GNSS卫星定位原理与应用第一章教学课件章

1、GNSS卫星定位原理及应用（Principles and Application of GNSS）一、关于GNSS及产业1.GNSS- Global Navigation Satellite System2.内涵:包含四大导航系统及相关产业、产品及服务BDS(BeiDou(Compass) Navigation Satellite System)GALILEOGLONASSGPSGPS(Static Positioning)CORS GPS(Continuous Operational Reference System)RTK GPS(Real Time Kinematic GPS)第1页，共

2、39页。3. 产品、服务产品：芯片、接收机及导航定位应用服务产品服务：自主或借助移动互联网进行导航定位第2页，共39页。二、卫星定位技术的发展卫星定位技术经历了下列两个阶段:（1）卫星仅是空间观测目标 这时阶段也称卫星三角或卫星测距阶段，20世纪5070年代，主要用于大地网建立。（2）卫星是飞行中的已知点 又分为：子午卫星（美，6颗星）和CICADA（前苏联，12颗星）定位； 20世纪5080年代初全球卫星定位系统GNSS，目前运行或在建的系统有四套；70年代初今第3页，共39页。三、GNSS四大系统概述1.美国GPS系统1973年12月，美国国防部(DOD-Department of Def

3、ense)批准其陆海空三军联合研制新的卫星导航系统GPS 系统建设：1973年12月以后，GPS分三个阶段建设：1）方案论证：1974-1978年2）系统论证：1979-1987年3）生产实验：1988-1993年4月1995年4月27日正式宣布：GPS系统具备全部动作能力FOC（Full Operation Capability），至此已投入超过200亿美元的资金。第4页，共39页。系统构成：卫星星座、地面控制和监测站、用户设备三部分1）卫星星座：卫星数为21+3，分布在6根轨道上，轨道平均高度20200Km轨道倾角为55度，运行周期为恒星时11h58min载波频率L1=1575.42MHz

4、、L2=122760MHz星载高精度原子钟四台现代化改造后将增加民用、军用频道各一个，卫星数量将达30颗以上第5页，共39页。GPS实际在轨卫星数一般可达30颗以上，设计寿命7年，实际达11.5年， 2013年初在轨31颗。GPS信号传播采用码分多址技术模式GPS星座的最新动态 在2010年、2011年和2012.12月，GPS系统增加了按新功能要求设计的GPS卫星-GPS IIF卫星共3颗（波音公司），3颗卫星一同加强星座能力，改善抗干扰能力并提高导航精确度，之后GPS系统还将有9颗（共12颗）GPS IIF卫星在2013年发射并运行。GPS IIF卫星上增加了第三个民用L5信道，这是GPS

5、系统为商业航线运行和搜救任务提供支持的一个专用通道。第三代GPS卫星BLOCK 正在设计中，其设计寿命为20年，星载原子钟精度达到10-14秒。 第6页，共39页。第7页，共39页。2）地面控制部分:一个主控站、三个注入站、五个监测站第8页，共39页。GPS系统星-地运行示意图第9页，共39页。3）用户部分:各类型接收机第10页，共39页。工作中的Trimble4600LS测量型接收机-晋煤集团某矿4）民用信号下，GPS单点定位精度： 510米；军用信号下，精度为12米。 （均指单点定位或称绝对定位精度）5）GPS系统的外部增强系统WAAS（Wide area augmentation sys

6、tem）CORS (Continuous Operational Reference System)第11页，共39页。普及型使用的主要是地基增强系统CORS，现也被称作连续运行卫星定位综合服务系统，可使用户获得cm级实时定位精度第12页，共39页。CORS的两种主要定位模式第13页，共39页。我国多个省区建立了CORS网络CORS网络定位精度：实时差分GPS精度为cm级静态定位可优于1cmCORS GPS特点初始化速度更快，享受网络RTK更高的精度，网络基站差分更大的范围，手机和卫星覆盖消除RTK GPS测量中的电台信号死角，摆脱电台通讯的影响基站无人值守，全天候作业第14页，共39页。6）

7、坐标系统：WGS847）星历形式：开普勒根数及其摄动改正参数8）时间系统：GPST第15页，共39页。2.俄罗斯GLONASS系统（ Global Navigation Orbit Satellite System ）1）发展简史1982.10.12发射第一颗试验卫星1996.01.18开始正常运作，之后经历星座缺失再补，现正常运行2)卫星星座由24+1颗星构成，分布在3根轨道上，轨道倾角64.8度，轨道间夹角120度，轨道平均高度19100km，运行周期11h 15min 44s，因轨道倾角大，高纬度区域可视性好卫星载波频率：卫星信号传播采用频分多址技术模式；L1频率区间1.6021.616

8、MHz；L2频率区间1.2461.256MHz新一代GLONASS K卫星除原有频分多址频信号外，增加了码分多址的L1、L2、L3信号，以增强与其它系统的兼容性，卫星设计寿命10年，并极大提高了卫星钟精度至10-14秒级，重996kg第16页，共39页。3)地面控制系统地面控制站组（GCS）：1个地面控制中心（莫斯科），1个指令跟踪站另有地面同步器，遥测遥控站，外场导航控制设备第17页，共39页。4）用户接收机5）定位精度：目前GLONASS已实现信号全球覆盖，定位精度5.6m；计划在2015年达到1.4m，2020年达到 0.6m（均指单点定位或称绝对定位精度） ；自2013年起，至2020

9、年将发射13颗GLONASS-M和22颗GLONASS-K卫星，以更新的提高GLONASS的服务水平。6）特点：系统抗干扰能力强7）坐标系统：PZ-908）星历形式：GLONASS星在PZ-90系统中的三维位置、速度及相关的摄动改正项、加速度项注意：这一点与GPS系统是不同的。9）时间系统：GLONASST时间系统，时间原点与UTC相差3h（GPS时间与UTC相差为整数跳秒），时间尺度与ATI相同。第18页，共39页。服务：提供系统自主无源定位信号提供增强差分信号：通过俄Luch-5A同步轨道卫星（空基增强系统）所携带的差分校正监测转换器（SDCM），于2012年底开始发送差分信号（先提供GP

10、S差分信号，之后增加GLONASS差分信号）第19页，共39页。附：PZ-90坐标系统坐标系统名称：PZ-90坐标系，CTS系统。基准（椭球）平均半径Re=6378136m地球自转角速度=0.000 072 921 15rad/s地球引力常数GMe=398 600.4km3/s2地球重力场系数 -0.001 082 63第20页，共39页。3.欧洲Galileo系统 （Galileo Navigation Satellite System）1）星座27+3星座由中等高度（MEO）卫星27+3颗组成。轨道均高23616km，分布在3根轨道上，毎根轨道上有10颗卫星。目前，有部分卫星在轨运行，卫星

11、重625kg，设计寿命15年。轨道圴高23616km，轨道倾角562)地面监控部分30个监测站，5个遥测、遥控和跟踪站，5个C波段注入站，2个控制中心，1个互联网的高性能通信网络3）用户部分 Galileo或与其兼容的接收机4）服务 提供下列5种服务提供无偿公开服务（Open Service)：精度：4m(平面)，8m(高程)；付费商业服务（Commercial Service)精度：10cm；公共规范服务（Public Regulated Service）为国际民航组织（ICAO）和国际海事组织（IMO）提供生命安全服务（Safety of Life Service）基于国际搜救系统（CSS

12、）的全球搜索救援服务（SAR)。第21页，共39页。第22页，共39页。2012年12月27日北斗系统投入对亚太地区的服务运营1）空间段由5颗GEO（地球同步轨道）卫星和30颗非同步轨道 MEO（中高轨道）、IGSO（极轨卫星）卫星组成，设计寿命8年卫星原子钟精度1/2000万秒，信号传播采用频分多址技术2）地面段主控站、监控站注入站构成3）用户段接收机、广域增强系统地基增强系统4.BDS系统(BeiDou(Compass) Navigation Satellite System)第23页，共39页。4）定位精度：民10米，军用可达1米（均指单点定位或称绝对定位精度） 5）特点：双向短报文功能

13、36）坐标系统：CGCS2000第24页，共39页。BDS建设历程第一步：BDS试验系统于2003年建成，星座由三颗同步轨道静止卫星（GEO）构成，目前第一步已完成第25页，共39页。第二步：建设BDS区域网，覆盖东亚地区，星座由16颗卫星构成，其中14颗提供服务；14颗服务星的构成：5颗GEO5颗IGSO4颗MEO区域网系统已于2012年12月27日投入运行 ，已经具备为整个亚太地区提供正式服务的能力。第26页，共39页。第三步：2020年之前建成BDS系统的全球系统。BDS与美国的第二代GPS基本相当，水平方向优于10米，高空方向优于15米，测速精度优于0.2米/秒。第27页，共39页。第

14、28页，共39页。第29页，共39页。第30页，共39页。第31页，共39页。BDS系统标志图第32页，共39页。四、目前我国卫星已采用的较先进卫星技术：空间新型数字三轴稳定系统；液浮速率陀螺取代了二自由度机械陀螺；超大规模集成电路双机热备份电脑进行姿态控制；遥控分系统指令容量大大增强；指令加密由简单固定编码改为二次组合编码；遥控数据传输通道；遥测分系统采用微机可编程形式；遥测信号下行通道能以中高速率实时传送参数；跟踪测轨分系统的单脉冲雷达应答机具有了多站触发功能，以多站交汇测轨提高精度；采用长焦距、大视场、高精度钛合金摄影测量物镜，视场大于七十度第33页，共39页。五.GPS系统的进展综合G

15、PS系统的主要制造商美国Boeing和Lockheed Martin公司消息：两公司正在建造GPS IIF卫星和研制GPS 代星，用以改进现有GPS星座（28颗）。GPS IIF卫星卫星将使GPS的性能发生质的飞跃：新增L5商用信号通道，信号容量增加到原来的3倍；定位精度会大幅提高；系统信号传播速度更快；星上的原子钟更精确，精度达到1/10亿秒；使用了新的抗干扰技术；其它关于GPS系统的信息GPS现在使用的旧型号卫星实际使用寿命大于11.5年； GPS 三代星BLOCK 研制进展顺利，设计寿命20年，在抗干扰能力、信号传输速度、可达到的定位精度（特许用户可达到的精度）等主要技术指标方面将有更大

16、突破第34页，共39页。GPS终端设备与手机集成率高达80%相对于BDS，GPS芯片体积更小，耗电水平更低仍稳定占有90%的GNSS市场，在中国则超过95%关于GPS系统卫星更新信息截止2012年底，GPS IIF卫星已经发射三颗，如现有计划不改变的话，将现有的GPS星全部升级至GPS IIF，需到2020年左右；届时，GPS星座将由30颗GPS IIF 星构成。如果获得批准，2014年后美国将不再发射GPS IIF卫星，而是直接升级至GPS 代星BDS二代与现有的GPS比较，仅从定位精度数据上看，北斗二代的精度与现有的GPS基本相当，但到2020年时，如果北斗系统仅是实现全球覆盖，系统技术水

17、平不能同步提升的话，BDS与GPS同精度可能成为过去式。第35页，共39页。中国在卫星应用领域目前还存在的不足1.发射失败率（综合后），美欧日为2%，俄罗斯3%，中国为6%；2.卫星寿命中国为8年左右，俄罗斯10年以上，美欧日等20年以上；3.对地观测分辨率中国仍停留在数米级，俄、印等米级，美欧日为分米级；4.深空无线数据传输率中国仍落后于欧美；5.卫星用原子钟精度仍与国际先进水平有一个数量级精度的差距；第36页，共39页。六、GNSS定位相对于常规定位的特点：1、测站间无需能视2、定位精度高3、观测时间短4、提供三维坐标5、操作简便6、全天侯作业第37页，共39页。六、 GNSS在测绘领域的应用情况：1、完全取代三角网测量技术，成为测绘的核心技术，引起了测绘领域的革命性变化。2、在测绘领域应用全面而广泛，测绘与GPS已不分彼此，GPS导航定位的全部功能在测绘中都有应用3