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(cè)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(wú)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(chēng)天基系統(tǒng)。GNSSGPS??二、GNSS構(gòu)成

CompassGPSGalileoGLONASS1、美國(guó)GPS系統(tǒng)

美國(guó)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(guó)北斗（CMPASS）系統(tǒng)

中國(guó)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(guò)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)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)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)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(guò)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(lèi)型、不同需求、不同層次的用戶(hù)自動(dòng)地提供經(jīng)過(guò)檢驗(yàn)的不同類(lèi)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)用導(dǎo)航--海陸空導(dǎo)航、近場(chǎng)著陸，車(chē)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.GPSGNSS增強(qiáng)系統(tǒng)什么是GPSGNSS增強(qiáng)系統(tǒng)

GPS本身常常無(wú)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(guò)使用各種來(lái)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(huì)向地球廣播修正消息，使接收機(jī)可以利用此類(lèi)信息來(lái)改善精度和完整性。美國(guó)、歐洲和亞洲都在開(kāi)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，EuropeanGeostationaryNavigationOverlayService）系統(tǒng)現(xiàn)已建成并開(kāi)始運(yùn)行。美國(guó)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(kāi)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(lèi)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(guò)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(lèi)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)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(chēng)為軌道，而描述衛(wèi)星軌道位置和狀態(tài)的參數(shù)，稱(chēng)為軌道參數(shù)。軌道誤差會(huì)直接影響所求用戶(hù)接收機(jī)位置的精度。意義滿(mǎn)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(lèi)：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(chēng)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(lèi)作用力，產(chǎn)生了兩種研究方法無(wú)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(wèn)題基礎(chǔ)上，再加上攝動(dòng)力來(lái)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(kāi)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(lèi)

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(guò)衛(wèi)星發(fā)射的含有軌道信息的導(dǎo)航電文傳遞給用戶(hù)的，用戶(hù)接收機(jī)接收到這些信號(hào)，經(jīng)過(guò)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(mén)，根據(jù)各自建立的跟蹤站所獲得的精密觀測(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(hù)的GPS星歷。GPS衛(wèi)星的星歷區(qū)別預(yù)報(bào)星歷：用戶(hù)在觀測(cè)時(shí)可以通過(guò)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(hù)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(hù)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(lái)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-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(guò)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(lèi)型的相關(guān)性。所針對(duì)的誤差源電離層延遲對(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(lái)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(lái)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(kāi)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(wú)法完全避免誤差的影響，具有一定的盲目