GNSS基本原理、差分原理、误差等

GPS应用
• 导航--海陆空导航、近场着陆，车辆跟踪、调度和管 理、航空器和弹道制导监控 • 授时校频 • 测量应用 • 各种等级的大地测量、控制测量、GIS • 道路和线路放样 • 水下地形测量 • 地壳形变、大坝和大型建筑物变形测量 • GIS应用 • 大型机械控制--铺路机、挖掘机、轮胎吊等
卫星运动
卫星高度
卫星高度分成地面高度和轨道高度。 卫星的地面高度（飞行高度），是卫星在轨飞 行时离开地球表面的距离，它随卫星的地心纬度不 同而变化。 卫星的轨道高度取决于近地点和远地点的地心 距的平均高度。
GPS卫星的星历
– 分类
GPS卫星星历的提供方式一般有两种： »预报星历（广播星历） »后处理星历（精密星历）
预报星历
预报星历，是通过卫星发射的含有轨道信息的导航电文 传递给用户的，用户接收机接收到这些信号，经过解码便可获 得所需要的卫星星历，所以这种星历也叫做广播星历。
GPS卫星的星历
后处理星历
后处理星历，是一些国家的某些部门，根据各自建 立的跟踪站所获得的精密观测资料，应用与确定预报星历 相似的方法计算的卫星星历。 它不是GPS卫星直接播发的，而是由第三者提供给 用户的GPS星历。
GPS定位中的误差源
概述
GPS测量误差的来源
• 与卫星有关的误差
– 卫星轨道误差 – 卫星钟差 – 相对论效应
• 与传播途径有关的误差
– 电离层延迟 – 对流层延迟 – 多路径效应
• 与接收设备有关的误差
– 接收机天线相位中心的偏移和变化 – 接收机钟差 – 接收机内部噪声
GPS定位中的误差源
• • • • • • • • •
单点定位 C/A码单点定位 15--25米（5.7M) P-码单点定位 1--3米 2.相对定位模式 载波相位实时差分(RTK) 厘米级 伪距实时差分(RTD) 亚米级 静态相对定位 （1到1.5个小时） 毫米-厘米级 快速静态定位(5-10分钟) 厘米级 相对动态定位（一分钟左右 后处理 ）厘米-分米级
卫星运动
概述
– 定义
卫星在空间运行的轨迹称为轨道，而描述卫星 轨道位置和状态的参数，称为轨道参数。轨道误差 会直接影响所求用户接收机位置的精度。
– 意义
• 满足精密定位的需要 • 制定GPS测量的观测计划 • 便于捕获GPS卫星信号
卫星运动
• 影响卫星轨道的因素及其研究方法
为了研究工作和实际应用的方便，将各种 作用力按其影响分为两类：
天基增强系统（SBAS）
• 天基增强系统（SBAS）的目标是改善
GPS/GNSS系统的完整性和 精度，主要用于飞行器导航， 尤其是在飞机的着陆阶段。 SBAS卫星会向地球广播修正消息，使接收机可以 利用此类信息来改善精度和完整性。美国、欧洲 和亚洲都在开发自己的SBAS系统
天基增强系统
• 在欧洲，欧洲对地静止导航覆盖服务（EGNOS，European Geostationary Navigation Overlay Service）系统现已建成并 开始运行。 • 美国的广域增强系统（WAAS,Wide Area Augmentation System） • 日本的多功能卫星增强系统（MSAS,Multi-functional Satellite Augmentation System） • 及印度的GPS辅助地理增强导航（GAGAN,GPS Aided Geo Augmented Naviagtion）系统都已经进入不同的开发和应 用阶段。
民用控制。
4、中国北斗（CMPASS）系统
中国北斗卫星导航系统（BeiDou (COMPASS)
Navigation Satellite System）
主要参数：
５颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星，静止卫星分布
为：58.75º E、 80º E、110.5ºE、140ºE &160º E；30颗非静 止轨道卫星由27颗中轨(MEO)卫星和3颗倾斜同步(IGSO)卫
• 偶然误差
– 内容 • 卫星信号发生部分的随机噪声 • 接收机信号接收处理部分的随机噪声 • 其它外部某些具有随机特征的影响 – 特点 • 随机 • 量级小 – 毫米级
• 系统误差（偏差 - Bias）
– 内容 • 其它具有某种系统性特征的误差 – 特点 • 具有某种系统性特征 • 量级大 – 最大可达数百米
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
GPS现代化实质：
要加强GPS对美军现代化战争中的支撑和保持全球民用 导航领域中的领导地位。
GPS现代化内涵:
一是保护,即GPS现代化是为了更好的保护美方和友好方的使 用,要发展军码和强化军码的保密性能,加强抗干扰能力; 二是阻止,即阻扰敌对方使用,施加干扰,施加SA,AS等; 三是保持,即保持在有威胁地区以外的民用用户有更精确更 安全的使用。
星为基础的无线电导航系统，系统可提供时间/空间基准
和所有与位置信息相关的实时动态信息，又称天基系统。
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GNSS GPS
二、GNSS构成
Compass
GPS GLONASS Galileo
1、美国GPS系统
美国的全球卫星定位系统（Global Positioning
System —GPS）。
主要参数： 24（21+3）颗卫星，现有31颗； 6个近圆轨道，平均高度20200KM； 轨道面与赤道面夹角55°；
轨道面与赤道面夹角65°；运行周期为11小时15分；
频率基准铯钟，包括S码、P码、L1与L2载波； 单点水平定位精度约16米。
3、欧盟GALILEO系统
欧盟Galileo的全球卫星导航服务系统（ GALILEO Satellite Navigation System ）。
主要参数：
30（27+3）颗卫星； 3个圆轨道，平均高度24126KM； 轨道面与赤道面夹角56°； 单点水平定位精度约1米；
陆基增强系统（GBAS）
GPS增强技术的替代方法之一是从陆基增 强系统发送完整性和修正消息。这方面一 个典型的例子就是局域增强系统（LAAS）， 该系统使具有相应配备的接收机能够在局 部区域内计算出更高的精度和完整性
SBAS和GBAS模拟的优势
对于SBAS和GBAS而言，模拟是实现认证和型号审 批应用的理想途径。此类模拟提供的受控和可重 复信号可确保具体的测试条件能够在不同的被测 单元上得到重现。此外，通过模拟可对安全案例 进行测试，其中包括已发送信号中的各类错误或 异常。在这些情形下进行测试可确保我们能够理 解和验证被测系统在处置这些异常条件的能力。
运行周期为11小时58分；
基准频率铷钟和铯钟，(D码、C/A码、P码、L1与L2载波)。 单点水平定位精度约10米。
2、俄罗斯GLONASS系统
俄罗斯的全球卫星导航系统（GLObal Navigation
Satellite System —GLONASS） 主要参数： 24（21+3）颗卫星，现有23颗； 3个近圆轨道，平均高度19100KM；
相关产品定位精度
GPS伪距测量原理（码差分）
我们的仪器都以 进行码差分
GPS载波相位测量原理
GPS单点定位原理
• 已知点--卫星位置(X,Y,Z) • 未知点--地面点或其他待测点(x,y,z) • 观测量--卫星到接收机天线的距离(R) R=电波传播时间x光速 • 观测方程: R2=(X-x) 2 +(Y-y) 2+(Z-z) 2+(tc) 2 • 四个方程解四个未知数：观测四颗以上卫星才能求出 三维坐标
VRS
VRS工作原理：是指由若干个固定的、连续运行的GPS 参考站，利用现代计算机、数据通信和互联网技术组成 的网络，实时地向不同类型、不同需求、不同层次的用 户自动地提供经过检验的不同类型的GPS观测值(载波相 位，伪距)，各种改正数、状态信息，以及其他有关GPS 服务项目的系统 以河南cors 为例，全名为河南省地质信息连续运行采集 系统，全省共计分部了50个GPS基准站,全部采用天宝的 产品。
星组成，MEO卫星分布在倾角为55度的3个轨道平面上，轨
道高度为21500公里。 单点水平定位精度约10米； 双向短信服务。
GPS系统发展过程
• 第一阶段（1973--1979）：方案论证 • 初步试验、发射四颗试验卫星、试验样机研制、建立地 面跟踪站网 • 第二阶段（1979--1987...）：试验阶段 • 发射7颗试验卫星、地面跟踪站网完善、接收机研制、试 验观测（导航、授时和测量应用）。 • 第三阶段（1994-- …..）正式投入运行 • 1989年2月4日第一颗工作卫星发射，1993年底24颗 工作 卫星全部升空，完成组网1994年投入全面运行。 • 目前有在轨工作卫星27颗
GPS系统的技术特点
• 全球任何地方任何时间均可观测到4颗以上卫星--可以提 供24小时的连续的三维导航定位服务 • 全天候，不受天气条件的限制 • 定位精度高：单点定位（导航）2-6米，静态相对测量 （大地测量）10-6-10-9 • 操作简便、重量轻、体积小、耗电省 • 功能多、应用范围广
GPS测量方法
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
• 特点：
* 需要数据链进行实时传送载波相位观测量 * 实时定位数据可达厘米级精度
单基站
单基站工作原理：将一台GPS 接收机安置在一个点 上，这个点可以是控制点，也可以是未知点，长时间 观测后，会得一个相对比较准的坐标值，同时得到一 个差分改正值，另外一台gps接收机作为流动站，未 知点坐标，通过电台或者是其他通信网络，实时的将 差分改正值发送到流动站，流动站根据这些改正值， 得到一个比较准确的坐标值 定位模式为：相对定位模式
*
•
•
RTK定位原理
• 基准站位置已知，对卫星进行载波相位观测
* 基准站电台将观测的每一颗卫星的载波相位观测量 调制到电台的载波上发射传送
• 流动站对卫星进行载波相位观测
* 流动站接收基准站电台传送的载波相位观测量 * 流动站利用OTF技术将电台接收到基准站的载波相 位观测量和本机的载波相位观测量进行处理计算， 求出观测时刻的位置
• 中心力——假设地球为匀质球体的引力 • 非中心力——摄动力，包括地球非球形对称的作用 力、日月引力、大气阻力、光辐射压力、地球潮汐 力
卫星运动
• 影响卫星轨道的因素及其研究方法
对应两类作用力，产生了两种研究方法
• 无摄运动——忽略所有摄动力，仅考虑地球质心引 力 • 受摄运动——在二体问题基础上，再加上摄动力来 推求卫星运动轨道
DGPS(RTD)定位原理
• 基准站位置已知，对卫星进行伪距观测
伪距改正数=计算伪距-观测伪距 * 电台传送伪距改正数 流动站对卫星进行伪距观测 * 流动站接收基准站电台传送的伪距改正数 * 改正后的伪距=观测伪距+伪距改正数 * 流动站接收用改正后的伪距计算位置 特点： * 需要数据链进行实时传送伪距改正 * 实时定位数据可达亚米级精度
GPS卫星的星历
• 区别
预报星历：用户在观测时可以通过导航电文实时地得 到，这对导航或实时定位非常重要。但它是外推星 历，精度较低。
后处理星历：不能实时提供，而是在事后向用户提供 观测时的卫星星历，避免了预报星历外推的误差。
GPS卫星现代化的提出和内涵
GPS现代化的提法是1999年1月25日美国副总统以 文告形式发表的
一.GPS GNSS增强系统
什么是GPS GNSS增强系统
GPS本身常常无法提供足够的性能，尤其是在需要高度 完整性的苛刻环境中。通过使用各种来源提供的增强信 息，GPS/GNSS的精度和完整性可以得到大幅度的增强。 GPS/GNSS增强系统在实际使用中有多种形式，但它们的 共同原理都是提供辅助信息，而其最终的目的是改善 GPS/GNSS的性能和/或可靠程度。
GNSS基本原理、差分原理、 误差
北京天恒昕业第一期技术培训
目录
1.GNSS系统 2.GPS发展差分定位原理 3.GPS GNSS增强系统 4.卫星运动及GPS卫星星历 5.GPS现代化 6.GPS测量定位的误差源
一、GNSS的定义
全球卫星导航系统(GNSS):
(Global Navigation Satellite System)是一种以卫