GNSS基本原理、差分原理、誤差等

GNSS基本原理、差分原理、誤差北京天恒昕業(yè)第一期技術(shù)培訓(xùn)目錄1.GNSS系統(tǒng)2.GPS發(fā)展差分定位原理3.GPSGNSS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測量定位的誤差源一、GNSS的定義

全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GNSS):

(Global

Navigation

Satellite

System)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/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)。GNSSGPS??二、GNSS構(gòu)成

CompassGPSGalileoGLONASS1、美國GPS系統(tǒng)

美國的全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GlobalPositioningSystem—GPS）。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)58分；基準(zhǔn)頻率銣鐘和銫鐘，(D碼、C/A碼、P碼、L1與L2載波)。單點(diǎn)水平定位精度約10米。2、俄羅斯GLONASS系統(tǒng)

俄羅斯的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GLObalNavigationSatelliteSystem—GLONASS）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)15分；頻率基準(zhǔn)銫鐘，包括S碼、P碼、L1與L2載波；單點(diǎn)水平定位精度約16米。3、歐盟GALILEO系統(tǒng)

歐盟Galileo的全球衛(wèi)星導(dǎo)航服務(wù)系統(tǒng)（

GALILEOSatelliteNavigationSystem）。主要參數(shù)：30（27+3）顆衛(wèi)星；3個(gè)圓軌道，平均高度24126KM；軌道面與赤道面夾角56°；單點(diǎn)水平定位精度約1米；民用控制。4、中國北斗（CMPASS）系統(tǒng)

中國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BeiDou(COMPASS)NavigationSatelliteSystem）主要參數(shù)：５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：58.75oE、

80oE、110.5oE、140oE&160oE；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；雙向短信服務(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（導(dǎo)航、授時(shí)和測量應(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)全球任何地方任何時(shí)間均可觀測到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：單點(diǎn)定位（導(dǎo)航）2-6米，靜態(tài)相對測量（大地測量）10-6-10-9操作簡便、重量輕、體積小、耗電省功能多、應(yīng)用范圍廣GPS測量方法單點(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.相對定位模式載波相位實(shí)時(shí)差分(RTK)

厘米級

偽距實(shí)時(shí)差分(RTD)

亞米級靜態(tài)相對定位（1到1.5個(gè)小時(shí)）毫米-厘米級快速靜態(tài)定位(5-10分鐘)

厘米級相對動(dòng)態(tài)定位（一分鐘左右后處理

）厘米-分米級相關(guān)產(chǎn)品定位精度我們的儀器都以進(jìn)行碼差分GPS偽距測量原理（碼差分）

GPS載波相位測量原理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)或其他待測點(diǎn)(x,y,z)觀測量--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，對衛(wèi)星進(jìn)行偽距觀測偽距改正數(shù)=計(jì)算偽距-觀測偽距電臺傳送偽距改正數(shù)流動(dòng)站對衛(wèi)星進(jìn)行偽距觀測流動(dòng)站接收基準(zhǔn)站電臺傳送的偽距改正數(shù)改正后的偽距=觀測偽距+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)亞米級精度DGPS(RTD)定位原理RTK定位原理基準(zhǔn)站位置已知，對衛(wèi)星進(jìn)行載波相位觀測基準(zhǔn)站電臺將觀測的每一顆衛(wèi)星的載波相位觀測量調(diào)制到電臺的載波上發(fā)射傳送流動(dòng)站對衛(wèi)星進(jìn)行載波相位觀測流動(dòng)站接收基準(zhǔn)站電臺傳送的載波相位觀測量流動(dòng)站利用OTF技術(shù)將電臺接收到基準(zhǔn)站的載波相位觀測量和本機(jī)的載波相位觀測量進(jìn)行處理計(jì)算，求出觀測時(shí)刻的位置特點(diǎn)：需要數(shù)據(jù)鏈進(jìn)行實(shí)時(shí)傳送載波相位觀測量實(shí)時(shí)定位數(shù)據(jù)可達(dá)厘米級精度單基站單基站工作原理：將一臺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)，長時(shí)間觀測后，會得一個(gè)相對比較準(zhǔn)的坐標(biāo)值，同時(shí)得到一個(gè)差分改正值，另外一臺gps接收機(jī)作為流動(dòng)站，未知點(diǎn)坐標(biāo)，通過電臺或者是其他通信網(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，得到一個(gè)比較準(zhǔn)確的坐標(biāo)值定位模式為：相對定位模式VRSVRS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)用導(dǎo)航--海陸空導(dǎo)航、近場著陸，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)校頻測量應(yīng)用各種等級的大地測量、控制測量、GIS道路和線路放樣水下地形測量地殼形變、大壩和大型建筑物變形測量GIS應(yīng)用大型機(jī)械控制--鋪路機(jī)、挖掘機(jī)、輪胎吊等一.GPSGNSS增強(qiáng)系統(tǒng)什么是GPSGNSS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。SBAS衛(wèi)星會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、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，歐洲對地靜止導(dǎo)航覆蓋服務(wù)（EGNOS，EuropeanGeostationaryNavigationOverlayService）系統(tǒng)現(xiàn)已建成并開始運(yùn)行。美國的廣域增強(qiáng)系統(tǒng)（WAAS,WideAreaAugmentationSystem）日本的多功能衛(wèi)星增強(qiáng)系統(tǒng)（MSAS,Multi-functionalSatelliteAugmentationSystem）及印度的GPS輔助地理增強(qiáng)導(dǎo)航（GAGAN,GPSAidedGeoAugmentedNaviagtion）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

對于SBAS和GBAS而言，模擬是實(shí)現(xiàn)認(rèn)證和型號審批應(yīng)用的理想途徑。此類模擬提供的受控和可重復(fù)信號可確保具體的測試條件能夠在不同的被測單元上得到重現(xiàn)。此外，通過模擬可對安全案例進(jìn)行測試，其中包括已發(fā)送信號中的各類錯(cuò)誤或異常。在這些情形下進(jìn)行測試可確保我們能夠理解和驗(yàn)證被測系統(tǒng)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測量的觀測計(jì)劃便于捕獲GPS衛(wèi)星信號衛(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，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，是一些國家的某些部門，根據(jù)各自建立的跟蹤站所獲得的精密觀測資料，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：用戶在觀測時(shí)可以通過導(dǎo)航電文實(shí)時(shí)地得到，這對導(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對美軍現(xiàn)代化戰(zhàn)爭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)星鐘差相對論效應(yīng)與傳播途徑有關(guān)的誤差電離層延遲對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內(nèi)容衛(wèi)星信號發(fā)生部分的隨機(jī)噪聲接收機(jī)信號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)量級小–毫米級系統(tǒng)誤差（偏差-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，直接對觀測值進(jìn)行修正適用情況：對誤差的特性、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)公式所針對的誤差源相對論效應(yīng)電離層延遲對流層延遲衛(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：通過觀測值間一定方式的相互求差，消去或消弱求差觀測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。所針對的誤差源電離層延遲對流層延遲衛(wèi)星軌道誤差…限制：空間相關(guān)性將隨著測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：選擇合適的觀測地點(diǎn)，避開易產(chǎn)生誤差的環(huán)境；采用特殊的觀測方法；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