GNSS系统构成和作业原理讲述.ppt

GPS培训教程 苏州一光仪器有限公司 培训内容 全球卫星系统 1 美国的GPS卫星系统2 俄罗斯的 格洛纳斯 GLONASS卫星系统 20颗卫星在轨 17颗正常运行 3颗在维修 3 欧盟的 伽利略 Galileo卫星系统4 中国的 北斗 COMPASS卫星系统 苏州一光仪器有限公司 一 GPS的涵义 一 GPS的涵义 GPS TheGlobalPositioningSystem 是一个全球范围的无线电导航定位系统 它包括三个部分 苏州一光仪器有限公司 一 GPS导航定位系统的组成 GPS由三大部分组成 1 空间部分2 地面监控部分3 用户设备 接收机 部分 1 空间部分由24 21颗正式的工作卫星 3颗活动的备用卫星 颗工作卫星组成 它位于距地表20200km的上空 均匀分布在6个轨道面上 每个轨道面4颗 轨道倾角为55 此外 还有4颗有源备份卫星在轨运行 卫星的分布使得在全球任何地方 任何时间都可观测到4颗以上的卫星 并能保持良好定位解算精度的几何图象 这就提供了在时间上连续的全球导航能力 苏州一光仪器有限公司 一 GPS的涵义 苏州一光仪器有限公司 1 空间部分GPS卫星产生两组电码 一组称为C A码 Coarse AcquisitionCode11023MHz 一组称为P码 ProciseCode10123MHz P码因频率较高 不易受干扰 定位精度高 因此受美国军方管制 并设有密码 一般民间无法解读 主要为美国军方服务 C A码人为采取措施而刻意降低精度后 主要开放给民间使用 导航电文包括卫星星历 工作状况 时钟改正 电离层时延修正 大气折射修正等信息 C A码频率1 023MHz 重复周期一毫秒 码间距1微秒 相当于300m P码频率10 23MHz 重复周期266 4天 码间距0 1微秒 相当于30m 一 GPS的涵义 2 地面控制地面控制部分由 1个主控站 5个全球监测站和3个地面控制 注入 站组成 监测站均配装有精密的铯钟和能够连续测量到所有可见卫星的接受机 监测站将取得的卫星GPS观测数据 包括电离层和气象数据 经过初步处理后 传送到主控站 主控站从各监测站收集跟踪数据 计算出卫星的轨道和时钟参数 然后将结果送到3个地面控制站 地面控制站在每颗卫星运行至上空时 把这些导航数据及主控站指令注入到卫星 这种注入对每颗GPS卫星每天一次 并在卫星离开注入站作用范围之前进行最后的注入 如果某地面站发生故障 那么在卫星中预存的导航信息还可用一段时间 但导航精度会逐渐降低 苏州一光仪器有限公司 一 GPS的涵义 2 地面控制1 主控站 1个 美国克罗拉多州法尔孔空军基地 2 监测站 5个 夏威夷 主控站和注入站 3 注入站 3个 阿松森群岛 大西洋 迪戈加西亚 印度洋 和卡瓦加兰 太平洋 苏州一光仪器有限公司 一 GPS的涵义 苏州一光仪器有限公司 2 地面控制部分 一 GPS的涵义 3 用户设备部分用户设备部分即GPS信号接收机 其主要功能是能够捕获到按一定卫星截止角所选择的待测卫星 并跟踪这些卫星的运行 当接收机捕获到跟踪的卫星信号后 就可测量出接收天线至卫星的伪距离和距离的变化率 解调出卫星轨道参数等数据 根据这些数据 接收机中的微处理计算机就可按定位解算方法进行定位计算 计算出用户所在地理位置的经纬度 高度 速度 时间等信息 接收机硬件和机内软件以及GPS数据的后处理软件包构成完整的GPS用户设备 苏州一光仪器有限公司 一 GPS的涵义 1 GPS测量方法的理论基础是 后方交会 后方交会 是从一个未知点上分别观测几个已知坐标点 然后根据测量出的几个已知坐标点到未知点的距离 计算出未知点坐标的测量方法 其几何原理如下 在平面上 要确定未知点P的坐标 至少需要测量出未知点P到三个已知点A B C的距离a b c 苏州一光仪器有限公司 二 GPS的定位原理 A XA YA B XB YB C XC YC XP XA 2 YP YA 2 a2 XP XB 2 YP YB 2 b2 XP XC 2 YP YC 2 c2 A XA YA A XA YA 在太空中 这些点变为立体空间的点 圆圈变为球面 所以至少需要知道P点至4个已知点的距离才能确定P的位置 实际上 通过数学的方法3颗卫星就可以得到用户的位置 第4颗卫星的观测是由于某个技术原因 这将在后面讲到 苏州一光仪器有限公司 二 GPS的定位原理 2 为了实现 后方交会 距离是必须测量的值 苏州一光仪器有限公司 二 GPS的定位原理 GPS测量距离的方法是通过测量无线电信号在空中传播的时间来完成的 距离 速度X时间 GPS的测距方法与一般的红外测距仪本质上没有区别 地面的用户是不会发出任何无线电波的 所有的信号都是卫星发出来的 用户只要接收即可 那么如何来测定 时间 呢 这里的时间是 时间差 即信号从卫星发出到用户收到时刻 一共花费了多少时间 为了解决这个问题 每一颗卫星都有其独一无二的信号结构 苏州一光仪器有限公司 二 GPS的定位原理 2 为了实现 后方交会 距离是必须测量的值 那么 信号结构 如何能测量时间呢 让我们做一个假设 如下图 苏州一光仪器有限公司 二 GPS的定位原理 2 为了实现 后方交会 距离是必须测量的值 有两个好朋友做了一个约定 当中午12点时 他们分别在甲 乙两地同时开始播放 命运交响曲 我们站在乙地听音乐 那么我们将听到从甲地传来的音乐会稍微落后于乙地的 如果我们能测量出节拍落后了多少 那么把落后的时间乘以声音传播的速度就可以得到甲乙两地的距离 这个时间测量得越准 距离就越准 其实中世纪的水手们航海时已经懂得用歌声来进行测量 GPS的 信号结构 就相当于一首特殊的歌曲 歌曲的名叫做 PseudoRandomCode 伪距码 匹配卫星与接收机两者的伪距码可以测量出时间 即两者间的距离 苏州一光仪器有限公司 二 GPS的定位原理 3 为了测量无线电信号在空中传播的时间 GPS需要非常精确的定时 苏州一光仪器有限公司 二 GPS的定位原理 现在我们知道了测量时间准确性的重要性 我们的表哪怕有千分之一秒的误差 乘以光速后 我们将会得到300公里的距离误差 对于卫星一端而言 时间是很准的 因为它们使用了原子钟 俄罗斯的卫星系统GLONASS没有美国的好 根本原因之一就是钟没有美国的准 对于用户的接收机一端而言 如果使用原子钟的话 每一台接收机的价格几乎等于一颗卫星的价格 真正的 天文数字 但是 GPS的设计师们是真正的科学家 他们卓越的设计使得接收机一端对时间精度的要求不需要那么的高 秘密就是前面我们提到的 通过数学的方法3颗卫星就可以得到用户的位置 第4颗卫星的观测是由于某个技术原因 苏州一光仪器有限公司 二 GPS的定位原理 这个技术原因就是 第4颗卫星的冗余观测量改正了接收机因为时钟不准带来的时间误差 3 为了测量无线电信号在空中传播的时间 GPS需要非常精确的定时 如果所有测量的距离都没有误差 那么所有卫星的距离都将相交于一点 就是我们的位置 但现在我们将发现 第4颗卫星的距离与前面3颗的交点不重合 这时 接收机将会寻找一个改正量 第4颗卫星 以使得接收机的时钟改正到一个精确值 如此 我们就得到了原子钟级别精度的时钟 可以精确地测出接收机所在位置的坐标了 所以接收机最少需要4个并行通道 以便能够同时接收4颗卫星 现在 测量距离的问题已经解决 可是 我们知道 后方交会 必须知道已知点的精确坐标 所以 如何得到卫星在空中的精确位置就是我们要讨论的下一个问题 苏州一光仪器有限公司 二 GPS的定位原理 苏州一光仪器有限公司 二 GPS的定位原理 4 为了能通过 后方交会 测定接收机的位置 卫星在太空中的位置必须精确已知 高轨道运行和无时无刻的监测是其保证 为何GPS卫星要运行在一千多公里的高空呢 因为这里几乎不会受到大气层的影响 而且卫星的轨道的几何关系相对简单 用户的接收机里面有一个 历书 almanac 程序 它时刻地告诉接收机在什么时候天空中的什么卫星在什么位置 苏州一光仪器有限公司 二 GPS的定位原理 4 为了能通过 后方交会 测定接收机的位置 卫星在太空中的位置必须精确已知 地面控制站使用雷达可以精确地测出卫星在空中的高程 位置和速度 这样 通过地面控制 GPS卫星的轨道位置将是十分精确的 地面控制站主要检查影响卫星运行的轨道的误差 称为 星历 ephemeris 它是由太阳和月亮的引力以及阳光照射在卫星上形成的光压共同造成的 当美国国防部测量出了卫星的精确位置 他们就把这个位置发给卫星 卫星就把这个新的改正位置信息加载到GPS信号中广播出去 于是 卫星就不仅仅具有了带有时间信息的伪距码 而且还具备了带有位置信息的星历 5 最后 必须对GPS信号在大气中传播时的任何细节影响进行改正 苏州一光仪器有限公司 二 GPS的定位原理 到目前为止 我们的理论都是在真空中进行的 可是在真实世界中 多种影响使得GPS的信号传播不像数学计算的那么完美 首先 我们说卫星到接收机的距离 光速X时间 可光速只有在真空中才是恒定的 当无线电波穿过充满微粒的电离层和充满水蒸气的对流层时 速度会变得慢了一点 结果就好像是卫星时钟不准一样 5 最后 必须对GPS信号在大气中传播时的任何细节影响进行改正 苏州一光仪器有限公司 二 GPS的定位原理 我们可以改正这样的误差 一种方法是测量通常情况的天气下光速会慢多少 另一种方法是比较两个不同信号在大气中的相对速度 以获得一种处理大气误差的手段 使用高精尖的高级GPS接收机进行 双频 测量可以达到这一目的 GPS卫星发射两种频率的载波信号 即频率为1575 42MHz的L1载波和频率为1227 60HMz的L2载波 它们的频率分别是基本频率10 23MHz的154倍和120倍 它们的波长分别为19 03cm和24 42cm 在L1和L2上分别调制着多种信号 这些信号主要有 C A码和P码 C A码被调制在L1载波上 P码被调制在L1 L2载波上 苏州一光仪器有限公司 二 GPS的定位原理 5 最后 必须对GPS信号在大气中传播时的任何细节影响进行改正 其次 当GPS信号达到地面后 在到达我们的接收机以前 可能会在各种障碍物间多次反射 这就类似于我们在电视上看到的 重影 这种现象在GPS中称之为 多路径效应 优秀的GPS接收机能够运用某些高级的算法来削弱这种情况带来的误差 最后 前面我们说过 卫星的时钟是十分精准的 可是精准并不是完美 这也会带来一定的误差 前面的这些误差都是不得已的 可是 GPS也有人为的刻意降低精度的误差存在着 很难让人相信 对吧 这种人为的手段称之为 SA政策 SelectiveAvailability选择可用性 其目的是不让敌人或恐怖分子在精确武器上使用GPS 只有美国的军队才能进行特殊的GPS译码 以去除SA的影响 从而得到高精度的测量值 好在2000年5月1日 当时的美国总统克林顿宣布停止SA政策 所以现在的民用用户可以得到优于10米的单点定位精度 幸运的是 尽管存在以上许多误差 但人们还是发现了某些方法 可以相当有效的削弱它们对测量精度的影响 比如一种称之为 差分GPS DGPS DifferentialGPS 的系统 苏州一光仪器有限公司 二 GPS的定位原理 5 最后 必须对GPS信号在大气中传播时的任何细节影响进行改正 苏州一光仪器有限公司 二 GPS的定位原理 至此 我们已经知道了GPS的工作原理了 回忆一下 原理分为4个步骤 后方交会 测量距离 测量时间 测量卫星位置 误差改正 苏州一光仪器有限公司 三 GPS差分技术原理及种类 1 DGPS DifferentialGPS 俗称差分GPS 差分GPS DGPS differentialGPS DGPS 就是首先利用已知精确三维坐标的差分GPS基准台 求得伪距修正量或位置修正量 再将这个修正量实时或事后发送给用户 GPS导航仪 对用户的测量数据进行修正 以提高GPS定位精度 如果说单点定位的GPS能够帮助您找到飞机场 那么DGPS就能够帮助您找到机场跑道的中心 苏州一光仪器有限公司 三 GPS差分技术原理及种类 通常 我们根据DGPS所能达到的精度将DGPS细分为DGPS和RTK 它们与一般的GPS精度的关系为 单点定位GPS 5米 DGPS 0 45米 RTK 1厘米 1 DGPS DifferentialGPS 俗称差分GPS 苏州一光仪器有限公司 三 GPS差分技术原理及种类 2 DGPS工作原理 DGPS至少包括两个接收单元 一个是基准站 固定在一个地方不动 另外一个是流动站 不停地运动到需要测量的地点进行测量 其中 基准站是关键 所谓的 差分 就是由它来完成的 苏州一光仪器有限公司 三 GPS差分技术原理及种类 如上图 在甲地放置了一台基准站 在乙地放置了一台流动站 甲乙两地相距不是很远 RTK要求约十几公里 DGPS可以更远 所以甲乙两地的大气状况等应该几乎相同 基准站和流动站可视的卫星也几乎相同 这就使得甲乙电台接收机的误差状况基本是一样的 全球定位系统之误差来源种类繁多 而一般误差来源可区分成三大类 即卫星偏差 观测偏差及与观测相关之偏差 卫星偏差 1 星历误差 由卫星实际运行之轨道或瞬间位置与导航讯号中广播星历之轨道预估资料间之偏差 2 卫星时钟之偏差 卫星上之时钟与GPS接收机时钟间之偏差 观测偏差 指接收仪之时钟误差 即接收仪时钟与全球定位系统时钟间之偏差 与观测相关之偏差 为卫星信号传播过程中 因传播介质与环境所引起的偏差 如起始整数周波未定值 对流层或电离层传播延迟 多路径误差 周波脱落值及精密值强弱度等因素 2 DGPS工作原理 苏州一光仪器有限公司 三 GPS差分技术原理及种类 在同一时刻 相距不远的地方 该区域内的接收机的误差情况基本是一样的 这就是DGPS的理论基础 即如果位置往某一个方向发生偏移 也都是所有位置同时往该方向发生偏移 基于这点 如果我们知道了基准站发生的偏移值 那么让流动站在测量时加上这个偏移 就可以得到流动站精确的坐标 而基准站之所以不动 目的就是要得到某一时刻它自己发生的偏移量是多少 该时刻 流动站无论动还是不动 只要加上这个偏移量就可以使自己测量的坐标精确 2 DGPS工作原理 苏州一光仪器有限公司 三 GPS差分技术原理及种类 3 DGPS的种类 根据差分GPS基准站发送的信息方式可将差分GPS定位分为三类 即 位置差分 伪距差分 相位差分 这3类差分方式的工作原理是相同的 即都是由基准站发送改正数 由用户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 苏州一光仪器有限公司 三 GPS差分技术原理及种类 1 位置差分原理这是一种最简单的差分方法 任何一种GPS接收机均可改装和组成这种差分系统 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 解算出基准站的坐标 由于存在着轨道误差 时钟误差 SA影响 大气影响 多径效应以及其他误差 解算出的坐标与基准站的已知坐标是不一样的 存在误差 基准站利用数据链将此改正数发送出去 由用户站接收 并且对其解算的用户站坐标进行改正 最后得到的改正后的用户坐标已消去了基准站和用户站的共同误差 例如卫星轨道误差 SA影响 大气影响等 提高了定位精度 以上先决条件是基准站和用户站观测同一组卫星的情况 位置差分法适用于用户与基准站间距离在100km以内的情况 3 DGPS的种类 2 伪距差分原理伪距差分是目前用途最广的一种技术 几乎所有的商用差分GPS接收机均采用这种技术 国际海事无线电委员会推荐的RTCMSC 104也采用了这种技术 在基准站上的接收机要求得它至可见卫星的距离 并将此计算出的距离与含有误差的测量值加以比较 利用一个 滤波器将此差值滤波并求出其偏差 然后将所有卫星的测距误差传输给用户 用户利用此测距误差来改正测量的伪距 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 苏州一光仪器有限公司 三 GPS差分技术原理及种类 3 DGPS的种类 3 载波相位差分原理载波相位差分技术又称为RTK技术 realtimekinematic 是建立在实时处理两个测站的载波相位基础上的 它能实时提供观测点的三维坐标 并达到厘米级的高精度 与伪距差分原理相同 由基准站通过数据链实时将其载波观测量及站坐标信息一同传送给用户站 用户站接收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的方法分为两类 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用户站 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用户台进行求差解算坐标 前者为准RTK技术 后者为真正的RTK技术 苏州一光仪器有限公司 三 GPS差分技术原理及种类 3 DGPS的种类 苏州一光仪器有限公司 三 GPS差分技术原理及种类 总结一下 RTK的工作的两大要素 1 共用卫星颗数2 基准站差分数据链发射方式 苏州一光仪器有限公司 四 GPS技术的发展趋势 针对RTK工作原理的两大要素 1 共用卫星颗数 2 差分数据链发射方式 我们找到了一些新技术的发展方向 1 针对RTK的OEM主板开发支持双星 三星系统 来获得更多的共用卫星颗数 全球的卫星系统包括 美国的GPS卫星系统 俄罗斯的GLONASS卫星系统 欧盟的Galileo卫星系统 苏州一光仪器有限公司 四 GPS技术的发展趋势 2 采用何种差分数据链发射方式 一般我们现在使用的是无线电台比如在海岸线上 国家建立了许多差分站 通过无线电不停发送改正数 使得过往的船只在近海能得到比较精确的坐标 苏州一光仪器有限公司 四 GPS技术的发展趋势 由于受到电台的限制 差分数据有一个作用距离 如下图 因为距离比较短 且易受到干扰和阻挡 所以人们开始寻求其他形式的数据链 比如GPRS CDMA等 苏州一光仪器有限公司 四 GPS技术的发展趋势 手机SIM卡 GPRS天线 服务器IP地址输入 但是 我们知道 即使数据链的作用距离可以无限远 受到差分原理的约束 流动站离基准站越远 改正的效果越差 流动站也不能离基准站太远 否则大气条件和共同可视卫星将会有很大的不同 差分将失效 那么怎么样才能在一个大范围内得到稳定的改正数呢 人们发展了许多技术 在这里我们说两种 1 是 基于卫星的增强系统 SBAS 2 是 CORS系统 连续运行卫星定位服务系统 苏州一光仪器有限公司 四 GPS技术的发展趋势 1 基于卫星的增强系统Satellite BasedAugmentationSystem这种系统一般由针对某个区域的静地卫星组成 这些卫星对GPS作补充 提高了GPS的精度和可靠性 目前有多个这种系统存在 比如 广域增强系统Wide AreaAugmentationSystem WAAS 欧洲静地卫星导航重叠系统theEuropeanGeo StationaryNavigationSystem EGNOS 日本的MSAS卫星增强系统theMTSATSatellite BasedAugmentationSystem MSAS 中国的北斗系统 苏州一光仪器有限公司 四 GPS技术的发展趋势 2 CORS系统 连续运行卫星定位服务系统 苏州一光仪器有限公司 四 GPS技术的发展趋势 由于单独一个基站的种种不便 区域小 精度随着与基站距离的增加而降低等 人们设想 为什么不能建立多个基站 并且这些基站长年不间断运行 随时提供差分信息呢 于是 CORS 这种系统就出现了 CORS ContinuousOperationalReferenceSystem连续运行卫星定位服务系统 是建立于现代卫星技术 计算机网络技术 网络化实时定位服务技术 现代移动通信技术基础之上的大型城市定位与导航综合服务网络 是城市 空间数据基础设施 的最为重要的组成部分 也是数字城市多种空间数据采集的基准参考框架 是现代化城市获取和采集各类空间信息的位置 时间和与此相关的动态变化的一种基础设施 分别在ABCDEF六个地方建立了基站 它们每时每刻不停接收GPS信号 然后把这些数据都统一传送到一个地方 O 进行处理 从而得到整个区域内的各种信息 苏州一光仪器有限公司 四 GPS技术的发展趋势 2 CORS系统 连续运行卫星定位服务系统 苏州一光仪器有限公司 四 GPS技术的发展趋势 2 CORS系统 连续运行卫星定位服务系统 目前 国内具体使用CORS系统的技术有两种 1 Trimble的 VRS 技术 2 LEICA的 主 辅站 技术 苏州一光仪器有限公司 四 GPS技术的发展趋势 1 Trimble的 VRS 技术 虚拟参考站VRS VirtualReferenceStation 技术就是利用地面布设的多个参考站组成GPS连续运行参考站网络 CORS 的观测信息 通过建立精确的误差模型来修正距离相关误差 在用户站附近产生一个物理上不存在的虚拟参考站 由于VRS一般通过流动站用户接收机的单点定位解来确定 故VRS与用户站构成的基线通常只有十几米 只要能够生成VRS的观测值或RTCM差分改正数 就可以在VRS和用户站间实现常规差分解算 苏州一光仪器有限公司 四 GPS技术的发展趋势 1 Trimble的 VRS 技术 图中的B1 B2 Bn及服务器组成了CORS 当区域中的移动用户需要差分改正数时 向服务器发送一个请求和自己的大概坐标 服务器收到请求后根据用户提供的大概坐标计算出一组改正数发给用户 这组改正数是通过CORS系统计算后给出的 效果就像是在用户身边不远的地方有一个基准站发出的 所以称为 虚拟 参考站 苏州一光仪器有限公司 这个系统的优点是 整个CORS区域可以很大 一般最长边大约70公里 电台仅10公里 因为边太长无法使用一般无线电台 所以使用GPRS等 同时测量精度不会有随着与基准站距离增大而降低的问题了 因为那个虚拟的基准站总是被系统计算得在用户的身边不远处 整个大区域内的大气 卫星等条件都可以根据多个基站的数据进行计算 差值 平差 使得区域内任何一个位置的多种信息都可以得到 VRS的出现将使一个地区的所有测绘工作成为一个有机的整体 结束以前GPS作业单打独斗的局面 同时 它将大大扩展RTK的作业范围 使GPS的应用更广泛 精度和可靠性将进一步提高 使从前许多GPS无法完成的任务成为可能 四 GPS技术的发展趋势 1 Trimble的 VRS 技术 苏州一光仪器有限公司 四 GPS技术的发展趋势 2 LEICA的 主 辅站 技术 当区域中的移动用户需要差分改正数时 向服务器发送一个请求和自己的大概坐标 服务器收到请求后根据用户提供的大概坐标 然后把距离移动用户的最近的基站参考差分信息 作为主要基准站 发给移动用户 再把距离移动用户稍远的一个基站的参考差分信息 作为辅基准站 发给移动用户 苏州一光仪器有限公司 五 GPS产品的种类 GPS卫星接收机种类很多 按用途分类 1 导航型接收机 此类型接收机主