GNSS基本原理、差分原理、误差等

1、GNSSGNSS基本原理、差分原理、基本原理、差分原理、误差误差北京天恒昕业第一期技术培训目录目录 1.GNSS系统 2.GPS发展差分定位原理 3.GPS GNSS增强系统 4.卫星运动及GPS卫星星历 5.GPS现代化 6.GPS测量定位的误差源一、一、GNSS的定义的定义 全球卫星导航系统全球卫星导航系统(GNSS): (Global Navigation Satellite System)是一种以卫是一种以卫星为基础的无线电导航系统，系统可提供时间星为基础的无线电导航系统，系统可提供时间/空间基准空间基准和所有与位置信息相关的实时动态信息，又称天基系统。和所有与位置信息相关的实时动态信

2、息，又称天基系统。GNSS GPS ?二、二、GNSS构成构成 CompassGPSGalileoGLONASS1、美国、美国GPS系统系统 美国的全球卫星定位系统美国的全球卫星定位系统（Global Positioning System GPS）。主要参数：主要参数：24（21+3）颗卫星，现有31颗；6个近圆轨道，平均高度20200KM；轨道面与赤道面夹角55；运行周期为11小时小时58分分；基准频率铷钟和铯钟铷钟和铯钟，(D码、码、C/A码、码、P码、码、L1与与L2载波载波)。单点水平定位精度约10米米。2、俄罗斯、俄罗斯GLONASS系统系统 俄罗斯的全球卫星导航系统俄罗斯的全球卫星

3、导航系统（GLObal Navigation Satellite System GLONASS）主要参数：主要参数：24（21+3）颗卫星，现有23颗；3个近圆轨道，平均高度19100KM；轨道面与赤道面夹角65；运行周期为11小时小时15分分；频率基准铯钟铯钟，包括S码、码、P码、码、L1与与L2载波载波；单点水平定位精度约16米米。3、欧盟、欧盟GALILEO系统系统 欧盟欧盟Galileo的全球卫星导航服务系统的全球卫星导航服务系统（ GALILEO Satellite Navigation System ）。主要参数：主要参数：30（27+3）颗卫星；3个圆轨道，平均高度24126KM

4、；轨道面与赤道面夹角56；单点水平定位精度约1米；米；民用控制。民用控制。4、中国北斗（、中国北斗（CMPASS）系统）系统 中国北斗卫星导航系统中国北斗卫星导航系统（BeiDou (COMPASS) Navigation Satellite System）主要参数：主要参数：颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星，静止卫星分布为：58.75 E、 80E、110.5 E、140 E &160 E；30颗非静止轨道卫星由27颗中轨(MEO)卫星和3颗倾斜同步(IGSO)卫星组成，MEO卫星分布在倾角为55度的3个轨道平面上，轨道高度为21500公里。单点水平定位精度约10米；米；双向短信短信服务

5、。GPS系统发展过程 第一阶段（1973-1979）：方案论证 初步试验、发射四颗试验卫星、试验样机研制、建立地面跟踪站网 第二阶段（1979-1987.）：试验阶段 发射7颗试验卫星、地面跟踪站网完善、接收机研制、试验观测（导航、授时和测量应用）。 第三阶段（1994- .）正式投入运行 1989年2月4日第一颗工作卫星发射，1993年底24颗 工作卫星全部升空，完成组网1994年投入全面运行。 目前有在轨工作卫星27颗GPS系统的技术特点系统的技术特点 全球任何地方任何时间均可观测到4颗以上卫星-可以提供24小时的连续的三维导航定位服务 全天候，不受天气条件的限制 定位精度高：单点定位（导

6、航）2-6米，静态相对测量（大地测量）10-6-10-9 操作简便、重量轻、体积小、耗电省 功能多、应用范围广GPS测量方法单点定位C/A码单点定位 15-25米（5.7M)P-码单点定位 1-3米2.相对定位模式载波相位实时差分(RTK) 厘米级 伪距实时差分(RTD) 亚米级静态相对定位 （1到1.5个小时） 毫米-厘米级快速静态定位(5-10分钟) 厘米级相对动态定位（一分钟左右 后处理 ）厘米-分米级相关产品定位精度我们的仪器都以进行码差分GPS伪距测量原理（码差分）GPS载波相位测量原理GPS单点定位原理 已知点-卫星位置(X,Y,Z) 未知点-地面点或其他待测点(x,y,z) 观测

7、量-卫星到接收机天线的距离(R) R=电波传播时间x光速 观测方程: R2=(X-x) 2 +(Y-y) 2+(Z-z) 2+(tc) 2 四个方程解四个未知数：观测四颗以上卫星才能求出三维坐标基准站位置已知，对卫星进行伪距观测* 伪距改正数=计算伪距-观测伪距* 电台传送伪距改正数流动站对卫星进行伪距观测* 流动站接收基准站电台传送的伪距改正数* 改正后的伪距=观测伪距+伪距改正数* 流动站接收用改正后的伪距计算位置特点：*需要数据链进行实时传送伪距改正*实时定位数据可达亚米级精度DGPS(RTD)定位原理RTK定位原理 基准站位置已知，对卫星进行载波相位观测* 基准站电台将观测的每一颗卫星

8、的载波相位观测量调制到电台的载波上发射传送 流动站对卫星进行载波相位观测*流动站接收基准站电台传送的载波相位观测量*流动站利用OTF技术将电台接收到基准站的载波相位观测量和本机的载波相位观测量进行处理计算，求出观测时刻的位置 特点：*需要数据链进行实时传送载波相位观测量*实时定位数据可达厘米级精度单基站单基站单基站工作原理：将一台GPS 接收机安置在一个点上，这个点可以是控制点，也可以是未知点，长时间观测后，会得一个相对比较准的坐标值，同时得到一个差分改正值，另外一台gps接收机作为流动站，未知点坐标，通过电台或者是其他通信网络，实时的将差分改正值发送到流动站，流动站根据这些改正值，得到一个比

9、较准确的坐标值定位模式为：相对定位模式VRS VRS工作原理：是指由若干个固定的、连续运行的GPS参考站，利用现代计算机、数据通信和互联网技术组成的网络，实时地向不同类型、不同需求、不同层次的用户自动地提供经过检验的不同类型的GPS观测值(载波相位，伪距)，各种改正数、状态信息，以及其他有关GPS服务项目的系统 以河南cors 为例，全名为河南省地质信息连续运行采集系统，全省共计分部了50个GPS基准站,全部采用天宝的产品。GPS应用应用 导航-海陆空导航、近场着陆，车辆跟踪、调度和管理、航空器和弹道制导监控 授时校频 测量应用 各种等级的大地测量、控制测量、GIS 道路和线路放样 水下地形测

10、量 地壳形变、大坝和大型建筑物变形测量 GIS应用 大型机械控制-铺路机、挖掘机、轮胎吊等一.GPS GNSS增强系统什么是GPS GNSS增强系统 GPS本身常常无法提供足够的性能，尤其是在需要高度完整性的苛刻环境中。通过使用各种来源提供的增强信息，GPS/GNSS的精度和完整性可以得到大幅度的增强。GPS/GNSS增强系统在实际使用中有多种形式，但它们的共同原理都是提供辅助信息，而其最终的目的是改善GPS/GNSS的性能和/或可靠程度。 天基增强系统（SBAS） 天基增强系统（SBAS）的目标是改善 GPS/GNSS系统的完整性和 精度，主要用于飞行器导航， 尤其是在飞机的着陆阶段。 SB

11、AS卫星会向地球广播修正消息，使接收机可以利用此类信息来改善精度和完整性。美国、欧洲和亚洲都在开发自己的SBAS系统天基增强系统 在欧洲，欧洲对地静止导航覆盖服务（EGNOS，European Geostationary Navigation Overlay Service）系统现已建成并开始运行。 美国的广域增强系统（WAAS,Wide Area Augmentation System） 日本的多功能卫星增强系统（MSAS,Multi-functional Satellite Augmentation System） 及印度的GPS辅助地理增强导航（GAGAN,GPS Aided Geo A

12、ugmented Naviagtion）系统都已经进入不同的开发和应用阶段。陆基增强系统（GBAS） GPS增强技术的替代方法之一是从陆基增强系统发送完整性和修正消息。这方面一个典型的例子就是局域增强系统（LAAS），该系统使具有相应配备的接收机能够在局部区域内计算出更高的精度和完整性SBAS和GBAS模拟的优势 对于SBAS和GBAS而言，模拟是实现认证和型号审批应用的理想途径。此类模拟提供的受控和可重复信号可确保具体的测试条件能够在不同的被测单元上得到重现。此外，通过模拟可对安全案例进行测试，其中包括已发送信号中的各类错误或异常。在这些情形下进行测试可确保我们能够理解和验证被测系统在处置这

13、些异常条件的能力。卫星运动概述 定义 卫星在空间运行的轨迹称为轨道，而描述卫星轨道位置和状态的参数，称为轨道参数。轨道误差会直接影响所求用户接收机位置的精度。 意义 满足精密定位的需要 制定GPS测量的观测计划 便于捕获GPS卫星信号卫星运动 影响卫星轨道的因素及其研究方法 为了研究工作和实际应用的方便，将各种作用力按其影响分为两类： 中心力假设地球为匀质球体的引力 非中心力摄动力，包括地球非球形对称的作用力、日月引力、大气阻力、光辐射压力、地球潮汐力卫星运动 影响卫星轨道的因素及其研究方法 对应两类作用力，产生了两种研究方法 无摄运动忽略所有摄动力，仅考虑地球质心引力 受摄运动在二体问题基础

14、上，再加上摄动力来推求卫星运动轨道卫星运动卫星高度 卫星高度分成地面高度和轨道高度。 卫星的地面高度（飞行高度），是卫星在轨飞行时离开地球表面的距离，它随卫星的地心纬度不同而变化。 卫星的轨道高度取决于近地点和远地点的地心距的平均高度。GPS卫星的星历分类 GPS卫星星历的提供方式一般有两种：预报星历（广播星历）后处理星历（精密星历） 预报星历 预报星历，是通过卫星发射的含有轨道信息的导航电文传递给用户的，用户接收机接收到这些信号，经过解码便可获得所需要的卫星星历，所以这种星历也叫做广播星历。GPS卫星的星历 后处理星历 后处理星历，是一些国家的某些部门，根据各自建立的跟踪站所获得的精密观测资

15、料，应用与确定预报星历相似的方法计算的卫星星历。 它不是GPS卫星直接播发的，而是由第三者提供给用户的GPS星历。GPS卫星的星历 区别预报星历：用户在观测时可以通过导航电文实时地得到，这对导航或实时定位非常重要。但它是外推星历，精度较低。后处理星历：不能实时提供，而是在事后向用户提供观测时的卫星星历，避免了预报星历外推的误差。 GPS卫星现代化的提出和内涵 GPS现代化的提法是1999年1月25日美国副总统以文告形式发表的 GPS现代化实质： 要加强GPS对美军现代化战争中的支撑和保持全球民用导航领域中的领导地位。 GPS现代化内涵:一是保护,即GPS现代化是为了更好的保护美方和友好方的使用

16、,要发展军码和强化军码的保密性能,加强抗干扰能力;二是阻止,即阻扰敌对方使用,施加干扰,施加SA,AS等;三是保持,即保持在有威胁地区以外的民用用户有更精确更安全的使用。GPS定位中的误差源概述GPS测量误差的来源 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 对流层延迟 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移和变化 接收机钟差 接收机内部噪声GPS定位中的误差源 偶然误差偶然误差 内容 卫星信号发生部分的随机噪声 接收机信号接收处理部分的随机噪声 其它外部某些具有随机特征的影响 特点 随机 量级小 毫米级 系统误差（偏差系统误差（

17、偏差 - Bias- Bias） 内容 其它具有某种系统性特征的误差 特点 具有某种系统性特征 量级大 最大可达数百米消除或消弱各种误差影响的方法 模型改正法 原理：利用模型计算出误差影响的大小，直接对观测值进行修正 适用情况：对误差的特性、机制及产生原因有较深刻了解，能建立理论或经验公式 所针对的误差源 相对论效应 电离层延迟 对流层延迟 卫星钟差 限制：有些误差难以模型化消除或消弱各种误差影响的方法 求差法 原理：通过观测值间一定方式的相互求差，消去或消弱求差观测值中所包含的相同或相似的误差影响 适用情况：误差具有较强的空间、时间或其它类型的相关性。 所针对的误差源 电离层延迟 对流层延迟

18、 卫星轨道误差 限制：空间相关性将随着测站间距离的增加而减弱消除或消弱各种误差影响的方法 参数法 原理：采用参数估计的方法，将系统性偏差求定出来 适用情况：几乎适用于任何的情况 限制：不能同时将所有影响均作为参数来估计消除或消弱各种误差影响的方法 回避法 原理：选择合适的观测地点，避开易产生误差的环境；采用特殊的观测方法；采用特殊的硬件设备，消除或减弱误差的影响 适用情况：对误差产生的条件及原因有所了解；具有特殊的设备。 所针对的误差源 电磁波干扰 多路径效应 限制：无法完全避免误差的影响，具有一定的盲目性卫星钟差 定义物理同步误差数学同步误差 应对方法 模型改正钟差改正多项式其中a0为ts时刻的时钟偏差，a1为钟的漂移，a2为老化率。 相对定位或差分定位接