GNSS基本原理、差分原理、誤差等

1、GNSSGNSS基本原理、差分原理、基本原理、差分原理、誤差誤差北京天恒昕業(yè)第一期技術(shù)培訓(xùn)目錄目錄 1.GNSS系統(tǒng) 2.GPS發(fā)展差分定位原理 3.GPS GNSS增強(qiáng)系統(tǒng) 4.衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)及GPS衛(wèi)星星歷 5.GPS現(xiàn)代化 6.GPS測(cè)量定位的誤差源一、一、GNSS的定義的定義 全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GNSS): (Global Navigation Satellite System)是一種以衛(wèi)是一種以衛(wèi)星為基礎(chǔ)的無線電導(dǎo)航系統(tǒng)，系統(tǒng)可提供時(shí)間星為基礎(chǔ)的無線電導(dǎo)航系統(tǒng)，系統(tǒng)可提供時(shí)間/空間基準(zhǔn)空間基準(zhǔn)和所有與位置信息相關(guān)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)信息，又稱天基系統(tǒng)。和所有與位置信息相關(guān)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)信

2、息，又稱天基系統(tǒng)。GNSS GPS ?二、二、GNSS構(gòu)成構(gòu)成 CompassGPSGalileoGLONASS1、美國(guó)、美國(guó)GPS系統(tǒng)系統(tǒng) 美國(guó)的全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)美國(guó)的全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（Global Positioning System GPS）。主要參數(shù)：主要參數(shù)：24（21+3）顆衛(wèi)星，現(xiàn)有31顆；6個(gè)近圓軌道，平均高度20200KM；軌道面與赤道面夾角55；運(yùn)行周期為11小時(shí)小時(shí)58分分；基準(zhǔn)頻率銣鐘和銫鐘銣鐘和銫鐘，(D碼、碼、C/A碼、碼、P碼、碼、L1與與L2載波載波)。單點(diǎn)水平定位精度約10米米。2、俄羅斯、俄羅斯GLONASS系統(tǒng)系統(tǒng) 俄羅斯的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)俄羅斯的全球衛(wèi)星

3、導(dǎo)航系統(tǒng)（GLObal Navigation Satellite System GLONASS）主要參數(shù)：主要參數(shù)：24（21+3）顆衛(wèi)星，現(xiàn)有23顆；3個(gè)近圓軌道，平均高度19100KM；軌道面與赤道面夾角65；運(yùn)行周期為11小時(shí)小時(shí)15分分；頻率基準(zhǔn)銫鐘銫鐘，包括S碼、碼、P碼、碼、L1與與L2載波載波；單點(diǎn)水平定位精度約16米米。3、歐盟、歐盟GALILEO系統(tǒng)系統(tǒng) 歐盟歐盟Galileo的全球衛(wèi)星導(dǎo)航服務(wù)系統(tǒng)的全球衛(wèi)星導(dǎo)航服務(wù)系統(tǒng)（ GALILEO Satellite Navigation System ）。主要參數(shù)：主要參數(shù)：30（27+3）顆衛(wèi)星；3個(gè)圓軌道，平均高度24126KM

4、；軌道面與赤道面夾角56；單點(diǎn)水平定位精度約1米；米；民用控制。民用控制。4、中國(guó)北斗（、中國(guó)北斗（CMPASS）系統(tǒng)）系統(tǒng) 中國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BeiDou (COMPASS) Navigation Satellite System）主要參數(shù)：主要參數(shù)：顆靜止軌道衛(wèi)星和30顆非靜止軌道衛(wèi)星，靜止衛(wèi)星分布為：58.75 E、 80E、110.5 E、140 E &160 E；30顆非靜止軌道衛(wèi)星由27顆中軌(MEO)衛(wèi)星和3顆傾斜同步(IGSO)衛(wèi)星組成，MEO衛(wèi)星分布在傾角為55度的3個(gè)軌道平面上，軌道高度為21500公里。單點(diǎn)水平定位精度約10米；米；雙向短信

5、短信服務(wù)。GPS系統(tǒng)發(fā)展過程 第一階段（1973-1979）：方案論證 初步試驗(yàn)、發(fā)射四顆試驗(yàn)衛(wèi)星、試驗(yàn)樣機(jī)研制、建立地面跟蹤站網(wǎng) 第二階段（1979-1987.）：試驗(yàn)階段 發(fā)射7顆試驗(yàn)衛(wèi)星、地面跟蹤站網(wǎng)完善、接收機(jī)研制、試驗(yàn)觀測(cè)（導(dǎo)航、授時(shí)和測(cè)量應(yīng)用）。 第三階段（1994- .）正式投入運(yùn)行 1989年2月4日第一顆工作衛(wèi)星發(fā)射，1993年底24顆 工作衛(wèi)星全部升空，完成組網(wǎng)1994年投入全面運(yùn)行。 目前有在軌工作衛(wèi)星27顆GPS系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn) 全球任何地方任何時(shí)間均可觀測(cè)到4顆以上衛(wèi)星-可以提供24小時(shí)的連續(xù)的三維導(dǎo)航定位服務(wù) 全天候，不受天氣條件的限制 定位精度高：?jiǎn)吸c(diǎn)

6、定位（導(dǎo)航）2-6米，靜態(tài)相對(duì)測(cè)量（大地測(cè)量）10-6-10-9 操作簡(jiǎn)便、重量輕、體積小、耗電省 功能多、應(yīng)用范圍廣GPS測(cè)量方法單點(diǎn)定位C/A碼單點(diǎn)定位 15-25米（5.7M)P-碼單點(diǎn)定位 1-3米2.相對(duì)定位模式載波相位實(shí)時(shí)差分(RTK) 厘米級(jí) 偽距實(shí)時(shí)差分(RTD) 亞米級(jí)靜態(tài)相對(duì)定位 （1到1.5個(gè)小時(shí)） 毫米-厘米級(jí)快速靜態(tài)定位(5-10分鐘) 厘米級(jí)相對(duì)動(dòng)態(tài)定位（一分鐘左右 后處理 ）厘米-分米級(jí)相關(guān)產(chǎn)品定位精度我們的儀器都以進(jìn)行碼差分GPS偽距測(cè)量原理（碼差分）GPS載波相位測(cè)量原理GPS單點(diǎn)定位原理 已知點(diǎn)-衛(wèi)星位置(X,Y,Z) 未知點(diǎn)-地面點(diǎn)或其他待測(cè)點(diǎn)(x,y,z

7、) 觀測(cè)量-衛(wèi)星到接收機(jī)天線的距離(R) R=電波傳播時(shí)間x光速 觀測(cè)方程: R2=(X-x) 2 +(Y-y) 2+(Z-z) 2+(tc) 2 四個(gè)方程解四個(gè)未知數(shù)：觀測(cè)四顆以上衛(wèi)星才能求出三維坐標(biāo)基準(zhǔn)站位置已知，對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行偽距觀測(cè)* 偽距改正數(shù)=計(jì)算偽距-觀測(cè)偽距* 電臺(tái)傳送偽距改正數(shù)流動(dòng)站對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行偽距觀測(cè)* 流動(dòng)站接收基準(zhǔn)站電臺(tái)傳送的偽距改正數(shù)* 改正后的偽距=觀測(cè)偽距+偽距改正數(shù)* 流動(dòng)站接收用改正后的偽距計(jì)算位置特點(diǎn)：*需要數(shù)據(jù)鏈進(jìn)行實(shí)時(shí)傳送偽距改正*實(shí)時(shí)定位數(shù)據(jù)可達(dá)亞米級(jí)精度DGPS(RTD)定位原理RTK定位原理 基準(zhǔn)站位置已知，對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行載波相位觀測(cè)* 基準(zhǔn)站電臺(tái)將觀測(cè)的每

8、一顆衛(wèi)星的載波相位觀測(cè)量調(diào)制到電臺(tái)的載波上發(fā)射傳送 流動(dòng)站對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行載波相位觀測(cè)*流動(dòng)站接收基準(zhǔn)站電臺(tái)傳送的載波相位觀測(cè)量*流動(dòng)站利用OTF技術(shù)將電臺(tái)接收到基準(zhǔn)站的載波相位觀測(cè)量和本機(jī)的載波相位觀測(cè)量進(jìn)行處理計(jì)算，求出觀測(cè)時(shí)刻的位置 特點(diǎn)：*需要數(shù)據(jù)鏈進(jìn)行實(shí)時(shí)傳送載波相位觀測(cè)量*實(shí)時(shí)定位數(shù)據(jù)可達(dá)厘米級(jí)精度單基站單基站單基站工作原理：將一臺(tái)GPS 接收機(jī)安置在一個(gè)點(diǎn)上，這個(gè)點(diǎn)可以是控制點(diǎn)，也可以是未知點(diǎn)，長(zhǎng)時(shí)間觀測(cè)后，會(huì)得一個(gè)相對(duì)比較準(zhǔn)的坐標(biāo)值，同時(shí)得到一個(gè)差分改正值，另外一臺(tái)gps接收機(jī)作為流動(dòng)站，未知點(diǎn)坐標(biāo)，通過電臺(tái)或者是其他通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)時(shí)的將差分改正值發(fā)送到流動(dòng)站，流動(dòng)站根據(jù)這些改正值，得

9、到一個(gè)比較準(zhǔn)確的坐標(biāo)值定位模式為：相對(duì)定位模式VRS VRS工作原理：是指由若干個(gè)固定的、連續(xù)運(yùn)行的GPS參考站，利用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)通信和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)組成的網(wǎng)絡(luò)，實(shí)時(shí)地向不同類型、不同需求、不同層次的用戶自動(dòng)地提供經(jīng)過檢驗(yàn)的不同類型的GPS觀測(cè)值(載波相位，偽距)，各種改正數(shù)、狀態(tài)信息，以及其他有關(guān)GPS服務(wù)項(xiàng)目的系統(tǒng) 以河南cors 為例，全名為河南省地質(zhì)信息連續(xù)運(yùn)行采集系統(tǒng)，全省共計(jì)分部了50個(gè)GPS基準(zhǔn)站,全部采用天寶的產(chǎn)品。GPS應(yīng)用應(yīng)用 導(dǎo)航-海陸空導(dǎo)航、近場(chǎng)著陸，車輛跟蹤、調(diào)度和管理、航空器和彈道制導(dǎo)監(jiān)控 授時(shí)校頻 測(cè)量應(yīng)用 各種等級(jí)的大地測(cè)量、控制測(cè)量、GIS 道路和線路放樣 水

10、下地形測(cè)量 地殼形變、大壩和大型建筑物變形測(cè)量 GIS應(yīng)用 大型機(jī)械控制-鋪路機(jī)、挖掘機(jī)、輪胎吊等一.GPS GNSS增強(qiáng)系統(tǒng)什么是GPS GNSS增強(qiáng)系統(tǒng) GPS本身常常無法提供足夠的性能，尤其是在需要高度完整性的苛刻環(huán)境中。通過使用各種來源提供的增強(qiáng)信息，GPS/GNSS的精度和完整性可以得到大幅度的增強(qiáng)。GPS/GNSS增強(qiáng)系統(tǒng)在實(shí)際使用中有多種形式，但它們的共同原理都是提供輔助信息，而其最終的目的是改善GPS/GNSS的性能和/或可靠程度。 天基增強(qiáng)系統(tǒng)（SBAS） 天基增強(qiáng)系統(tǒng)（SBAS）的目標(biāo)是改善 GPS/GNSS系統(tǒng)的完整性和 精度，主要用于飛行器導(dǎo)航， 尤其是在飛機(jī)的著陸階段

11、。 SBAS衛(wèi)星會(huì)向地球廣播修正消息，使接收機(jī)可以利用此類信息來改善精度和完整性。美國(guó)、歐洲和亞洲都在開發(fā)自己的SBAS系統(tǒng)天基增強(qiáng)系統(tǒng) 在歐洲，歐洲對(duì)地靜止導(dǎo)航覆蓋服務(wù)（EGNOS，European Geostationary Navigation Overlay Service）系統(tǒng)現(xiàn)已建成并開始運(yùn)行。 美國(guó)的廣域增強(qiáng)系統(tǒng)（WAAS,Wide Area Augmentation System） 日本的多功能衛(wèi)星增強(qiáng)系統(tǒng)（MSAS,Multi-functional Satellite Augmentation System） 及印度的GPS輔助地理增強(qiáng)導(dǎo)航（GAGAN,GPS Aided G

12、eo Augmented Naviagtion）系統(tǒng)都已經(jīng)進(jìn)入不同的開發(fā)和應(yīng)用階段。陸基增強(qiáng)系統(tǒng)（GBAS） GPS增強(qiáng)技術(shù)的替代方法之一是從陸基增強(qiáng)系統(tǒng)發(fā)送完整性和修正消息。這方面一個(gè)典型的例子就是局域增強(qiáng)系統(tǒng)（LAAS），該系統(tǒng)使具有相應(yīng)配備的接收機(jī)能夠在局部區(qū)域內(nèi)計(jì)算出更高的精度和完整性SBAS和GBAS模擬的優(yōu)勢(shì) 對(duì)于SBAS和GBAS而言，模擬是實(shí)現(xiàn)認(rèn)證和型號(hào)審批應(yīng)用的理想途徑。此類模擬提供的受控和可重復(fù)信號(hào)可確保具體的測(cè)試條件能夠在不同的被測(cè)單元上得到重現(xiàn)。此外，通過模擬可對(duì)安全案例進(jìn)行測(cè)試，其中包括已發(fā)送信號(hào)中的各類錯(cuò)誤或異常。在這些情形下進(jìn)行測(cè)試可確保我們能夠理解和驗(yàn)證被測(cè)系統(tǒng)

13、在處置這些異常條件的能力。衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)概述 定義 衛(wèi)星在空間運(yùn)行的軌跡稱為軌道，而描述衛(wèi)星軌道位置和狀態(tài)的參數(shù)，稱為軌道參數(shù)。軌道誤差會(huì)直接影響所求用戶接收機(jī)位置的精度。 意義 滿足精密定位的需要 制定GPS測(cè)量的觀測(cè)計(jì)劃 便于捕獲GPS衛(wèi)星信號(hào)衛(wèi)星運(yùn)動(dòng) 影響衛(wèi)星軌道的因素及其研究方法 為了研究工作和實(shí)際應(yīng)用的方便，將各種作用力按其影響分為兩類： 中心力假設(shè)地球?yàn)閯蛸|(zhì)球體的引力 非中心力攝動(dòng)力，包括地球非球形對(duì)稱的作用力、日月引力、大氣阻力、光輻射壓力、地球潮汐力衛(wèi)星運(yùn)動(dòng) 影響衛(wèi)星軌道的因素及其研究方法 對(duì)應(yīng)兩類作用力，產(chǎn)生了兩種研究方法 無攝運(yùn)動(dòng)忽略所有攝動(dòng)力，僅考慮地球質(zhì)心引力 受攝運(yùn)動(dòng)在二體

14、問題基礎(chǔ)上，再加上攝動(dòng)力來推求衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)軌道衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)衛(wèi)星高度 衛(wèi)星高度分成地面高度和軌道高度。 衛(wèi)星的地面高度（飛行高度），是衛(wèi)星在軌飛行時(shí)離開地球表面的距離，它隨衛(wèi)星的地心緯度不同而變化。 衛(wèi)星的軌道高度取決于近地點(diǎn)和遠(yuǎn)地點(diǎn)的地心距的平均高度。GPS衛(wèi)星的星歷分類 GPS衛(wèi)星星歷的提供方式一般有兩種：預(yù)報(bào)星歷（廣播星歷）后處理星歷（精密星歷） 預(yù)報(bào)星歷 預(yù)報(bào)星歷，是通過衛(wèi)星發(fā)射的含有軌道信息的導(dǎo)航電文傳遞給用戶的，用戶接收機(jī)接收到這些信號(hào)，經(jīng)過解碼便可獲得所需要的衛(wèi)星星歷，所以這種星歷也叫做廣播星歷。GPS衛(wèi)星的星歷 后處理星歷 后處理星歷，是一些國(guó)家的某些部門，根據(jù)各自建立的跟蹤站所獲得的精

15、密觀測(cè)資料，應(yīng)用與確定預(yù)報(bào)星歷相似的方法計(jì)算的衛(wèi)星星歷。 它不是GPS衛(wèi)星直接播發(fā)的，而是由第三者提供給用戶的GPS星歷。GPS衛(wèi)星的星歷 區(qū)別預(yù)報(bào)星歷：用戶在觀測(cè)時(shí)可以通過導(dǎo)航電文實(shí)時(shí)地得到，這對(duì)導(dǎo)航或?qū)崟r(shí)定位非常重要。但它是外推星歷，精度較低。后處理星歷：不能實(shí)時(shí)提供，而是在事后向用戶提供觀測(cè)時(shí)的衛(wèi)星星歷，避免了預(yù)報(bào)星歷外推的誤差。 GPS衛(wèi)星現(xiàn)代化的提出和內(nèi)涵 GPS現(xiàn)代化的提法是1999年1月25日美國(guó)副總統(tǒng)以文告形式發(fā)表的 GPS現(xiàn)代化實(shí)質(zhì)： 要加強(qiáng)GPS對(duì)美軍現(xiàn)代化戰(zhàn)爭(zhēng)中的支撐和保持全球民用導(dǎo)航領(lǐng)域中的領(lǐng)導(dǎo)地位。 GPS現(xiàn)代化內(nèi)涵:一是保護(hù),即GPS現(xiàn)代化是為了更好的保護(hù)美方和友好

16、方的使用,要發(fā)展軍碼和強(qiáng)化軍碼的保密性能,加強(qiáng)抗干擾能力;二是阻止,即阻擾敵對(duì)方使用,施加干擾,施加SA,AS等;三是保持,即保持在有威脅地區(qū)以外的民用用戶有更精確更安全的使用。GPS定位中的誤差源概述GPS測(cè)量誤差的來源 與衛(wèi)星有關(guān)的誤差 衛(wèi)星軌道誤差 衛(wèi)星鐘差 相對(duì)論效應(yīng) 與傳播途徑有關(guān)的誤差 電離層延遲 對(duì)流層延遲 多路徑效應(yīng) 與接收設(shè)備有關(guān)的誤差 接收機(jī)天線相位中心的偏移和變化 接收機(jī)鐘差 接收機(jī)內(nèi)部噪聲GPS定位中的誤差源 偶然誤差偶然誤差 內(nèi)容 衛(wèi)星信號(hào)發(fā)生部分的隨機(jī)噪聲 接收機(jī)信號(hào)接收處理部分的隨機(jī)噪聲 其它外部某些具有隨機(jī)特征的影響 特點(diǎn) 隨機(jī) 量級(jí)小 毫米級(jí) 系統(tǒng)誤差（偏差系

17、統(tǒng)誤差（偏差 - Bias- Bias） 內(nèi)容 其它具有某種系統(tǒng)性特征的誤差 特點(diǎn) 具有某種系統(tǒng)性特征 量級(jí)大 最大可達(dá)數(shù)百米消除或消弱各種誤差影響的方法 模型改正法 原理：利用模型計(jì)算出誤差影響的大小，直接對(duì)觀測(cè)值進(jìn)行修正 適用情況：對(duì)誤差的特性、機(jī)制及產(chǎn)生原因有較深刻了解，能建立理論或經(jīng)驗(yàn)公式 所針對(duì)的誤差源 相對(duì)論效應(yīng) 電離層延遲 對(duì)流層延遲 衛(wèi)星鐘差 限制：有些誤差難以模型化消除或消弱各種誤差影響的方法 求差法 原理：通過觀測(cè)值間一定方式的相互求差，消去或消弱求差觀測(cè)值中所包含的相同或相似的誤差影響 適用情況：誤差具有較強(qiáng)的空間、時(shí)間或其它類型的相關(guān)性。 所針對(duì)的誤差源 電離層延遲 對(duì)

18、流層延遲 衛(wèi)星軌道誤差 限制：空間相關(guān)性將隨著測(cè)站間距離的增加而減弱消除或消弱各種誤差影響的方法 參數(shù)法 原理：采用參數(shù)估計(jì)的方法，將系統(tǒng)性偏差求定出來 適用情況：幾乎適用于任何的情況 限制：不能同時(shí)將所有影響均作為參數(shù)來估計(jì)消除或消弱各種誤差影響的方法 回避法 原理：選擇合適的觀測(cè)地點(diǎn)，避開易產(chǎn)生誤差的環(huán)境；采用特殊的觀測(cè)方法；采用特殊的硬件設(shè)備，消除或減弱誤差的影響 適用情況：對(duì)誤差產(chǎn)生的條件及原因有所了解；具有特殊的設(shè)備。 所針對(duì)的誤差源 電磁波干擾 多路徑效應(yīng) 限制：無法完全避免誤差的影響，具有一定的盲目性衛(wèi)星鐘差 定義物理同步誤差數(shù)學(xué)同步誤差 應(yīng)對(duì)方法 模型改正鐘差改正多項(xiàng)式其中a0為ts時(shí)刻的時(shí)鐘偏差，a1為鐘的漂移，a2為老化率。 相對(duì)定位或差分定位