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学习笔记6--卫星定位技术(上)
2022-07-05 09:43:00 【FUXI_Willard】
本系列博客包括6个专栏,分别为:《自动驾驶技术概览》、《自动驾驶汽车平台技术基础》、《自动驾驶汽车定位技术》、《自动驾驶汽车环境感知》、《自动驾驶汽车决策与控制》、《自动驾驶系统设计及应用》。
此专栏是关于《自动驾驶汽车定位技术》书籍的笔记.
1.卫星定位技术
1.1 卫星导航定位系统简介
1.1.1 全球4大导航卫星系统
美国的全球定位系统(Global Positioning System,GPS)、俄罗斯的格洛纳斯卫星导航系统(Global Navigation Satellite System,GLONASS)、中国的北斗卫星导航系统(Beidou Navigation Satellite System,BDS)、欧盟的伽利略卫星导航系统(Galileo Satellite Navigation System,GALILEO);
GPS
GPS由3部分构成,即空间卫星部分、地面监控部分和用户接收部分;
- 空间卫星部分(空间段):由21颗GPS工作卫星和3颗在轨备用卫星构成完整的21+3形式的GPS卫星工作星座;这种构型满足在地球上任意地点、任意时刻均能观测到至少4颗几何关系较好的卫星用于定位;
- 地面控制部分(地面段):由分布在全球的一个主控站、3个注入站和若干个监测站组成;
- 用户接收部分(用户段):主要接收导航、定位和授时服务,这些服务广泛应用于各个领域;
GLONASS
GLONASS由空间段、地面段、用户段组成;
- 空间段:由24颗卫星组成,其中21颗为正常工作卫星,3颗备份卫星;如果GLONASS星座完整,则可以满足在地球上任意地点、任意时刻都能收到来自至少4颗卫星的信号,从而获取可靠的导航定位信息;
- 地面段:包括系统控制中心的跟踪控制站网,这些跟踪控制站网分散在俄罗斯领土上;
- 用户段:接收卫星导航信号,从而获取需要的位置、速度、时间信息;
BDS
北斗系统由空间段、地面段、用户段组成;
- 空间段:由5颗地球静止轨道(Geostationary Orbit,GEO)卫星和30颗非地球静止轨道(Nongeostationary Orbit,NON-GEO)卫星组成;北斗二号区域导航系统采用由5颗GEO卫星、3颗倾斜地球同步轨道(Inclined Geosynchronous Orbit,IGSO)卫星和4颗中地球轨道(Medium Earth Orbit,MEO)导航卫星组成的星座方案;北斗三号导航系统由5颗GEO卫星和30颗NON-GEO卫星组成全部35颗卫星;
- GEO+MEO+IGSO星座构型是北斗卫星导航系统的完整布局,保证了在地球上任意地点、任意时刻均能接收来自4颗及以上导航卫星发射的信号,观测条件良好的地区甚至可以接收10余颗卫星的信号;
- 地面段:包括监测站、上行注入站、主控站;
GALILEO
GALILEO分为空间段、地面段、用户段;
- 空间段:由分布在3个轨道上的30颗MEO卫星构成,其中27颗工作卫星、3颗备份卫星;
- 地面段:由2个地面操控站,29个伽利略传感器站及5个S波段上行站和10个C波段上行站组成,传感器站及上行站均分布于全球;
- 用户段:提供独立于其他卫星导航系统的5种基本服务;
1.1.2 区域卫星导航系统
- 日本的准天顶卫星系统(Quasi-Zenith Satellite System,QZSS);
- 印度的区域导航卫星系统(Indian Regional Navigation Satellite System,IRNSS);
1.1.3 星基增强系统
星基增强系统(Satellite-Based Augmentation System,SBAS)由美国实施选择可用性(Selective Availability,SA)政策发展起来;SBAS主要由空间段、地面段、用户段构成;典型的增强系统:
- 美国的WAAS(Wide Area Augmentation System);
- 俄罗斯的SDCM(System for Differential Corrections and Monitoring);
- 日本的MSAS(Multi-functional Satellite Augementation System);
- 欧洲的EGNOS(European Geostationary Navigation Overlay Service);
- 印度的GAGAN(GPS Aided Geo Augmented Navigation);
1.1.4 地基增强系统
地基增强系统(Ground-Based Augmentation Systems,GBAS)综合使用各种不同效果的导航增强技术,主要包括:精度增强技术、完好性增强技术、连续性和可用性增强技术,实现增强卫星导航服务性能的功能;
北斗地基增强系统由框架网基准站和加强密度网基准站、通信网络、数据处理系统、运营平台、数据播发系统和用户终端组成,具备在全国范围内为用户提供广域实时米级、分米级、厘米级及后处理毫米级定位精度的能力,具有作用范围广、精度高、野外单机作业等优点;
1.2 GNSS定位原理
要实现GNSS定位,需要解决两个问题:一是观测瞬间卫星的空间位置;二是观测站点和卫星之间的距离,即卫星在某坐标系中的坐标;
1.2.1 坐标系统与时间系统
- 卫星导航系统中,坐标系用于描述与研究卫星在其轨道上的运动、表达地面观测站的位置及处理定位观测数据;
- 坐标系统大概分为:地理坐标系、惯性坐标系、地球坐标系、地心坐标系、参心坐标系;
- 国内常用坐标系:1954年北京54坐标系(Beijing 54 Coordinate System,P54)、1980年国家大地坐标系(National Geodetic Coordinate System 1980,C80)、1984年世界大地坐标系统(World Geodetic System-1984 Coordinate System,WGS-1984)、2000年国家大地坐标系(China Geodetic Coordinate System 2000,CGCS2000);
- 时间系统主要包括:世界时、历书时、力学时、原子时、协调世界时、儒略日、卫星导航时间系统;
- GNSS采用一个独立的时间系统作为导航定位计算的依据,称为GNSS时间系统,简称GNSST;GNSST属于原子时系统,其秒长与原子时秒长相同;
1.2.2 定位原理
假设地面测得某点 P P P到卫星 S 1 S_1 S1的距离为 r 1 r_1 r1,从几何学可知, P P P点所在的空间可能位置集缩到一个球面上,此球面的球心为卫星 S 1 S_1 S1,半径为 r 1 r_1 r1;再假设测得 P P P点到第二颗卫星 S 2 S_2 S2的距离为 r 2 r_2 r2,同样, P P P点处于以第二颗卫星 S 2 S_2 S2为球心,半径为 r 2 r_2 r2的球面上;如果同时测得 P P P点到第三颗卫星 S 3 S_3 S3的距离为 r 3 r_3 r3,即 P P P点处于以第三颗卫星 S 3 S_3 S3为球心,半径为 r 3 r_3 r3的球面上,这样即可确定 P P P点位置,即三个球面的交汇处。
由于GNSS采用单程测距,难以保证卫星钟与用户接收机钟的严格同步,观测站和卫星之间的距离均受两种时钟不同步的影响;卫星钟差可用导航电文中所给的有关钟差参数进行修正,接收机钟差大多难以精准确定,通常采用的优化方法是将其作为一个未知参数,与观测站坐标一并求解,即一般在一个观测站上需求解4个未知参数(3个点位坐标分量和1个钟差参数),因此至少需要4个同步伪距观测值,即需要同时观测4颗卫星;
根据用户站的运动状态将GNSS分为静态定位和动态定位。
- 静态定位:将待定点固定不变,将接收机安置在待定点上进行大量的重复观测;
- 动态定位:指待定点处于运动状态,测定待定点在各观测时刻运动中的点位坐标,以及运动载体的状态参数,如:速度、时间和方位等;
根据定位模式分为绝对定位和相对定位。
- 绝对定位:只用一台接收机来进行定位,称为单点定位,所确定的是接收机天线在坐标系统中的绝对位置;
- 相对定位:指将两台接收机安置于两个固定不变的待定点上,或将一个点固定于已知点上,另一个点作为流动待定点,经过一段时间的同步观测,可以确定两个点之间的相对位置,从而获得高精度的位置坐标;
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