智慧农业3S技术与应用 课件 第3章 北斗全球卫星导航系统（GNSS）与智慧农业导航定位

北斗全球卫星导航系统（GNSS）与智慧农业导航定位北斗全球卫星导航系统（GNSS）与智慧农业导航定位WISDOMAGRICULTURESOLUTION北斗卫星导航智慧农业应用目录CONTENTS01北斗GNSS基础02北斗GNSS原理与技术概述03智慧农业导航定位技术04北斗GNSS智慧农业应用北斗GNSS基础PARTONE全球卫星导航系统也称全球导航卫星系统（globalnavigationsatellitesystem，GNSS），是能在地球表面或近地空间的任何地点为用户提供全天候的三维坐标、速度和时间信息的空基无线电导航定位系统。从广义上说，GNSS泛指所有的全球卫星导航系统以及区域和增强系统，它利用这些卫星导航系统中的一个或多个系统进行导航定位，并同时提供卫星的完备性检验信息和足够的导航安全性告警信息。GPSGLONASSGALILEOBDSWAASEGNOS北斗GNSS基础一、北斗GNSS发展历程意义：北斗全球卫星导航系统（GNSS）由我

国独立自主建造并运营，其建设与应用的目标在于满足国家安全以及社会经济发展需求，旨在为全球用户提供全天候、全天时的高精度定位、导航与授时服务，是我国重要的空间基础设施。历史沿革：2000年底，我国北斗一号卫星导航系统建成，能够为国内相关领域提供相应的服务；2012年底，北斗二号卫星导航系统建成，为亚洲太平洋地区相关领域提供相应服务；2020年左右，北斗三号全球卫星导航系统（北斗GNSS）建成，形成全球覆盖能力，从而为全球提供服务。北斗卫星数据：包括15颗北斗二号卫星和30颗北斗三号卫星；4颗测试卫星。当前北斗系统运行连续稳定，全球范围水平定位精度约1.52m，垂直定位精度约2.64m；测速精度优于0.1m/s，授时精度优于20ns。一、北斗GNSS发展历程北斗GNSS基础何谓天球？——并非地心说的古代天文模型天球是指以地球质心M为中心，半径为任意长度的一个假想的球体。天球坐标系是用以描述自然天体和人造地球卫星在空间的位置或方向的一种坐标系。天球坐标系可表示为天球空间直角坐标系和天球球面坐标系。天球空间直角坐标系的定义为以地球质心为坐标原点O，其Z轴指向北天极，X轴指向春分点，Y轴垂直于XOZ平面并构成右手坐标系。天球球面坐标系定义为以地球质心为天球中心O，赤经α为含天轴和春分点的天球子午面与过空间点的天球子午面之间的夹角，赤纬δ为原点O至空间点S的连线与天球赤道面之间的夹角，向径γ为原点O到空间点S的距离。北斗GNSS基础二、坐标系统(一)天球坐标系为了描述地面观测站的位置，有必要建立一个与地球体相关联的坐标系，即地球坐标系，也称为地固坐标系。该坐标系用于描述物体在地球上的位置或在近地空间的位置。主要有两种表示形式，分别是空间直角坐标系（XYZ）和大地坐标系（BLH）。根据坐标原点位置的不同，地球坐标系可分为参心坐标系和地心坐标系。大地坐标系（BLH）中，地球椭球的中心与地球质心重合，椭球短轴与地球自转轴重合，大地维度B为过地面点的椭球法线与椭球赤道面的夹角，大地经度L为过地面点的椭球子午面与格林尼治子午面之间的夹角，大地高H为地面点沿椭球法线至椭球面的距离。北斗GNSS基础二、坐标系统(二)地球坐标系空间直角坐标系（XYZ）以地球质心为坐标原点O，Z轴指向地球北极，X

轴指向格林尼治平子午面与地球赤道的交点E，Y轴垂直于XOZ平面并构成右手坐标系。各有优劣的两种地球表面空间描述方式大地坐标系包括1954年北京坐标系、1980年西安坐标系和2000国家大地坐标系，其中，2000国家大地坐标系（Chinageodeticcoordinatesystem2000，CCCS-2000）正是我国北斗卫星导航系统采用的坐标系统。（3）2000国家大地坐标系（国家2000）（CGCS-2000）是由2000国家GPS大地控制网、2000国家重力基本网及用常规大地测量技术建立的国家天文大地网联合平差获得的三维地心坐标系统。CGCS-2000的参考历元为2000.0，坐标系的定义为：原点：包括海洋和大气的整个地球的质心；定向：初始定向由1984.0时BIH（国际时间局）定向给定；CGCS-2000是右手地固直角坐标系。原点在地心，Z轴为国际地球旋转局（IERS）参考极（IRP）方向，X轴为IERS的参考子午面（IRM）与垂直于二轴的赤道面的交线，Y轴与Z轴和X轴构成右手正交坐标系。CGCS-2000将是全国统一采用的大地基准。国家平面坐标系统采用高斯-克吕格投影的平面坐标系统，并以经度差6°或3°分带。北斗GNSS基础二、坐标系统——大地坐标系(三)大地坐标系（1）1954年北京坐标系（北京54）20世纪50年代，在我国天文大地网建立初期，由于历史原因和技术的局限性，我国采用了克拉索夫斯基椭球元素，并于前苏联1942年普尔科沃坐标系进行了联测，进而建立了我国的1954年北京坐标系。（2）1980年西安坐标系（西安80）为了进行全国天文大地网整体平差，采用了新的椭球元素和新的定位定向方法，在1978年以后，建立了1980年西安坐标系。该坐标系的大地原点位于我国陕西省泾阳县永乐镇，高程系统的基准是1956年青岛验潮站求出的黄海平均海水面。1.不同空间直角坐标系之间的转换空间直角坐标系作为大地测量中常用的坐标系统，其不同坐标系之间的转换，需要明确不同空间直角坐标系之间的转换参数。在实际工作中，通常需要3个以上的公共点，采用布尔萨七参数法进行转换。2.不同大地坐标系之间的转换大地坐标系相比于空间直角坐标系要更为复杂，不同的大地坐标系之间进行转换的过程中，除了要满足以上提到的7个参数外，还需要两个转换参数，即地球椭球参数（da，dα）。3.空间直角坐标系与大地坐标系之间的转换

对于空间中任意一点，其空间直角坐标定义为（X，Y，Z），对应的大地坐标定义为（B，L，H）。式中，N=a/√1-e2sin2B，N为该空间点的卯酉圈曲率半径；e2=（a2-b2）/a2，a为大地坐标系对应椭球的长半轴，e为大地坐标系对应椭球的第一偏心率。北斗GNSS基础二、坐标系统(四)坐标系转换由大地坐标转换为空间直角坐标的换算公式为：反之，由空间直角坐标转换为大地坐标的换算公式为：1.恒星时：以春分点为参考点，由春分点的周日视运动所定义的时间系统，它是以地球自转为基础的。其为春分点连续两次经过本地子午圈的时间间隔为一恒星日，一个恒星日分为24个恒星时。恒星时具有地方性，同一瞬间对不同测站的恒星时是不同的，所以恒星时也称为地方恒星时。2.平太阳时：以平太阳为参考点，由平太阳的周日视运动所定义的时间系统。其时间尺度为平太阳连续两次经过本地子午圈的时间间隔为一平太阳日，一个平太阳日分为24平太阳时。3.世界时UT：以平子夜为零时起算的格林尼治平太阳时。世界时与平太阳时的尺度相同，但起算点不同。就时间尺度而言，世界时已被历书时ET所代替。后来又于1976年被原子时取代。但UT1在卫星测量中仍被广泛使用，只是它不再作为时间尺度而是因它数值上表征了地球自转相对恒星的角位置，故用于天球坐标系与地球坐标系之间的转换计算。北斗GNSS基础三、时间系统tip：春分点，是指太阳从南向北在黄赤道上的交点。从地球上看，太阳沿黄道逆时针运动，黄道和赤道在天球上存在相距180°的两个交点。其中太阳沿黄道从天赤道以南向北通过天赤道的点，称为春分点。北斗GNSS基础1.原子时（ATI）的秒长被定义为铯原子Cs13基态的两个超精细能级间跃迁辐射振荡9192631170周所持续的时间。原子时的起点，按国际协定取为1958年1月1日0时0秒（UT2）。2.协调世界时UTC采用原子时秒长，但因原子时比世界时每年快约1s，两者之差逐年积累，便采用跳秒（闰秒）的方法使协调时与世界时的时刻相接近，其差不超过1s。从1972年1月1日起UTC与UT1之同的差值最大可以达到±0.9s，超过或接近时以跳秒补偿，跳秒一般安排在每年12月末或6月末。3.GPS时间系统采用原子时ATI秒长作为时间基准，但时间起算的原点定义在1980年1月6日UTCO时。启动后不跳秒，保持时间的连续。卫星播发的卫星钟差也是相对GPS时间系统的钟差，在利用GPS直接进行时间校对时应注意这一问题。4.北斗卫星导航系统时间基准为北斗时（BDT）。BDT采用国际单位制（SI）秒为基本单位连续累计，不闰秒，起始历元为2006年1月1日协调世界时（UTC）00时00分00秒，采用周和周内秒计数。BDT通过UTC（NTSC-中国科学院国家授时中心）与国际UTC建立联系，BDT与UTC的偏差保持在100ns以内（模1s）。BDT与UTC之间的闰秒信息在导航电文中播报。三、时间系统无摄运动：只考虑地球中心引力作用的卫星运动。在天体力学中，这称之为二体问题。二体问题下的卫星运动可得出严密的分析解，这能近似地表述卫星轨道，并可进一步加上摄动力来推求受摄轨道。轨道根数：参数轨道长半轴a、轨道偏心率e和真近点角V唯一地确定了卫星轨道的形状、大小以及卫星在轨道上的瞬时位置。升交点的赤经Ω，即在地球赤道平面上，升交点N与春分点γ之间的地心夹角。升交点N即当卫星由南向北运动时，其轨道与地球赤道面的一个交点。轨道面的倾角i，即卫星轨道平面与地球赤道面之间的夹角。近地点角距ω，即在轨道平面上近地点A与升交点N之间的地心角距。这一参数表达了开普勒椭圆在轨道平面上的定向。上述一组应用广泛的参数（a，e，V，Ω，i，ω）称为开普勒轨道根数（或轨道参数）它们广泛应用于描述卫星的运动。在卫星运动中，这6个轨道根数一经确定，便可确定任意时刻卫星的空间位置及其运动速度。北斗GNSS基础四、卫星运动基础(一)无摄运动开普勒定律各种摄动力主要包括：①地球体的非球性及其质量分布不均匀而引起的作用力，即地球的非中心引力Fnc；②太阳的引力Fs

和月球的引力Fm；③太阳的直接与间接辐射压力Fr；④大气的阻力Fa；⑤地球潮汐的作用力；⑥磁力等。二体问题中，轨道根数是不变的常数。由于卫星在运动中受到各种摄动力作用的影响，其轨道根数随时间而变化。若已知某一初始时刻的轨道根数，通过分析解算含有轨道根数的受摄运动方程，可以求得轨道参数的变率，从而求得任一时刻的轨道根数。这样，利用二体问题的运动方程就可以求得任一时刻的卫星位置和速度。北斗GNSS基础四、卫星运动基础(二)受摄运动卫星星历是描述卫星运动轨道的信息。是一组对应某一时刻的轨道参数及其变率。有了卫星星历就可以计算出任意时刻的卫星位置及其速度。广播星历是由地面跟踪站观测数据计算出的卫星轨道外推得出，实质上是一种预报星历，具有实时性、易获取等特点，对导航和实时定位非常方便。北斗GNSS基础五、卫星星历√as、es、i0、ωs、Ω0、M0定义了一个标准的轨道椭圆，∆n、

、

和6个正余弦系数描述了实际卫星运动与这一标准轨道椭圆的偏差，主要代表地球非球形引力摄动和日月引力摄动以及太阳辐射压摄动的影响。根据上述参数，选择相应时间的卫星星历数据，便可以推出观测时刻t的轨道根数，以计算卫星在不同参考系中的相应坐标。(一)广播星历星历——卫星的经历，意味着卫星在以前处在什么位置，在以后将出现于什么位置。精密星历是一些国家或国际组织根据卫星跟踪站对卫星的精密观测资料经后处理计算出的，也称为后处理星历。它可以向用户提供在用户观测时间内的卫星星历，避免了星历外推的误差。这种星历不具有实时性，不是通过人造卫星的导航电文向用户传递，而是需要从专门的网站根据需要进行下载。其中，最为主要的是IGS发布的精密星历。IGS（internationalGNSSservice）是国际GNSS服务的简称，主要由卫星跟踪网、数据中心、分析中心、综合分析中心、发布中心、中央局和管理委员会组成，它提供的主要产品包括卫星星历、地球自转参数、IGS跟踪站的坐标及其变化率、卫星钟差及跟踪站的接收机钟差以及相关的大气参数。IGS主要提供精密星历包括igs（最终精密星历）、igr（快速精密星历）、igu（预报精密星历）三种星历类型。北斗GNSS基础五、卫星星历(二)精密星历北斗GNSS基础六、导航电文和卫星位置计算(一)北斗导航电文D1导航电文的码速率为50bps。主要包括有关本卫星的基本导航信息（如卫星的工作状态，卫星轨道和卫星钟差参数等），星座中其他卫星的概略状况（卫星历书——星历的简化集），以及与其他卫星导航系统间的时间同步信息等。D2导航电文的码速率为500bps，主要内容为系统的完备性信息，差分改正信息及电离层格网改正信息等增强服务信息。用户可借助于D2电文来大幅提高自己的定位精度。北斗GNSS的导航电文D1导航电文由超帧、主帧和子帧组成。每个超帧含36000个比特，历时12min。每个超帧由24个主帧（页面）组成，每个主帧由5个子帧组成，每个子帧由10个字组成，每个字为30比特，历时0.6s，相较于GPS一个超帧中的25个页面，北斗系统只含24个页面。子帧1-子帧3播发有关本卫星的基本导航信息，子帧4和子帧5的内容分24个页面分别播发。北斗GNSS原理与技术概述(一)北斗导航电文D2导航电文的每个超帧由120个主帧组成，每个主帧由5个子帧组成，每个子帧由10个字组成，每个字为30比特，历时0.06s。每个字中含导航数据及校验码两个部分，每个子帧第1个字的前15个比特不进行纠错编码，后11个比特采用BCH（15，11，1）方式进行纠错。其他9个字则采用BCH（15，11，1）加交织方式进行纠错编码，信息为22比特。北斗GNSS基础(一)北斗导航电文BDS导航信号占用3个频带，采用码分多址（CDMA）的扩频通信体制，在B1、B2、B3三个频段上调制了导航信号。1.信号特征B1、B2信号由I和Q两个支路的测距码+导航电文正交调制在载波上构成，信号复用方式为码分多址。B1I信号和B2I信号的载波频率在卫星上由共同的基准时钟源产生，其中，B1I信号的标称载波频率为1561.098MHz，B2I信号的标称载波频率1207.140MHz。2.测距码特性B1I和B2I信号测距码（以下简称CB1I码和CB2I码）的码速率为2.046Mcps，码长为2046。CB1I码和CB2I码均由两个线性序列G1和G2，模二和产生平衡Gold后截短1码片生成。北斗GNSS基础(二)北斗卫星信号tip：CDMA技术的基本原理是利用扩频技术将多个用户的信号同时传输到同一个频带上，通过不同的扩频码使用户的信号彼此区分开来。CDMA技术具有抗干扰能力强、频谱利用效率高等优点，成为了3G、4G移动通信系统的重要技术之一。载波测距码导航电文北斗卫星导航系统的坐标系统、时间系统、星座、信号频率与GPS系统不同，但广播星历的格式仍采用与GPS系统一致的RINEX格式。空间星座由地球静止轨道（GEO）卫星和非地球静止轨道卫星组成。与计算GPS卫星位置相似，利用广播星历计算北斗卫星位置时，一般分两个环节进行：1.计算北斗卫星在轨道平面直角坐标系下的坐标主要包括计算卫星运行平均角速度，归化时间，观测时刻卫星平近点角，偏近点角、真近点角、升交距角，摄动改正项，升交距角、卫星失径、轨道倾角，卫星在轨道平面坐标系的坐标，观测时刻升交点经度，卫星在地固坐标系中的直角坐标以及卫星在协议地球坐标系中的坐标等。北斗GNSS基础(三)北斗卫星位置计算2.计算MEO卫星和IGSO卫星在CGCS-2000地固坐标系中的空间直角坐标（1）计算观测时刻升交点在地固系中经度的Ωk（2）计算卫星在CGCS-2000坐标系中的空间直角坐标3.计算GEO卫星在CGCS-2000地固坐标系中的空间直角坐标（1）计算观测时刻升交点在惯性系中的经度Ωk（2）计算GEO卫星在自定义坐标系中的空间直角坐标（3）计算GEO卫星在CGCS-2000坐标系中的空间直角坐标北斗GNSS基础(三)北斗卫星位置计算计算经度：计算MEO在2000坐标系中与GEO在自定义坐标系中的直角坐标：计算GEO在2000坐标系中的直角坐标：北斗GNSS原理与技术概述PARTTWO视频存储管理功能支持对存储的视频数据进行管理和设置。可设置当磁盘空间不足时处理方式（提前预警、覆盖）。录像状态（计划、手动、报警、运动检测）显示。可检测存储设备的工作状态，对异常情况报警。视频资料检索功能存储子系统支持客户端的历史视频检索功能。北斗GNSS原理与技术概述一、基本原理空间后方交会：接收机同时接收三颗以上卫星信号，测量出测站点S至多颗卫星的距离，

并解算出该时刻卫星的空间坐标，据此利用空间距离交会法计算出测站S的位置空间后方交会示意图分类按测量方法分类1.绝对定位2.相对定位3.差分定位……按测量原理分类1.伪距测量2.载波相位测量··二、伪距测量和载波相位(一)伪距测量从接收机指向观测卫星的矢量定义：由用户接收机在某一时刻测出得到至少四颗

卫星的伪距以及已知的卫星位置，采用距离

交会的方法求定接收机天线所在点的三维坐标

伪距产生的原因1.卫星钟的误差2.接收机钟的误差3.无线电信号经过电离层和对流层中的延迟

信号(测距码)传播距离的测定思考为什么是四颗卫星？北斗GNSS原理与技术概述二、伪距测量和载波相位(二)载波相位测量原理：主要基于测量接收机所接收的卫星载波信号与

接收机振荡器产生的参考载波信号之间的相位差载波相位测量原理1.信号接收：GPS接收机接收来自卫星的载波信号2.伪随机码的延时锁定：本地伪随机码与卫星的伪随机码对齐，提供伪距观测量3.锁相环实现相位锁定：锁相后，接收机本地信号相位与GPS载波信号相位相同，此时接收机本地信号相位与初始相位的差即为载波相位观测量测量基本步骤北斗GNSS原理与技术概述视频存储管理功能支持对存储的视频数据进行管理和设置。可设置当磁盘空间不足时处理方式（提前预警、覆盖）。录像状态（计划、手动、报警、运动检测）显示。可检测存储设备的工作状态，对异常情况报警。视频资料检索功能存储子系统支持客户端的历史视频检索功能。三、绝对定位技术定义：是利用一台GNSS接收机所测定的多个从卫星至接收机间的伪距观测值，通过

距离交会的方法来解算该接收机在地球坐标系中的三维坐标的定位方法，也称单点定位分类1.标准单点定位(SPP)2.精密单点定位(PPP)

3.广域实时精密定位绝对定位示意图优势1.只使用一台接收机，操作简单2.外业观测方便、自由

3.适用于无网络地区…北斗GNSS原理与技术概述(一)标准单点定位三、绝对定位技术(二)精密单点定位(三)广域实时精密定位利用广播星历所提供的卫星轨道和卫星钟差，以及测码分距观测值所进行的标准单点定位利用载波相位观测值以及由IGS等组织提供的高精度的卫星星历及卫星钟差来进行高精度单点定位的方法利用基准站上实时传送过来的载波相位观测资料来确定精密卫星钟差、精密卫星轨道等，并立即播发给服务区内的用户使其能获得实时定位精度的系统米级至十米级定位精度平面位置精度可达1～3cm高程精度可达2～4cm实时定位的精度可达分米级定位精度厘米级至分米级定位精度北斗GNSS原理与技术概述视频存储管理功能支持对存储的视频数据进行管理和设置。可设置当磁盘空间不足时处理方式（提前预警、覆盖）。录像状态（计划、手动、报警、运动检测）显示。可检测存储设备的工作状态，对异常情况报警。视频资料检索功能存储子系统支持客户端的历史视频检索功能。四、相对定位技术测量方法：将两台接收机安置在一条测线(基线)的两个端点上同时对相同的卫星进行

跟踪和观测，获取载波相位观测值，目的是计算两个端点之间的三维坐标增量分类1.静态相对定位2.动态相对定位(精度较低)优势卫星钟差、卫星星历误差等误差在相对定位的过程中可得以消除或大幅度削弱，从而获得较高精度的定位相对定位示意图北斗GNSS原理与技术概述视频存储管理功能支持对存储的视频数据进行管理和设置。可设置当磁盘空间不足时处理方式（提前预警、覆盖）。录像状态（计划、手动、报警、运动检测）显示。可检测存储设备的工作状态，对异常情况报警。视频资料检索功能存储子系统支持客户端的历史视频检索功能。五、差分定位技术原理：是利用已知精确三维坐标的基准站，求得伪距修正量或位置修正量，再将这个修正量

实时或事后发送给用户（接收机），对用户的测量数据进行修正，以提高定位精度距离修正差分定位示意图分类按工作原理及数学模型不同分类1.单基准站差分2.多个基准站的局部区域差分3.广域差分按用户进行数据处理时间的不同分类1.实时差分2.事后差分·按观测值类型的不同分类1.伪距差分2.相位差分··北斗GNSS原理与技术概述是GNSS定位技术的重大突破六、RTK及CORS定位技术(一)RTK技术定义：是一种利用载波相位观测值在流动站和基准站

之间进行的一种实时动态相对定位技术

常规的RTK技术1.基于单个基准站进行定位2.距离增大时定位精度受到影响3.作业时使用设备较多

RTK技术示意图

网络RTK技术1.基于三个或以上基准站进行定位2.仅需携带一台流动站即可进行高精度动态定位3.实现了长距离高精度的定位目的

北斗GNSS原理与技术概述六、RTK及CORS定位技术(二)CORS技术(连续运营参考系统)定义：是一个集GNSS、计算机、数据通信和互联网技术于一体，在一个大区域根据需要按一定距离建立起来，由若干个固定且连续运行的基准站组成的网络，向用户流动站提供全天候和连续的定位信息的系统是GNSS的一次革命性成果CORS技术示意图特点1.通过移动互联网向不同用户自动发布各类型导航定位数据和分类误差改正数2.基准站常年连续运行，构成了新型国家或城市大地测量动态框架体系3.可进行全天候的毫米至米级实时、准实时快速定位或事后定位北斗GNSS原理与技术概述智慧农业导航定位技术PARTTHREE视频存储管理功能支持对存储的视频数据进行管理和设置。可设置当磁盘空间不足时处理方式（提前预警、覆盖）。录像状态（计划、手动、报警、运动检测）显示。可检测存储设备的工作状态，对异常情况报警。视频资料检索功能存储子系统支持客户端的历史视频检索功能。一、智慧农业导航定位技术概述与原理概述：是一种结合了现代导航定位技术与智慧农业理念的创新应用。它利用全球导航卫星系统

（如GPS、北斗等）以及其他传感器和数据处理技术，为农业生产提供精准、高效的位置信息服务智慧农业导航定位技术智慧农业导航定位技术示意图应用1.精准播种、施肥2.农田地块测量3.农机自动驾驶作业4.病虫害监测与防治…原理：GNSS技术二、智慧农业导航定位技术的发展与挑战智慧农业导航定位技术(一)发展历程19831990s2010s随着互联网的普及与应