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北斗导航系统无源算法及定位精度分析

时间:2011-04-30  作者:秩名
此工作模式对本地钟的稳定度要求较低。

影响定位精度的主要因素为:无源北斗接收机的测量误差、高度表的测量误差和定位解算处理误差。

(4)三星+高稳定度本地钟源

三星+高稳定度本地钟源的定位解算方程为:

要求无源北斗接收机要使用高稳定度的原子钟,其稳定度应和“北斗”系统时钟的稳定度基本相当。

上述定位解算方程中各参变量的物理含义分别为:

(x , y , z):待解算的接收机的位置;

(xi , yi , zi):卫星的位置(i=1,2,3);

Rui:接收机到卫星的伪距(i=1,2,3);

RH:气压高度表的测量值;

Re:地球的半径;

Δt:用户机与北斗导航系统的钟差;

C:光速。

2.2无源定位算法设计

无源北斗导航定位装置的无源定位不同于有源定位,它必须通过连续跟踪测量接收机到两个卫星间的伪距和接收到卫星有关星历数据自行解算出接收机的位置。目前北斗一号系统仅有三颗同步卫星(含一颗备份星),位置结算中要获得足够的观测量,必须引入高度数据。考虑到三颗卫星中有一颗备份星,为保证系统可靠性,还需使用高稳定度钟源为本地基准。当三颗卫星都工作正常时可采用三星+气压高度的工作模式,当有一颗故障时采用两星+气压高度+高稳定钟源工作模式。这样用户自行解算出位置必须满足两个条件:第一,接收机在每次使用前有一个基准位置给予输入,以便解方程时初值的确定;第二,良性状态下接收机的时钟和卫星的时钟基本一致,也就是说时钟偏差带来的测距误差可忽略不计。第一个条件可以使用在开始能预知接收机位置的场合;第二个条件可以采用铷原子钟解决时钟的漂移问题,同时在测距前通过一段时间的信号接收,检测出两者时钟差异给予补偿使其达到一致。

现以两星定位解算模式为例进行详细分析。

无源定位的解算方程为:

X1,Y1,Z1,X2,Y2,Z2为两颗卫星的坐标参数,由卫星出站信号随时提供。

X0,Y0,Z0为接收机天线位置。

R0为地球半径,H0为天线离地面高度。

R10为第一颗卫星到接收机的距离。

R20为第二颗卫星到接收机的距离。

R00为接收机天线到地心的距离。免费论文网。

如已知X1,Y1,Z1,X2,Y2,Z2,R00和实测得到R10、R20,就能从上述方程解算出接收机的位置。

上伪距初值R10和R20。需由初始接收机的坐标值推算得到:

上述方程从已知接收机的位置和卫星的位置来解算相互间的距离是比较方便的,但反之从距离来解算接收机的位置就比较复杂。

由于无源定位一般是连续的,每次计算位置的变化量?X0,?Y0,?Z0相对是比较小的,因此可以采用线性化的迭代技术:

实时递推计算接收机的位置坐标,也可采用卡尔曼滤波方法递推估计接收机的位置坐标。

2.3测量误差的补偿

北斗导航系统的定位精度主要取决于伪距测量精度和卫星星历的数据质量。卫星星历的数据主要由北斗一号系统决定,其接收机主要是提高接收灵敏度、降低误码率提高接收星历的数据质量。造成伪距测量误差主要有下列几方面:卫星和接收机的时钟偏移;信号穿过大气层时的延迟;接收信号的多径效应;接收机硬件电路的延迟。

如:接收机的时钟与卫星时钟相对偏差为10-9,则一小时后的测距积累误差为3600s×10-9=3.6μs,对应距离为1.08km。免费论文网。为减少长时间无源定位的积累误差,应采用合理的算法或与其他定位方式组合以消除单一无源定位产生的积累误差。

信号穿过大气层时由于气候的变化而造成信号延迟的变化。这种变化必将造成伪距的测量误差。北斗一号系统已充分考虑了这个问题,它在地面设置了一定数量的标校站,在不断检测不同区域电离层和对流层的变化,对信号造成延迟大小变化的参数在卫星出站信号中传送给用户机,用户机可以通过这些参数对伪距测量值进行修正。

3 结束语

北斗导航系统是我国完全自主的导航系统,它的投入运营对我国国防事业具有重要意义。自北斗导航系统投入运营以来,系统工作可靠,较早时候有源用户设备已进入装备阶段,近两年以来,各种无源北斗导航设备相继通过试飞鉴定,其精度达到高速载机导航要求,目前已开始装备部队。相信随着北斗导航系统不断的完善与发展,将为我国国防事业做出更大的贡献。另外,无源北斗导航与载机的各种自主导航设备(如多普勒、惯导等)的组合导航也有广泛的应用前景。

 

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