GPS与imu组合导航系统原理及应用.doc

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次渐渐增高，飞远时则渐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，不就能确立地面接收机的地点了吗?从此，一种先进的导航技术“卫星导航”悄悄盛行当时美国科学家们即提议利用卫星，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”定位原理的第一代卫星定位系统——经纬仪(Transit)构思，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，今后曾进行两次改良，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，致使美国与苏联研发与成立更大规模、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的概括Gps是GlobalPositioningSystem的简称，即全世界卫星定位系统，最先应用于军事领域，是美军71年月初“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，大海，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：指引汽车在忙碌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抵达目的地个人采集整理勿做商业用途GPS系统包含三大多数：1).空间部分—GPS卫星星座；2).地面控制部分—地面监控系统；3).用户设施部分—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颗卫星均匀散布在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，对于地面观察者来说，每日将提早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，一定观察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卫星是一动向已知点星的地点是依照卫星发射的星历—描绘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样设施能否正常工作，以及卫星能否向来沿着预约轨道运转，都要由地面设施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施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点，地点，甚至三维速度和时间。

个人采集整理勿做商业用途3/46目前，在全世界卫星定位系统方面，有美国的GPS系统、欧盟的伽利略系统、俄罗斯的“格洛纳斯”系统和中国马上成立的“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，测速精度0．2米／秒授权服务是向受权用户供应更安全的定位、测速、授时和通服气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卫星定位方案伽利略”卫星导航定位系统的成立将于2007年末以前达成，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4/46Gps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达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，获取了基本的信号构造及正确率一般民用GPS使用的是GPS系统的L1载波，频次为1575.42MHz在这个载波频次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，即1.023MHz,或每一百万分之一秒跳动一次P码是军用码，码长特别长，码速为10.23MHz，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接收机经过对照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码的时间精度高了 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，即0.3米换句话说，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点，因为它不知道卫星在发射电波时的地点，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，总定位偏差大概是28米，主要GPS定位偏差来自于电离层和大气层，可是在卫星的导航电文中，已经包含了大气层的修正参数，能够除去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7/46NMEA协议是为了在不一样的GPS（全世界定位系统）导航设施中成立一致的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-TheNationalMarineElectronicsAssocia-tion）拟订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，可是常用的或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,092204.999,4250.5589,S,14718.5084,E,1,04,24.4,19.7,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（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,,,,,,,,,40.4,24.4,32.2*0A字段0：$GPGSA，语句ID，表示该语句为GPSDOPandActiveSatellites（GSA）目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。