GNSS高精度定位技术参考文档
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62/04270/4/6
子午卫星系统及其局限性
子午卫星
72/04270/4/6
子午卫星星座
• 系统简介
–NNSS – Navy Navigation Satellite System（海军导航卫星 系统），由于其卫星轨道为极地轨 道，故也称为Transit（子午卫星系 统）
–采用利用多普勒效应进行导航定位， 也被称为多普勒定位系统
➢ 1959年9月，发射了第一颗试验性卫星。 ➢ 1961年11月，共发射了9颗试验性导航卫星。 ➢ 1963年12月起，陆续发射6颗工作卫星，组成子午卫星星座使
得地球表面上任何一个测站上，平均每隔2小时便可观测到其 中一颗卫星。 ➢ 1967年7月29日，美国政府宣布解密子午卫星的部分电文供民 间使用。
车载型用户机 便携型用户机
通讯型用户机 船载型用户机
292/04270/4/6
指挥型用户机
GNSS简介—北斗
与GPS系统不同，所有用户终端位置的计算都是在 地面控制中心站完成。因此，控制中心可以保留 全部北斗终端用户机的位置及时间信息。同时， 地面控制中心站还负责整个系统的监控管理
与GPS、GLONASS、Galileo等国外的卫星导航系统 相比，BD–1有自己的优点。如投资少，组建快； 具有通信功能；捕获信号快等。但也存在着明显 的不足和差距，如用户隐蔽性差；无测高和测速 功能；用户数量受限制；用户的设备体积大、重 量重、能耗大等
– 由于卫星寿命过短，加之俄罗斯前一段时间经 济状况欠佳，无法及时补充新卫星，故该系统 不能维持正常工作。
– 到目前为止（2006年3月20日）,GLONASS系 统共有17颗卫星在轨。其中有11颗卫星处于工 作状态，2颗备用，4颗已过期而停止使用。俄 罗斯计划到2007年使GLONASS系统的工作卫 星数量至少达到18颗，开始发挥导航定位功能。
单元的面板上，观测者可从显示窗上读取数据和文字。 • GPS软件：包括内软件和外部软件
462/04270/4/6
• 数据记录器：记录接收机所采集的定位数据。 • 接收机的电池：采用机内机外两种直流电源。 • 视屏监视器：包括一个显示窗和一个操作键盘，均在接收
单元的面板上，观测者可从显示窗上读取数据和文字。 • GPS软件：包括内软件和外部软件
测距 连续,实时
107 min 石英钟 测定多普勒频
移 15-20min
其它卫星导航定位系统—— P24 GLONASS
GLONASS satellite
GLONASS constellation
16
其它卫星导航定位系统——
GLONASS
• 卫星运行状况
– 从1982年10月12日发射第一颗GLONASS卫星 起，至1995年12月14日共发射了73颗卫星。
302/03290/4/6
北斗二代系统
GNSS简介—北斗
系统组成：
空间段：由5颗GEO卫星和30颗Non-GEO卫星组成
（27颗中圆轨道卫星（GEO）与3颗倾斜轨道卫星（IGSO）
GEO 卫星
312/03290/4/6
星座
Non-GEO 卫星
GNSS简介—北斗
2012年12月27日，北斗办公室正式公布了北斗二代导航卫 星系统的ICD协议 截止到2012年底，共有5颗地球静止轨道卫星（GEO）、4颗 中圆地球轨道卫星（MEO）、5颗倾斜地球轨道卫星（IGSO） 北斗系统采用的是2000中国大地坐标系 目前，卫星播发三个频率的信号B1、B2/B3 与GPS定位原理类似 目前覆盖亚太地区
342/03290/4/6
第一部分 GNSS简介 第二部分 GNSS组成 第三部分 GNSS特点及用途
352/03290/4/6
目录
GNSS 的组成
空间星座部分
用户设备部分
362/04270/4/6
地面监控部分
• 数据记录器：记录接收机所采集的定位数据。 • 接收机的电池：采用机内机外两种直流电源。 • 视屏监视器：包括一个显示窗和一个操作键盘，均在接收
中心升空并准确进入预定的地 球同步轨道（东经80º和140º的 赤道上空），此外另一颗备用
卫星也被送入预定轨道（东经 110.5º的赤道上空），标志着 我国拥有了自己的第一代卫星 导航系统——BD–1
GNSS简介—北斗
272/0432190/4/6
其它卫星导航定位系统——北斗卫 星导航系统
• “北斗卫星导航系统” 系统是由空间卫星、地 面控制中心站和北斗用 户终端三部分构成。
NAVSTAR GPS 21＋3 6 55° 20180km 12h CDMA 1575MHz
1228MHz
192/04270/4/6
GNSS简介—GALILEO
GALILEO设计包括27颗工作卫 星与3颗备用卫星，分布在3个 近圆的中轨（MEO）上 加强对高纬度地区的覆盖， 包括挪威、瑞典等地区 地面部分包括2个控制中心， 5个遥测、跟踪与控制站，40个 地面跟踪站 提供的服务：公开服务、商 业服务、生命安全服务公共安 全服务、搜索与救援服务
3
–全球卫星三角网：
• 1966年至1972年间，由美国大地测量局用该方法 测设。45个测站，5m的点位精度。
–缺陷：
• 易受卫星可见条件及天气的影响； • 费时费力； • 定位精度不甚理想； • 不能得到点位的地心坐标。
42/04270/4/6
2、卫星多普勒定位技术
发展历史
➢ 1958年12月，美国为给北极星核潜艇提供全球性导航而研制 卫星多普勒定位系统。
–美国研制、建立
–1964年1月建成
–1967年7月解密供民用
子午卫星系统及其局限性
大地测量多普勒接收 机-1
（MX1502）
82/04270大/4地/6测量机多-普2 勒接收
（CMA751）
系统组成
–空间部分
• 卫星：发送导航定位信号（信号： 4.9996MHz 30 = 149.988MHz； 4.9996MHz 80 = 399.968MHz； 星历）
• 发展历史
– 1973年12月，美国开始研制新一代 卫星导航系统──导航卫星定时测距 全球定位系统（Navigation Satellite
Timing And Ranging Global Positioning System ），简称GPS系统。（如图所示）
–1978年2月22日，第一颗GPS试验卫星发射成功；
– 频率信号测试； – 验证一些关键技术（比如铷原子钟、氢原子钟）； – 轨道环境特征测试； – 并行2或3通道信号传输测试。
252/04270/4/6
GIOVE B
发展路线图
GNSS简介—北斗
262/03290/4/6
我国自行研制的两颗北斗导航 试验卫星分别于2000年10月31
日和12月20日从西昌卫星发射
112/04270/4/6
GPS定位系统的发展历史
– 1989年2月14日，第一颗GPS工作卫星发射成功，宣告GPS系统进入 了生产作业阶段；
– 1994年全部完成24颗工作卫星（含3颗备用卫星）的发射工作。
用途：
– 向全球用户连续提供高精度的全天候三维坐标、三维速度以及时间 信息。
– 广泛应用于飞机船舶和各种载运工具的导航、高精度的大地测量、 精密工程测量、地壳形变监测、地球物理测量、海空救援、水文测 量、近海资源勘探、航天发射及卫星回收等技术领域。
联测定位： 各站共同观测17次合 格卫星通过，精度约为0.5m
92/04270/4/6
多普勒单点定位 多普勒联测定位
子午卫星系统及其局限性
• 系统缺陷
– 卫星少，观测时间和 间隔时间长，无法提 供实时导航定位服务
– 导航定位精度低
– 卫星信号频率低，不 利于补偿电离层折射 效应的影响
– 卫星轨道低，难以进 行精密定轨 102/04270/4/6
TRANSIT系统
▪ 卫星：6颗 ▪ 极地轨道 ▪ 轨道高度：1075km ▪ 信号频率：400MHz、150MHz ▪ 绝对定位精度：1m ▪ 相对定位精度：0.1m~0.5m ▪ 定位原理：多普勒定位
▪ 存在问题：卫星少，无法实现实时 定位；轨道低，难以精密定轨；频
率低，难以消除电离层影响。
3、GPS全球定位系统
52/04270/4/6
➢70年代中期，我国开始引进卫星多普勒接收机。
系统组成：子午卫星、地面跟踪网和用 户接收机。
–地
• 组成：跟踪站、计算中心、注入站、海军天文台和 控制中心。
• 任务：测定各颗卫星的轨道参数，并定时将轨道参 数和时间信号注入到相应卫星内，以便卫星按时向 地面播发。
–接收机：用来接收卫星发射的信号，测量多普勒频移， 译出卫星的轨道参数，以测定接收机所在位置的设备。
GNSS高精度定位技术及其应用
12/04270/4/6
第一部分 GNSS简介 第二部分 GNSS组成 第三部分 GNSS特点及用途
22/03290/4/6
目录
1、早期的卫星定位技术
❖卫星大地测量学的产生——利用人造地球卫星为 大地测量服务的一门学科。主要内容为在地面上观 测人造卫星，通过测定卫星位置的方法，来解决大 地测量的任务。 ❖卫星三角测量的产生——卫星定位的低级阶段。 人造地球卫星仅作为一种空间的观测目标，由地球 的测站对它进行摄影观测而测定地面点位。
322/03290/4/6
其它卫星导航定位系统——北斗卫 星导航系统
332/04270/4/6
GNSS简介—其它
欧空局接收卫星导航系统(EGNOS)，覆盖欧洲大陆 美国的DGPS(Differential GPS)，美国雷声公司的广域增 强系统(WAAS)，覆盖美洲大陆 日本的多功能卫星增强系统（MSAS），覆盖亚洲大陆 印度的GPS辅助型静地轨道增强导航（GAGAN 四者具有完全兼容的互操作性 通过地球静止卫星（GEO）发布包括GPS卫星星历误差改正、 卫星钟差改正和电离层改的信息 通过GEO卫星发播GPS和GEO卫星完整的数据 GEO卫星的导航载荷发射GPS L1测距信号
222/03290/4/6
其它卫星导航定位系统——Galileo
GALILEO DATA
Walker 27/3/1 Constellation
altitude ~23616 km SMA 29993.707 km
inclination 56 degrees
27 + 3 satellites in three Medium Earth Orbits (MEO)
182/04270/4/6
GLONASS与GPS的比较
Βιβλιοθήκη Baidu
参数
GLONASS
系统中的卫星数
21＋3
轨道平面数
3
轨道倾角
64.8 °
轨道高度
19100km
轨道周期（恒星时） 11h15min
卫星信号的区分
FDMA
L1频率
1602~1615MHz 频道间隔0.5625MHz
L2频率
1246~1256MHz 频道间隔0.4375MHz
• 卫星星座 – 由6颗卫星构成，6 轨道面，轨道高度1075km
–地面控制部分
• 包括：跟踪站、计算中心、注入 站、控制中心和海军天文台
–用户部分
• 多普勒接收机
子午卫星系统及其局限性
• 应用领域
海上船舶的定位 大地测量
• 精度
单点定位：15次合格卫星通过 （两次通过之间的时间间隔为 0.8h ~ 1.6h），精度约为10m
• 空间部分包括两颗地球 同步轨道卫星（GEO） 组成。卫星上带有信号 转发装置，完成地面控 制中心站和用户终端之 间的双向无线电信号的 中继任务。
北斗1代卫星导航系统组成图
282/04270/4/6
其它卫星导航定位系统——北斗卫 星导航系统
用户终端分为
➢定位通信终端 ➢集团用户管理 站终端 ➢差分终端 ➢校时终端等
• period 14 hours 4 min • ground track repeat about 10 days
24
the Galileo satellite constellation
其它卫星导航定位系统——Galileo
GIOVE A
the GIOVE Satellite
• GIOVE的主要目标:
122/04270/4/6
GPS与NNSS的主要特征的比较
项目
GPS系统
载波频（MHz）
1227.60,1575. 42
轨道高度
20200 Km
NNSS系统 150,400 1000 Km
卫星数目(颗) 24颗(3颗备用)
5～6
卫星运行周期 卫星钟
定位方式
142/04270/4/6
可用性
720 min 铯钟、铷钟
502/04270/4/6
第一部分 GNSS简介 第二部分 GNSS组成 第三部分 GNSS的特点及用途
子午卫星系统及其局限性
子午卫星
72/04270/4/6
子午卫星星座
• 系统简介
–NNSS – Navy Navigation Satellite System（海军导航卫星 系统），由于其卫星轨道为极地轨 道，故也称为Transit（子午卫星系 统）
–采用利用多普勒效应进行导航定位， 也被称为多普勒定位系统
➢ 1959年9月，发射了第一颗试验性卫星。 ➢ 1961年11月，共发射了9颗试验性导航卫星。 ➢ 1963年12月起，陆续发射6颗工作卫星，组成子午卫星星座使
得地球表面上任何一个测站上，平均每隔2小时便可观测到其 中一颗卫星。 ➢ 1967年7月29日，美国政府宣布解密子午卫星的部分电文供民 间使用。
车载型用户机 便携型用户机
通讯型用户机 船载型用户机
292/04270/4/6
指挥型用户机
GNSS简介—北斗
与GPS系统不同，所有用户终端位置的计算都是在 地面控制中心站完成。因此，控制中心可以保留 全部北斗终端用户机的位置及时间信息。同时， 地面控制中心站还负责整个系统的监控管理
与GPS、GLONASS、Galileo等国外的卫星导航系统 相比，BD–1有自己的优点。如投资少，组建快； 具有通信功能；捕获信号快等。但也存在着明显 的不足和差距，如用户隐蔽性差；无测高和测速 功能；用户数量受限制；用户的设备体积大、重 量重、能耗大等
– 由于卫星寿命过短，加之俄罗斯前一段时间经 济状况欠佳，无法及时补充新卫星，故该系统 不能维持正常工作。
– 到目前为止（2006年3月20日）,GLONASS系 统共有17颗卫星在轨。其中有11颗卫星处于工 作状态，2颗备用，4颗已过期而停止使用。俄 罗斯计划到2007年使GLONASS系统的工作卫 星数量至少达到18颗，开始发挥导航定位功能。
单元的面板上，观测者可从显示窗上读取数据和文字。 • GPS软件：包括内软件和外部软件
462/04270/4/6
• 数据记录器：记录接收机所采集的定位数据。 • 接收机的电池：采用机内机外两种直流电源。 • 视屏监视器：包括一个显示窗和一个操作键盘，均在接收
单元的面板上，观测者可从显示窗上读取数据和文字。 • GPS软件：包括内软件和外部软件
测距 连续,实时
107 min 石英钟 测定多普勒频
移 15-20min
其它卫星导航定位系统—— P24 GLONASS
GLONASS satellite
GLONASS constellation
16
其它卫星导航定位系统——
GLONASS
• 卫星运行状况
– 从1982年10月12日发射第一颗GLONASS卫星 起，至1995年12月14日共发射了73颗卫星。
302/03290/4/6
北斗二代系统
GNSS简介—北斗
系统组成：
空间段：由5颗GEO卫星和30颗Non-GEO卫星组成
（27颗中圆轨道卫星（GEO）与3颗倾斜轨道卫星（IGSO）
GEO 卫星
312/03290/4/6
星座
Non-GEO 卫星
GNSS简介—北斗
2012年12月27日，北斗办公室正式公布了北斗二代导航卫 星系统的ICD协议 截止到2012年底，共有5颗地球静止轨道卫星（GEO）、4颗 中圆地球轨道卫星（MEO）、5颗倾斜地球轨道卫星（IGSO） 北斗系统采用的是2000中国大地坐标系 目前，卫星播发三个频率的信号B1、B2/B3 与GPS定位原理类似 目前覆盖亚太地区
342/03290/4/6
第一部分 GNSS简介 第二部分 GNSS组成 第三部分 GNSS特点及用途
352/03290/4/6
目录
GNSS 的组成
空间星座部分
用户设备部分
362/04270/4/6
地面监控部分
• 数据记录器：记录接收机所采集的定位数据。 • 接收机的电池：采用机内机外两种直流电源。 • 视屏监视器：包括一个显示窗和一个操作键盘，均在接收
中心升空并准确进入预定的地 球同步轨道（东经80º和140º的 赤道上空），此外另一颗备用
卫星也被送入预定轨道（东经 110.5º的赤道上空），标志着 我国拥有了自己的第一代卫星 导航系统——BD–1
GNSS简介—北斗
272/0432190/4/6
其它卫星导航定位系统——北斗卫 星导航系统
• “北斗卫星导航系统” 系统是由空间卫星、地 面控制中心站和北斗用 户终端三部分构成。
NAVSTAR GPS 21＋3 6 55° 20180km 12h CDMA 1575MHz
1228MHz
192/04270/4/6
GNSS简介—GALILEO
GALILEO设计包括27颗工作卫 星与3颗备用卫星，分布在3个 近圆的中轨（MEO）上 加强对高纬度地区的覆盖， 包括挪威、瑞典等地区 地面部分包括2个控制中心， 5个遥测、跟踪与控制站，40个 地面跟踪站 提供的服务：公开服务、商 业服务、生命安全服务公共安 全服务、搜索与救援服务
3
–全球卫星三角网：
• 1966年至1972年间，由美国大地测量局用该方法 测设。45个测站，5m的点位精度。
–缺陷：
• 易受卫星可见条件及天气的影响； • 费时费力； • 定位精度不甚理想； • 不能得到点位的地心坐标。
42/04270/4/6
2、卫星多普勒定位技术
发展历史
➢ 1958年12月，美国为给北极星核潜艇提供全球性导航而研制 卫星多普勒定位系统。
–美国研制、建立
–1964年1月建成
–1967年7月解密供民用
子午卫星系统及其局限性
大地测量多普勒接收 机-1
（MX1502）
82/04270大/4地/6测量机多-普2 勒接收
（CMA751）
系统组成
–空间部分
• 卫星：发送导航定位信号（信号： 4.9996MHz 30 = 149.988MHz； 4.9996MHz 80 = 399.968MHz； 星历）
• 发展历史
– 1973年12月，美国开始研制新一代 卫星导航系统──导航卫星定时测距 全球定位系统（Navigation Satellite
Timing And Ranging Global Positioning System ），简称GPS系统。（如图所示）
–1978年2月22日，第一颗GPS试验卫星发射成功；
– 频率信号测试； – 验证一些关键技术（比如铷原子钟、氢原子钟）； – 轨道环境特征测试； – 并行2或3通道信号传输测试。
252/04270/4/6
GIOVE B
发展路线图
GNSS简介—北斗
262/03290/4/6
我国自行研制的两颗北斗导航 试验卫星分别于2000年10月31
日和12月20日从西昌卫星发射
112/04270/4/6
GPS定位系统的发展历史
– 1989年2月14日，第一颗GPS工作卫星发射成功，宣告GPS系统进入 了生产作业阶段；
– 1994年全部完成24颗工作卫星（含3颗备用卫星）的发射工作。
用途：
– 向全球用户连续提供高精度的全天候三维坐标、三维速度以及时间 信息。
– 广泛应用于飞机船舶和各种载运工具的导航、高精度的大地测量、 精密工程测量、地壳形变监测、地球物理测量、海空救援、水文测 量、近海资源勘探、航天发射及卫星回收等技术领域。
联测定位： 各站共同观测17次合 格卫星通过，精度约为0.5m
92/04270/4/6
多普勒单点定位 多普勒联测定位
子午卫星系统及其局限性
• 系统缺陷
– 卫星少，观测时间和 间隔时间长，无法提 供实时导航定位服务
– 导航定位精度低
– 卫星信号频率低，不 利于补偿电离层折射 效应的影响
– 卫星轨道低，难以进 行精密定轨 102/04270/4/6
TRANSIT系统
▪ 卫星：6颗 ▪ 极地轨道 ▪ 轨道高度：1075km ▪ 信号频率：400MHz、150MHz ▪ 绝对定位精度：1m ▪ 相对定位精度：0.1m~0.5m ▪ 定位原理：多普勒定位
▪ 存在问题：卫星少，无法实现实时 定位；轨道低，难以精密定轨；频
率低，难以消除电离层影响。
3、GPS全球定位系统
52/04270/4/6
➢70年代中期，我国开始引进卫星多普勒接收机。
系统组成：子午卫星、地面跟踪网和用 户接收机。
–地
• 组成：跟踪站、计算中心、注入站、海军天文台和 控制中心。
• 任务：测定各颗卫星的轨道参数，并定时将轨道参 数和时间信号注入到相应卫星内，以便卫星按时向 地面播发。
–接收机：用来接收卫星发射的信号，测量多普勒频移， 译出卫星的轨道参数，以测定接收机所在位置的设备。
GNSS高精度定位技术及其应用
12/04270/4/6
第一部分 GNSS简介 第二部分 GNSS组成 第三部分 GNSS特点及用途
22/03290/4/6
目录
1、早期的卫星定位技术
❖卫星大地测量学的产生——利用人造地球卫星为 大地测量服务的一门学科。主要内容为在地面上观 测人造卫星，通过测定卫星位置的方法，来解决大 地测量的任务。 ❖卫星三角测量的产生——卫星定位的低级阶段。 人造地球卫星仅作为一种空间的观测目标，由地球 的测站对它进行摄影观测而测定地面点位。
322/03290/4/6
其它卫星导航定位系统——北斗卫 星导航系统
332/04270/4/6
GNSS简介—其它
欧空局接收卫星导航系统(EGNOS)，覆盖欧洲大陆 美国的DGPS(Differential GPS)，美国雷声公司的广域增 强系统(WAAS)，覆盖美洲大陆 日本的多功能卫星增强系统（MSAS），覆盖亚洲大陆 印度的GPS辅助型静地轨道增强导航（GAGAN 四者具有完全兼容的互操作性 通过地球静止卫星（GEO）发布包括GPS卫星星历误差改正、 卫星钟差改正和电离层改的信息 通过GEO卫星发播GPS和GEO卫星完整的数据 GEO卫星的导航载荷发射GPS L1测距信号
222/03290/4/6
其它卫星导航定位系统——Galileo
GALILEO DATA
Walker 27/3/1 Constellation
altitude ~23616 km SMA 29993.707 km
inclination 56 degrees
27 + 3 satellites in three Medium Earth Orbits (MEO)
182/04270/4/6
GLONASS与GPS的比较
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参数
GLONASS
系统中的卫星数
21＋3
轨道平面数
3
轨道倾角
64.8 °
轨道高度
19100km
轨道周期（恒星时） 11h15min
卫星信号的区分
FDMA
L1频率
1602~1615MHz 频道间隔0.5625MHz
L2频率
1246~1256MHz 频道间隔0.4375MHz
• 卫星星座 – 由6颗卫星构成，6 轨道面，轨道高度1075km
–地面控制部分
• 包括：跟踪站、计算中心、注入 站、控制中心和海军天文台
–用户部分
• 多普勒接收机
子午卫星系统及其局限性
• 应用领域
海上船舶的定位 大地测量
• 精度
单点定位：15次合格卫星通过 （两次通过之间的时间间隔为 0.8h ~ 1.6h），精度约为10m
• 空间部分包括两颗地球 同步轨道卫星（GEO） 组成。卫星上带有信号 转发装置，完成地面控 制中心站和用户终端之 间的双向无线电信号的 中继任务。
北斗1代卫星导航系统组成图
282/04270/4/6
其它卫星导航定位系统——北斗卫 星导航系统
用户终端分为
➢定位通信终端 ➢集团用户管理 站终端 ➢差分终端 ➢校时终端等
• period 14 hours 4 min • ground track repeat about 10 days
24
the Galileo satellite constellation
其它卫星导航定位系统——Galileo
GIOVE A
the GIOVE Satellite
• GIOVE的主要目标:
122/04270/4/6
GPS与NNSS的主要特征的比较
项目
GPS系统
载波频（MHz）
1227.60,1575. 42
轨道高度
20200 Km
NNSS系统 150,400 1000 Km
卫星数目(颗) 24颗(3颗备用)
5～6
卫星运行周期 卫星钟
定位方式
142/04270/4/6
可用性
720 min 铯钟、铷钟
502/04270/4/6
第一部分 GNSS简介 第二部分 GNSS组成 第三部分 GNSS的特点及用途