卫星导航及定位系统总结

GPS 卫星信号结构 GPS 信号是 GPS 卫星向广大用户发送 的用于导航定位的已调波，其调制波是
卫星导航电文和测距码的组合码。
GPS 卫星信号的组成部分
载波（Carrier） L1、L2 测距码（Ranging Code） C/A 码(目前只被调制在 L1 上)民用 P(Y)码(被分别调制在 L1 和 L2 上)军用 卫星（导航）电文（Message） GPS 卫星信号的生成 原子钟(基准频率必须确定) GPS 卫星信号结构 GPS 卫星的基准频率由卫星上的原子 钟直接产生，频率为 10.23MHz。 卫星信号的所有成分均是该基准频率 的倍频或分频。 卫星(导航)电文码率： 基准频率÷204600=50Hz GPS 卫星信号结构--- 载波 作用：1.搭载其它调制信号 2.测距 3.测定多普勒频移(—测物体速度) 类 型 ： 目 前 ： L1 频 率 154 × f0 = 1575.43MHz；波长：19.03cm。 L2 频率 120×f0 = 1227.60MHz； 波长：24.42cm 现代化后：增加 L5 频率：115×f0 = 1176.45MHz；波长：25.48cm 特点：1.所选择的频率有利于测定多普 勒频移。2.所选择的频率有利于减弱信 号所受的电离层折射(延时)影响。3.选 择两个频率可以较好地消除信号的电 离层折射延迟(电离层折射延迟与信号 的频率有关)。两个频率差分(相减)，减 掉公共部分。 GPS 卫星信号结构--- 测距码 作用：测距：通过测时实现测距。 性质：1.伪随机噪声码 PRN。2.不同的 码（包括未对齐的同一组码）间的相关 系数为 0 或 1/n（n 为码元数）。3.对齐 的同一组码间的相关系数为 1。4.GPS 信号中使用了伪随机码编码技术，识别 和分离各颗卫星信号，并提供无模糊度 的测距数据。 伪随机噪声码测距原理 卫星发射一伪随机噪声码，接收机内也 产生一伪随机噪声码，且两个码序列是 相同的 m 序列，时间也是精确同步的。 当卫星信号经过传播距离的时间延迟 ζ到达接收机，与本地复制码进行相关 处理时，移动本地码，使相关函数达到 最大值，本地码所移动的延迟就是卫星 信号的传播延迟ζ(传播时间)，它乘上 光速即为所测距离。 GPS 卫星信号结构---C/A 码和 P 码 1.两种 RPN 序列，其作用相当于测距中 的定时信号。2.美国政府在 GPS 设计中 计划提供两种服务:一种为精密定位服 务(PPS)利用 P 码进行定位，只提供给 本国及其盟国的军方和得到特许的民 间用户使用，估计其定位精度为 10m。 另 一 种 为 标 准 定 位 服 务 (SPS) ， 利 用 C/A 码定位，提供给民间用户使用。由 于 C/A 码作为捕获 P 码之前的前导码， 是一种粗捕获的明码，因此估计 SPS 的定位精度约为 400m。 GPS 卫星信号结构--- 导航电文 是卫星以二进码的形式发送给用户的 导航定位数据，又称为数据码（D 码）。 每帧导航电文由 1500 位组成，分为 5 个子帧。每个子帧 10 个字，每字 30 位。全部导航电文共分 25 帧，发送完 毕需要 12.5min。主要内容：向用户提 供卫星轨道参数、卫星钟参数、大气延 时改正参数、卫星状态信息、C/A 码转
4 个观测量 —4 个等式 —4 个参数 几何精度衰减因子 （DOP ） 当伪距测距误差一定时，观测站与参与 定位的卫星间几何关系的差异将直接 影响定位误差。为描述卫星间的相对几 何关系，引入 DOP 的概念。 GDOP 反映了由于卫星几何关系的影响 造成的伪距测量误差与用户误差间的 比例系数。GDOP 值越小，定位效果越 好。它与所选的坐标系无关，可以作为 用户选星的主要依据。 一般地，用户到各观测 GPS 卫星联线的 张角都较大时，GDOP 值较小。或者说， 处于测站上空的 4 颗卫星形成的四面 体的体积最大时，GDOP 最小。 GPS 系统误差分析 1.轨道误差、卫星钟差、相对论效应、 Epsilon(SA)、Dither(SA)。2.电离层 折射延迟。3.对流层折射延迟。4.多路 径效应。5.天线相位中心的偏差和变 化。6.接收机钟差。7.接收机内部噪声。 主要误差源：1—卫星(无 SA)、234— 传播途径、567—接收设备。 消除或消弱各种误差影响的方法 模型改正法原理：利用模型计算出误差 影响的大小，直接对观测值进行修正。 适用情况：对误差的特性、机制及产生 原因有较深刻了解，能建立理论或经验 公式。所针对的误差源：相对论效应、 电离层延迟、对流层延迟、卫星钟差。 限制：有些误差难以模型化。 改正后观测值=原始观测值+模型改正 求差法原理：通过观测值间一定方式的 相互求差，消去或消弱求差观测值中所 包含的相同或相似的误差影响。适用情 况：误差具有较强的空间、时间或其它 类型的相关性。所针对的误差源：电离 层延迟、对流层延迟、卫星轨道误差… 限制：空间相关性将随着测站间距离的 增加而减弱。 参数法原理：采用参数估计的方法，将 系统性偏差求出来。适用情况：几乎适 用于任何的情况。限制：不能同时将所 有影响均作为参数来估计。 回避法原理：选择合适的观测地点，避 开易产生误差的环境；采用特殊的观测 方法、硬件设备，消除或减弱误差的影 响。适用情况：对误差产生的条件及原 因有所了解；可选择观测地点；具有特 殊的设备。所针对的误差源：电磁波干 扰、多路径效应。限制：无法完全避免 误差的影响，具有一定的盲目性。 卫星星历（轨道）误差 星历误差对单点定位的影响：主要取决 于卫星到接收机的距离以及用于定位 或导航的 GPS 卫星与接收机构成的几 何图形。 1.广播星历（预报星历）的精度：
卫星定位导航系统 GNSS Global Navigation Satellite System. 以导航定位卫星发射的信号来确定载
体位置进行导航的系统。 GPS、GLONASS 完全服务式运营全球 Beidou/Compass 亚太 Galileo:欧盟(实验中) GPS 系统由三部分组成: 空间部分(星座)、地面控制部分(监控 站、主控站、注入站)、用户设备部分。 地球坐标系 空间直角坐标系:不涉及参考椭球体的 概念，而且在求两点之间的距离和方向 时，计算公式十分简单.但其表示点位 不够直观,不容易在地图上直接标出。 大地坐标系：更多采用。使用经纬度。 地图投影（精度最高） 将某点的纬度 B 和经度 L 换算为地图 坐标 X 和 Y，称为地图投影。 椭球面是曲面，不可能把整个椭球面或 其一部分曲面毫无变形地表示在一个 平面上，因此无论对投影函数选得如何 妥当，总是不可避免地产生变形。 地图投影分类 按变形性质分：1.等角:地图上任意两相 交短线之间的夹角保持不变。2.等面积: 投影后，地图上面积大小保持正确的比 例关系。3.等距:地图上从某一中心点到 其它点的距离保持不变。4.方位:地图上 表示的任一点到某一中心点的方位角 保持不变。 按投影面分：1.平面:平面与椭球面在某 点相切。2.圆锥面:圆锥体面与椭球在某 一纬圈相切，或两纬圈相割。3.圆柱面： 圆柱面/椭圆柱面与椭球在赤道上或某 一子午圈上相切。 按中心轴线分：1.正轴:轴与椭球的短轴 相合。2.横轴:赤道面上与椭球短轴正 交。3.斜轴:轴位于上述两种位置之间。 高斯投影（高斯-克吕格投影） 中国、德国以及俄罗斯等国家均采用此 投影。为横轴、椭圆柱面、等角（正形） 投影。轴子午线上没有长度变形，其他 都有长度变形。并且其变形大小，将与 点的横坐标 y 的平方成比例，距离轴子 午线越远，变形就越大。（应用最广泛） UTM 投影（GPS）1954 年采用 通用横轴墨卡托投影是 1938 年美国军 事测绘局提出的。归属于高斯投影族， 基本条件为：1.正形（等角）投影。 2.经度的起点为零子午线，纬度的起点 为赤道。UTM 投影在整个投影带内的 长度变形较均匀，比高斯投影的长度变 形小，其计算可通过高斯坐标获得： X U =0.9996x, Y U =0.9996y 。 WGS-84（GPS 测量成果 1987.1.10） 美国国防制图局(DMA)建立的协议地 球坐标系。是目前最高精度水平的全球 大地测量参考系统。坐标原点位于地球 的质心，Z 轴平行于协议地球极轴，X 轴指向零子午面与赤道的交点（北向）， Y 轴指向东向，而垂直于 X 轴的方向， 以构成地心地固 ECEF(Earth Centered Earth Fixed)的正交坐标系。 PE-90 系（1993.8GLONASS 采用） 类似于 WGS-84 的地球模型，其短半 轴为：6378136，扁率为：298.25784。 在全球范围内拟合的总体效果略差，但 是在前苏联区域地球表面的拟合效果 要优于 WGS-84。 CGS2000 坐标系（2008.7BEIDOU） 过渡期为 8-10 年。CGS2000 坐标系是 全球地心坐标系，原点为地球质心。采 用的地球椭球参数如下： 长半轴： a=6378137m 扁率： f=1/298.257222101 常数：GM=3.986004418×1014m 3/ s 2 自转角速度：ω=7.292115×10 -5 rad/s
相关系数为 1=>时间 绿色达到最大，两组码完全相同。 利用测距码测距的必要条件： 必须了解测距码的结构（每颗 GPS 卫星 都采用特定的伪噪声随机码） 利用测距码进行测距的优点： 1.采用的是 CDMA（码分多址）技术。 2.易于捕获微弱的卫星信号。3.可提高 测距精度。4.便于对系统进行控制和管 理（如 AS）。 载波相位测距
(无 SA)±20～40 米 (有 SA) ±100 米 2.精密星历（后处理星历）的精度： 可达 1 厘米，只提供给特许用户 3.应对百度文库法：精密定轨(后处理)、 相对定位或差分定位。 卫星时钟误差 GPS 测量定位是测时-测距定位系统， 所以定位精度与时钟误差密切相关。 应对方法 1.模型改正：用导航电文对 卫星钟差进行改正后，各卫星钟时与 GPS 标准时之间的差异(同步误差)可 保持在 20ns 以内。由此引起的等效距 离误差将不超过 6m。2.相对定位或差 分定位：可有效的消除美国 SA 政策引 起的星钟误差。 相对论效应对卫星钟的影响 狭义相对论观点：一个频率为 f0 的振 荡器安装飞行速度为 v 的载体上，由于 载体的运动，对地面观测者来说将产生 频率变化。 广义相对论观点：处于不同等位面的振 荡器，其频率将由于引力位不同而发生 变化。相对论效应的影响并非常数，经 改正后仍有残差，它对 GPS 时的影响最 大可达 70ns，对精密定位仍不可忽略。 狭义相对论＋广义相对论 为消除相对论效应的影响，卫星上时钟 应比地面调慢约 4.5 ×0.001Hz 电离层延迟误差 由于电离层中气体分子受到太阳等天 体的射线的辐射，产生强烈的电离，形 成大量的自由电子和正离子。对卫星信 号产生影响，使信号路径发生弯曲，传 播速度也受影响。 经验模型改正方法：根据以往观测结果 所建立的模型。改正效果：差。 双频改正方法：利用双频观测值直接计 算出延迟改正或组成无电离层延迟的 组合观测量。效果：改正效果最好。 实测模型改正方法：利用实际观测所得 到的离散的电离层延迟(或电子含量)， 建立模型(如内插)效果：改正效果较好 相对定位或差分定位 消除对流层延迟误差的方法 利用对流层误差修正模型加以修正： 存在模型误差和气象元素误差。 利用同步观测值求差： 相对定位或差分定位 多路径误差(直接、间接路径) 在 GPS 测量中，被测站附近的物体所反 射的卫星信号（反射波）被接收机天线 所接收，与直接来自卫星的信号（直接 波）产生干涉，从而使观测值偏离真值 产生所谓的“多路径误差”。 观测上选择合适的测站，避开易产生多 路径的环境。硬件上采用抗多路径误差 的仪器设备。数据处理上采用参数法。 观测误差：一般认为观测的分辨误差约 为信号波长的 1%。 接收机的钟差 定义：GPS 接收机一般采用石英钟，接 收机钟与理想的 GPS 时之间存在的偏 差和漂移。应对方法：1.作为未知数处 理。2.相对定位或差分定位。3.当定位 精度要求较高时，可以采用高精度的外 接频标(即时间标准)。 接收机的位置偏差 定义：接收机天线的相位中心相对测站 中心位置的偏差。应对方法：1.正确的 对中整平。2.采用强制对中装置（变形 监测时） 接收机天线相位中心偏差 接收机天线相位中心变化的改正。应对 方法：1.使用相同类型的天线并进行天 线定向（限于相对定位）2.模型改正。 载波相位观测中的整周跳变
导航电文加在测距码，测距码可加在载 波上。 伪随机码测距与载波相位测距比较
由于信号量测精度一般优于波长的 1/100，所以载波的测量精度远远高于 伪随机码。（载波相位精度可达 mm） GPS 载波相位测量的基本原理
载波相位观测值 观测值： 整周计数 IntΦ 整周未知数(整周 模糊度)N0 开 始 T0 只 能 观 察 到小数部分。整周跳变=>GPS 受干扰后 无法继续跟踪。 载波相位测量的特点 精度高，测距精度可达 0.1mm 量级。 难点：整周未知数问题，整周跳变问题。 GPS 解算过程
换到捕获 P 码的信息、全部卫星的概略 星历等。 GPS 定位原理— 概述 GPS 利用 TOA 测距以确定用户位置。借 助于对多颗卫星的 TOA 测量，便可得到 用户位置。GPS 定位的基本几何原理为 三球交会原理。
红—卫星，黄—接收机(石英钟)，至少 要 4 颗，原子钟与石英钟有时间误差。 GPS 系统的定位过程可描述为: 围绕地球运转的人造卫星连续向地球 表面发射经过编码调制的连续无线电 信号，信号中含有卫星信号准确的发射 时间，以及不同的时间卫星在空间的准 确位置(由卫星运动的星历参数和历书 参数描述)；卫星导航接收机接收卫星 发出的无线电信号，测量信号的到达时 间，计算卫星和用户之间的距离；用导 航算法解算得到用户的位置。 GPS 定位的基本原理 两个关键问题：如何确定卫星的位置； 如何测量出站星间距离 利用测距码测距