GNSS定位的基本基本知識(shí)

1、衛(wèi)星導(dǎo)航差分與增強(qiáng)系統(tǒng)衛(wèi)星導(dǎo)航差分與增強(qiáng)系統(tǒng)第一講第一講GNSS定位的基本原理定位的基本原理GNSSGNSS衛(wèi)星定位概述衛(wèi)星定位概述1. GNSS的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)2. GNSS定位基本觀測(cè)值和觀測(cè)方程3. GNSS定位技術(shù)和模式4. GNSS定位誤差源5. 線性組合觀測(cè)值6. 整周模糊度7. 周跳的探測(cè)和修復(fù)8. 差分GNSS技術(shù)9. GNSS的應(yīng)用范圍 1.1.全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GNSSGNSS）現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)）現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)GNSS的定義和實(shí)際運(yùn)行的系統(tǒng)的定義和實(shí)際運(yùn)行的系統(tǒng)GNSS的組成的組成GPS, GLONASS, GALILEO, BeiDouGNSSGNSS的定

2、義和實(shí)際運(yùn)行的系統(tǒng)的定義和實(shí)際運(yùn)行的系統(tǒng)n 區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)(2012)(2012)n 全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(2020)(2020)GNSS系統(tǒng)組成衛(wèi)星定位系統(tǒng)的三大部分衛(wèi)星定位系統(tǒng)的三大部分 空間飛行的空間飛行的 GPS 衛(wèi)星衛(wèi)星 各種類型的各種類型的 GPS 用戶接收機(jī)用戶接收機(jī) GPS全球定位系統(tǒng)GLONASS全球定位系統(tǒng) GLONASS1982-2007GLONASS-M2003-2013GLONASS-K2007-2022GLONASS-KM2015-Galileo 系統(tǒng)星座系統(tǒng)星座 伽利略（GALILEO）全球定位系統(tǒng) GALILEO系統(tǒng)是歐洲自主的、獨(dú)立的全球

3、多模式衛(wèi)星系統(tǒng)是歐洲自主的、獨(dú)立的全球多模式衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)，提供高精度、高可靠性的定位服務(wù)，同定位導(dǎo)航系統(tǒng)，提供高精度、高可靠性的定位服務(wù)，同時(shí)它實(shí)現(xiàn)完全非軍方控制、管理，計(jì)劃將于時(shí)它實(shí)現(xiàn)完全非軍方控制、管理，計(jì)劃將于2008年完成。年完成?？膳c美國(guó)的可與美國(guó)的GPS和俄羅斯的和俄羅斯的GLONASS兼容，但比后兩兼容，但比后兩者更安全、更準(zhǔn)確，者更安全、更準(zhǔn)確， GALILEO系統(tǒng)由系統(tǒng)由30顆衛(wèi)星組成，其中顆衛(wèi)星組成，其中27顆工作星，顆工作星，3顆顆備份星。衛(wèi)星分布在備份星。衛(wèi)星分布在3個(gè)中地球軌道（個(gè)中地球軌道（MEO）上，軌道）上，軌道高度為高度為23616千米，軌道傾角千米，軌道

4、傾角56度。每個(gè)軌道上部署度。每個(gè)軌道上部署9顆顆工作星和工作星和1顆備份星。顆備份星。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)局域現(xiàn)狀及發(fā)展計(jì)劃北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)局域現(xiàn)狀及發(fā)展計(jì)劃北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)局域現(xiàn)狀及發(fā)展計(jì)劃北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)局域現(xiàn)狀及發(fā)展計(jì)劃2 GNSS觀測(cè)值和基本觀測(cè)方程觀測(cè)值和基本觀測(cè)方程2.1 GNSS觀測(cè)值的種類觀測(cè)值的種類 偽距觀測(cè)值偽距觀測(cè)值CA,P1,P2（粗碼，精碼）（粗碼，精碼） 載波相位觀測(cè)值載波相位觀測(cè)值L1,L2,L5 多普勒觀測(cè)值多普勒觀測(cè)值D1,D22.2 載波相位測(cè)量的基本原理載波相位測(cè)量的基本原理2.3 碼偽距和載波相位的基本觀測(cè)方程碼偽距和載波相位的基本觀測(cè)方程GPS測(cè)距原理（

5、測(cè)距碼）測(cè)距原理（測(cè)距碼）利用測(cè)距碼測(cè)定衛(wèi)地距離利用測(cè)距碼測(cè)定衛(wèi)地距離dtTutTuTRT)()(1相關(guān)系數(shù)：2.2 GPS載波相位測(cè)量的基本原理（一）SR SR)SR( )tR( )tS接收機(jī)根據(jù)自身的鐘在 時(shí)刻復(fù)制信號(hào)的相位tR接收機(jī)根據(jù)自身的鐘在 時(shí)刻所接收到衛(wèi)星在時(shí)刻所發(fā)送信號(hào)的相位tRtS tR tS理想情況理想情況實(shí)際情況實(shí)際情況載波相位觀測(cè)值載波相位觀測(cè)值 Int0NN0Fr0N0Int( )iFrit0ti)()()()()(000FrIntNFrIntFriii通常表示為：以后的觀測(cè)：首次觀測(cè)：( )( )( )( )( )( )( )jjjjjjiiiiitR tdtct

6、tttItTt( )( )( )( )( )( )( )jjjjjjjiiiiiitNR tdtc t tt tI tT t( )jit為該歷元的偽距觀測(cè)值 ()jiR t為該歷元的衛(wèi)星至接收機(jī)天線的幾何距離 ( )jdt為該歷元衛(wèi)星j 的軌道誤差 c為以米/秒為單位的光速 ( )it t和( )jt t為該歷元衛(wèi)星j的衛(wèi)星鐘差和測(cè)站i 的接收機(jī)鐘差 ( )jiIt為該歷元衛(wèi)星j 的電離層延遲誤差 ()jiT t為該歷元衛(wèi)星j的對(duì)流層延遲誤差 為接收機(jī)碼觀測(cè)值的噪聲和多路徑誤差等隨機(jī)誤差 其中：其中：為接收機(jī)載波相位觀測(cè)值的噪聲和多路徑誤差等隨機(jī)誤差 ( )jit為該歷元相位差的小數(shù)部分與連續(xù)

7、的整周記數(shù)之和，單位為周 為相應(yīng)于該載波的波長(zhǎng) jiN為該衛(wèi)星的相位觀測(cè)值模糊度 偽距：偽距：載波：載波： 絕對(duì)定位絕對(duì)定位定位技術(shù) -PPPRTKGNSS定位的發(fā)展方向精密單點(diǎn)定位概念及原理精密單點(diǎn)定位概念及原理 利用預(yù)報(bào)的利用預(yù)報(bào)的GPS衛(wèi)星的精密星歷或事后的精密星歷衛(wèi)星的精密星歷或事后的精密星歷作作為已知坐標(biāo)起算數(shù)據(jù)；同時(shí)利用某種方式得到的精密衛(wèi)星為已知坐標(biāo)起算數(shù)據(jù)；同時(shí)利用某種方式得到的精密衛(wèi)星鐘差來替代用戶鐘差來替代用戶GPS定位觀測(cè)值方程中的定位觀測(cè)值方程中的衛(wèi)星鐘差參數(shù)衛(wèi)星鐘差參數(shù)；用戶利用用戶利用單臺(tái)單臺(tái)GPS雙頻雙碼接收機(jī)雙頻雙碼接收機(jī)的觀測(cè)數(shù)據(jù)在在數(shù)千萬的觀測(cè)數(shù)據(jù)在在數(shù)千萬

8、平方公里乃至全球范圍內(nèi)的任意位置都可以分米級(jí)的精度平方公里乃至全球范圍內(nèi)的任意位置都可以分米級(jí)的精度進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位或以進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位或以厘米厘米級(jí)的精度進(jìn)行較快速的靜態(tài)定級(jí)的精度進(jìn)行較快速的靜態(tài)定位，這一導(dǎo)航定位方法稱為精密單點(diǎn)定位（位，這一導(dǎo)航定位方法稱為精密單點(diǎn)定位（Precise Point Positioning），簡(jiǎn)稱為（），簡(jiǎn)稱為（PPP）。）。 精密單點(diǎn)定位優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：處理非差偽距和相位觀測(cè)值處理非差偽距和相位觀測(cè)值估計(jì)位置、接收機(jī)鐘差、對(duì)流層延遲歷元估計(jì)位置、接收機(jī)鐘差、對(duì)流層延遲歷元支持靜態(tài)和動(dòng)態(tài)定位支持靜態(tài)和動(dòng)態(tài)定位支持全球定位支持全球定位與坐標(biāo)框架直接聯(lián)系與坐標(biāo)

9、框架直接聯(lián)系無需基準(zhǔn)站支持即可實(shí)現(xiàn)厘米級(jí)到分米級(jí)定位無需基準(zhǔn)站支持即可實(shí)現(xiàn)厘米級(jí)到分米級(jí)定位提高效益，降低成本提高效益，降低成本挑戰(zhàn)挑戰(zhàn)衛(wèi)星星歷和鐘差的可用性問題衛(wèi)星星歷和鐘差的可用性問題相位模糊度收斂問題相位模糊度收斂問題誤差處理問題誤差處理問題n 衛(wèi)星軌道誤差n 衛(wèi)星鐘差n 相對(duì)論效應(yīng)n 電離層延遲n 對(duì)流層延遲n 多路徑效應(yīng)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如電離層延遲對(duì)流層延遲衛(wèi)星軌道誤差限制：空間相關(guān)性將隨測(cè)站間距離

10、的增加而減弱原理：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)改正后的觀測(cè)值=原始觀測(cè)值+模型改正電離層地球TEC柱體底面積為1m2 方法：根據(jù)以往觀測(cè)結(jié)果所建立的模型 改正效果：差 方法：利用雙頻觀測(cè)值直接計(jì)算出延遲改正或組成無電離層延遲的組合觀測(cè)量 效果：改正效果最好 方法：利用實(shí)際觀測(cè)所得到的離散的電離層延遲（或電子含量），建立模型（如內(nèi)插） 效果：改正效果較好常用模型改正霍普菲爾德（Hopfield）改正模型薩斯塔莫寧（Saastamoinen）改正模型勃蘭克（Black）改正模型不同模型所算出的高度角30以上方向的延遲

11、差異不大Black模型可以看作是Hopfield模型的修正形式Saastamoinen模型與Hopfield模型的差異要大于Black模型與Hopfield模型的差異 在GPS測(cè)量中，被測(cè)站附近的物體所反射的衛(wèi)星信號(hào)（反射波）被接收機(jī)天線所接收，與直接來自衛(wèi)星的信號(hào)（直接波）產(chǎn)生干涉，從而使觀測(cè)值偏離真值產(chǎn)生所謂的“多路徑誤差”。 由于多路徑的信號(hào)傳播所引起的干涉時(shí)延效應(yīng)稱為多路徑效應(yīng)。易發(fā)生多路徑的環(huán)境易發(fā)生多路徑的環(huán)境fANtctcftftfccfiontropionSR)(1；5. 觀測(cè)值間的線性組合觀測(cè)值間的線性組合（頻率特性）21,LLmnfmfnf（整周未知數(shù)特性）21,LLmnN

12、mNnN（波長(zhǎng)特性）mnmnfc,兩個(gè)載波（兩個(gè)載波（L1、L2）觀測(cè)值間的線性組合）觀測(cè)值間的線性組合cmcmffAffffffAtNNNfcffflanewideLLLLLLLlanewideLLlanewidelanewidewide-laneLLlanewideLLlanewide9 .121219.86cm19.86MHz82.34721211221212121幾種特殊的組合觀測(cè)值21121222221212122112212222121221121212222212122.545731.983680LLLionofreeLLLLLLLLLLLLLLLLLionofreeLLLLLL

13、LLLLLffffffffffffffffAtfffffffffff 幾種特殊的組合觀測(cè)值幾種特殊的組合觀測(cè)值6. 整周未知數(shù)整周未知數(shù)N0的確定的確定N0Fr0N0Int( )iFrit0ti 7. 周跳的探測(cè)與修復(fù)周跳的探測(cè)與修復(fù) 冗余觀測(cè)值法冗余觀測(cè)值法8 差分差分GNSS技術(shù)技術(shù)差分差分GPS的基本原理的基本原理誤差的空間相關(guān)性誤差的空間相關(guān)性影響GNSS定位誤差中除多路徑效應(yīng)均具有較強(qiáng)的空間相關(guān)性，從而定位結(jié)果也有一定的空間相關(guān)性。差分差分GPS的基本原理的基本原理利用基準(zhǔn)站（設(shè)在坐標(biāo)精確已知的點(diǎn)上）測(cè)定具有空間相關(guān)性的誤差或其對(duì)測(cè)量定位結(jié)果的影響，供流動(dòng)站改正其觀測(cè)值或定位結(jié)果差分改正數(shù)的類型差分改正數(shù)的類型距離改正數(shù)位置（坐標(biāo)改正數(shù)）改正數(shù)觀測(cè)值改正數(shù) 可以消去某些不重要的參數(shù)，或?qū)⒛承?duì)確定待定參數(shù)有較大負(fù)面影響的因素消去或消弱其影響ABI站間差分：B I-A I)()()(,tttIAIBIBA