测绘学概论第7章 全球卫星定位导航技术

7.2.1 概述
卫星定位系统的三大部分
空间飞行的 GPS 卫星
全球卫星定位系统
具有全球导航定位能力的卫星定位导航系统称为全球 卫星导航系统，英文全称为Global Navigation Satellite System，简称为GNSS。
7.2.2 GPS全球定位系统
拥有者
➢美国
发展简史
➢全球卫星定位系统（GPS）计划 自1973年起步，1978年首次发射 卫星，1994年完成24颗中高度圆 轨道（MEO）卫星组网，共历时 16年、耗资120亿美元。至今，已 先后发展了三代卫星。
系统组成
➢卫星星座 ➢地面监测控制站 ➢用户设备
7.2.4伽利略（GALILEO）全球定位系统
拥有者
欧盟
发展简史
GALILEO系统是欧洲自主的、独立的
全球多模式卫星定位导航系统，提供高
Galileo 系统星座
精度、高可靠性的定位服务，同时它实现完全非军方控制、
管理。欧盟专家称可与美国的GPS和俄罗斯的GLONASS兼
全球
C/A 码伪距
精度星历
卫星钟差改正、电 离层改正
1~5m
局域增强系统 LAAS
<10km
C/A 码伪距
广播星历 加地基伪卫星
固定星历
卫星钟差改正、电 离层改正
0.1~0.5m
相对定位的方式
第二类：基于相位观测值的相对定位方式
相对定位
名称
简写
距离
双差静态定位
DD
0.005~3000km
实时双差动态 定位
精密单点定位技术是实现全球精密实时动态定位与导航的 关键技术，也是GPS定位方面的前沿研究方向。
精密单点定位技术
X分量定位结果 Y分量定位结果 Z分量定位结果
基于PANDA软件的精密单点定位
North (m) East (m)
PPP by the Local Real Time Orbits
Up (m)
RTK
0.005~10km
网络动态实时 Network RTK 0.005~100km
定位
全球动态定位 Global RTK
全球
观测值
双差相位
sksq ij
双差相位
sksq ij
双差相位
sk sq ij
相位
采用星历
误差修正方式
精度
广播星历 精密星历
数学模型解算
10-6~10-7 10-8~10-9
容，但比后两者更安全、更准确
系统组成
GALILEO系统由30颗卫星组成，其中27颗工作星，3颗备份 星。卫星分布在3个中地球轨道（MEO）上，轨道高度为 23616千米，轨道倾角56度。每个轨道上部署9颗工作星和1
颗备份星。 目前在轨道4颗卫星
7.2.4伽利略（GALILEO）全球定位系统
7.2.4伽利略（GALILEO）全球定位系统
300
360 PANDA软件利用全球60站的单天
0
解轨道预报12-18h的轨道, 实时动
-1
态精密单点定位结果稳定后(30min)
1
60
120
180
240
300
360 水平向5-10cm
0
垂直向10-20cm
-1
阻止
➢阻止敌方利用GPS的军用信号。设计新的GPS卫星型号 （ⅡF），设计新的GPS信号结构，增加频道，将民用频道 L1、L2、L5(1.17645GHz)和军用频道L3、L4分开。
改善
➢改善GPS定位和导航的精度，在GPSⅡF卫星中增加两个 新的民用频道，即在L2中增加CA码（2005年），另增L5民 用频道（2007年）。
天顶角 Z
地球自转轴
北极
纬度
赤道
φ
南极
900 Z
绝对定位例子：天文纬度测量
7.1.2 定位需求与技术的发展过程
相对定位：确定信息、事件和目标相对于坐标系统内另
一已知或相关的信息、事件和目标的坐标位置关系。 Z
Y
(X2,Y2,Z2)
Z
Y
D
Radar
(X1,Y1,Z1) (X0,Y0,Z0)
X X
利用PANDA软件的区域站两天
-1 1
60
120
180
240
300
360
解轨道预报1-6h, 实时动态精密
单点定位结果稳定后(30min)
0
水平向0.4-0.6 m
-1 2
60
120
180
240
300
360
垂直向1-1.5 m
1
0
-1
-2
60
120
180
240
300
360
Epoches (60s)
East (m)
7.2.7 GNSS卫星定位的主要误差来源
与卫星相关的误差 轨道误差、卫星误差、卫星几何中心与相位中心偏
差 与接收机相关的误差
接收机安置误差、接收机钟差、接收机信道误差、 多路径误差、观测量误差 与大气传输有关的误差
电离层误差、对流层误差
7.2.8GNSS卫星相对定位原理和方法
GNSS相对定位原理
定位是导航的基础，导航是目标或物体在动态环境下 位置与姿态的确定。
7.1.2 定位需求与技术的发展过程
人类社会早期
7.1.2 定位需求与技术的发展过程
工业时代
7.1.2 定位需求与技术的发展过程
信息时代和太空探索时代
7.1.3绝对定位方式与相对定位方式
绝对定位：直接确定信息、事件和目标相对于参考坐标系 统的坐标位置测量。
广播星历 基准站相位误差修正 10-6
广播星历 网络相位误差修正 10-6
卫星钟差、电离层对
精密星历
0.1~0.4m
流层误差
7.2.9 GPS技术的最新进展
1. GPS现代化计划 2. 精密单点定位技术 3. 网络 RTK定位技术 4. 广域差分GPS系统
1-GPS现代化计划
保护
➢采用一系列措施保护GPS系统不受敌方和黑客的干扰，增 加GPS军用信号的抗干扰能力，其中包括增加GPS的军用无 线电信号的强度。
0.5
0.0
-0.5
PANDA软件利用区域站(7个IGS
1
60
120
180
240
300
360
站)实时解轨道, 动态精密单点定
0
位结果稳定后(30min)
-1
水平向5-10cm
1
60
120
180
240
300
360
垂直向10-20cm
0
-1
60
120
180
240
300
360
Epoches (60s)
1
0
➢ 特点和意义
• 该系统将定位、通信和定时等功能结合在一起，且有瞬时快速 定位的能力。
• 大大提高了我国自主导航能力。 • 建立这一系统对于交通、运输、旅游、我国西部地区的开发、
灾害监视和防治以及全国范围的时间同步有重要的作用。
我国的二代卫星导航定位系统正在建设中
7.2 全球卫星定位系统的 工作原理和使用方法
Introduction to Geomatics
第7章 全球卫星定位导航技术
7.1 概述 7.2 全球卫星定位系统的工作原理和使用方 法 7.3 GPS卫星定位导航系统的应用
7.1 概述
7.1概 述
7.1.1定位与导航的概念
定位
有关信息、事件和目标的发生时间和空间位置的确定。
导航
对运动目标实时动态定位，即三维位置、速度和包括 航向偏转、纵向摇摆、横向摇摆三个角度的姿态的确定。
North (m)
PPP by the Local Orbits predicted 1-6 Hours
Up (m)
基于PANDA软件的精密单点定位
North (m) East (m)
PPP by the Orbits predicted 1-6 Hour
Up (m)
0.5
0.0
PANDA软件利用全球60站的单天解
-0.5
1
60
120
180
240
300
360 预报1-6h的轨道, 实时动态精密单点
0
定位结果稳定后(30min)
-1
水平向5-10cm
1
60
120
180
240
300
360 垂直向10-20cm
0
-1
60
120
180
240
300
360
Epoches(60s)
0.5
0.0
-0.5
1
60
120
180
240
系统组成
➢空间部分 ➢控制部分 ➢用户部分
各种类型的 GPS 用户接收机
7.2.3 GLONASS全球定位系统
拥有者
➢俄罗斯
发展简史
➢由前苏联从80年代初开始建设的与美国GPS系统相类似 的卫星定位系统，现在由俄罗斯空间局管理。GLONASS 的整体结构类似于GPS系统，其主要不同之处在于星座设
计和信号载波频率和卫星识别方法的设计不同。
7.1.5 组合导航定位技术
20世纪70年代发展于航海、航空与航天等领域 可提高导航定位精度和可靠性 组合导航的方式
➢ 惯性导航与多普勒组合导航系统 ➢ 惯性导航与测向/测距（VOR/DME）组合导航系统 ➢ 惯性导航与罗兰（LORAN） ➢ 以及惯性导航与全球定位系统（INS/GPS）组合导航系统
7.2.1 概述
工作原理及系统组成
工作原理
卫星定位系统都是利用在空间飞行的卫星不断向 地面广播发送某种频率，并加载了某些特殊定位信 息的无线电信号来实现定位测量的定位系统。
7.2.1 概述
工作原理及系统组成
系统组成
➢空间运行的卫星星座：发送某种时间信号、测距信号 和卫星的瞬时坐标位置信号。 ➢地面控制部分：精确测定卫星的轨道坐标、时钟差异， 确定系统运行状态，并向卫星注入新的卫星轨道坐标， 进行必要的卫星轨道纠正等。 ➢用户部分：接收卫星广播发送的多种信号并进行处理 计算确定用户的最终位置。
系统容纳的最大用户数：540000户/小时。
7.2.6 GNSS卫星定位的基本原理
伪距 接收机钟差 位置和时间
GNSS 导航解
GNSS卫星定位的定位精度
用GPS技术可以同时实现三维定位与接收机时间的定时。 利用C/A码进行实时绝对定位，各坐标分量精度在510m左右，三维综合精度在15-30m左右； 利用军用P码进行实时绝对定位，各坐标分量精度在13m左右，三维综合精度在3-6m左右； 利用相位观测值进行绝对定位技术比较复杂，目前其实 时或准实时各坐标分量的精度在0.1-0.3m左右，事后24 小时连续定位三维精度可达2-3cm左右。
相对定位的方式
第一类：基于伪距的相对定位方式
名称
简写
相对定位 距离
观测值
采用星历
常规伪距差分 CDGPS <200km C/A 码伪距 广播星历
误差修正方式 综合伪距误差
精度 1~5m
广域差分系统 WADGPS <2000km C/A 码伪距
精密星历
卫星钟差改正、电 离层改正
1~5m
广域增强系统 WAAS
7.2.5北斗（BDS）全球卫星导航定位系统
四大功能 短报文通信：北斗系统用户终端具有双向 报文通信功能，用户可以一次传送40-60 个汉字的短报文信息。
精密授时：北斗系统具有精密授时功能， 可向用户提供20ns-100ns时间同步精度。
定位精度：水平精度100米，设立标校站 之后为20米(类似差分状态)。工作频率： 2491.75MHz。
导航技术发展的方向
➢ 把各具特点的不同类型的导航系统匹配组合，发挥各自特点、 扬长避短，加之使用卡尔曼滤波技术等数据处理方法，提高 系统导航能力、精度、可靠性和自动化程度。
7.1.6区域导航定位技术
北斗-双星导航与定位系统
➢ 我国自主研制的区域卫星导航与定位系统。
➢ 工作原理
• 利用两颗地球同步卫星作信号中转站，用户站点的收发机接收 一颗卫星转发到地面的测距信号，并向两颗卫星同时发射应答 信号，地面中心站根据两颗卫星转发的同一个应答信号以及其 它数据计算用户站位置。用户站收发机在允许的时间或规定的 时间内，在接收到卫星的转发信号后，便可得出定位结果。
7.2.5北斗（BDS）全球卫星导航定位系统
北斗卫星导航系统三步走战略：
第一步，1994年启动北斗卫星导航试验 系统建设，2000年形成区域有源服务能 力(两颗GEO加一颗备用)；
第二步，建设北斗卫星导航系统，2012 年左右形成覆盖亚太大部分地区的服务能 力(5GEO+5IGSO+4MEO)。
第三步，2020年左右，北斗卫星导航系 统形成全球覆盖能力 (5GEO+3IGSO+27EO)
x2 x1 cos sin
y2
y1
D
cos
cos
z2 z1 sin
相对定位的例子：目标的雷达定位
7.1.3绝对定位方式与相对定位方式
绝对定位
相对定位
7.1.4定位与导航的方法和技术
天文定位与导航技术 常规大地测量定位技术 惯性导航定位技术 无线电导航定位技术 卫星导航定位技术
GPS现代化
Block II/IIA
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
Block IIR
2-精密单点定位技术
Precise Point Positioning，简称为PPP。 原理
➢ 利用这种预报的GPS卫星的精密星历或事后的精密星历 作为已知坐标起算数据；同时利用某种方式得到的精密 卫星钟差来替代用户GPS定位观测值方程中的卫星钟差 参数；用户利用单台GPS双频双码接收机的观测数据在 数千万平方公里乃至全球范围内的任意位置都可以24dm级的精度进行实时动态定位或以2-4cm级的精度进 行较快速的静态定位