GNSS定位的基本原理实用教案

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1、GNSSGNSS卫星定位(dngwi)(dngwi)概述1. GNSS的现状和发展趋势2. GNSS定位基本观测值和观测方程3. GNSS定位技术和模式4. GNSS定位误差源5. 线性组合观测值6. 整周模糊度7. 周跳的探测和修复8. 差分(ch fn)GNSS技术9. GNSS的应用范围 第1页/共49页第一页，共50页。1.1.全球卫星定位系统（GNSSGNSS）现状(xinzhung)(xinzhung)和发展趋势GNSS的定义和实际(shj)运行的系统GNSS的组成GPS,GLONASS,GALILEO,BeiDou第2页/共49页第二页，共50页。GNSSGNSS的定义和实际(s

2、hj)(shj)运行的系统 定义定义 具有全球导航定位能力的卫星定位导航系统称为具有全球导航定位能力的卫星定位导航系统称为全球卫星导航系统，英文全称为全球卫星导航系统，英文全称为GlobalGlobalNavigationSatelliteSystemNavigationSatelliteSystem，简称为，简称为GNSSGNSS。 实际系统实际系统 美国的全球卫星定位系统（美国的全球卫星定位系统（GPSGPS） 俄罗斯的全球卫星导航系统俄罗斯的全球卫星导航系统GLONASSGLONASS 正在发展正在发展(fzhn)(fzhn)研究的有欧盟的研究的有欧盟的GALILEOGALILEO系系统

3、统 中国北斗卫星导航系统中国北斗卫星导航系统(BeiDou,Compass)(BeiDou,Compass) 区域导航系统区域导航系统(2012)(2012) 全球卫星导航系统全球卫星导航系统(2020)(2020)第3页/共49页第三页，共50页。GNSS系统(xtng)组成第4页/共49页第四页，共50页。GPS全球定位系统 拥有者拥有者 美国美国 发展简史发展简史 全球卫星定位系统（全球卫星定位系统（GPSGPS）计划自）计划自19731973年起年起步，步，19781978年首次发射卫星，年首次发射卫星，19941994年完成年完成2424颗中高度圆轨道（颗中高度圆轨道（MEOMEO）

4、卫星组网，共历时）卫星组网，共历时1616年、耗资年、耗资120120亿美元。至今，已先后发展亿美元。至今，已先后发展了三代了三代(sndi)(sndi)卫星。卫星。 系统组成系统组成 空间部分空间部分 控制部分控制部分 用户部分用户部分 目前状态目前状态 应用广泛，形成产业应用广泛，形成产业 现代化现代化 保护，阻止，保持保护，阻止，保持第5页/共49页第五页，共50页。GLONASS全球定位系统 拥有者拥有者 俄罗斯俄罗斯 发展简史发展简史 由前苏联从由前苏联从8080年代初开始建设的与美国年代初开始建设的与美国GPSGPS系统相类似的卫系统相类似的卫星定位系统，现在由俄罗斯空间局管理。星

5、定位系统，现在由俄罗斯空间局管理。GLONASSGLONASS的整体结的整体结构类似于构类似于GPSGPS系统，其主要不同之处在于星座设计和信号载波系统，其主要不同之处在于星座设计和信号载波频率和卫星识别方法的设计不同。频率和卫星识别方法的设计不同。 系统组成系统组成 卫星星座卫星星座 地面监测控制站地面监测控制站 用户设备用户设备 目前状态目前状态 起步早，卫星寿命起步早，卫星寿命(shumng)(shumng)较短，民用太少较短，民用太少 现代化现代化 20102010年达到补充完整个卫星星座年达到补充完整个卫星星座 频分多址改为码分多址频分多址改为码分多址GLONASS1982-2007

6、GLONASS-M2003-2013GLONASS-K2007-2022GLONASS-KM2015-第6页/共49页第六页，共50页。伽利略（GALILEO）全球定位系统 拥有者拥有者 欧盟欧盟 发展发展(fzhn)(fzhn)简史简史 GALILEOGALILEO系统是欧洲自主的、独立的全球多模式卫系统是欧洲自主的、独立的全球多模式卫星定位导航系统，提供高精度、高可靠性的定位服星定位导航系统，提供高精度、高可靠性的定位服务，同时它实现完全非军方控制、管理，计划将于务，同时它实现完全非军方控制、管理，计划将于20082008年完成。可与美国的年完成。可与美国的GPSGPS和俄罗斯的和俄罗斯的

7、GLONASSGLONASS兼容，但比后两者更安全、更准确，兼容，但比后两者更安全、更准确， 系统组成系统组成 GALILEOGALILEO系统由系统由3030颗卫星组成，其中颗卫星组成，其中2727颗工作星，颗工作星，3 3颗备份星。卫星分布在颗备份星。卫星分布在3 3个中地球轨道（个中地球轨道（MEOMEO）上，轨道高度为上，轨道高度为2361623616千米，轨道倾角千米，轨道倾角5656度。每个度。每个轨道上部署轨道上部署9 9颗工作星和颗工作星和1 1颗备份星。颗备份星。第7页/共49页第七页，共50页。北斗卫星导航系统局域现状及发展(fzhn)计划北斗导航系统现状，发射16颗，可用

8、14颗5颗地球静止轨道卫星(GEO)东经84、东经140,和东经1605颗倾斜(qngxi)地球同步轨道卫星(IGSO)和4颗MEO3颗位于东经118,1颗位于东经110轨道倾角55第8页/共49页第八页，共50页。北斗(bidu)卫星导航系统局域现状及发展计划北斗(bidu)导航系统发展计划2012年:满足区域定位服务需求14颗5GEO+5IGSO+4MEO2020:提供全球服务35颗5GEO+3IGSO+27MEO第9页/共49页第九页，共50页。2GNSS观测观测(gunc)值和基本观测值和基本观测(gunc)方程方程2.1GNSS观测值的种类伪距观测值CA,P1,P2（粗码，精码）载波

9、相位观测值L1,L2,L5多普勒观测值D1,D22.2载波相位测量(cling)的基本原理2.3码伪距和载波相位的基本观测方程第10页/共49页第十页，共50页。GPS测距原理(yunl)（测距码）第11页/共49页第十一页，共50页。利用(lyng)测距码测定卫地距离利用(lyng)测距码进行测距的原理基本思路:=c=tc伪距伪距的测定方法第12页/共49页第十二页，共50页。2.2GPS载波相位(xingwi)测量的基本原理（一）理想(lxing)情况实际(shj)情况第13页/共49页第十三页，共50页。2.2GPS2.2GPS载波载波(zib)(zib)相位测量的基本原理（二）相位测量

10、的基本原理（二） 观测值观测值 整周计数整周计数 整周未知数整周未知数（整周模糊度）（整周模糊度） 优点优点 精度高，测距精度可达量级精度高，测距精度可达量级 难点难点 整周未知数问题整周未知数问题(wnt)(wnt) 整周跳变问题整周跳变问题(wnt)(wnt)载波相位(xingwi)观测值第14页/共49页第十四页，共50页。2.32.3码伪距和载波相位的基本观测码伪距和载波相位的基本观测(gunc)(gunc)方程方程为该历元(lyun)的伪距观测值为该历元的卫星(wixng)至接收机天线的几何距离为该历元卫星的轨道误差 为以米/秒为单位的光速 和为该历元卫星的卫星钟差和测站的接收机钟差

11、 为该历元卫星的电离层延迟误差 为该历元卫星的对流层延迟误差 为接收机码观测值的噪声和多路径误差等随机误差 其中：为接收机载波相位观测值的噪声和多路径误差等随机误差 为该历元相位差的小数部分与连续的整周记数之和，单位为周 为相应于该载波的波长 为该卫星的相位观测值模糊度 伪距：载波：第15页/共49页第十五页，共50页。3GNSS3GNSS定位定位(dngwi)(dngwi)技术和模式技术和模式 GNSSGNSS定位的基本原理定位的基本原理 GNSSGNSS定位的发展定位的发展(fzhn)(fzhn)历史历史 GNSSGNSS的发展的发展(fzhn)(fzhn)方向方向 目前目前GNSSGNS

12、S的发展的发展(fzhn)(fzhn)方向方向 精密单点定位的原理和优缺点精密单点定位的原理和优缺点第16页/共49页第十六页，共50页。GNSSGNSS定位定位(dngwi)(dngwi)的基本原理的基本原理绝对(judu)定位第17页/共49页第十七页，共50页。GNSSGNSS定位技术发展定位技术发展(fzhn)(fzhn)历史历史非差相位非差相位(xingwi)(xingwi)精密单点定位精密单点定位（PPPPPP）网络网络(wnglu)RTK(wnglu)RTK技术技术伪距单点定位伪距单点定位伪距差分定位伪距差分定位载波静态定位载波静态定位绝对定位绝对定位相对定位相对定位常规常规RT

13、KRTK广域差分定位广域差分定位定位技术 -PPPRTK第一代第一代第二代第二代第三代第三代第四代第四代第18页/共49页第十八页，共50页。GNSS定位(dngwi)的发展方向实时、高精度、高可靠性网络化、集中式的数据服务各种定位(dngwi)方法相互融合，趋向统一呈现出多元化和学科交叉的特点第19页/共49页第十九页，共50页。目前目前(mqin)GNSS(mqin)GNSS定位研究的热点定位研究的热点 非差相位精密单点定位技术非差相位精密单点定位技术 结合广域差分结合广域差分(chfn)(chfn)技术和单点定位技术。技术和单点定位技术。 要求：精密卫星轨道、卫星钟参数。要求：精密卫星轨

14、道、卫星钟参数。 定位精度：定位精度：0.1-0.5m0.1-0.5m 网络网络RTKRTK定位技术定位技术 结合结合RTKRTK和基准站技术和基准站技术 要求：在区域内架设多个基准站要求：在区域内架设多个基准站 定位精度：（水平实时）定位精度：（水平实时）第20页/共49页第二十页，共50页。精密精密(jngm)单点定位概念及原理单点定位概念及原理 利用预报的GPSGPS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GPSGPS定位观测值方程中的卫星钟差参数；用户利用单台GPSGPS双频双码接收机的观测数据在在数千万平方公里乃至全球(qunq

15、i)(qunqi)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（Precise Point PositioningPrecise Point Positioning），简称为（PPPPPP）。 第21页/共49页第二十一页，共50页。精密( jngm)单点定位优缺点优点：处理非差伪距和相位观测值估计位置、接收机钟差、对流层延迟历元支持(zhch)静态和动态定位支持(zhch)全球定位与坐标框架直接联系无需基准站支持(zhch)即可实现厘米级到分米级定位提高效益，降低成本挑战卫星星历和钟差的可用性问题相位模糊度收敛问题误

16、差处理问题第22页/共49页第二十二页，共50页。4GNSS4GNSS测量误差来源测量误差来源(liyun)(liyun)GNSS误差源的分类消除或减弱(jinru)各种误差的方法模型改正法求差法参数法相对论效应电离层误差对流层误差多路径效应第23页/共49页第二十三页，共50页。与卫星与卫星(wixng)(wixng)有关的误差有关的误差卫星卫星(wixng)(wixng)轨道误差轨道误差卫星卫星(wixng)(wixng)钟差钟差相对论效应相对论效应与传播途径有关的误差与传播途径有关的误差电离层延迟电离层延迟对流层延迟对流层延迟多路径效应多路径效应与接收设备有关的误差与接收设备有关的误差接

17、收机天线相位中心的偏移和接收机天线相位中心的偏移和变化变化接收机钟差接收机钟差接收机内部噪声接收机内部噪声GNSSGNSS误差误差(wch)(wch)源的分类源的分类第24页/共49页第二十四页，共50页。消除或消弱各种误差影响消除或消弱各种误差影响(yngxing)(yngxing)的方法的方法 模型改正法模型改正法 原理：利用模型计算出误差影响的大小，直接对观测值进行修正原理：利用模型计算出误差影响的大小，直接对观测值进行修正 适用情况：对误差的特性、机制及产生原因有较深刻了解，能建立理适用情况：对误差的特性、机制及产生原因有较深刻了解，能建立理论或经验公式论或经验公式 所针对的误差源所针

18、对的误差源 相对论效应相对论效应 电离层延迟电离层延迟 对流层延迟对流层延迟 卫星钟差卫星钟差 限制限制(xinzh)(xinzh)：有些误差难以模型化：有些误差难以模型化 求差法求差法 原理：通过观测值间一定方式的相互求差，消去或消弱求差观测值中原理：通过观测值间一定方式的相互求差，消去或消弱求差观测值中所包含的相同或相似的误差影响所包含的相同或相似的误差影响 适用情况：误差具有较强的空间、时间或其它类型的相关性。适用情况：误差具有较强的空间、时间或其它类型的相关性。 所针对的误差源所针对的误差源 如电离层延迟如电离层延迟 对流层延迟对流层延迟 卫星轨道误差卫星轨道误差 限制限制(xinzh

19、)(xinzh)：空间相关性将随测站间距离的增加而减弱：空间相关性将随测站间距离的增加而减弱 参数法参数法 原理：采用参数估计的方法，将系统性偏差求定出来原理：采用参数估计的方法，将系统性偏差求定出来 适用情况：几乎适用于任何的情况适用情况：几乎适用于任何的情况 限制限制(xinzh)(xinzh)：不能同时将所有影响均作为参数来估计：不能同时将所有影响均作为参数来估计第25页/共49页第二十五页，共50页。电离层延迟电离层延迟(ynch)(Ionosphere)(ynch)(Ionosphere)第26页/共49页第二十六页，共50页。常用电离层延迟改正常用电离层延迟改正(gizhng)(g

20、izhng)方法分类方法分类 经验模型改正经验模型改正 方法：根据以往观测结果所建立的模型方法：根据以往观测结果所建立的模型 改正效果：差改正效果：差 双频改正双频改正 方法：利用方法：利用(lyng)(lyng)双频观测值直接计算出延迟改正或组成无电离层延迟的组合双频观测值直接计算出延迟改正或组成无电离层延迟的组合观测量观测量 效果：改正效果最好效果：改正效果最好 实测模型改正实测模型改正 方法：利用方法：利用(lyng)(lyng)实际观测所得到的离散的电离层延迟（或电子含量），建立实际观测所得到的离散的电离层延迟（或电子含量），建立模型（如内插）模型（如内插） 效果：改正效果较好效果：改

21、正效果较好第27页/共49页第二十七页，共50页。对流层延迟对流层延迟(ynch)(ynch)（TroposphereTroposphere）第28页/共49页第二十八页，共50页。常用模型改正霍普菲尔德（Hopfield）改正模型萨斯塔莫宁（Saastamoinen）改正模型勃兰克（Black）改正模型不同模型所算出的高度角30以上方向的延迟差异(chy)不大Black模型可以看作是Hopfield模型的修正形式Saastamoinen模型与Hopfield模型的差异(chy)要大于Black模型与Hopfield模型的差异(chy)常用对流层延迟改正常用对流层延迟改正(gizhng)(gi

22、zhng)方法方法第29页/共49页第二十九页，共50页。多路径误差多路径误差(wch)(wch) 多路径（多路径（MultipathMultipath）误差）误差 在在GPSGPS测量中，被测站附近的物测量中，被测站附近的物体所反射的卫星信号（反射波）体所反射的卫星信号（反射波）被接收机天线所接收，与直接来被接收机天线所接收，与直接来自卫星的信号（直接波）产生干自卫星的信号（直接波）产生干涉涉(gnsh)(gnsh)，从而使观测值偏，从而使观测值偏离真值产生所谓的离真值产生所谓的“多路径误差多路径误差”。 多路径效应多路径效应 由于多路径的信号传播所引起的由于多路径的信号传播所引起的干涉干涉

23、(gnsh)(gnsh)时延效应称为多时延效应称为多路径效应。路径效应。第30页/共49页第三十页，共50页。应对多路径误差应对多路径误差(wch)(wch)的方法的方法 硬件上硬件上 采用抗多路径误差的仪器设备采用抗多路径误差的仪器设备 抗多路径的天线：带抑径板或抑径圈的天线，极化天线抗多路径的天线：带抑径板或抑径圈的天线，极化天线 抗多路径的接收机：窄相关技术抗多路径的接收机：窄相关技术MEDLL(MultipathEstimatingDelayMEDLL(MultipathEstimatingDelayLockLoop)LockLoop)等等 观测上观测上 选择合适的测站，避开易产生选择

24、合适的测站，避开易产生(chnshng)(chnshng)多路径的环境多路径的环境 数据处理上数据处理上 加权加权, ,参数法参数法, ,滤波法滤波法, ,信号分析法信号分析法易发生(fshng)多路径的环境第31页/共49页第三十一页，共50页。组合观测(gunc)值的一般特性电磁波的一般特性5.观测(gunc)值间的线性组合第32页/共49页第三十二页，共50页。组合观测(gunc)值的一般特性（续）频率特性波长特性整周未知数特性两个载波(zib)（L1、L2）观测值间的线性组合第33页/共49页第三十三页，共50页。宽巷组合(zh)观测值（wide-lane）(n=1,m=-1)几种特殊

25、(tsh)的组合观测值第34页/共49页第三十四页，共50页。无电离层影响组合(zh)观测值（iono-free）几种特殊的组合(zh)观测值第35页/共49页第三十五页，共50页。6.整周未知数N0的确定(qudng)整周未知数（整周模糊(mhu)度Ambiguity）第36页/共49页第三十六页，共50页。载波相位(xingwi)模糊度的确定方法1.在观测值领域的搜索技术利用接收机的伪距观测值，特别是P码伪距观测值与相位(xingwi)观测值组合平滑，从而确定整周未知数。（双频P码法）2.在坐标域内的搜索技术如果初始的坐标估计足够精确，整周模糊度可以利用这些初始坐标进行估计，如果初始坐标的

26、偏差，整周模糊度不能通过坐标直接确定。（模糊度函数法）3.在估计的模糊度域内的搜索技术先利用所有的观测值一起进行平差处理，从而得到基线向量和模糊度参数的浮点解，并且获得模糊度方差-协方差阵。根据模糊度参数的精度信息，构造搜索空间，寻找一组使残差平方和最小的整数模糊度参数的组合。通过一个基于统计检验的确认过程，搜索出模糊度，得出基线向量的固定解。（FARA,FASF,LAMBDA,QIF）第37页/共49页第三十七页，共50页。7.周跳的探测(tnc)与修复整周跳变（周跳）什么是整周跳变（周跳）如果因为某种原因使得载波相位观测值中的整周计数器累计工作产生中断，那么恢复累计后所有的计数中都会包含有

27、同一个偏差，此偏差就是中断期间丢失的整周数，通常称为周跳产生周跳的原因信号被遮挡仪器故障信号被干扰接收机在高速动态的环境下进行观测周跳的特点只影响(yngxing)整周计数周跳为波长的整数倍将影响(yngxing)从周跳发生时刻（历元）之后的所有观测值第38页/共49页第三十八页，共50页。周跳的探测(tnc)和修复周跳的探测和修复方法高次差法多项式拟合法伪距/载波组合法电离层残差法卡尔曼滤波法冗余(rny)观测值法三差法小波分析法第39页/共49页第三十九页，共50页。8差分(chfn)GNSS技术差分GNSS的基本原理差分观测值的定义和种类(zhngli)差分GNSS的分类第40页/共49

28、页第四十页，共50页。差分(chfn)GPS的基本原理误差的空间相关性影响GNSS定位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(jzhn)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位置（坐标改正数）改正数观测值改正数第41页/共49页第四十一页，共50页。差分观测差分观测(gunc)(gunc)值的定义和种类值的定义和种类 差分观测值的定义差分观测值的定义 将相同频率的将相同频率的GPSGPS载波载波(zib)(zib)相位观测值依据某种方

29、式求差所获得相位观测值依据某种方式求差所获得的新的组合观测值（虚拟观测值）的新的组合观测值（虚拟观测值） 差分观测值的特点差分观测值的特点 可以消去某些不重要的参数，或将某些对确定待定参数有较大负面可以消去某些不重要的参数，或将某些对确定待定参数有较大负面影响的因素消去或消弱其影响影响的因素消去或消弱其影响 求差方式求差方式 站间求差站间求差 卫星间求差卫星间求差 历元间求差历元间求差第42页/共49页第四十二页，共50页。站间求差（站间差分站间求差（站间差分(chfn)(chfn)） 求差方式求差方式 同步观测值在接收机间求差同步观测值在接收机间求差 数学形式数学形式(xngsh)(xngs

30、h) 特点特点 消除了卫星钟差影响消除了卫星钟差影响 削弱了电离层折射影响削弱了电离层折射影响 削弱了对流层折射影响削弱了对流层折射影响 削弱了卫星轨道误差的影响削弱了卫星轨道误差的影响第43页/共49页第四十三页，共50页。星间求差（星间差分星间求差（星间差分(chfn)(chfn)） 求差方式求差方式 同步观测值在卫星同步观测值在卫星(wixng)(wixng)间求差间求差 数学形式数学形式 特点特点 消除了接收机钟差的影响消除了接收机钟差的影响第44页/共49页第四十四页，共50页。历元历元(lyun)(lyun)间求差（历元间求差（历元(lyun)(lyun)间差分）间差分） 差分差分

31、(chfn)(chfn)方式方式 观测值在间历元求差观测值在间历元求差 数学形式数学形式 特点特点 消去了整周未知数参数消去了整周未知数参数第45页/共49页第四十五页，共50页。单差、双差和三差单差、双差和三差 单差：站间一次差分单差：站间一次差分 双差：站间、星间各求一次差（共两次差）双差：站间、星间各求一次差（共两次差） 三差：站间、星间和历元三差：站间、星间和历元(lyun)(lyun)间各求一次差（三次差）间各求一次差（三次差）单差双差三差第46页/共49页第四十六页，共50页。差分差分(chfn)GPS(chfn)GPS的分类的分类 根据时效性根据时效性 实时差分实时差分 事后差分

32、事后差分 根据观测值类型根据观测值类型 伪距差分伪距差分 载波相位差分载波相位差分 根据差分改正数根据差分改正数 位置差分（坐标位置差分（坐标(zubio)(zubio)差分）差分） 距离差分距离差分 根据工作原理和差分模型根据工作原理和差分模型 局域差分（局域差分（LADGPSLocalAreaDGPSLADGPSLocalAreaDGPS） 单基准站差分单基准站差分 多基准站差分多基准站差分 广域差分（广域差分（WADGPSWideAreaDGPSWADGPSWideAreaDGPS）位置(wi zhi)差分距离差分距离改正坐标改正第47页/共49页第四十七页，共50页。Question?第48页/共49页第四十八页，共50页。感谢您的观看(gunkn)！第49页/共49页第四十九页，共50页。内容(nirng)总结GNSS卫星定位概述。35颗5GEO+3IGSO+27MEO。GPS测距原理（测距码）。利用测距码进行测距的原理。结合广域差分技术和单点定位技术。适用情况：几乎(jh)适用于任何的情况。效果：改正效果最好。效果：改正效果较好。站间求差（站间差分）。星间求差（星间差分）。双差：站间、星间各求一次差（共两次差）。三差：站间、星间和历元间各求一次差（三次差）。第48页/共49页。感谢您的观看第五十页，共50页。