GNSS程序设计原理与实践

GNSS程序设计原理与实践演讲人：日期：目录CATALOGUE02.电离层延迟建模与程序设计04.多系统联合定位算法设计05.程序验证与案例分析01.03.对流层延迟建模与程序设计06.前沿拓展与挑战GNSS基础理论01GNSS基础理论PART全球导航卫星系统概述（GPS/北斗/GLONASS）全球导航卫星系统（GNSS）定义01通过卫星信号提供全球范围内的定位、导航和授时服务。GPS系统02由美国研发和运营，具有全球覆盖、高精度和快速定位等特点。北斗系统03由中国自主研发的全球卫星导航系统，具有独特的短报文通信和星基增强服务。GLONASS系统04由俄罗斯研发的全球卫星导航系统，具有抗干扰能力强和覆盖高纬度地区的优势。载波、测距码、导航电文和数据码等。信号在传播过程中会受到大气层、电离层、对流层等多种因素的影响，产生延迟和误差。卫星信号易受干扰和遮挡，需采取措施提高抗干扰能力。信号在传播过程中可能产生多路径反射，对定位精度产生影响。卫星信号结构与传播特性信号组成传播特性抗干扰性多路径效应误差来源与消除策略误差来源主要包括卫星钟差、轨道误差、大气层延迟、多路径效应等。消除策略采用差分定位技术、精密单点定位技术、参数估计方法等多种手段来消除误差。精度评估通过对比已知点和测量点之间的误差来评估定位精度。质量控制在实际应用中，需对定位结果进行质量控制，确保定位精度和可靠性。02电离层延迟建模与程序设计PARTKlobuchar模型原理与实现电离层延迟计算Klobuchar模型通过计算电离层延迟来修正卫星信号传播路径上的误差，从而提高导航精度。系数计算与更新适用范围与局限性模型中的系数需要通过拟合实测数据得到，并随着电离层的变化而更新，以确保模型的有效性。Klobuchar模型适用于一般的电离层环境，但在极端情况下可能会出现较大的误差。123双频改正方法及MATLAB实现双频改正方法利用两个频率上的观测数据来消除电离层延迟的影响，从而提高定位精度。双频观测原理通过MATLAB编程实现双频改正方法，包括数据预处理、电离层延迟计算、误差修正等步骤。MATLAB实现流程双频改正方法具有较高的精度和可靠性，但需要同时接收两个频率的信号，增加了硬件成本和复杂性。优缺点分析GPS和北斗系统采用的电离层模型可能存在差异，导致在相同条件下电离层延迟的计算结果可能不同。GPS与北斗模型效果对比分析电离层模型差异通过对比GPS和北斗系统的观测数据，可以评估两种系统在不同区域的电离层延迟修正效果。观测数据对比结合实际应用场景，对GPS和北斗系统的电离层延迟修正精度和可靠性进行综合评估，为选择合适的导航系统提供依据。精度与可靠性评估03对流层延迟建模与程序设计PARTSaastamoinen模型数学推导基本假设与公式假设大气为理想气体，温度、压力和湿度等气象参数与海拔高度呈线性关系，推导得出对流层延迟的公式。折射率计算根据公式计算对流层折射率，进而求得电磁波在大气中的传播速度，为精确定位提供基础。误差分析对推导过程中产生的误差进行分析，包括气象参数测量误差、模型假设误差等，为后续修正提供依据。气象参数变化根据气象参数的变化，采用相应的修正方法，如差分法、插值法等，以提高对流层延迟模型的精度。修正方法实时气象数据获取介绍实时获取气象数据的途径，如气象站观测、卫星遥感等，为模型提供实时气象参数输入。分析温度、湿度、压力等气象参数的变化规律，及其对电磁波传播路径的影响。气象参数影响与修正方法程序流程介绍MATLAB程序设计的整体流程，包括数据输入、模型计算、结果输出等步骤。MATLAB程序设计实例演示核心代码展示MATLAB程序的核心代码，包括变量定义、模型计算、误差修正等关键部分。结果分析通过实例运行程序，展示Saastamoinen模型在特定气象条件下的对流层延迟预测结果，并对结果进行分析和验证。04多系统联合定位算法设计PART观测方程构建与线性化处理伪距观测方程基于卫星发射的伪距信号，通过测量信号传播时间乘以光速得到卫星到接收机的距离。载波相位观测方程线性化处理利用卫星发射的载波信号，通过测量相位差计算卫星到接收机的距离，其精度高于伪距观测。针对观测方程中的非线性部分，采用泰勒级数展开等方法进行线性化处理，便于后续计算。123最小二乘法在定位解算中的应用线性最小二乘法在观测方程为线性时，通过最小化误差平方和来求解未知参数（位置、钟差等）。加权最小二乘法根据不同观测值的精度，赋予不同的权重，进行加权求解，以提高定位精度。迭代最小二乘法在初始解的基础上，不断迭代更新参数值，直至达到收敛条件。多系统融合的精度提升策略多系统观测数据融合通过融合多个导航系统（如GPS、BDS、GLONASS等）的观测数据，增加观测信息量，提高定位精度。030201完好性监测与故障剔除实时监测观测数据的质量，剔除异常或错误的观测值，保证定位解的可靠性。精密定轨与钟差预报利用地面监控站和卫星之间的观测数据，进行精密定轨和钟差预报，提高卫星轨道和钟差的精度，从而提升定位精度。05程序验证与案例分析PART筛选并剔除异常数据，确保数据质量，包括剔除信号失锁、周跳等异常现象的数据。实测数据预处理方法数据清洗将原始观测数据转换为可用于后续处理的格式，如将接收机输出的原始二进制数据转换为标准格式。数据转换对观测数据进行各项误差修正，包括卫星钟差、接收机钟差、地球自转效应等。误差修正电离层延迟改正利用对流层模型或气象数据改正对流层延迟误差，评估改正后的残差。对流层延迟改正残差分析对比改正前后的定位精度，分析残差分布特性，验证电离层/对流层延迟改正算法的有效性。利用电离层模型或双频观测数据改正电离层延迟误差，评估改正后的残差。电离层/对流层延迟改正效果评估利用GNSS系统实现区域导航，设计基于RNAV的飞行程序，提高飞行灵活性和安全性。飞行程序设计应用实例（结合RNAV/RNP）RNAV应用将GNSS与惯性导航系统等其他导航设备相结合，设计所需导航性能（RNP）的飞行程序，满足特定区域的导航需求。RNP应用结合具体飞行任务，分析GNSS在飞行程序设计中的实际应用效果，包括导航精度、可靠性等方面的性能评估。案例分析06前沿拓展与挑战PART实时动态差分（RTK）技术实现RTK技术原理基于载波相位观测值的实时动态定位技术，依赖高精度GPS测量。RTK定位精度实时提供厘米级三维定位，满足高精度应用需求。数据传输方式基准站通过数据链传输观测值和坐标信息至流动站。流动站任务接收基准站数据，采集GPS观测数据，实时解算三维坐标。低轨卫星增强GNSS的新趋势提供更高精度、更可靠的导航服务，增强GNSS系统可用性和连续性。低轨卫星优势适应低轨卫星高速运动，确保接收机性能稳定可靠。在低轨卫星上实现RTK技术，提升导航精度。星载接收机设计挑战《低轨星载GNSS导航型接收机通用规范》推动设计、测试标准化。标准化规范01020403实时动态载波相位差分技术人工智