科技信息 ０科教前沿ｏ ＳＣＩＥＮＣＥ＆ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ ２０１２年第３１期 ＧＰＳ＼ＧＬＯＮＡＳＳ组合导航系统的研究 王峰波 （中国电子科技集团公司第二十研究所【摘陕西西安７１００６８） 要】文中介绍了ＧＰＳ＼ＧＬＯＮＡＳＳ组合导航系统的工作原理；给出了ＧＰＳ＼ＧＬＯＮＡＳＳ组合定位的算法及时间系统和坐标系统的转换 模型：通过实际的跑车试验验证，ＧＰＳ＼ＧＬＯＮＡＳＳ组合定位的实时性好、精度高，具有较好的工程应用价值。 【关键词】ＧＰＳ；ＧＬＯＮＡＳＳ；组合定位 ＧＰＳ＼ＧＬＯＮＡＳＳ组合导航的研究与应用是目前测绘与导航等领域 、／（ ）‘＋（ 一Ｙ ） ＋（ 一 ） ＋ｃＡｔ （２－２） 的一个重要课题．采用组合导航方式，可大大提高卫星的可用性，改善 式中： ｙ Ｚｆ 为用户在时元ｔ的位置； 卫星定位的位置精度因子，提高定位精度。由于两种卫星系统采用的 时间、坐标系等存在的差异．因此ＧＰＳｋＧＬＯＮＡＳＳ组合导航中的重要问 ｌ， ，４ 为第ｉ颗ＧＰＳ卫星在时元ｔ的在轨位置（ＷＧＳ一８４ 题就是ＧＰＳ＼ＧＬＯＮＡＳＳ的数据融合问题。通过数据融合，可以提高定位 坐标系）： 系统的可用性、自主完备性和导航定位的精确性。鉴于ＧＰＳ的时间系 ｙ ， 为第ｊ颗ＧＬＯＮＡＳＳ卫星在时元ｔ的在轨位置 …统和坐标系统应用较为广泛，本文主要介绍ＧＬＯＮＡＳＳ与ＧＰＳ的时间 （ＰＺ９０坐标系）； 系统和坐标系统的转换模型及ＧＰＳ＼ＧＬＯＮＡＳＳ组合定位算法。 ｐ 为测量的第ｉ颗ＧＰＳ卫星的伪距； ＝，１ ＧＰＳ＼ＧＬＯＮＡＳＳ组合导航系统的工作原理 为测量的第ｊ颗ＧＬＯＮＡＳＳ卫星的伪距； 在ＧＰＳ＼ＧＬＯＮＡＳＳ卫星导航系统组合定位中．由于两系统之间存 ｃ△￡ 为由于接收机时钟偏差等引起的用户位置到ＧＰＳ卫星位置 在时间偏差．坐标系不同．接收机中对不同系统信号的时延不同．需要 的测量距离偏差： 考虑的因素较多。在位置解算中要充分考虑。然而，卫星组合导航系统 ｃ△ｆ 为由于接收机时钟偏差等引起的用户位置到ＧＬＯＮＡＳＳ卫 的工作原理和单一卫星导航系统的工作原理基本相似．都是以测量信 星位置的测量距离偏差： 号的传播时延得到用户与卫星的距离．然后根据已知卫星的坐标．解 在（２—１）、（２—２）的测量方程中，为了简化，其它误差（星历误差、修 算用户的位置 下面以单系统定位原理做说明 正后的电离层和对流层延迟误差剩余量等）并没有表示在公式中。 对于单一卫星导航系统．用户根据卫星所发射的星历数据可以计 可见．在组合导航的具体实现和数据处理上还存在一定的区别． 算出在观测时刻卫星在地心地固坐标系（ＥＣＥＦ坐标系）中的位置（ ． 就数据融合而言．为解算用户的实时位置．必须将两个时系中的卫星 ｙ。 ），通过测量信号从卫星发射的时刻与到达用户的时差来测量用 在轨位置划归到同一时间尺度．而且必须将两种坐标系下的卫星位置 户到卫星的距离ｐ ，从而可以利用两点问的距离公式得到： 归算到同一种坐标系 ： 因为ＧＰＳ和ＧＬＯＮＡＳＳ系统之间也有系统时差．虽然可以通过公 这里（ ，Ｙ，ｚ）为用户在地心地固坐标系中的位置，是未知的。对三 布的参数进行修正，但要达到纳秒（ｎｓ）级的精度，还是比较困难的。因 颗卫星进行观测得到三个方程，就可求出用户的三维位置。 此．在这里不直接测量ＧＰＳ和ＧＬＯＡＮＳＳ通道的时延互差．而是把它 在实际中．由于用户接收机的时钟与卫星导航系统时钟相比存在 折算到系统时差中去 系统时差在定位解算作为一个未知量处理（见 定的误差，如图１．１所示： ２．４组合定位算法） 一丽 ２（１一 ） ２．对于时间的统一 系统时钟 ＼ ＼ ＼ ． ｆ ２＿３对于坐标系的统一 ＧＰＳ为ＷＧＳ一８４坐标系．ＧＬＯＮＡＳＳ为ＰＺ一９Ｏ坐标系．两个坐标系 之间也存在一定的系统误差 对于ＷＧＳ一８４和ＰＺ９０坐标系间的直角 用户钟 卜几 ＼］］ △ｔ—１ △ｔ。— ｔ 坐标转换，要综合考虑坐标原点的平移，坐标轴之间的旋转．以及由于 各直角坐标系的刻度单位不尽相同而引起的尺度变化 可以采用七参 数布尔萨（Ｂｕｒｓａ）转换公式： ｒ ］ｒ ］ ｆ １ ｆ —ｎｙ１ ｒ １ ｌｙ Ｉ＝ｌ△ｙ ｌ＋（１ ） Ｑ ｌ ｎ ｌＩｙ １ 【ｚ Ｊ新【△ｚ Ｊ 【ｎｙ —ｎ １ Ｊ【ｚ Ｊ旧 式中： 、△ｌ，、△ｚ是坐标原点平移引起的三个平移参数： ｎ 、Ｑ 、Ｑ 是坐标旋转引起的三个旋转参数； （２～３） 图１．１ 用户钟与系统钟差示意图 其中用户钟与系统钟差为 ： 使卫星到用户的距离方程变为： ｒ————— ｒ——————— ——————一＝广 ｃ（Ａｔｏ＋△￡）＝Ｖ ｘ－ｘ ）＋（ｙ— ）＋（ — ） 其中ｃａｔ 是用户与卫星之间的真实距离， 从而定位的问题转化为求解方程： ｒ—————ｉ——————— ——————Ｔ （１－２） Ｖ（ — ）＋（ｙ— ）＋（＝－ ）一ｃ△￡＝： （１—３） 中未知数（ ，Ｙ，ｚ）的问题。但是，在上面的方程中存在四个未知数 （ｘ，ｙ，：，ｔ），Ａ需要收到４颗以上的卫星信号，便可以解算出用户的位 置。在上面的方程式中，未考虑电离层、对流层等因素引起的误差．在 实际应用中，应采用模型对这些误差进行修正 ｋ是一个尺度变化参数 这些参数的取值．可以利用测绘部门已有的技术成果。 ２．４组合定位算法 在组合方式定位时，ＧＰＳ、ＧＬＯＮＡＳＳ系统有自己的时间基准．两系 统时之间存在一定的偏差：虽然两者都可换算到ＵＴＣ时．但各自ＵＴＣ 时之间也是有偏差的。组合定位采用的定位算法是在单系统单独定位 的基础上扩展而来的，组合定位原理类似。从而组合定位方程可描述 为以下矩阵形式： Ａ ＝Ｂ 口ｌ３ ＿ （２—４） １ Ｏ ： ： ● － ２ ＧＰＳ＼ＧＬＯＮＡＳＳ卫星导航系统的数据融合 ２．１组合系统观测方程 在组合定位时，可以观测到两个系统的卫星信号，根据（１—１），相 应的观测方程可以描述如下： 其中；Ａ＝ ｌ ％ ＋１、２ ＿ ： ３ １ ０ ０ １ ： ： ＿ ● 嘶 ＋１） ＿ ｌ１３ ＿ ： ｔｔ（ｍ＋ｎ）ｌ ： ｔｔ（ｍ ）２ ： ｏ，ｐ ＝、／（ — ） ＋（ｙ 一Ｙ ） ＋（ｚ 一互 ） ＋ｃＡｔｃｅｓ （２—１） ｍ＋ｎ）３ Ｏ ｌ １２５
