第八章全球定位系統(tǒng)定位技術

1、5/4/2022 2:41 AM1第八章第八章 全球定位系統(tǒng)的定位技術全球定位系統(tǒng)的定位技術龍四春 1301617851913016178519湖南科技大學 測量工程與形變監(jiān)測研究所5/4/2022 2:41 AM2nGNSS 是什么，能做什么？-(全球導航衛(wèi)星系統(tǒng))Global Navigation Satellite System5/4/2022 2:41 AM3一、GNSS定位技術的功能 娛樂消遣娛樂消遣 體育運動體育運動 動物跟蹤動物跟蹤 精細農業(yè)精細農業(yè) GPS手表手表 動物跟蹤動物跟蹤 軍事、國防軍事、國防 陸路交通（車輛導航、監(jiān)控）、航運、航空陸路交通（車輛導航、監(jiān)控）、航運、航

2、空 搜索、救援搜索、救援 遙感遙感 測量測量 衛(wèi)星定軌衛(wèi)星定軌 資源勘探資源勘探 通訊通訊 廣播、電視廣播、電視 電力電力 時間傳遞時間傳遞 .n本章的重點：n1、導航定位系統(tǒng)定位與測距的基本原理；n2、導航定位系統(tǒng)的誤差來源與消除消弱方法。二、全球衛(wèi)星導航定位技術二、全球衛(wèi)星導航定位技術 1、導航定位技術導航定位技術 GPS比較全面的解釋（導航衛(wèi)星測時與測距全球定位系統(tǒng)）比較全面的解釋（導航衛(wèi)星測時與測距全球定位系統(tǒng)）GPS的發(fā)展的發(fā)展 1973年年12月，美國國防部批準研制月，美國國防部批準研制GPS。 1978年年2月月22日，第日，第1顆顆GPS試驗衛(wèi)星發(fā)射成功。試驗衛(wèi)星發(fā)射成功。 1

3、989年年2月月14日，第日，第1顆顆GPS工作衛(wèi)星發(fā)射成功。工作衛(wèi)星發(fā)射成功。 19年建成，發(fā)費約億美圓。年建成，發(fā)費約億美圓。2、GLONASS全球定位系統(tǒng)全球定位系統(tǒng) 擁有者俄羅斯 發(fā)展簡史由前蘇聯從80年代初開始建設，與美國GPS系統(tǒng)相類似，其主要不同之處在于星座設計、信號載波頻率和衛(wèi)星識別方法的設計不同。 系統(tǒng)組成衛(wèi)星星座地面監(jiān)測控制站用戶設備8GLONASS（俄）（俄） - Global Navigation Satellite System 衛(wèi)星：衛(wèi)星：21+3 軌道高度：軌道高度：19100km 信號頻率：信號頻率：16021616MHz、12461256MHz3 3、歐洲加利

4、略衛(wèi)星導航、歐洲加利略衛(wèi)星導航系統(tǒng)系統(tǒng)(GALILEO- European Satellite Navigation System ) 歐洲的民用衛(wèi)星導航系統(tǒng) 32億歐元的工程項目 共30顆中等地球軌道導航衛(wèi)星在3條軌道運行 2005年12月發(fā)射首顆導航衛(wèi)星，原計劃2013年建成 10Galileo 星座11Galileo 星座12Galileo系統(tǒng)的組成 太空部分 由30顆Galileo衛(wèi)星組成，分布在三個高度為23616千米，軌道傾角為56度的軌道上，每個軌道有9顆工作衛(wèi)星外加1顆備用衛(wèi)星。備用衛(wèi)星停留在高于正常軌道300千米的軌道上。衛(wèi)星使用的時鐘是銣鐘和氫鐘，衛(wèi)星上除基本的載荷外，還有

5、搜索救援載荷和通信載荷。13 地面部分 包括兩個位于歐洲的Galileo控制中心和20個分布在全球的Galileo 傳感站。除此之外還有若干個實現衛(wèi)星和控制中心進行數據交換的工作站。 Galileo控制中心主要負責控制衛(wèi)星的運轉和導航任務的管理。20個傳感站通過通信網絡向控制中心傳送數據。 用戶部分 即Galileo接收機，由導航定位模塊和通信模塊組成。144 4、第二代第二代中國衛(wèi)星導航系統(tǒng)中國衛(wèi)星導航系統(tǒng)北斗北斗導航實驗衛(wèi)星導航實驗衛(wèi)星( (CNSS) 1994 批準立項研制建設北斗一號衛(wèi)星導航定位系統(tǒng) 2000 發(fā)射地球同步軌道衛(wèi)星 2003 發(fā)射第三顆“北斗一號”衛(wèi)星作為備用衛(wèi)星 北斗

6、二代設計: 9顆高軌星、12顆中軌星、4顆靜止星 覆蓋東亞地區(qū)至全球 2006年開始建造，原計劃2012年建成，但目前還沒有建好，預計2020年覆蓋全球。15北斗一號北斗一號17三、以三、以GPS為例來介紹導航定位為例來介紹導航定位系統(tǒng)系統(tǒng). 系統(tǒng)構成系統(tǒng)構成. 工作原理工作原理 . 信號結構信號結構GPS的系統(tǒng)組成（一）的系統(tǒng)組成（一） GPS的系統(tǒng)組成的系統(tǒng)組成1、空間部分、空間部分2、地面控制、地面控制部分部分3、用戶設備、用戶設備部分部分空間部分空間部分 GPS的空間部分（的空間部分（GPS衛(wèi)星星座）衛(wèi)星星座）GPS衛(wèi)星星座衛(wèi)星星座設計設計星座：星座：21+3 21顆正式的工作衛(wèi)星加顆

7、正式的工作衛(wèi)星加3顆活動的備用衛(wèi)星顆活動的備用衛(wèi)星 6個軌道面，平均軌道高個軌道面，平均軌道高度度20200km，軌道傾角，軌道傾角55 ，周期，周期11h 58min 保證在保證在24小時，在小時，在高度高度角角15 以上，能夠同時觀測以上，能夠同時觀測到到4至至8顆衛(wèi)星顆衛(wèi)星當前星座：當前星座：28顆顆空間部分空間部分 GPS衛(wèi)星衛(wèi)星 作用：作用： 發(fā)送用于導航定位的發(fā)送用于導航定位的信號信號 其他特殊用途，如通其他特殊用途，如通訊、監(jiān)測核暴等。訊、監(jiān)測核暴等。 主要設備：原子鐘、信主要設備：原子鐘、信號生成與發(fā)射裝置號生成與發(fā)射裝置地面控制部分地面控制部分組成：主控站（組成：主控站（1

8、1個）、跟蹤站（個）、跟蹤站（5 5個）和注入站（個）和注入站（3 3個）個）作用：監(jiān)測和控制衛(wèi)星運行，編算衛(wèi)星導航電文，保持作用：監(jiān)測和控制衛(wèi)星運行，編算衛(wèi)星導航電文，保持系統(tǒng)時間。系統(tǒng)時間。地面控制部分地面控制部分 主控站（主控站（1個）個） 作用：作用： 收集各檢測站的數據，編制導航電文，監(jiān)控衛(wèi)星狀態(tài)；收集各檢測站的數據，編制導航電文，監(jiān)控衛(wèi)星狀態(tài)； 通過注入站將衛(wèi)星星歷注入衛(wèi)星，向衛(wèi)星發(fā)送控制指令；通過注入站將衛(wèi)星星歷注入衛(wèi)星，向衛(wèi)星發(fā)送控制指令； 衛(wèi)星維護與異常情況的處理。衛(wèi)星維護與異常情況的處理。 跟蹤站（跟蹤站（5個）個） 作用：接收衛(wèi)星數據，采集氣象信息，并將所收集到的數作用：

9、接收衛(wèi)星數據，采集氣象信息，并將所收集到的數據傳送給主控站。據傳送給主控站。 注入站（注入站（3個）個） 作用：將導航電文注入作用：將導航電文注入GPS衛(wèi)星。衛(wèi)星。用戶設備部分用戶設備部分 用戶設備部分用戶設備部分: GPS信號接收機及相關設備信號接收機及相關設備GPS的位置基準與時間基準（二）的位置基準與時間基準（二） 位置基準位置基準 WGS-84（World Geodetic System - 1984）參考橢球：長半軸：參考橢球：長半軸：6378137m，扁率：，扁率：1/298.257223563，大地水準面：，大地水準面：EGM 時間基準時間基準 GPS時間（時間（GPS Time

10、） 原子時原子時 起點：起點：1980年年1月月6日日0時時 與與UTC(世界標準時間世界標準時間 )的關系：的關系： 1980年年1月月6日日0時與時與UTC一至，目前由于跳秒的原一至，目前由于跳秒的原因，相差幾十秒因，相差幾十秒GPS工作的基本原理（三）工作的基本原理（三） GPS工作的基本原理工作的基本原理 _空間距離后方交會空間距離后方交會 已知點：已知點：GPS衛(wèi)星衛(wèi)星 待定點：接收機（天線）待定點：接收機（天線）測站坐標。衛(wèi)星坐標；其中：:,:,)()()(21222ZYXzyxZzYyXxssssss(X1, Y1, Z1)SV1(X2, Y2, Z2)SV2(X3, Y3, Z

11、3)SV3(X4, Y4, Z4)SV4(X , Y , Z )USER Pseudorange1%GPS工作的基本流程工作的基本流程GPS的信號結構（四）的信號結構（四） GPS信號的基本組成信號的基本組成 載波（載波（Carrier Phase） 測距碼（測距碼（Ranging Code） 導航電文（導航電文（Navigation Message/Data Message） 載波載波 作用：搭載其它信號，也可用于測量（測距、測時）。作用：搭載其它信號，也可用于測量（測距、測時）。 類型類型 目前目前 L1：頻率：頻率：1575.43MHz，波長：，波長：19cm L2：頻率：頻率：1227

12、.60MHz，波長：，波長：24cm 現代化后現代化后 增加增加L5：1176.45MHz，波長：，波長：26cmGPS的信號結構的信號結構 測距碼測距碼C/A碼碼P碼碼 現代化后現代化后C2碼碼M1、M2碼碼軍用碼軍用碼 導航電文導航電文 內容：內容：廣播星歷（導航信息）廣播星歷（導航信息）衛(wèi)星鐘改正衛(wèi)星鐘改正歷書（概略星歷）歷書（概略星歷）電離層信息電離層信息衛(wèi)星健康狀況衛(wèi)星健康狀況GPS定位誤差（五）定位誤差（五） 依定位時的狀態(tài)依定位時的狀態(tài)動態(tài)定位動態(tài)定位靜態(tài)定位靜態(tài)定位 依定位模式依定位模式絕對定位（單點定位）絕對定位（單點定位）相對定位相對定位差分定位差分定位 依定位采用的距離觀

13、測值依定位采用的距離觀測值偽距測量（偽距法定位）偽距測量（偽距法定位）載波相位測量載波相位測量GPS測量測量定位分類（六）定位分類（六）相對定位相對定位差分定位差分定位動態(tài)定位動態(tài)定位四、四、GPS測距方法與原理測距方法與原理（一）基本方法（一）基本方法 時間延遲法時間延遲法 1 1、雙程測距、雙程測距 2 2、單程測距、單程測距 12cttc（二）偽距測量（二）偽距測量 偽距法定位原理偽距法定位原理接收機鐘改正數。衛(wèi)星鐘改正數；信號接收時的標準時間；信號發(fā)射時的標準時間數。信號接收時接收機鐘讀；信號發(fā)射時衛(wèi)星鐘讀數真空中的光速；觀測距離（偽距）；其中：:)(babaTtbaTbbtaabaa

14、bvvvTvtTtctTcbaabTttTabvcvcctTc)()(對流層延遲改正。電離層延遲改正；其中：:)(tropiontropionabcbaTttropionvcvc偽距觀測方程：（三）（三）載波相位測量載波相位測量 載波相位測量原理載波相位測量原理 載波相位觀測值載波相位觀測值理想的觀測方法：理想的觀測方法：CEL信號接收時刻，衛(wèi)信號接收時刻，衛(wèi)星端衛(wèi)星載波信號的相位星端衛(wèi)星載波信號的相位( S)與接收機端衛(wèi)與接收機端衛(wèi)星載波信號的相位星載波信號的相位( R)之差。從而測定出站之差。從而測定出站星距離星距離( )，即，即問題：衛(wèi)星端衛(wèi)星載波信號的相位問題：衛(wèi)星端衛(wèi)星載波信號的相位

15、( S)不能不能直接測定。直接測定。)(RSRS 什么是什么是GPS動態(tài)定位動態(tài)定位 GPS動態(tài)測量，是利用動態(tài)測量，是利用GPS信號，測信號，測定相對于地球運動的用戶天線狀態(tài)參定相對于地球運動的用戶天線狀態(tài)參數的技術，這些狀態(tài)參數包括三維坐數的技術，這些狀態(tài)參數包括三維坐標、三維速度和時間等。標、三維速度和時間等。 動態(tài)測量實際上是屬于動態(tài)測量實際上是屬于差分定位測量差分定位測量。五、五、 GPS動態(tài)定位及應用動態(tài)定位及應用 GPS動態(tài)定位的應用動態(tài)定位的應用 GPS動態(tài)定位的應用（續(xù)）動態(tài)定位的應用（續(xù)） GPS動態(tài)定位的應用（續(xù)）動態(tài)定位的應用（續(xù)） GPS動態(tài)定位的應用（續(xù)）動態(tài)定位的應用（續(xù)） GPS動態(tài)定位的應用（續(xù)）動態(tài)定位的應用（續(xù)）GPSGPS動態(tài)測量的應用（續(xù)）動態(tài)測量的應用（續(xù)） RTK RTK Real Time Kinametic Real Time Kinametic（實時動態(tài)差分）（實時動態(tài)差分） 系統(tǒng)構成系統(tǒng)構成參考站參考站流動站流動站數據鏈數據鏈目前較好的萊卡系統(tǒng)六、高精度衛(wèi)星導航