全球定位系统

全球定位系统(GPS)是由美国国防部建设的基于卫星的无线电定位导航系统。它能连续为世界各地的陆海空用户提供精确的位置、速度和时间信息,最大优势是覆盖全球,全天候工作,可以为高动态、高精度平台服务,目前得到普遍应用。 1.GPS的组成GPS是由导航卫星、地面监控设备和GPS用户组成的,如图6-1所示(1)导航卫星 导航卫星是由分布在6个地球椭圆轨道平面上的21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成,相邻轨道之间的卫星彼此呈30°,每个轨道面上都有4颗卫星,在距离地球17700km的高空上进行监测,如图6-2所示。这些卫星每12h环绕地球一圈,在地球上的任何地方、任何时间都可以观测到4颗以上的

GPS卫星,保持定位的精度从而提供连续的全球导航能力。导航卫星的任务是接收和存储来自地面监控设备发送来的导航定位控制指令,微处理器进行数据处理,以原子钟产生基准信号和精确的时间为基准向用户连续发送导航定位信息。卫星信号的编码方式为码分多址(CDMA),根据调制码来区分不同卫星。
(2)地面监控设备 地面监控设备由1个主控站、4个注入站和6个监测站组成,它们的任务是实现对导航卫星的控制。监测站跟踪所有可见的GPS卫星,并从卫星广播中收集测距信息等,并将收集到的信息发送至主控站。主控站拥有许多以计算机为主体的设备,用于数据收集、计算、传输和诊断等;编制导航定位指令发送到注入站,并调整卫星运行姿态,纠正卫星轨道偏差,进行卫星轨道和时钟校正参数计算,同时还协助、指挥、管理空间卫星和地面监控设备,监控卫星对用户的指令发送。注入站的任务是将主控站送来的导航、定位控制指令通过S波段发送至飞过头顶的卫星。 (3)GPS用户 GPS用户主要由GPS接收机和GPS数据处理软件组成。GPS接收机的主要功能是接收、追踪、放大卫星发射的信号,获取定位的观测值,提取导航电文中的广播星历以及卫星时钟改正参数等。GPS数据处理软件的主要功能是对GPS接收机获取的卫星测量记录数据进行预处理,并对处理的结果进行平差计算、坐标旋转和分析综合处理,计算出用户所在位置的三维坐标、速度、方向和精确时刻等。 GPS可以提供两种类型的服务,即军用服务和民用服务,也称为精密定位服务和标准定位服务。精密定位服务只能由美国授权的军方用户和选定的政府机构用户使用,标准定位服务对于全世界的所有用户均可用,且免收直接费用。
2.GPS的定位原理GPS定位原理是根据三角测量定位来实现的,并且同时利用相关技术获取观
测值。在相关接收中,卫星钟用来控制卫星发射的伪随机信号,本地时钟用来控制用户接收机的伪随机信号,两者之间有比较大的时差。GPS用户终端可以同时跟踪4颗GPS卫星,并捕获其信号,这里,将两时钟之间的时差作为未知量,使其和观测点坐标共同组成一个四元方程组,所得的解就是观测点的经纬度坐标和时差,使用这种方法进行定位可以得到较高的定位精度。这个观测值通常被称为伪距观测量。 此观测值被称为伪距的原因:第一,它是以地表和卫星之间的距离为变量的函数;第二,由于大气效应和时钟误差的影响,与实际的距离之间存在偏差。
3.GPS的特点(1)全球全天候定位 因为GPS卫星的数目较多,且分布均匀,保证了地球上任何地方任何时间至少可以同时观测到4颗GPS卫星,确保实现全球全天候连续的导航定位服务。 (2)覆盖范围广 能够覆盖全球98%的范围,可满足位于全球各地或近地空间的军事用户连续精确地确定三维位置、三维运动状态和时间的需要(3)定位精度高 GPS相对定位精度在50km以内可达6~10m,100~500km可达7~10m,1000km可达9~10m。 4)观测时间短 20km以内的相对静态定位仅需15~20min;快速静态相对定位测量时,当每个流动站与基准站相距15km以内时,流动站观测时间只需1~2min;采取实时动态定位模式时,每站观测仅需几秒钟。 (5)提供全球统一的三维地心坐标 可同时精确测定测站平面位置和大地高程(6)测站之间无须通视 只要求测站上空开阔,这既可大大减少测量工作所需的经费和时间,也使选点工作更灵活,可省去经典测量中的传算点、过渡点等的测量工作。 4.GPS的不足及解决方案GPS作为最常用的一种定位传感器,如果用于智能网联汽车的定位,也存在
以下不足。 ①GPS开放的民用精度通常为10m左右,不能满足L4和L5级别智能网联汽车定位的要求。 ②更新频率较低,通常只有10Hz,当车辆在快速行驶时,GPS不能提供实时的准确位置信息。 ③受建筑物、树木的遮挡,如在天桥、隧道、地下车库等场景下,GPS定位精度严重降低,甚至无法提供定位信息。 为解决GPS定位存在的问题,在实际应用中,常采用以下方案提高定位精度。 ①采用差分GPS,利用基站的准确定位信息校正GPS的误差,其精度可提高到厘米级。 ②结合惯性测量单元(IMU)、里程计( Odometry)及推算定位(DeadReckoning,DR)等技术,提高定位更新频率和精度。即使在GPS信号受建筑物遮挡时,仍能短时间内提供相对准确的定位信息。 ③在地下车库等无法接收到GPS信号的场景下,利用视觉SLAM、激光SLAM等定位手段,提供相对准确的定位信息。
5.GPS的作用车载GPS具有以下作用。 (1)车辆定位功能 GPS通过接收卫星信号,能够准确定位车辆所在的位置,误差保持在10m以内(2)车辆跟踪功能 利用GPS和电子地图可以实时显示出车辆的实际位置,并可任意放大、缩小、还原、换图;可以随目标移动,使目标始终保持在屏幕上还可实现多窗口、多车辆、多屏幕同时跟踪。利用该功能可对重要车辆和货物进跟踪运输。 (3)提供岀行路线规划和导航功能 提供出行路线规划是汽车导航系统的项重要的辅助功能,它包括自动线路规划和人工线路设计。自动线路规划是由驾驶员确定起点和目的地,由计算机软件按要求自动设计最佳行驶路线,包括最快的路线、最简单的路线、通过高速公路路段次数最少的路线的计算。人工线路设计是由驾驶员根据自己的目的地设计起点、终点和途经点等,自动建立路线库。 线路规划完毕后,显示器能够在电子地图上显示设计路线,并同时显示汽车运行路径和运行方法。 (4)信息査询功能 为用户提供主要物标,如旅游景点、宾馆、医院等数据库,用户能够在电子地图上显示其位置。同时,监测中心可以利用监测控制台对区域内的任意目标所在位置进行查询,车辆信息将以数字形式在控制中心的电子地图上显示出来。
(5)话务指挥功能 指挥中心可以监测区域内车辆运行状况,对被监控车辆进行合理调度。指挥中心也可随时与被眼踪目标通话,实行管理。 (6)紧急援助功能 通过GPS定位和监控管理系统可以对遇有险情或发生事故的车辆进行紧急援助。监控台的电子地图显示求助信息和报警目标,规划最优援助方案,并以报警声光提醒值班人员进行应急处理。 6.差分全球导航定位系统为了提高GPS定位精度,可以采用差分全球定位系统进行车辆的定位。差分全球导航定位系统( Differential Global Position System,DGPS)在GPS的基础上利用差分技术使用户能够从GPS系统中获得更高的精度。DGPS系统由基准站、数据传输设备和移动站组成,如图6-4所示。
DGPS实际上是把一台GPS接收机放在位置已精确测定的点上,组成基准站基准站接收机通过接收GPS卫星信号,将测得的位置与该固定位置的真实位置的差值作为公共误差校正量,通过无线数据传输设备将该校正量传送给移动站的接收机。移动站的接收机用该校正量对本地位置进行校正,最后得到厘米级的定位精度。附近的DGPS用户接收到修正后的高精度定位信息,从而大大提高其定位精度。 根据DGPS基准站发送的信息方式可将DGPS定位分为三类,即位置差分、伪距差分和载波相位差分。这三类差分方式的工作原理是相同的,都是由基准站发送改正数,由移动站接收并对其测量结果进行改正,以获得精确的定位结果。 所不同的是,发送改正数的具体内容不一样,其差分定位精度也不同。 (1)位置差分 位置差分是最简单的差分方法,适合于所有GPS接收机。位置差分要求基准站和移动站观测同一组卫星。安装在基准站上的GPS接收机观测4颗卫星后便可进行三维定位,解算出基准站的观测坐标。由于存在着轨道误差、时钟误差、大气影响、多径效应以及其他误差等,解算出的观测坐标与基准站的
已知坐标是不一样的,存在误差。将已知坐标与观测坐标之差作为位置改正数,通过基准站的数据传输设备发送出去,由移动站接收,并且对其解算的移动站坐标进行改正。最后得到的改正后的移动坐标已消去了基准站和移动站的共同误差例如卫星轨道误差、大气影响等,提高了定位精度。位置差分法适用于用户与基准站间距离在100km以内的情况。 (2)伪距差分 伪距差分是目前用途最广的一种技术。几乎所有的商用DGPS接收机均采用这种技术。利用基准站已知坐标和卫星星历可计算出基准站与卫星之间的计算距离,将计算距离与观测距离之差作为改正数,发送给移动站,移动站利用此改正数来改正测量的伪距。最后,用户利用改正后的伪距来解出本身的位置,就可消去公共误差,提高定位精度与位置差分相似,伪距差分能将两站公共误差抵消,但随着用户到基准站距离的增加又出现了系统误差,这种误差用任何差分法都是不能消除的。用户和基准站之间的距离对精度有决定性影响(3)载波相位差分 针对定位精度要求达到厘米级和毫米级别的高精度定位,伪距差分技术远远达不到要求。载波相位差分(RTK)是几种差分技术中定位精度最高的。由于所有的卫星信号载波频率都在1500MHz以上,载波一周的长度为分米级,因而载波相位差分定位在理论上可以达到厘米级甚至更高的定位精度载波相位差分是利用两台接收机分别安置在基准站和移动站两个测站上,同步观测相同的一组GNSS卫星,基准站接收到卫星信号后,由观测到的卫星数据和测站已知坐标计算出测站改正值,并由基准站通过无线电台或移动网络将测站校正值和载波相位测量数据发送给移动站;移动站结合两个站的观测数据进行解算实现差分定位。若实现RTK定位,需要至少两个接收机分别作为基准站和移动站来接收卫星信号,此外还需数据通信链路和数据解算方法或软件来完成定位解算。
与伪距差分原理相同,由基准站通过数据传输设备实时将其载波观测量及站坐标信息一同传送给移动站。移动站接收GPS卫星的载波相位与来自基准站的载波相位,并组成相位差分观测值进行实时处理,能实时给出厘米级的定位结果。 实现载波相位差分GPS的方法有修正法和差分法。前者与伪距差分相同,基准站将载波相位修正量发送给移动站,以改正其载波相位,然后求解坐标;后者将基准站采集的载波相位发送给移动站,进行求差解算坐标。前者为准载波相位差分技术,后者为真正的载波相位差分技术。 随着智能网联汽车自动驾驶级别的提高,以RTK为代表的高精度定位技术的价值已日渐体现出来,但受制于成本、量产能力以及其他技术的发展进度,RTK高精度定位技术在车载领域的应用仍存在多方挑战,但随着智能驾驶向L3级别迈进,未来RTK高精度定位技术有望实现在汽车领域的全面普及。