GNSS基础知识-PPT课件

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1、GNSS基础知识简介 赵新峰 集思事业部华东分公司 GPS定位技术概述 英文全称是NAVigationSatelliteTimingAndRangingGlobalPositionSystem 导航星测时与测距全球定位系统 简称GPS 有时也被称作NAVSTARGPS 美国国防部负责开发空基全天侯导航定位系统用以满足军方在地面或近地空间内获取目标或载体的位置 速度和时间信息的要求同时也可为民间用户提供类似但受限的免费服务 GPS的组成部分 GPS系统由三部分组成1 空间部分 SpaceSegment 2 地面控制部分 GroundSegment 3 用户设备部分 UserSegment 空间部

2、分 提供星历和时间信息发射伪距和载波信号提供其它辅助信息 用户部分 接收并测定卫星信号记录原始数据得到导航定位信息 地面控制部分 解算中心控制参数实现时间同步跟踪卫星并进行定规 GPS的组成部分 GPS的系统组成 空间部分 GPS卫星星座设计星座 21 321颗正式的工作卫星 3颗活动的备用卫星6个轨道面 平均轨道高度20200km 轨道倾角55 周期11h58min 顾及地球自转 地球 卫星的几何关系每天提前4min重复一次 保证在每天24小时的任何时刻 在高度角15 以上 能够同时观测到4颗以上卫星 GPS的系统组成 地面控制部分 GPS的地面控制部分组成 主控站 1个 监测站 5个 注入

3、站 3个 作用 监测和控制卫星运行编算卫星星历 导航电文 保持系统时间 GPS的系统组成 用户部分 组成GPS信号接收机及辅助设备作用跟踪 捕获卫星信号进行信号处理测定位置 速度和时间GPS信号接收机的构成天线单元接收单元 GPS信号 载波 CarrierPhase 测距码 RangingCode 导航电文 NavigationMessage DataMessage GPS信号的基本组成部分 信号分量 GPS信号结构 载波 载波作用 搭载其它信号 也可用于测量 测距 类型目前L1 频率 1575 43MHz 波长 19cmL2 频率 1227 60MHz 波长 24cm现代化后增加L5 频率

4、1176 45MHz 波长 26cm GPS信号结构 测距码 测距码属于伪随机噪声码 PRN码 PseudoRandomNoise 类型 目前 C A C1 码速 1 023MHz码元长度 293mP Y 1 P Y 2码速 10 23MHz码元长度 29 3m现代化后增加C2M1 M2 军用码 GPS信号结构 导航电文 导航电文码速 50bps内容 广播星历 导航信息 卫星钟改正历书 概略星历 电离层信息卫星健康状况 小知识 你知道吗 GPS卫星信号由两万公里以500W传送 到达地面仅剩10 13W 除了大家熟知的L1 L2 L5外 GPS卫星还拥有L3 L4信号 L3 1381 05MHz

5、 美国国防部用来探测导弹发射 核爆炸以及其他高能量红外线事件 L4 1841 40MHz 正被研究提供更多的电离层改正 在同一平面上 通过测量到两个已知点的精确距离 可以精密地确定出平面位置 P Q 我的位置应该在P点或Q点 GPS定位原理 如何在三维空间中得到位置坐标 如果能够精确测定出观测者到三个参考点 参考点的坐标已知 的距离D 那么观测者必然处在以这三个参考点为圆心 以观测距离 D1 D2 D3 为半径的三个球体的交点上 也就是说 只要知道三个已知点的坐标 知道一个未知点分别到这三个已知点的距离 就能把这个未知点的位置 即空间坐标 确定下来 这种定位方法称为距离交会法 GPS定位原理

6、GPS定位原理 GPS定位本质 距离后方交会 理论上 三颗卫星就能够确定地面卫星接收机的位置 三颗卫星在三维空间中其实有两个交点 但一个在太空 一个在大气层内 GPS定位是通过GPS接收机同时接收4颗以上的GPS卫星发出的信号来测定接收机在地球上的位置 四颗卫星可以确定一个点坐标 为什么必须是4颗星才能定位 难道3颗不可以吗 备注 定位原理其实就是距离后方交会 简单地讲 就是天上卫星的位置已知 GPS接收机把它到这些卫星的距离测出来 然后通过距离公式把坐标反算出来 但是具体的实现方式不同类型的GPS都不同 比如有伪距定位和载波相位定位等等 GPS定位原理 GPS定位原理 解算方程 卫星位置坐标

7、 已知量 接收机位置坐标 未知数 卫星到接收机的距离 待观测量 测距方法 伪距测量 载波相位测量 接收机钟差 未知数 四个未知数 至少需要四组方程 即需要四颗观测卫星 伪距测量 伪距测距是根据接收到得C A码和电文内容 通过信号的发射和接收时间差的计算 从而算出卫星和接收机的距离 但由于卫星时钟和接收机存在的钟差 因此计算出来的距离并不是真实的值 所以称为伪距 载波相位测量 ti是首次观测时刻 其相位为FI ti 范围在0 360之间 Fi tj 是tj秒观测的相位值 范围任意 则ti和tj之间的距离可以表达为两个相位差与波长的乘积 载波测距原理 GPS定位的特点 作业范围 全球地面覆盖 无须

8、通视作业时间 实时 全天候成果精度 精度高劳动强度 自动化程度高三维坐标 真三维坐标 GPS定位模式 定位模式绝对定位 单机定位 相对定位 差分定位 定位时接收机天线的运动状态静态定位动态定位获得定位结果的时效事后定位实时定位观测值类型伪距测量载波相位测量 绝对定位 单机定位 相对定位 差分定位 已知 卫星坐标观测 至少8个距离 相位 待求 基线AB的 X Y Z B L H 精度 伪距1m 相位1cm甚至mm 卫星定位技术的发展 目前热点技术 非差相位精密单点定位技术结合广域差分技术和单点定位技术 要求 精密卫星轨道 卫星钟参数 定位精度 0 1 0 5m网络RTK定位技术结合RTK和基准站

9、技术要求 在区域内架设多个基准站定位精度 0 01 0 05m 水平实时 GPS观测精度分布谱 GPS测量定位的主要误差来源 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和折射对流层延迟和折射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差和变化接收机钟差接收机内部噪声 GPS测量定位的主要误差源 GPS差分技术概述 差分GPS产生的诱因 绝对定位精度不能满足要求GPS绝对定位的精度受多种误差因素的影响 完全满足某些特殊应用的要求美国的GPS政策对GPS绝对定位精度的影响 选择可用性SA 差分GPS DGPS DifferentialGPS 利用设置在坐标

10、已知的点 基准站 上的GPS接收机测定GPS测量定位误差 用以提高在一定范围内其它GPS接收机 流动站 测量定位精度的方法 差分GPS的基本原理 误差的空间相关性以上各类误差中除多路径效应均具有较强的空间相关性 从而定位结果也有一定的空间相关性 差分GPS的基本原理利用基准站 设在坐标精确已知的点上 测定具有空间相关性的误差或其对测量定位结果的影响 供流动站改正其观测值或定位结果差分改正数的类型距离改正数 利用基准站坐标和卫星星历可计算出站星间的计算距离 计算距离减去观测距离即为距离改正数 位置 坐标 改正数 基准站上的接收机对GPS卫星进行观测 确定出测站的观测坐标 测站的已知坐标与观测坐标

11、之差即为位置的改正数 差分GPS的分类 根据时效性实时差分事后差分根据观测值类型伪距差分载波相位差分根据差分改正数位置差分 坐标差分 距离差分根据工作原理和差分模型局域差分 LADGPS LocalAreaDGPS 单基准站差分多基准站差分广域差分 WADGPS WideAreaDGPS 位置差分和距离差分的特点 距离差分差分改正计算的数学模型简单差分数据的数据量少基准站与流动站要求观测完全相同的一组卫星位置差分差分改正计算的数学模型较复杂差分数据的数据量较多基准站与流动站不要求观测完全相同的一组卫星 主要GPS差分技术 局域差分单站局域差分 DGPS RTK多站局域差分 MultiBaseR

12、TK网络局域差分 MAC VRS FKP CBI广域差分应用热点 主要差分方法 单基准站局域差分 结构基准站 一个 数据通讯链和用户数学模型 差分改正数的计算方法 提供距离改正和距离改正的变率特点优点 结构 模型简单缺点 差分范围小 精度随距基准站距离的增加而下降 可靠性低 主要差分方法 多基准站局域差分 结构基准站 多个 数据通讯链和用户数学模型 差分改正数的计算方法 加权平均偏导数法最小方差法特点优点 差分精度高 可靠性高 差分范围增大缺点 差分范围仍然有限 模型不完善 主要差分方法 广域差分 结构基准站 多个 数据通讯链和用户数学模型 差分改正数的计算方法 与普通差分不相同普通差分是考虑

13、的是误差的综合影响广域差分对各项误差加以分离 建立各自的改正模型用户根据自身的位置 对观测值进行改正特点优点 差分精度高 差分精度与距离无关 差分范围大缺点 系统结构复杂 建设费用高 应用热点 增强型系统特点伪卫星技术卫星通讯技术类型LAAS LocalAreaAugmentationSystem采用地基伪卫星WAAS WideAreaAugmentationSystem采用空基伪卫星采用通讯卫星发送差分改正数 应用热点 VRS VirtualReferenceStation作业模型类似RTK原理利用基准站网计算出用户附近某点 虚拟参考站 各项误差改正 再将它们加到利用虚拟参考站坐标和卫星坐标

14、所计算出的距离之上 得出虚拟参考站上的虚拟观测值 将其发送给用户 进行实时相对定位 特点精度和可靠性高属网络RTK RTK技术 RTK技术 RTK RealTimeKinematics 利用载波相位进行实时定位 属于距离差分 RTK算法本质上是静态相对处理 单差 双差 RTK技术的关键是动态双差整周模糊度搜索和定位可靠性 FARA技术LAMDA技术双频P码技术OTF技术 RTK类型 类型 载波相位差分基准站发送未改正的观测值RTCMSC 104数据报文18 19精度 厘米级准载波相位差分基准站发送载波相位改正值RTCMSC 104数据报文20 21精度 分米级 RTK系统 RTK系统基准站单元

15、 数据链单元 流动站单元 RTK系统 基准站 基准站要求 双频 具有RTK差分基准站数据输出功能 带有可抑制多路径效应的天线 观测值 P1 P2 L1 L2采样率 根据实际要求 一般要求1S或以上 输出 自定义格式 RTCMSC104标准格式或CMR 结构 GPS接收机 天线 数据发播设备 RTK系统 流动站 流动站要求 双频 具备RTK差分功能观测值 P1 P2 L1 L2采样率 根据实际要求 一般要求1S或以上 输入 自定义格式 RTCMSC 104或CMR组成 天线 接收机 数据接收设备 手簿 RTK系统 数据链路 类型UHF VHF速度一般在200到4800bps 非连接优点 面状广播式 可以同时供多个用户使用 通信接入方式透明 RS 232接口 缺点 易受干扰 绕射能力差 陆地作用距离有限公众网络 GSM CDMA GPRS速度一般在4800到150kbps 面向连接的方式优点 可靠性好 距离不受限制缺点 受到公众网络的通信条件影响 谢谢