卫星导航系统PVT基本工作原理V2

©UnicoreCommunicationsConfidential1ntsPVT基本原理廖炳瑜[e-mail]2011.12.15©UnicoreCommunicationsConfidential2提纲一、基本定位原理二、坐标系三、时间系统四、卫星轨道五、测量解算原理六、PVT解算的可靠性七、UM220中的PVT解算©UnicoreCommunicationsConfidential3一、基本定位原理位置P速度V时间T©UnicoreCommunicationsConfidential4一、基本定位原理•二维定位雾号角1R1单一信号源测距两个信号源测距产生位置多值性雾号角1R1雾号角2R2••用附加测量消除位置多值性雾号角3R3雾号角1R1雾号角2R2•©UnicoreCommunicationsConfidential5一、基本定位原理•三维定位卫星1S1卫星1S1卫星2S2用户位置在球面上用户位置两球相交的圆周上卫星1S1卫星2S2卫星3S3••用户位于圆周两点之一上卫星3相交的圆©UnicoreCommunicationsConfidential6一、基本定位原理定位的基本任务：确定物体在空间中的位置、姿态及其运动轨迹。而对这些特征的描述都是建立在某一个特定的空间框架和时间框架之上的。所谓空间框架就是我们常说的坐标系统，而时间框架就是我们常说的时间系统。坐标系统、时间系统、参考点系统（卫星导航系统）测量与解算（导航测量与解算）©UnicoreCommunicationsConfidential7二、坐标系所谓坐标系指的是描述空间位置的表达形式，即采用什么方法来表示空间位置。为了描述空间位置，采用了多种方法，从而也产生了不同的坐标系。常用的坐标系有以下几类：空固坐标系、地固坐标系地心坐标系、参心坐标系空间直角坐标系、球面坐标系、大地坐标系瞬时坐标系、协议坐标系二维坐标系、三维坐标系©UnicoreCommunicationsConfidential8二、坐标系------天球坐标系天球：以地心为球心，以任意长为半径的球面天轴：地球旋转轴天极：天轴与天球面的交点天球赤道面：过球心且与天轴垂直的平面黄道面：地球公转轨道所在平面，与赤道面夹角为23.5春分点：太阳从南半球向北半球运行时，黄道与赤道的交点PPΠε赤道黄道春分点黄赤交角ssnnΠ©UnicoreCommunicationsConfidential9二、坐标系------天球坐标系天球空间直角坐标系原点：地球质量中心Z轴：指向北天极PnX轴：指向春分点Y轴：与X、Z轴构成右手坐标系天球球面坐标系原点：地球质量中心赤经α：天体子午面与春分点子午面的夹角赤纬δ：天体与地心连线和天球赤道面的夹角向径r：天体到地心的距离XYZxyzαδ天球坐标系地心s春分点©UnicoreCommunicationsConfidential10二、坐标系------天球坐标系日月对地球赤道隆起部分的引力作用，使地球旋转轴在空间的指向发生移动。岁差：假定月球轨道固定，北天极沿圆形轨道绕北黄极的运动叫岁差，春分点每年西移50.2″，周期约为25800年。章动：由月球轨道变化引起的北天极沿椭圆形轨道运动叫章动，椭圆长半径约为9.2″，18.6年一周期。平北天极：不考虑章动的北天极；平春分点。瞬时北天极：绕平北天极18.6年转一周；真春分点。©UnicoreCommunicationsConfidential11二、坐标系------天球坐标系瞬时天球坐标系：z轴指向瞬时北天极，x轴指向瞬时春分点（真春分点）。平天球坐标系：z轴指向平北天极，x轴指向平春分点。协议天球坐标系1984年1月1日后，取2000年1月15日的平北天极为协议北天极，z轴指向协议北天极的天球坐标系称为协议天球坐标系，x轴指向协议春分点。©UnicoreCommunicationsConfidential12二、坐标系------地球坐标系地球坐标系：空间直角坐标系和大地坐标系。日月对地球赤道隆起部分的引力作用，使地球旋转轴在空间的指向发生移动，即岁差和章动。地球内部质量不均匀，使得地球旋转轴在地球体内部运动，这种现象称为地极移动，简称极移。协议地球坐标系Z轴指向1900~1905年平均地球北极或其它国际协定的地球北极©UnicoreCommunicationsConfidential13二、坐标系------地球坐标系地球坐标系与天球坐标系的转换卫星位置用天球坐标系的坐标表示，而测站点位置用地球坐标系的坐标表示，要用卫星坐标求测站坐标，需将天球坐标系的坐标转换成地球坐标系的坐标。协议天球坐标系——平天球坐标系——瞬时天球坐标系——瞬时地球坐标系——协议地球坐标系。©UnicoreCommunicationsConfidential14二、坐标系------各坐标基准参数GPSWGS84大地坐标系：原点位于地球质心，Z轴指向BIH1984.10定义的协议地球极(CTP)方向,X轴指向BIH1984.0的零子午面和CTP赤道的交点,Y轴与Z、X轴构成右手坐标系。GLONASSPE90大地坐标系：原点位于地球质心,Z轴指向IERS推荐的协议地球极(CTP)方向,即1900—1905年的平均北极,X轴指向地球赤道与BIH定义的零子午线交点,Y轴满足右手坐标系。GALILEOITRF96大地坐标系：原点位于地球质心,Z轴指向IERS推荐的协议地球原点(CTP)方向,X轴指向地球赤道与BIH定义的零子午线交点,Y轴满足右手坐标系。BD2CGCS2000大地坐标系：和国际通用地面参考系(ITRS)原则上保持一致，参考于ITRF97,历元为2000.0，2008年7月1日开始使用。©UnicoreCommunicationsConfidential15二、坐标系------各坐标之间的转换908416076.060178.06076.016728.16017.06728.11)9221(56.151.047.0PZWGSWVUeeeeeeeZYX909616091.06020.06091.016745.16020.16745.11)9311(57.150.049.0PZIIRFWVUeeeeeeeZYX968401.001.002.0IIRFWGSZYXZYX©UnicoreCommunicationsConfidential16三、时间系统时间的意义确定卫星的在轨位置；确定测站位置；确定地球坐标系与天球坐标系的关系。时间包括时刻（绝对时间）与时间间隔（相对时间）两个概念。测量时间同样需要建立测量基准，包括尺度与原点。可作为时间基准的运动现象必须是周期性的，且其周期应有复现性和足够的稳定性。©UnicoreCommunicationsConfidential17三、时间系统------世界时恒星时以春分点连续两次经过本地子午线的时间间隔为一恒星日，含24恒星小时。分真春分点地方时、真春分点格林威治时、平春分点地方时、平春分点格林威治时四种。平太阳时以平太阳连续两次经过本地子午线的时间间隔为一平太阳日，含24平太阳小时。©UnicoreCommunicationsConfidential18三、时间系统------世界时世界时以子夜为零时起算的格林威治平太阳时，用UT0表示。与平太阳时相差12小时，即UT0=GAMT+12h平太阳时和世界时均以地球自转为参照，而地球自转速度是变化的，包括极移、自转速度季节性变化和逐年变慢等。1956年引入极移改正和自转速度季节性变化改正：UT1=UT0+ΔλUT2=UT1+ΔTS加逐年变慢改正。©UnicoreCommunicationsConfidential19三、时间系统------世界时原子时（TAI）以铯原子基态两超精细能级的辐射跃迁定义时间尺度，以1958年1月1日零时的世界时减去0.0039秒为原点。原子钟精度极高，目前使用的氢钟精度可达10E-16。协调世界时（UTC）协调世界时秒长严格等于原子时的秒长，采用润秒方法尽量与世界时在时刻上接近。当协调时与世界时的差超0.9秒时，引入润秒，一般在12月31日或6月30日加入。具体日期由国际时间局安排并通知。目前所有国家发布的时间都以UTC为基准，同步精度小于0.2ms。考虑其他误差，在同一平台接收世界各国的时间，互差不超1ms。©UnicoreCommunicationsConfidential20三、时间系统------各导航系统时间GPS时尺度是原子时秒长，原点取1980年1月6日零时的协调世界时。不润秒。故与协调世界时时间差逐年增大。北斗时(BDT)溯源到协调世界时UTC(NTSC),与UTC的时间偏差小于100ns。BDT的起算历元时间是2006年1月1日零时零分零秒。系统将监测和发播BDT与GPST、GST、GLONASST及GST的时差。GLONASS时间系统采用原子时ATI秒长作为时间基准,是基于前苏联莫斯科的协调世界时UTC(SU),采用的UTC时并含有跳秒改正。GALILEO时间系统(GST)是一个连续的时标,与国际原子时(TAI)保持偏差小于33ns,GST和TAI的偏差,GST和UTC时间的偏差应当通过各种服务的空间信号广播给用户。©UnicoreCommunicationsConfidential21三、时间系统------各系统时间关系sttTAIGPS19)()(3GPSTAIGLONASSTAIhttGLONASSGPSnssttGALILEOGPS3019nssttBDGPS2000142©UnicoreCommunicationsConfidential22四、卫星轨道------轨道参数卫星运行的轨迹和趋势称为卫星运行轨道。卫星视使用目的和发射条件不同，可能有不同高度和不同形状的轨道，但它们有一个共同点，就是它们的轨道位置都在通过地球垂心的一个平面内。卫星运动所在的平面叫轨道面。卫星轨道可以是圆形或椭圆形。但不论轨道形状如何，卫星的运动总是服从万有引力定律的。为了推导卫星运动规律，先做如下假设卫星被视为点质量物体；地球是一个理想的球体，质量均匀；卫星仅仅受地球引力场的作用，忽略太阳、月球和其它行星的引力作用。rrmGMmFrr2..0©UnicoreCommunicationsConfidential23四、卫星轨道------轨道参数开普勒第一定律(椭圆定律)：卫星以地心为一个焦点做椭圆运动。卫星地心O近地点远地点©UnicoreCommunicationsConfidential24四、卫星轨道------轨道参数开普勒第二定律(面积定律)：卫星与地心的连线在相同时间内扫过的面积相等。DCBA)/(12skmarv©UnicoreCommunicationsConfidential25四、卫星轨道------轨道参数开普勒第三定律（调和定律）：卫星运转周期的平方与轨道半长轴的3次方成正比。)(23saT©UnicoreCommunicationsConfidential26四、卫星轨道------轨道参数XYZONfriW轨道面赤道面©UnicoreCommunicationsConfidential27四、卫星轨道------轨道参数序号根数名称符号定义作用1轨道倾角i轨道平面与赤道平面的夹角一起决定轨道平面的位置2升焦点赤经节线ON与X轴的夹角和i一起决定轨道平面的位置3轨