第八章全球定位系統(tǒng)定位技術(shù)

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(shù)全球定位系統(tǒng)的定位技術(shù)龍四春 1301617851913016178519湖南科技大學(xué) 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?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng))Global Navigation Satellite System5/4/2022 2:41 AM3一、GNSS定位技術(shù)的功能 娛樂消遣娛樂消遣 體育運(yùn)動體育運(yùn)動 動物跟蹤動物跟蹤 精細(xì)農(nóng)業(yè)精細(xì)農(nóng)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(dǎo)航、監(jiān)控）、航運(yùn)、航空陸路交通（車輛導(dǎo)航、監(jiān)控）、航運(yùn)、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(shí)間傳遞時(shí)間傳遞 .n本章的重點(diǎn)：n1、導(dǎo)航定位系統(tǒng)定位與測距的基本原理；n2、導(dǎo)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(dǎo)航定位技術(shù)二、全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù) 1、導(dǎo)航定位技術(shù)導(dǎo)航定位技術(shù) GPS比較全面的解釋（導(dǎo)航衛(wèi)星測時(shí)與測距全球定位系統(tǒng)）比較全面的解釋（導(dǎo)航衛(wèi)星測時(shí)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(zhǔn)研制月，美國國防部批準(zhǔn)研制GPS。 1978年年2月月22日，第日，第1顆顆GPS試驗(yàn)衛(wèi)星發(fā)射成功。試驗(yàn)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(fèi)約億美圓。年建成，發(fā)費(fèi)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(lián)從80年代初開始建設(shè)，與美國GPS系統(tǒng)相類似，其主要不同之處在于星座設(shè)計(jì)、信號載波頻率和衛(wèi)星識別方法的設(shè)計(jì)不同。 系統(tǒng)組成衛(wèi)星星座地面監(jiān)測控制站用戶設(shè)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(dǎo)航、歐洲加利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)系統(tǒng)(GALILEO- European Satellite Navigation System ) 歐洲的民用衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng) 32億歐元的工程項(xiàng)目 共30顆中等地球軌道導(dǎo)航衛(wèi)星在3條軌道運(yùn)行 2005年12月發(fā)射首顆導(dǎo)航衛(wèi)星，原計(jì)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(gè)高度為23616千米，軌道傾角為56度的軌道上，每個(gè)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(shí)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(gè)位于歐洲的Galileo控制中心和20個(gè)分布在全球的Galileo 傳感站。除此之外還有若干個(gè)實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星和控制中心進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的工作站。 Galileo控制中心主要負(fù)責(zé)控制衛(wèi)星的運(yùn)轉(zhuǎn)和導(dǎo)航任務(wù)的管理。20個(gè)傳感站通過通信網(wǎng)絡(luò)向控制中心傳送數(shù)據(jù)。 用戶部分 即Galileo接收機(jī)，由導(dǎo)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(dǎo)航系統(tǒng)中國衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)北斗北斗導(dǎo)航實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星導(dǎo)航實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星( (CNSS) 1994 批準(zhǔn)立項(xiàng)研制建設(shè)北斗一號衛(wèi)星導(dǎo)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(shè)計(jì): 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(jì)劃2012年建成，但目前還沒有建好，預(yù)計(jì)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(dǎo)航定位為例來介紹導(dǎo)航定位系統(tǒng)系統(tǒng). 系統(tǒng)構(gòu)成系統(tǒng)構(gòu)成. 工作原理工作原理 . 信號結(jié)構(gòu)信號結(jié)構(gòu)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(shè)備、用戶設(shè)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(shè)計(jì)設(shè)計(jì)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(gè)軌道面，平均軌道高個(gè)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(shí)，在小時(shí)，在高度高度角角15 以上，能夠同時(shí)觀測以上，能夠同時(shí)觀測到到4至至8顆衛(wèi)星顆衛(wèi)星當(dāng)前星座：當(dāng)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(dǎo)航定位的發(fā)送用于導(dǎo)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(shè)備：原子鐘、信主要設(shè)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(gè)）、跟蹤站（個(gè)）、跟蹤站（5 5個(gè)）和注入站（個(gè)）和注入站（3 3個(gè)）個(gè)）作用：監(jiān)測和控制衛(wèi)星運(yùn)行，編算衛(wèi)星導(dǎo)航電文，保持作用：監(jiān)測和控制衛(wèi)星運(yùn)行，編算衛(wèi)星導(dǎo)航電文，保持系統(tǒng)時(shí)間。系統(tǒng)時(shí)間。地面控制部分地面控制部分 主控站（主控站（1個(gè)）個(gè)） 作用：作用： 收集各檢測站的數(shù)據(jù)，編制導(dǎo)航電文，監(jiān)控衛(wèi)星狀態(tài)；收集各檢測站的數(shù)據(jù)，編制導(dǎo)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(hù)與異常情況的處理。衛(wèi)星維護(hù)與異常情況的處理。 跟蹤站（跟蹤站（5個(gè)）個(gè)） 作用：接收衛(wèi)星數(shù)據(jù)，采集氣象信息，并將所收集到的數(shù)作用：

9、接收衛(wèi)星數(shù)據(jù)，采集氣象信息，并將所收集到的數(shù)據(jù)傳送給主控站。據(jù)傳送給主控站。 注入站（注入站（3個(gè)）個(gè)） 作用：將導(dǎo)航電文注入作用：將導(dǎo)航電文注入GPS衛(wèi)星。衛(wèi)星。用戶設(shè)備部分用戶設(shè)備部分 用戶設(shè)備部分用戶設(shè)備部分: GPS信號接收機(jī)及相關(guān)設(shè)備信號接收機(jī)及相關(guān)設(shè)備GPS的位置基準(zhǔn)與時(shí)間基準(zhǔn)（二）的位置基準(zhǔn)與時(shí)間基準(zhǔn)（二） 位置基準(zhǔn)位置基準(zhǔn) 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(zhǔn)面：，大地水準(zhǔn)面：EGM 時(shí)間基準(zhǔn)時(shí)間基準(zhǔn) GPS時(shí)間（時(shí)間（GPS Time

10、） 原子時(shí)原子時(shí) 起點(diǎn)：起點(diǎn)：1980年年1月月6日日0時(shí)時(shí) 與與UTC(世界標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間世界標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間 )的關(guān)系：的關(guān)系： 1980年年1月月6日日0時(shí)與時(shí)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(diǎn)：已知點(diǎn)：GPS衛(wèi)星衛(wèi)星 待定點(diǎn)：接收機(jī)（天線）待定點(diǎn)：接收機(jī)（天線）測站坐標(biāo)。衛(wèi)星坐標(biāo)；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(jié)構(gòu)（四）的信號結(jié)構(gòu)（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(dǎo)航電文（導(dǎo)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(shí)）。作用：搭載其它信號，也可用于測量（測距、測時(shí)）。 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(xiàn)代化后現(xiàn)代化后 增加增加L5：1176.45MHz，波長：，波長：26cmGPS的信號結(jié)構(gòu)的信號結(jié)構(gòu) 測距碼測距碼C/A碼碼P碼碼 現(xiàn)代化后現(xiàn)代化后C2碼碼M1、M2碼碼軍用碼軍用碼 導(dǎo)航電文導(dǎo)航電文 內(nèi)容：內(nèi)容：廣播星歷（導(dǎo)航信息）廣播星歷（導(dǎo)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(shí)的狀態(tài)依定位時(shí)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(diǎn)定位）絕對定位（單點(diǎn)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(shí)間延遲法時(shí)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(jī)鐘改正數(shù)。衛(wèi)星鐘改正數(shù)；信號接收時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間；信號發(fā)射時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間數(shù)。信號接收時(shí)接收機(jī)鐘讀；信號發(fā)射時(shí)衛(wèi)星鐘讀數(shù)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(shí)刻，衛(wèi)信號接收時(shí)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(jī)端衛(wèi)與接收機(jī)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(yùn)動的用戶天線狀態(tài)參定相對于地球運(yùn)動的用戶天線狀態(tài)參數(shù)的技術(shù)，這些狀態(tài)參數(shù)包括三維坐數(shù)的技術(shù)，這些狀態(tài)參數(shù)包括三維坐標(biāo)、三維速度和時(shí)間等。標(biāo)、三維速度和時(shí)間等。 動態(tài)測量實(shí)際上是屬于動態(tài)測量實(shí)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(yīng)用動態(tài)定位及應(yīng)用 GPS動態(tài)定位的應(yīng)用動態(tài)定位的應(yīng)用 GPS動態(tài)定位的應(yīng)用（續(xù)）動態(tài)定位的應(yīng)用（續(xù)） GPS動態(tài)定位的應(yīng)用（續(xù)）動態(tài)定位的應(yīng)用（續(xù)） GPS動態(tài)定位的應(yīng)用（續(xù)）動態(tài)定位的應(yīng)用（續(xù)） GPS動態(tài)定位的應(yīng)用（續(xù)）動態(tài)定位的應(yīng)用（續(xù)）GPSGPS動態(tài)測量的應(yīng)用（續(xù)）動態(tài)測量的應(yīng)用（續(xù)） RTK RTK Real Time Kinametic Real Time Kinametic（實(shí)時(shí)動態(tài)差分）（實(shí)時(shí)動態(tài)差分） 系統(tǒng)構(gòu)成系統(tǒng)構(gòu)成參考站參考站流動站流動站數(shù)據(jù)鏈數(shù)據(jù)鏈目前較好的萊卡系統(tǒng)六、高精度衛(wèi)星導(dǎo)航