卫星导航课件

组合导航课程内容第一部分：导航概述第二部分：卫星导航第三部分：惯性导航第四部分：组合导航卫星导航技术GPS基础GPS现代化GPS增强系统GLONASS、GALIEO、BEIDOU精密单点定位技术（PPP）网络RTK技术（CORS）GNSS发展趋势GNSS应用参考书籍GPS定位原理GPS定位原理时间没误差时间有误差XX时间没误差时间有误差GPS系统组成空间部分：发射星历和时间信息发射伪距和载波信号提供其它辅助信息地面部分：中心控制系统实现时间同步跟踪卫星定轨用户部分：接收并处理卫星信号记录处理数据提供导航信息GPS系统空中部分GPSBlockIIASatellite试验卫星：BlockⅠ工作卫星：BlockⅡBlockⅡ：存储星历能力为14天，具有SA和AS的能力。AS(Anti-Spoofing)政策即反电子欺骗政策。它将P码与高度机密的W码模2相加形成新的Y码。其目的在于防止敌方对P码进行精密定位，也不能进行P码和C/A码相位测量的联合求解。SA（SelectiveAvailability）政策即可用性选择政策，通过控制卫星钟和报告不精确的卫星轨道信息来实现。它包括两项技术：第一项技术是将卫星星历中轨道参数的精度降低到200米左右；第二项技术是在GPS卫星的基准频率施加高抖动噪声信号，而且这种信号是随机的，从而导致测量出来的伪距误差增大。通过这两项技术，使民用GPS定位精度重新回到原先估计的误差水平，即大约100米。GPS系统空中部分GPSBlockIIASatelliteBlockⅡA：卫星间可相互通讯，存储星历能力为180天，SV35和SV36有激光反射棱镜。BlockⅡR：卫星之间可相互跟踪相互通讯。BlockⅡF：新一代GPS卫星,增设第三民用频率。GPS系统地面部分监控站主控站注入站夏威夷科罗拉多阿松森迭哥加西亚卡瓦加兰GPS系统用户部分GPS用户接收机GPS数据处理的误差源与卫星相关的误差轨道误差卫星钟差相对论效应GPS天线相位中心误差SA政策电离层延迟对流层延迟多路径效应与传播途径相关的误差接收机钟差接收机噪声接收机天线相位中心误差与接收设备相关的误差GPS卫星轨道误差和钟差GPS卫星轨道误差/index_igsacc.htmlGPS卫星钟差/index_igsacc.html相对论效应在狭义相对论效应作用下，卫星上钟的频率将变慢在广义相对论效应作用下，卫星上钟的频率将变快相对论效应对GPS卫星钟的影响:狭义相对论＋广义相对论卫星选择可用性技术(SA)卫星选择可用性技术(SA)AutonomousGPSpositionwithSAHorizontalpositionaccuracy95%=55.356m

AutonomousGPSpositionwithoutSAHorizontalpositionaccuracy95%=4.340m

GPS大气传播误差GPS多路径误差chokeringantenna接收机天线相位中心误差RadiusARPtoBGPoffsetSlopeHeighttoBGPVerticalHeighttoARPAntennaReferencePoint(ARP)BottomoftheGroundPlane(BGP)接收机天线相位中心误差Electricalmeanphasecentre(x0,y0,

z0)Meanequiphase(R0)GeometricphasecentreRealequiphaseResidualsKleusberg[1987]InstantaneousPhasecentreGeometricphasecenterisgivenbythemanufacturerInstantaneousphasecentreisthepointwherethesatellitesignalisrecordedbytheantenna.Itisdifferentforeachepochandeachsatellite.Electricalmeanphasecentreistheresultofthecalibration.ItistheaverageofInstantaneousphasecentresforthewholeepochsandsatellites(leastsquares).

Residualsisthedifferencebetweentherealequiphase(trueequiphase)andthemeanequiphase(leastsquares:radiusofthesphereofbestfit).

接收机天线相位中心误差DirectionofsatellitesignalInstantaneousphasecentreMean

phase

centreGeometricphasecentreZYXeFmeFrPmErrorofGPSphase=eFm+eFrGPS卫星相位中心检校GPS卫星相对相位中心检校GPS卫星绝对相位中心检校GPS卫星相位中心检校IGS从1998年开始使用相对天线相位中心模型IGS01,但是相对相位中心改正假定参考天线（AOAD/M-T型天线）的天线相位中心变化（PCV）为0,通过短基线测量得到其他天线类型的PCV。而实际上，参考天线的PCV值并不为0,而且难以估计10度高度角以下的天线相位中心变化，当天线旋转或者倾斜的时候，模型的精度难以保证.自2006年11月开始，IGS使用绝对相位中心模型IGS05代替相对相位中心模型。该模型考虑了卫星天线相位中心变化，并考虑了接收机天线的方位角、卫星高度角的影响.5m1.8mNorth(Reference)PierSouth(Test)Pier接收机天线相位中心相对校正接收机天线相位中心绝对校正卫星结构几何（精度因子）GoodGeometryBadGeometry地球潮汐改正地球潮汐固体潮负荷潮海洋负荷潮大气负荷潮测站的位移达到80cmNotGood!MuchBetter!卫星导航技术GPS基础GPS现代化GPS增强系统GLONASS、GALIEO、BEIDOU精密单点定位技术（PPP）网络RTK技术（CORS）GNSS发展趋势GNSS应用参考书籍GPS卫星升级GPS卫星寿命246810YearsSatellite39353436334030384346514412415456144516475960615325262732375258SatelliteAgeasofMarch200824235557BLOCKIIABLOCKIIRBLOCKIIR-MGPS在轨卫星数量时间(年份)卫星数(颗)GPS卫星更新GPS接收机更新MacrometerV1000GPS接收机更新精密定位服务的信号改善4.64.33.02.71.81.51.11.00.901234567199019921994199619972001200420062008RMSSISURE(m)RMSSignal-in-SpaceUserRangeError(URE),meters2007PPSPerformanceStandard(WorstofanyPPSSISURE)DecreasingrangeerrorSignal-in-SpaceUserRangeErroristhedifferencebetweenaGPSsatellite’snavigationdata(positionandclock)andthetruth,projectedontheline-of-sighttotheuserSystemaccuracyexceedspublishedstandard标准定位服务的信号改善SystemaccuracyexceedspublishedstandardGPS现代化：卫星BlockIIA/IIRBlockIIIBlockIIR-M,IIFBackwardcompatibility4thcivilsignal(L1C)4xbetterUserRangeerrorthanIIFIncreasedavailabilityIncreasedintegrityIIR-M:IIA/IIRcapabilitiesplus2ndcivilsignal(L2C)M-Code(L1M&L2M)IIF:IIR-Mcapabilityplus3rdcivilsignal(L5)2Rb+1Csclocks12yeardesignlifeBasicGPSStandardServiceSinglefrequency(L1)Coarseacquisition(C/A)codenavigationPreciseServiceY-Code(L1Y&L2Y)Y-CodenavigationIncreasingSystemCapabilitieswIncreasingDefense/CivilBenefitGPS现代化：卫星GPS现代化：信号L2=1227MHzL1=1575MHzL5=1176MHzP(Y)C/AP(Y)L2CP(Y)C/AP(Y)L2CMMCivilAviation&NewMilitarySignalsCivilNon-AviationSignalPresentSignalP(Y)C/AP(Y)GPS现代化：地面部分GroundAntennaMasterControlStation(SchrieverAFB)AscensionDiegoGarciaCapeCanaveralHawaiiKwajaleinSchrieverAFBColoradoSKoreaAustraliaBahrainSAfricaEnglandArgentinaEcuadorTahitiUSNOAlaskaMonitorStationNewZealandVandenbergAFBCaliforniaNGAMonitorStationOCSMonitorStationGroundAntennaFutureMonitorStationMasterControlStationBackupMasterControlStation卫星导航技术GPS基础GPS现代化GPS增强系统GLONASS、GALIEO、BEIDOU精密单点定位技术（PPP）网络RTK技术（CORS）GNSS发展趋势GNSS应用参考书籍空基增强系统的工作原理上传站：转发误差改正信息到地球静止卫星地球静止卫星：转发误差改正信息给用户GPS星座主控中心：处理GPS数据以确定误差大小GPS定位精度SBAS定位精度监测站：接受GPS信号并发送到主控中心已建成的空基增强系统已建成的空基增强系统地球静止卫星的覆盖范围美国的WASS系统美国的WASS系统NASA’sGlobalDifferentialGPS(GDGPS)System

Operatingsince2000with99.999%reliabilityUplinkBroadcastTDRSSpaceusersGDGPSOperationsCenterFramerelay,internetGDGPSrealtimenetwork(100+trackingsites)TerrestrialandairborneusersIridium,Inmarsat,GPRS,…GPSmeasurements

Differentialcorrections,ranging,integritySpecialReal-TimeServices:Integritymonitoring,Performancemonitoring,Situationalassessment,Orbitandclockprediction,Real-timeIonomaps,Spaceweather,…DifferentialcorrectionsLandlines,internetTDRSSAugmentationServiceforSatellites(TASS)欧洲EGNOS系统地基局域增强系统(LASS)LAASReferenceStation(IntegrityAccuracyAvailability)ProcessorGPSReceiverVHFTransmitterPseudolitePseudolitePseudoliteL1DifferentialBroadcastCapabilityVHFDataLinkGBASCat-1SydneyEquipmentLocationMasterStationReferenceReceiversVHFTransmitterGPS增强卫星导航技术GPS基础GPS现代化GPS增强系统GLONASS、GALIEO、BEIDOU精密单点定位技术（PPP）网络RTK技术（CORS）GNSS发展趋势GNSS应用参考书籍俄罗斯GLONASS系统GLONASS系统卫星星座 卫星数 24 轨道数 3

倾角 64.80.3°

运行周期 11h15min445s

轨道高度 25510kmGLONASS星座状态http://www.glonass-ianc.rsa.ru/pls/htmldb/f?p=202:20:17421293520707003964::NO

GLONASS系统地面部分SCC–systemcontrolcenterTT&C–遥感勘测

,跟踪,指令站ULS–上行站MS–monitoringstationCC–centralclockSLR–lasertrackingstationGLONASS与GPS的比较参数GLONASSGPS系统中的卫星数21＋321＋3轨道平面数36轨道倾角64.8°55°轨道高度19100km20180km轨道周期（恒星时）11h15min12h卫星信号的区分FDMACDMAL1频率1602~1615MHz频道间隔0.5625MHz1575MHzL2频率1246~1256MHz频道间隔0.4375MHz1228MHz欧洲GALIEO系统2002年3月24日欧盟决定研制组建自己的民用卫星导航定位系统—Galileo系统。Galileo卫星星座将由27颗工作卫星和3颗备用卫星组成，这30颗卫星将均匀分布在3个轨道平面上，卫星高度为23616km，轨道倾角为56°。Galileo系统是一种多功能的卫星导航定位系统，具有公开服务、安全服务、商业服务和政府服务等功能，但只有前两种服务是自由公开的，后两种服务则需经过批准后才能使用。Inclination56degrees中国加入GALIEO计划GIOVE-A卫星(伽利略探路者)

2005年12月28日发射携带了准备用于“伽利略”星座上的铷原子钟样机

GIOVE-B卫星(伽利略探路者)

配备了超精确的被动氢微波激射器，这是另一只铷钟

GALILEO提供的服务自由航空；大众市场；简单的定位授时加密；有保障服务开放服务+

信号完好性加密；完好性；

连续可用性接近实时；高精度；

方便的信息反馈链路开放服务GalileoOpenService

OS

商业服务CommercialService，CS生命安全服务SafetyofLife，SoL公共特许服务PublicRegulatedService，

PRS导航搜索救援服务SearchandRescueService,SAR搜救GALILEO搜索救援服务欧洲民用导航的发展战略定量要求定性要求GPS+EGNOS+GalileoGPSGPS+EGNOS精度可用性连续性

完整性系统失效限差可靠性精度可用性连续性完整性系统失效限差可靠性精度可用性连续性完整性系统失效限差可靠性GPSGLONASSGALIEOGPSGlonassGalileoGNSS我国北斗一代导航定位系统1994年国家批准建设“北斗一号”导航定位系统2000年10月31日发射第一颗北斗导航定位卫星2003年5月25日发射第三颗北斗导航定位卫星(备用卫星)

我国成为世界上继美国、俄罗斯之后，第三个拥有自主卫星导航系统的国家。2000年12月21日发射第二颗北斗导航定位卫星1983年，卫星导航先驱陈芳允院士提出利用两颗同步定点卫星进行导航定位的设想北斗一代的定位原理23EarthBA1北斗一代的工作方式卫星定位总控站用户机“北斗一号”东星“北斗一号”西星北斗一代的主要组成北斗一代的用户部分北斗一代的缺点双星有源导航定位体制，只能提供低动态和静态导航定位服务。需要中心站提供数字高程图数据和用户机发上行信号，定位精度低,隐蔽性差。系统用户容量、导航定位维数有限无冗余测距信息，在体制上不能与国际上的ＧＰＳ、“GLONASS”及将来的“伽利略”系统兼容。我国北斗二代导航定位系统北斗二代包括35颗卫星，其中五颗是地球同步轨道，其余30颗是中地轨道卫星，能真正覆盖全球。北斗卫星导航系统进入组网高峰期北斗二代在大陆攻台战争中的意义卫星导航技术GPS基础GPS现代化GPS增强系统GLONASS、GALIEO、BEIDOU精密单点定位技术（PPP）网络RTK技术（CORS）GNSS发展趋势GNSS应用参考书籍GPS的定位模式定位的模式绝对定位相对定位差分定位运动的状态静态定位动态定位结果的时效事后定位实时定位观测值类型伪距定位载波相位定位GPS绝对定位GPS相对定位GPS差分定位精密单点定位方法利用预报的GPS卫星的精密星历或事后的精密星历作为已知坐标起算数据；同时利用某种方式得到的精密卫星钟差来替代用户GPS定位观测值方程中的卫星钟差参数；用户利用单台GPS双频双码接收机的观测数据在全球范围内的任意位置都可以分米级的精度进行实时动态定位或以厘米级的精度进行较快速的静态定位，这一导航定位方法称为精密单点定位（PrecisePointPositioning），简称为（PPP）。精密单点定位误差源及处理方法电离层延迟位于地球上空距地面高度50～1000km之间的大气层。当卫星信号穿过电离层时，信号的路径会发生弯曲，传播速度也会发生变化，从而使得测量所得到的距离就会不等于卫星至接收机间的几何距离，这种偏差叫电离层折射误差。通过观测值间的组合来消除电离层误差的影响。

对流层延迟

对流层一般泛指非电离大气对电磁波的折射。非电离大气包括对流层和平流层，是高度为50km以下的大气层部分。由于80%的折射发生在对流层，因而叫做对流层折射。Hopfield模型和Niell投影函数对干分量进行改正。湿分量当作未知数进行估计。接收机钟差通常是将接收机钟差作为未知数在数据处理中与观测站的位置参数一并求解。90多路径在GPS或GLONASS测量中，如果测站周围的反射物所反射的卫星信号（反射波）进入接收机天线，这将和直接来自卫星的信号（直接波）产生干涉，从而使观测值偏离真值，这种由于反射信号所引起的观测值误差叫多路径误差。选择合适的站址选择合适的天线选择合适的接收机通过估计方法减轻多路径误差精密单点定位误差源及处理方法相对论效应是由于卫星钟和接收机钟所处的运动速度和重力位不同而导致卫星钟和接收机钟之间产生相对钟误差的现象。在制造卫星钟时可预先把频率减少，由于卫星轨道是一个椭圆，卫星的运动速度也随时发生变化，相对论效应的影响并非常数，因而经上述改正后仍不可避免的含有残差，它对GPS时的影响最大可达70ns相对论效应91卫星天线相位中心(1/2)卫星天线相位中心偏差是指卫星天线质量中心和相位中心之间的偏差。精密卫星轨道和钟产品对应于质心，而观测值来自于卫星的天线相位中心BlockXYZBlockII/IIA0.2790.0001.023BlockIIR0.0000.0000.000星固系中GPS卫星天线相位中心偏差(m)精密单点定位误差源及处理方法(IGS,2008)92天线相位缠绕

GPS和GLONASS卫星信号采用右极化方式，这种极化方式的信号使得观测到的载波相位与卫星和接收机天线的朝向有关。接收机和卫星天线任何一方的旋转将使载波相位产生最大一周的变化，这种效应叫天线相对旋转相位增加效应。对该效应进行改正通常也称为天线相位缠绕改正。天线相位缠绕对于精密单点定位的影响是十分显著的，它能达到半个波长。忽略这项误差将使得定位只能达到分米级的水平。精密单点定位误差源及处理方法(魏子卿,1998；Wu,1993)固体潮摄动天体（月球、太阳）对弹性地球的引力作用，使地球表面产生周期性的涨落，称为地球固体潮现象。固体潮现象使测站的实际坐标随时间作周期性变化，测站垂直方向位移最大可达80cm93大洋负荷

地球表面上的大气重量对地球表面造成了一定的负荷，这个负荷随大气压力而变化，将使得测站位置发生水平和垂直方向的位移。大气负荷可造成地球表面产生径向10～25mm的径向位移。相应的水平方向的位移为径向位移的三分之一到十分之一。大气负荷

大洋负荷与固体潮类似但它的产生是由潮汐的周期性涨落引起的。它在数值上比固体潮小约一个量级并且没有长期项。对于厘米级的动态精密单点定位或沿海岸进行的观测显著少于24h的精密单点定位，需要顾及大洋负荷的影响。精密单点定位误差源及处理方法（Vandam,1994;Rabbel,1985;

Kouba,2000）塞格纳克效应

塞格纳克效应是在GPS或GLONASS卫星信号传播到观测站时由于地球自转引起的。94观测模型传统模型（1/2）

GPS精密单点定位模型95

未知数包括三维位置坐标、接收机钟差、湿对流层延迟和对应每颗观测卫星的消电离层组合的模糊度参数。消电离层组合模糊度因为它的组合而失去了模糊度的整数特性，因而只能获得浮点解消电离层组合观测值的噪声是原始观测值噪声的3倍GPS精密单点定位模型传统模型（2/2）

96P1-P2-CP模型(1/2)

4GPS精密单点定位模型观测模型97码相位组合后的噪声将比组合前的码观测值噪声低一半最大的优势在于可以直接估计L1和L2上的整周未知数4GPS精密单点定位模型P1-P2-CP模型(2/2)

98PPP的数据处理流程

IGS产品输入精密卫星星历精密卫星钟差估计参数对流层延迟测站的位置接收机钟差非差模糊度用户输入接收机双频伪距和相位观测值PPP模型双频消除电离层对流层取随机游走模型进行误差改正PPP的应用实时PPP---StarFire系统实时PPP网络实时PPP网络实时PPP网络StarFire

是一个全球GPS差分网络，能为世界上任何位置的用户提供可靠的，史无前例的分米级定位精度。StarFire是一个全球GPS差分网络，能为世界上任何位置的用户提供可靠的，史无前例的分米级定位精度。采用覆盖全球的地球同步卫星作为差分通信链路，则可以在地球表面从北纬75°到南纬75°都可获得相同的精度。采用覆盖全球的地球同步卫星作为差分通信链路，则可以在地球表面从北纬75°到南纬75°都可获得相同的精度。卫星导航技术GPS基础GPS现代化GPS增强系统GLONASS、GALIEO、BEIDOU精密单点定位技术（PPP）网络RTK技术（CORS）GNSS发展趋势GNSS应用参考书籍常规RTK定位技术常规的GPS测量方法，如静态、快速静态、动态测量都需要事后进行解算才能获得厘米级的精度，而RTK是能够在野外实时得到厘米级定位精度的测量方法，它采用了载波相位动态实时差分（Real-timekinematic）方法，是GPS应用的重大里程碑，它的出现为工程放样、地形测图，各种控制测量带来了新曙光，极大地提高了外业作业效率。湘潭市的单站RTK网络RTK的定义在某一区域内建立多个（一般为3个或3个以上）的GPS基准站,对该地区构成网状覆盖,并以这些基准站中的一个或多个为基准,计算和发播GPS改正信息,对该地区内的GPS用户进行实时改正的定位方式,称为GPS网络RTK,又称为多基准站RTK。网络RTK的工作原理常规RTK与网络RTK比较虚拟参考站技术VRS

（VirtualReferenceStations）

CORS参考站永久性连续运行的GPS参考站

CORS参考站GPSAntennaRadioModemAntennaBatteriesSolarPanelsGPS&RadioWeatherDeviceCORS参考站江苏CORS系统香港CORS系统香港CORS系统控制中心江苏CORS系统组成美国CORS系统日本GEONET网网络RTK的应用网络RTK的应用卫星导航技术GPS基础GPS现代化GPS增强系统GLONASS、GALIEO、BEIDOU精密单点定位技术（PPP）网络RTK技术（CORS）GNSS发展趋势GNSS应用参考书籍用户接收机性能升级GPS软件接收机ADCCorrelatorChannelloopclosure,PositioningRadiofront-end(analogue)PositionADCCorrelatorChannelloopclosure,PositioningRadiofront-end(analogue)PositionADCCorrelatorChannelloopclosure,PositioningPositionHardwareSoftwareTraditionalReceiverSoftwareDefinedReceiver”Ideal”SoftwareReceiverGPS软件接收机多频多模导航定位GPSGLONASSSBASGalileoQZSSCOMPASSInteroperable=BetterTogetherthanSeparate

GPSQZSSGALILEOCOMPASSIRNSSGLONASS卫星导航技术GPS基础GPS现代化GPS增强系统GLONASS、GALIEO、BEIDOU精密单点定位技术（PPP）网络RTK技术（CORS）GNSS发展趋势GNSS应用参考书籍GPS在军事导航定位中的应用GPS在军事导航定位中的应用GPS在军事导航定位中的应用F-16轰炸机GPS在军事导航定位中的应用GPS在民事导航定位中的应用GPS在民事导航定位中的应用GPS在民事导航定位中的应用GPS在日常生活中的导航定位GPS在日常生活中的导航定位GPS在日常生活中的导航定位GPS在日常生活中的导航定位GPS在日常生活中的导航定位GPS在工