基于Stk的测量船GPS天线遮挡模型仿真与分析

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1、万方数据第13卷第21期2013年7月1671—1815(2013)21—6265—05科学技术与工程ScienceTechnologyandEngineeringV01．13No．21Jul．2013⑥2013Sci．Tech．Engrg．基于STK的测量船GPS天线遮挡模型仿真与分析陈琳朱忠李强陈武(中国卫星海上测控部，无锡214431)摘要分析了GPS定位原理及精度评估方法，构建了测量船GPS天线遮挡模型。对不同遮挡条件下船载GPS精度因子变化进行仿真与分析。结果表明，在大范围遮挡条件下，导致GPS精度因子变大；通过提高GPS天线

2、位置，可有效减小船载GPS精度因子；通过预测分析不同遮挡对GPS精度因子影响，为测量船授时与定位系统的定守时切换提供可靠、准确数据。关键词测量船STKGPS遮挡精度因子中图法分类号TN967．1；文献标志码A全球定位系统(GPS)是利用导航卫星进行测时和测距，在导航、定位、授时和定向等领域发挥重要作用。但GPS发展和应用也受到许多其他苛刻的应用条件和环境限制，如坡度较大的山区、峡谷、海(河)较高的水区、城市高楼及一些人为遮挡【1一]。测量船担负中国卫星海上测控任务，其对时间和位置精度有着严格要求，由于船体大小受限，船载GPS授时定位天线

3、在一定程度上受到测控天线的遮挡，特别是在测控天线转向过程中，GPS天线将受到更大范围的遮挡。因此，预报分析遮挡条件下船载GPS精度因子，对测量船的授时、导航及定位有着重要意义。目前，绝大多数文献的研究大多是涉及城市交通定位情况，且都是考虑固定俯仰角或方位角条件下导航系统DOP值∞’4J。对于复杂遮挡模型情况，则研究很少。本文利用STK软件，构建了测量船测控天线对GPS天线遮挡模型，分析了不同遮挡模型条件下GPS几何精度因子(GDOP)变化，通过预测分析不同遮挡模型对GPS精度因子影响，为测量船授时定位系统的定守时切换提供可靠、准确数据。

4、1GPS定位原理及定位精度评估方法1．1GPS定位原理GPS定位原理是以GPS卫星和用户接收机天线之间的距离观测量为基准，根据已知的卫星瞬时坐标，来确定用户接受天线在协议地球坐标系中的所在位置。如图l所示，可通过伪距测量法获取接收机在三维空间中位置⋯，图中原点表示接收机所在位置，(髫。，Y；，气)；s=1，⋯，8表示空间中卫星位置矢量。对于有遮挡情况，接收机对：卫星视野将减小。【冬I1GPS定f讧原型H2013年4月11日收到第一作者简介：陈琳’男。中国卫星海上测控部工程师，硕士。E一设在历元时刻t，观测站与可见卫星之间的mail：cl

5、k966@solm·com。伪距：万方数据6266科学技术与工程13卷P；=

6、

7、戈。一z，

8、I+ct，(1)式(1)中：P。为接收机与第s颗卫星之问伪距，Ⅳ。为第s颗卫星矢量位置，菇，为接收机位置矢量。利用已知可见卫星位置矢量和卫星的测量伪距，式(1)可表示为矩阵形式。Ap=月△石(2)式(2)中：△p=△z=，H=式中：△p表示差分伪距矢量，日测量矩阵，△工位置位移矢量，s为可见星数量。当可见星数量s<4时，式(2)无解，即不能实现定位。当可见星数量s=4时，式(2)唯一解。求得Ax=H‘1△p。当可见星数量s>4时，通过最小二乘法获

9、得式(2)最优结果‘1

10、。求得Ax=(日T日)。1矿卸。由所求解的△z，代人式(1)，在不考虑接收机、大气衰减等其他误差情况下，可求得所需接收机的位置矢量。1．2精度评估模型考虑接收机的信号接收时问，GPS卫星星座几何构型对其定位精度有很大影响。其几何构型可定义为精度因子(DOP)，而卫星导航系统所提供的导航定位精度可定义如下旧1：or=UEREDOP(3)式(3)中：UERE为用户等效距离误差，是导航定位和授时过程中，所有影响用户至卫星的误差之和。DOP则与导航定位过程中接收机与卫星的几何关系有关，主要取决于导航卫星星座。在用户等效距

11、离误差UERE一定条件下，可通过计算DOP值来对GPS导航系统定位精度进行估计。式(2)中伪距所得解△菇微分形式的协方差表示为：cov(dx)=(矿日)一HTCOV(dp)。其中，DOP可表示为如式(4)矩阵。(nTH)～=(4)因此根据不同的精度需求，给出GPS导航系统的精度冈子(DOP)不同形式，即几何精度因子(GDOP)、位置精度因子(PDOP)、水平精度因子(HDOP)、垂直精度因子(VDOP)和时问精度因子(TDOP)。由式(4)可得导航系统的各类精度因子分别表示为：GDOP=~／D11+D22+D33+D44；PDDP=~／

12、D11+D22+D33；HDOP=~／D11十D22；VDOP=√D33；TDOP=~／D“。本文中，主要考虑几何精度因子(GDOP)在遮挡条件下的变化情况。2测量船GPS信号遮挡仿真模型2．1GPS卫星星