GNSS基础知识-PPT课件

1、GNSS基础知识简介,赵新峰,集思事业部华东分公司,GPS定位技术概述,英文全称是 NAVigation Satellite Timing And Ranging Global Position System（导航星测时与测距全球定位系统），简称 GPS ，有时也被称作NAVSTAR GPS。 美国国防部负责开发 空基全天侯导航定位系统 用以满足军方在地面或近地空间内获取目标或载体的位置、速度和时间信息的要求 同时也可为民间用户提供类似但受限的免费服务,GPS的组成部分,GPS系统由三部分组成 1、空间部分 （Space Segment） 2、地面控制部分 （Ground Segment） 3

2、、用户设备部分 （User Segment,空间部分：提供星历和时间信息发射伪距和载波信号提供其它辅助信息,用户部分：接收并测定卫星信号记录原始数据得到导航定位信息,地面控制部分：解算中心控制参数实现时间同步跟踪卫星并进行定规,GPS的组成部分,GPS的系统组成：空间部分,GPS卫星星座 设计星座：21+3 21颗正式的工作卫星+3颗活动的备用卫星 6个轨道面，平均轨道高度20200km，轨道倾角55，周期11h 58min（顾及地球自转，地球-卫星的几何关系每天提前4min重复一次） 保证在每天24小时的任何时刻，在高度角15以上，能够同时观测到4颗以上卫星,GPS的系统组成：地面控制部分,

3、GPS的地面控制部分 组成： 主控站（1个） 监测站（5个） 注入站（3个） 作用： 监测和控制卫星运行 编算卫星星历（导航电文） 保持系统时间,GPS的系统组成：用户部分,组成 GPS信号接收机及辅助设备 作用 跟踪、捕获卫星信号 进行信号处理 测定位置、速度和时间 GPS信号接收机的构成 天线单元 接收单元,GPS信号,载波（Carrier Phase） 测距码（Ranging Code） 导航电文（Navigation Message/Data Message,GPS信号的基本组成部分（信号分量,GPS信号结构：载波,载波 作用：搭载其它信号，也可用于测量（测距）。 类型 目前 L1：频

4、率：1575.43MHz，波长：19cm L2：频率：1227.60MHz，波长：24cm 现代化后增加 L5：频率： 1176.45MHz，波长：26cm,GPS信号结构：测距码,测距码 属于伪随机噪声码 PRN码（Pseudo Random Noise ） 类型（目前） C/A（C1） 码速：1.023MHz 码元长度：293m P(Y)1、 P(Y)2 码速：10.23MHz 码元长度：29.3m 现代化后增加 C2 M1、M2(军用码,GPS信号结构：导航电文,导航电文 码速：50bps 内容： 广播星历（导航信息） 卫星钟改正 历书（概略星历） 电离层信息 卫星健康状况,小知识,你知

5、道吗？ GPS卫星信号由两万公里以500W 传送，到达地面仅剩10-13W 除了大家熟知的L1、L2、L5外，GPS卫星还拥有L3、L4信号： L3 (1381.05 MHz) 美国国防部用来探测导弹发射、核爆炸以及其他高能量红外线事件。 L4 (1841.40 MHz) 正被研究提供更多的电离层改正,在同一平面上，通过测量到两个已知点的精确距离，可以精密地确定出平面位置,P,Q,我的位置应该在P点或Q点,GPS定位原理,如何在三维空间中得到位置坐标,如果能够精确测定出观测者到三个参考点（参考点的坐标已知）的距离D，那么观测者必然处在以这三个参考点为圆心，以观测距离（D1、D2、D3）为半径的

6、三个球体的交点上,也就是说，只要知道三个已知点的坐标，知道一个未知点分别到这三个已知点的距离，就能把这个未知点的位置（即空间坐标）确定下来。 这种定位方法称为距离交会法,GPS定位原理,GPS定位原理,GPS定位本质：距离后方交会,理论上，三颗卫星就能够确定地面卫星接收机的位置,三颗卫星在三维空间中其实有两个交点，但一个在太空，一个在大气层内,GPS定位是通过GPS 接收机同时接收 4 颗以上的GPS卫星发出的信号来测定接收机在地球上的位置,四颗卫星可以确定一个点坐标,为什么必须是4 颗星才能定位 ？难道3颗不可以吗,备注：定位原理其实就是距离后方交会，简单地讲，就是天上卫星的位置已知，GPS

7、接收机把它到这些卫星的距离测出来，然后通过距离公式把坐标反算出来，但是具体的实现方式不同类型的GPS都不同，比如有伪距定位和载波相位定位等等,GPS定位原理,GPS定位原理,解算方程,卫星位置坐标，已知量,接收机位置坐标，未知数,卫星到接收机的距离，待观测量,测距方法：伪距测量、载波相位测量,接收机钟差，未知数,四个未知数，至少需要四组方程，即需要四颗观测卫星,伪距测量,伪距测距是根据接收到得C/A码和电文内容，通过信号的发射和接收时间差的计算，从而算出卫星和接收机的距离，但由于卫星时钟和接收机存在的钟差，因此计算出来的距离并不是真实的值，所以称为伪距,载波相位测量,t i 是首次观测时刻，其

8、相位为FI(ti)（范围在0-360之间）, Fi(tj)是tj 秒观测的相位值（范围任意），则ti 和tj 之间的距离可以表达为两个相位差与波长的乘积,载波测距原理,GPS定位的特点,作业范围：全球地面覆盖，无须通视 作业时间：实时，全天候 成果精度：精度高 劳动强度：自动化程度高 三维坐标：真三维坐标,GPS定位模式,定位模式 绝对定位（单机定位） 相对定位（差分定位） 定位时接收机天线的运动状态 静态定位 动态定位 获得定位结果的时效 事后定位 实时定位 观测值类型 伪距测量 载波相位测量,绝对定位（单机定位,相对定位（差分定位,已知：卫星坐标 观测：至少8个距离、相位。 待求：基线AB

9、的(X, Y, Z)、( B, L, H) 精度：伪距1m,相位 1cm甚至mm,卫星定位技术的发展,目前热点技术,非差相位精密单点定位技术 结合广域差分技术和单点定位技术。 要求：精密卫星轨道、卫星钟参数。 定位精度：0.1-0.5 m 网络RTK定位技术 结合RTK和基准站技术 要求：在区域内架设多个基准站 定位精度：0.01-0.05m（水平实时,GPS观测精度分布谱,GPS测量定位的主要误差来源,与卫星有关的误差 卫星轨道误差 卫星钟差 相对论效应 与传播途径有关的误差 电离层延迟和折射 对流层延迟和折射 多路径效应 与接收设备有关的误差 接收机天线相位中心的偏差和变化 接收机钟差 接

10、收机内部噪声,GPS测量定位的主要误差源,GPS差分技术概述,差分GPS产生的诱因：绝对定位精度不能满足要求 GPS绝对定位的精度受多种误差因素的影响，完全满足某些特殊应用的要求 美国的GPS政策对GPS绝对定位精度的影响（选择可用性SA） 差分GPS（DGPS Differential GPS） 利用设置在坐标已知的点（基准站）上的GPS接收机测定GPS测量定位误差，用以提高在一定范围内其它GPS接收机（流动站）测量定位精度的方法,差分GPS的基本原理,误差的空间相关性 以上各类误差中除多路径效应均具有较强的空间相关性，从而定位结果也有一定的空间相关性。 差分GPS的基本原理 利用基准站（设

11、在坐标精确已知的点上）测定具有空间相关性的误差或其对测量定位结果的影响，供流动站改正其观测值或定位结果 差分改正数的类型 距离改正数：利用基准站坐标和卫星星历可计算出站星间的计算距离，计算距离减去观测距离即为距离改正数。 位置（坐标）改正数：基准站上的接收机对GPS卫星进行观测，确定出测站的观测坐标，测站的已知坐标与观测坐标之差即为位置的改正数,差分GPS的分类,根据时效性 实时差分 事后差分 根据观测值类型 伪距差分 载波相位差分 根据差分改正数 位置差分（坐标差分） 距离差分 根据工作原理和差分模型 局域差分（LADGPSLocal Area DGPS） 单基准站差分 多基准站差分 广域差

12、分（WADGPSWide Area DGPS,位置差分和距离差分的特点,距离差分 差分改正计算的数学模型简单 差分数据的数据量少 基准站与流动站要求观测完全相同的一组卫星 位置差分 差分改正计算的数学模型较复杂 差分数据的数据量较多 基准站与流动站不要求观测完全相同的一组卫星,主要GPS差分技术,局域差分 单站局域差分：DGPS，RTK 多站局域差分：Multi Base RTK 网络局域差分：MAC，VRS，FKP，CBI 广域差分 应用热点,主要差分方法-单基准站局域差分,结构 基准站（一个）、数据通讯链和用户 数学模型（差分改正数的计算方法） 提供距离改正和距离改正的变率 特点 优点：结

13、构、模型简单 缺点：差分范围小，精度随距基准站距离的增加而下降， 可靠性低,主要差分方法-多基准站局域差分,结构 基准站（多个）、数据通讯链和用户 数学模型（差分改正数的计算方法） 加权平均 偏导数法 最小方差法 特点 优点：差分精度高、可靠性高，差分范围增大 缺点：差分范围仍然有限，模型不完善,主要差分方法-广域差分,结构 基准站（多个）、数据通讯链和用户 数学模型（差分改正数的计算方法） 与普通差分不相同 普通差分是考虑的是误差的综合影响 广域差分对各项误差加以分离，建立各自的改正模型 用户根据自身的位置，对观测值进行改正 特点 优点：差分精度高、差分精度与距离无关、差分范围大 缺点：系统

14、结构复杂、建设费用高,应用热点,增强型系统 特点 伪卫星技术 卫星通讯技术 类型 LAAS Local Area Augmentation System 采用地基伪卫星 WAAS Wide Area Augmentation System 采用空基伪卫星 采用通讯卫星发送差分改正数,应用热点,VRS Virtual Reference Station 作业模型类似RTK 原理 利用基准站网计算出用户附近某点（虚拟参考站）各项误差改正，再将它们加到利用虚拟参考站坐标和卫星坐标所计算出的距离之上，得出虚拟参考站上的虚拟观测值，将其发送给用户，进行实时相对定位。 特点 精度和可靠性高 属网络RTK,

15、RTK技术,RTK技术： RTK（Real Time Kinematics）：利用载波相位进行实时定位，属于距离差分。 RTK算法本质上是静态相对处理：单差，双差。 RTK技术的关键是动态双差整周模糊度搜索和定位可靠性。 FARA技术 LAMDA技术 双频P码技术 OTF 技术,RTK类型,类型： 载波相位差分 基准站发送未改正的观测值 RTCM SC-104数据报文 18，19 精度：厘米级 准载波相位差分 基准站发送载波相位改正值 RTCM SC-104数据报文 20，21 精度：分米级,RTK系统,RTK系统 基准站单元，数据链单元，流动站单元,RTK系统-基准站,基准站 要求：双频，具有RTK差分基准站数据输出功能，带有可抑制多路径效应的天线。 观测值：P1，P2，L1，L2 采样率：根据实际要求，一般要求1S或以上。 输出：自定义格式、RTCM SC104标准格式或CMR +。 结构：GPS接收机、天线、数据发播设备,RTK系统-流动站,流动站 要求：双频，具备RTK差分功能 观测值：P1、P2、L1、L2 采样率：根据实际