GNSS高精度定位技术

GPS与NNSS的主要特征的比较
GPS系统 1227.60,1575. 载波频（MHz） 42 项目 NNSS系统 150,400
轨道高度
20200 Km
1000 Km 5～6 107 min
石英钟 测定多普勒频 移 15-20min
卫星数目(颗) 24颗(3颗备用) 卫星运行周期
卫星钟 定位方式 可用性
• period 14 hours 4 min • ground track repeat about 10 days
the Galileo satellite constellation
其它卫星导航定位系统——Galileo
GIOVE A
the GIOVE Satellite
GIOVE B
• GIOVE的主要目标:
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。
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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。 • 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
• GPS在我国的应用和发展
80年代初期，我国一些院校和科研单位开始研究GPS技术。 80年代中期，开始引进GPS接收机，并应用于各个领域。同 时着手研究建立我国自己的卫星导航系统（北斗双星定位
系统）。
从80年代末到现在，实施了一系列重大的GPS卫星测量工程 和项目。 大地测量：利用GPS技术开展国际联测，建立全球或全国 性大地控制网，提供高精度的地心坐标，测定和精化大地 水准面。
大地测量多普勒接收 机-1 （MX1502）
大地测量多普勒接收 机-2 （CMA751）
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 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 联测定位： 各站共同观测17次合 格卫星通过，精度约为0.5m
– – – – 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。
GNSS简介—北斗
发展路线图
GNSS简介—北斗
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 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
NAVSTAR GPS 21＋3 6 55° 20180km 12h CDMA 1575MHz 1228MHz
轨道周期（恒星时） 11h15min
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
其它卫星导航定位系统——Galileo
GALILEO DATA
altitude ~23616 km SMA 29993.707 km
Walker 27/3/1 Constellation
inclination 56 degrees
27 + 3 satellites in three Medium Earth Orbits (MEO)
其它卫星导航定位系统—— GLONASS
GLONASS与GPS的比较
参 数 系统中的卫星数 轨道平面数 轨道倾角 轨道高度 卫星信号的区分 L1频率 L2频率 3
GLONASS 21＋3 64.8 ° 19100km FDMA 1602~1615MHz 频道间隔0.5625MHz 1246~1256MHz 频道间隔0.4375MHz
工程测量：应用GPS静态相对定位技术，布设精 密工程控制网，用于桥梁工程、隧道与管道工程 、海峡与地铁贯通工程以及精密设备安装工程等 。 航空摄影测量：我国测绘工作者应用GPS技术进 行航测外业像片控制测量、航摄飞行导航、机载 GPS航测等航测成图的各个阶段。 地球动力学：由于高精度的GPS定位技术可以精 确提供有关板块运动的四维信息，因而被用于监 测全球板块运动和区域性板块运动以及板块内的 地壳变形。
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
目录
第一部分
GNSS简介
第二部分
第三部分
GNSS组成
GNSS特点及用途
GNSS 的组成
Biblioteka Baidu
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
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
空间星座部分
用户设备部分
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 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
• 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。
• 精度

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
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。
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。
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。
–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。
3、GPS全球定位系统
• 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；
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
其它卫星导航定位系统——北斗卫 星导航系统
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
• 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
目录
第一部分
GNSS简介
第二部分
第三部分
GNSS组成
GNSS的特点及用途
• GPS相对于经典测量技术的特点
– 定位精度高 – 观测时间短 – 观测站之间无需通视 – 操作简便 – 全天候作业 – 提供三维坐标 – 应用广泛
720 min
铯钟、铷钟 测距 连续,实时
其它卫星导航定位系统—— GLONASS
GLONASS satellite
P24
GLONASS constellation
• 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。 – 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。
子午卫星
子午卫星星座
子午卫星系统及其局限性
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） • 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
GNSS高精度定位技术及其应用
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目录
第一部分
GNSS简介
第二部分
第三部分
GNSS组成
GNSS特点及用途
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。
GNSS简介—北斗
北斗二代系统
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
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
子午卫星系统及其局限性
• 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 –美国研制、建立 –1964年1月建成 –1967年7月解密供民用
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。 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。