第一讲 GNSS定位的基本原理

卫星导航差分与强化系统首届GNSS定位的基本原理唐卫明武汉大学卫星导航定位技术研究中心， GNSS卫星定位概述1.GNSS的现状和发展趋势2.GNSS定位基本观测值和观测方程3.GNSS定位技术和模式4.GNSS定位误差源5 .线性耦合观测值6 .环绕模糊度7 .环绕的检测和修复8 .差分GNSS技术9.GNSS的应用范围，1 .全球卫星定位系统(GNSS ) 的现状和发展趋势GNSS的定义和实际运行的系统GNSS的构成GPS、GLONASS、GALILEO、BeiDou、GNSS的定义和实际运行的系统，将具有全球导航定位能力的卫星导航系统称为全球卫星定位系统实际系统美国全球卫星定位系统(GPS )俄罗斯全球卫星定位系统GLONASS研究的欧盟伽利略系统中国北斗卫星定位系统(BeiDou，Compass )地区定位系统(2012 )全球卫星定位系统(2020 )、 由GNSS系统组成的GPS全球定位系统所有者美国发展简史全球卫星定位系统(GPS )计划于1973年启动，1978年首次发射卫星，1994年完成了24个中高度圆轨道(MEO )卫星网络，共花费16年，120亿美元。 迄今为止，三代卫星相继发展。 系统组成空间部分控制部分的用户部分现状得到了广泛应用，形成了工业现代化保护、阻止、保留、GLONASS全球定位系统，所有者俄罗斯发展简史类似于前苏联80年代初建立的美国GPS系统，现由俄罗斯空间局管理。 GLONASS的总体结构类似于GPS系统，但主要是星座设计、信号载波频率和卫星识别方法的设计不同。 GLONASS1982-2007，GLONASS-M2003-2013，系统构成卫星星座地面监视控制站的用户设备在当前状态快、卫星寿命短、民生少的现代化2010年，对全卫星星座的频分多址进行了补充，改为码分多址。 GLONASS-K2007-2022，GLONASS-KM2015-伽利略全球定位系统是所有者欧盟发展简单的伽利略系统或欧洲独立的全球多模式卫星定位导航系统，精确可靠美国GPS与俄罗斯GLONASS兼容，但比后者安全准确，系统配置GALILEO系统由30颗卫星组成，其中有27颗工作星、3颗备份星。 卫星分布在三个中地球轨道(MEO )上，轨道高度为23616公里，轨道倾角为56度。 每条轨道配有九颗明星和一颗备份明星。北斗卫星导航系统的现状和发展规划，北斗导航系统的现状，发射16个，地球静止轨道卫星(GEO )东经84，东经140，东经1605个倾斜地球同步轨道卫星(IGSO )和MEO3个东经118，1个东经110轨道倾斜角55， 北斗卫星导航系统局部现状与发展规划北斗导航系统发展规划2012年满足：区域定位服务需求的14个5geo5igso4meo202202025260提供世界服务的35个5GEO 3IGSO 27MEO， 2GNSS观测值和基本观测方程式、2.1GNSS观测值种类伪距观测值CA、P1、P2 (粗码、精码)载波相位观测值L1、L2 L5多普勒观测值D1， D22.2载波相位测量基本原理2.3码伪距和载波相位的基本观测方程、GPS测距原理(测距码)、利用测距码测量卫星距离的原理基本构想：=c=tc伪距测量方法、2.2GPS载波相位测量基本原理(1)、理想情况、 实施例2.2GPS载波相位测量的基本原理(2)，观测值全周计数全周未知数(全周模糊度)的优点精度高，测距精度为0.1mm级的难点全周未知数问题全周跳跃问题，载波相位观测值，2.3码伪距离和载波相位的基本观测方程式，以米/秒为单位的光速， 该日历卫星卫星的卫星时钟差和测站的接收机时钟差、该日历卫星的电离层延迟误差、该日历卫星的对流层延迟误差、接收机码观测值的噪声和多路径误差等随机误差中：接收机载波相位观测值的噪声和多路径误差等随机误差， 该历史相位差的小数部分和连续的全周记录数的和单位是周，根据该载波的波长，该卫星的相位观测值的模糊度、伪距离：载波：3GNSS定位技术和模式，GNSS定位的基本原理GNSS定位的发展历史GNSS的发展方向当前GNSS的发展方向精密单点定位的原理和优点与缺点GNSS定位的基本原理，绝对定位，GNSS定位技术的发展历史非差分相位精确单位定位(PPP )，网络RTK技术，伪距离单位定位，伪距离差分定位，载波静态定位，绝对定位，相对定位，通常RTK，广域差分定位，定位技术-PPPRTK，第一代，第二代，第三代第四代，GNSS定位的发展方向实时、高精度、高可靠性网络化、集中数据服务的各种定位方法相结合，趋于统一多样性和学科交叉特征，目前GNSS定位研究的热点、非差异相位精密单点定位技术将广域差分技术与单点定位技术相结合。 要求：精密卫星轨道，卫星时钟参数。 定位精度：0.1-0.5m网络RTK定位技术将RTK与基站技术要求相结合：区域内多个基站定位精度：0.01-0.05m (水平实时)，精密单点定位的概念和原理， 将预报的GPS卫星的精密星历表和事后的精密星历表用作已知坐标的计算数据，同时利用通过某种方法得到的精密卫星时钟差， 取代用户GPS定位观测值方程的卫星时钟差参数的用户可以利用单个GPS双频双码接收机的观测数据， 在数千万平方公里到全世界任何位置都可以以米级精度进行实时动态定位或以厘米级精度进行比较快的静态定位，该导航定位方法称为精密单点定位(PrecisePointPositioning )，简称为PPP。精密单点定位的优缺点，优点：非差伪距和相位观测值的估计位置，接收机时钟差，对流层延迟历的支持静态和动态定位的支持全局定位和坐标帧的直接联系，无需基准站的支持就能实现厘米级到厘米级定位的提高效果， 成本挑战卫星星历表与时钟差可用性问题相位模糊度收敛问题误差处理问题、4GNSS测量误差源GNSS误差源分类消除或减弱各种误差的方法模型修正法求差分法参数相对论效应电离层误差对流层误差多径效应， 一种改变与卫星有关的误差卫星轨道误差卫星时钟相对论效应传播路径有关的误差电离层延迟对流层延迟多径效应接收设备的误差接收机天线相位中心偏移和接收机时钟接收机内部噪声的GNSS误差源分类、消除或减弱各种误差影响的方法， 模型修正法的原理：利用模型计算误差影响的大小，直接修正观测值的应用情况：误差的特性，可以建立深入理解机制和发生原因的理论和经验公式的误差源相对论效应电离层延迟对流层延迟卫星时钟差限制：一些误差通过求出观测值之间一定方式的相互差异， 难以消除或消除差异观测值中包含的相同或类似误差影响的应用；误差存在强空间、时间或其它类型的相关性。 对象误差源如电离层延迟对流层延迟卫星轨道误差限制：空间相关随着气象站距离的增加而减弱参数法原理：采用参数估计方法求系统偏差求适用情况：几乎适用于任何情况限制：不能同时估计所有影响作为参数， 电离层延迟(Ionosphere )、 常用电离层延迟修正方法修正分类经验模型的方法：根据过去的观测结果建立的模型修正效果：差二频修正方法：利用二频观测值直接计算延迟修正或无电离层延迟的组合观测的测定效果：修正效果最好的实测模型修正方法：实际观测得到的离散电离层延迟(或电子含量) 利用创建模型(例如内插)的效果：具有良好修正效果的对流层时延常用模型修正阶段修正模型沙坦蒙(Saastamoinen )修正模型Black(Black ) 不同修正模型计算的高度角在30个以上方向上延迟差不大的Black模型，可以视为Hopfield模型的修正形式Saastamoinen模型和Hopfield模型的差异大于Black模型的类型和Hopfield模型多径误差、多径误差或GPS测量产生所谓的“多径误差”，其中，由被测量站附近的物体反射的卫星信号(反射波)由接收机天线接收，干扰来自卫星的直接信号(直接波)，观测值偏离真值。 多径效应通过多径的信号传播而产生的干扰延迟效应称为多径效应。一种处理多径误差的方法包括：硬抵抗多径误差的仪器设备的多径天线：路径抑制板或带路径抑制环的天线等观测上选择适当的站点，避免在容易产生多路径的环境数据处理上的加权，参数法、滤波法、信号分析法、容易产生多路径的环境、组合观测值的一般特性电磁波的一般特性、5 .观测值间的线性组合、组合观测值的一般特性(续) 频率特性波长特性全周未知数特性、两个载波(L1，L2)观测值之间的线性组合、宽通道组合观测值(wide-lane)(n=1，m=-1 )、某些特殊组合观测值电离层无影响的组合观测值(iono-free )、某些特殊组合观测值、 6 .一种全周未知数N0的确定、全周未知数(全周歧义)、载波相位歧义的确定方法，1 .在观测值区域中的搜索技术通过使用接收机的伪距观测值(特别是p码伪距观测值和相位观测值的组合)进行平滑化，来确定全周未知数。 (双频带p编码方法)2.如果坐标区域中的搜索技术初始坐标估计足够准确，则可以利用这些初始坐标来估计全周模糊度，如果初始坐标偏移，则不能通过坐标直接确定全周模糊度。 (模糊度函数法)3.估计的模糊度区域内的搜索技术首先使用所有观测值进行平差处理，得到基线矢量和模糊度参数的浮点解，得到模糊度方差协方差矩阵。 根据模糊度参数的精度信息构建搜索空间，寻找使残差平方和最小的整数模糊度参数的组合。 在基于统计检验的确认过程中，探索模糊度，得到基线矢量的固定解。 (FARA、FASF、LAMBDA、QIF )、7 .跳频的检测和修复。如果由于某种原因而载波相位观测值的全周计数器的累计操作被中断，则在恢复累计之后的所有计数器均包含相同的偏差。该偏差通常为在该中断时段期间丢失的全周频率。 周转周转周转周转周转周转周转周转周转周转周转周转周转周转周转周转周转周转周转周转周转周转周转周转周转周转周转周转周转和修复方法的高阶由于载波组合法电离层残差法卡尔曼滤波冗馀观测值法三差分小波分析法、8差分GNSS技术、差分GNSS的基本原理差分观测值的定义和种类差分GNSS的分类、差分GPS的基本原理、误差的空间相关影响GNSS定位误差的多径效应具有很强的空间相关性，因此定位结果也具有一定的空间相关性差分GPS的基本原理是利用基站(坐标被正确地设置在已知点)来测量空间相关的误差或对测量结果的影响，并且移动站修改观测值或测量结果的差分修改数的类型的距离修改数位置(坐标修改数)修改数观测值修改数、差分观测值的定义和类型差分观测值的定义，以及， 通过某种方法求出相同频率的GPS载波相位观测值的差而得到的新组合观测值(虚拟观测值)差分观测值的特征在于，在删除某个不重要的参数、删除或减弱对保留参数的决定产生大的负面影响的因素而求出差分的方式的站之间求站间差(站间差分)差的方式的同步观测值求接收机间差的数学形式的特征，卫星时钟差的影响减弱电离层的折射的影响，对流层的折射的影响减弱卫星轨道误差的影响，求星间差(星间差分)， 求差方式的同步观测值求卫星间差的数学形式的特征消除接收机时钟差的影响，求日历间差(日历间差分)的差分方式观测值求日历间差数学形式的