三部分組成。PVT解算，顧名思義，即指用戶接收機的位置、速度和時間解算。 接下來將針對GPS和GLONASS系統(tǒng)來講述它們各自PVT解算中的用戶位置計算過程，這也是本人對該部分的學(xué)習(xí)和總結(jié)。 計算用戶位置可以采用偽距定位法和載波相位定位方法，后者精度較前者高，但前者比較普遍，以下講述的都是關(guān)于偽距定位的過程。一、緒論 衛(wèi)星系統(tǒng)的時間問題說明。每個獨立的衛(wèi)星系統(tǒng)的衛(wèi)星鐘面時是由與之對應(yīng)的系統(tǒng)時來設(shè)定的，每個系統(tǒng)時又由其相對應(yīng)的世界協(xié)調(diào)時（UTC）來設(shè)置的。二、單點定位原理用戶可以從衛(wèi)星發(fā)射的星歷數(shù)據(jù)中得到GPS衛(wèi)星的

2、位置，也可以測量出衛(wèi)星到接收機的距離，因此用戶位置就可以確定了。 s1、s2、s3分別是二維坐標(biāo)下衛(wèi)星位置，U為用戶位置，x1、x2、x3為衛(wèi)星到用戶的距離，從圖上可知，只要知道的三顆衛(wèi)星的位置以及它們到用戶的距離就可以確定出用戶的二維位置。 三、定位方程是用戶測得的偽距值，只考慮傳統(tǒng)誤差源（除此之外還有固體潮和大洋負(fù)荷等誤差），它可以表示為： utTcbvITcbcD)(ctutucbb t令是傳輸時間的鐘面時，則有：uTbvITbtc)(TDTIvvbutb其中， 是偽距的精確值,為衛(wèi)星位置誤差對距離的影響，是對流層延遲誤差，是電離層延遲誤差， 是接收機測量誤差，是相對論時間修正，是衛(wèi)星的

3、時鐘誤差，是用戶時鐘誤差。由于D v誤差在數(shù)據(jù)處理中難以模型化消除其影響，所以當(dāng)暫不考慮和 它們時， ，（3.2）（3.1）三、定位方程令修正后的偽距為： )(vITbtc而，222)()()(uuuTzzyyxxii表示成，并把它稱為偽距的測量值，uuiuiuiibzzyyxx222)()()(所以式（3.2）可以表示為：uuiuiuiibzzyyxx222)()()(（3.3）其中， ),(iiizyx為第i顆衛(wèi)星的位置， ),(uuuzyx為所要求的用戶位置。 為方便討論，通常習(xí)慣將 則確定用戶位置的方程如下：（3.4）四、PVT解算流程 第一步：確定觀測時刻。 第二步：提取導(dǎo)航電文。

4、第三步：計算觀測時刻的衛(wèi)星位置、速度、仰角和傾角。 第四步：獲得偽距測量值。 第五步：利用定位方程，計算各用戶位置、速度和時間。 第六步：用戶位置的經(jīng)緯度轉(zhuǎn)換。四、確定觀測時刻 這里的觀測時刻指的是當(dāng)前接收到的導(dǎo)航電文的發(fā)送時刻。假設(shè)在用戶端某時刻（由用戶接收機的本地時間確定）接收到來自n顆衛(wèi)星（n4）的導(dǎo)航電文，現(xiàn)在要通過這n組導(dǎo)航電文確定出用戶位置，則必須首先知道這n顆衛(wèi)星的位置。由于接收到的導(dǎo)航電文中只提供了某個參考時刻時與衛(wèi)星位置相關(guān)的參數(shù)，所以，要計算當(dāng)前時刻的衛(wèi)星位置，就得由用戶重新確定出與參考時刻在同一參考時間系統(tǒng)下的該導(dǎo)航電文的發(fā)送時刻，即這里提到的觀測時刻，然后計算出觀測時刻

5、的衛(wèi)星位置。 四、確定觀測時刻 觀測時刻可以直接從導(dǎo)航電文中本幀的鐘面時和捕獲跟蹤所提供的碼片相位得到。 GPS系統(tǒng)中，由導(dǎo)航電文的周時間（TOW）給出了發(fā)送本幀時刻的衛(wèi)星鐘面時，根據(jù)捕獲跟蹤所提供出的當(dāng)前時刻的子幀號、第幾個字、第幾個數(shù)據(jù)位和第幾個碼片周期，及周期內(nèi)的碼片相位，然后得出發(fā)射時刻的鐘面時間； GLONASS系統(tǒng)中，由導(dǎo)航電文 kt給出了發(fā)送本幀 時刻的衛(wèi)星鐘面時；以上求得的是當(dāng)前接收到的導(dǎo)航電文的發(fā)送時刻的衛(wèi)星鐘面時，再轉(zhuǎn)換到與參考時刻同一個參考時間系統(tǒng)下，就確定出了該導(dǎo)航電文的觀測時刻。 五、提取導(dǎo)航電文 在GPS系統(tǒng)中，要提取出正確的導(dǎo)航電文，需要進行如下步驟：第一步：將跟

6、蹤輸出數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為導(dǎo)航數(shù)據(jù)位；第二步：進行子幀匹配和奇偶校驗，找到子幀的起始位置；第三步：按照導(dǎo)航電文的編碼格式，從各子幀中獲得導(dǎo)航電文。1、GPS系統(tǒng)導(dǎo)航數(shù)據(jù)格式及導(dǎo)航電文提取 一個超幀包含25頁，每頁由5個子幀構(gòu)成，每個子幀包含10個字，每個字由30個導(dǎo)航數(shù)據(jù)位構(gòu)成，每個導(dǎo)航數(shù)據(jù)位包含20個C/A碼周期，每個C/A碼周期有1023個碼元。 1、GPS系統(tǒng)導(dǎo)航數(shù)據(jù)格式及導(dǎo)航電文提取 2 、GLONASS系統(tǒng)導(dǎo)航數(shù)據(jù)格式及導(dǎo)航電文提取 在GLONASS系統(tǒng)中，要提取出正確的導(dǎo)航電文，需要進行如下步驟：第一步：根據(jù)時間標(biāo)記，找到幀的起始位置；第二步：剝離明德碼；第三步：將相對碼變成導(dǎo)航數(shù)據(jù)位；第四

7、步：進行漢明碼校驗，獲得真正可用的導(dǎo)航數(shù)據(jù)；第五步：按照導(dǎo)航電文的編碼格式，從各字符串中獲得導(dǎo)航電文。2 、GLONASS系統(tǒng)導(dǎo)航數(shù)據(jù)格式及導(dǎo)航電文提取2 、GLONASS系統(tǒng)導(dǎo)航數(shù)據(jù)格式及導(dǎo)航電文提取 2 、GLONASS系統(tǒng)導(dǎo)航數(shù)據(jù)格式及導(dǎo)航電文提取 每個字符串分?jǐn)?shù)據(jù)位和時間標(biāo)記兩大部分。一個串長2s，在最后的0.3s傳輸時間標(biāo)記，時間標(biāo)記由30個碼元組成，每個碼長10ms。在前1.7s傳輸85個數(shù)據(jù)位。每個串中的位序號按從右至左順序排列。導(dǎo)航數(shù)據(jù)占用第984位、漢明碼檢驗碼（KX）占用第18位，最后1位（第85位）是空閑位（“0”）。其中這85個數(shù)據(jù)位要先變成相對碼，再與明德碼模二相加，

8、最后加上0.3s的時間標(biāo)記，構(gòu)成2s數(shù)據(jù)。字符串的數(shù)據(jù)格式2 、GLONASS系統(tǒng)導(dǎo)航數(shù)據(jù)格式及導(dǎo)航電文提取 最后，這2s的數(shù)據(jù)再由周期為1ms，比特速率為511kbps的PR碼進行調(diào)制。相鄰串間利用時間標(biāo)記MB相互隔離。字符串?dāng)?shù)據(jù)生成過程如圖所示：字符串?dāng)?shù)據(jù)序列生成過程六、計算衛(wèi)星位置和速度1、GPS系統(tǒng)中衛(wèi)星位置和速度計算利用星歷（ephemeris）解算衛(wèi)星位置，過程如下：a、計算出發(fā)送時刻t的衛(wèi)星鐘面時間 ktkti、六、計算衛(wèi)星位置和速度j、計算升交點角距k、計算緯度、距離和軌道傾角的修正項i、修正升交點赤徑m、求出衛(wèi)星在WGS-84坐標(biāo)系下的位置a、計算偏近點角變化率b、計算升交點

9、角距 的變化率c、計算經(jīng)校正的緯度、距離和傾角變化率d、計算速度分量e、求出衛(wèi)星在WGS-84坐標(biāo)系下的速度六、計算衛(wèi)星位置和速度 歷書數(shù)據(jù)包含在子幀4和子幀5，解算衛(wèi)星位置和速度方法同上。2、GLONASS系統(tǒng)中衛(wèi)星位置和速度計算利用即時數(shù)據(jù)解算衛(wèi)星位置和速度 （1）計算觀測時刻的GLONASS系統(tǒng)時公式如下：cbnbbnGLONASSttttrtt)()(（2）采用即時數(shù)據(jù)計算衛(wèi)星位置的方法有2種，一般常用方法是利用四階龍貝格庫塔方法進行積分計算衛(wèi)星位置。GLONASS衛(wèi)星在地固坐標(biāo)系PZ-90坐標(biāo)系下的加速度簡略公式 如下：六、計算衛(wèi)星位置和速度其中，222zyxr),(zyx，為衛(wèi)星位

10、置， ),(zyxVVV為衛(wèi)星速度， ),(zlsylsxls為衛(wèi)星加速度。為了方便后面的介紹，令：),(.1.xlszyxzyxfx ),(.2.ylszyxzyxfy ),(.3.zlszyxzyxfz 具體實現(xiàn)步驟如下：a、從即時數(shù)據(jù)中獲取參考時刻的衛(wèi)星位置參數(shù) ，包括位置 ，速度 ，加速度 ；b、確定積分步進h，一般取30s或60s；c、采用四階龍貝格庫塔進行積分計算。每次積分公式如下:六、計算衛(wèi)星位置和速度),(nnnzyx),(nnnzyx),( nnnzyx當(dāng)i1時，使用 和),(nnnzyx),(nnnzyx作為積分初始值。 六、計算衛(wèi)星位置和速度六、計算衛(wèi)星位置和速度 衛(wèi)星加

11、速度 ，它在15分鐘積分時間間隔內(nèi)保持不變，所以始終采用參考時刻的衛(wèi)星加速度 。),(zlsylsxls),( nnnzyx六、計算衛(wèi)星位置和速度利用非即時數(shù)據(jù)解算衛(wèi)星位置和速度 請參考GLONASS接口控制文件（翻譯稿）A.3.2七、偽距計算1、GPS偽距計算粗略偽距： )(siuttc，其中 ut是本地時鐘測量出的當(dāng)前數(shù)據(jù)的接收時刻，而sit是從導(dǎo)航電文中推算出的當(dāng)前數(shù)據(jù)的發(fā)射時刻，即之前提到的觀測時刻。TIsitb 這個偽距值是不精確的，它應(yīng)該進行一些修正，即定位方程中提到的對流層 和電離層 的修正。由于 中已經(jīng)考慮過了衛(wèi)星時鐘誤差 和相對論時間修正 ，所以這里不再修正這兩項了。vGPS

12、中對流層修正 在GPS系統(tǒng)中，最常用的模型有Hopfield模型和Black模型。下面介紹程序中所使用的Hopfield模型。 2/122/12)0006854. 0sin()0019. 0sin(EKEKwdtrop七、偽距計算Hopfield模型的修正公式如下：其中，dsdsdssdsdhhhhhThhPK0)(102 .15545511000011000)(1046512. 74252sswsswwwhhhThheK11000)16.273(72.14840136wsdhTh)000256908. 0213166. 02465.37exp(5 . 02sswTTe 這里的 、 和 分別表示接收地點的氣溫、氣壓和飽和水氣壓， 和E表示接收地點的高度和仰角。 sTsPwesh七、偽距計算GPS中電離層修正電離層修正模型如下：(sec)57. 1)100 . 5(57. 1)2421)(100 . 59429xFxxxAMPFTiono其中，(sec)00030AMPAMPAMPAMPnnmn)()50400(2radiansPERtx(sec)72000720007200030PERPERP