GNSS基础知识

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版标题样式,第一级,第二级,第三级,第四级,#,GNSS,基础知识简介,赵新峰,集思事业,部华东分公司,GPS,定位技术概述,英文全称是,NAVigation Satellite Timing And Ranging,Global Position System,（,导航星测时与测距,全球定位系统,），简称,GPS,，有时也被称作,NAVSTAR GPS。,美国国防部负责开发,空基全天侯导航定位系统,用以满足军方在地面或近地空间内获取目标或载体的位置、速度和时间信息的要求,同时也可为民间用户提供类似但受限的免费服务,2,GPS,的组成部分,GPS,系统由三部分组成,1,、空间,部分,（,Space Segment,）,2,、地面控制,部分,（,Ground Segment,）,3,、用户设备,部分,（,User Segment,）,3,空间部分：提供星历和时间信息发射伪距和载波信号提供其它辅助信息,用户部分：接收并测定卫星信号记录原始数据得到导航定位信息,地面控制部分：解算中心控制参数实现时间同步跟踪卫星并进行定规,GPS,的组成部分,4,GPS,的系统组成：空间部分,GPS,卫星星座,设计星座：,21+3,21,颗正式的工作卫星,+3,颗活动的备用卫星,6,个轨道面，平均轨道高度,20200km,，轨道倾角,55,，周期,11,h,58,min,（,顾及地球自转，地球-卫星的几何关系每天提前4,min,重复一次）,保证在每天,24,小时的任何时刻，在,高度角,15,以上，能够同时观测到,4,颗以上,卫星,5,GPS,的系统组成：地面控制部分,GPS,的地面控制部分,组成：,主控站（,1,个）,监测站（,5,个）,注入站（,3,个）,作用：,监测和控制卫星运行,编算卫星星历（导航电文）,保持系统时间。,6,GPS,的系统组成：用户部分,组成,GPS,信号接收机及辅助设备,作用,跟踪、捕获卫星信号,进行信号处理,测定位置、速度和时间,GPS,信号接收机的构成,天线单元,接收单元,7,GPS,信号,载波（,Carrier Phase,）,测距码（,Ranging Code,）,导航电文（,Navigation Message/Data Message,）,GPS,信号的基本组成部分（信号分量）,8,GPS,信号结构：载波,载波,作用：搭载其它信号，也可用于测量（测距）。,类型,目前,L1,：频率：,1575.43MHz,，波长：,19cm,L2,：频率：,1227.60MHz,，波长：,24cm,现代化后增加,L5,：频率：,1176.45MHz,，波长：,26cm,9,GPS,信号结构：测距码,测距码,属于伪随机噪声码, PRN,码（,Pseudo Random Noise,）,类型（目前）,C/A,（,C1,）,码速：,1.023MHz,码元长度：,293m,P(Y)1,、,P(Y)2,码速：,10.23MHz,码元长度：,29.3m,现代化后增加,C2,M1,、,M2(,军用码,),10,GPS,信号结构：导航电文,导航电文,码速：,50bps,内容：,广播星历（导航信息）,卫星钟改正,历书（概略星历）,电离层信息,卫星健康状况,11,小知识,你知道吗？,GPS,卫星信号由两万公里以,500W,传送，到达地面仅剩,10,-13,W,除了大家熟知的,L1,、,L2,、,L5,外，,GPS,卫星还拥有,L3,、,L4,信号：,L3 (1381.05 MHz) ,美国国防部用来探测导弹发射、核爆炸以及其他高能量红外线事件。,L4 (1841.40 MHz) ,正被研究提供更多的电离层改正。,12,在同一平面上，通过测量到两个已知点的精确距离，可以精密地确定出平面位置。,.,.,P,Q,我的位置应该在,P,点或,Q,点,GPS,定位原理,13,如何在三维空间中得到位置坐标？,如果能够精确测定出观测者到三个参考点（参考点的坐标已知）的距离,D,，那么观测者必然处在以这三个参考点为圆心，以观测距离（,D1,、,D2,、,D3,）为半径的三个球体的交点上。,也就是说，只要知道三个已知点的坐标，知道一个未知点分别到这三个已知点的距离，就能把这个未知点的位置（即空间坐标）确定下来。,这种定位方法称为,距离交会法,GPS,定位原理,14,GPS,定位原理,GPS,定位本质：距离后方交会,理论上，三颗卫星就能够确定地面卫星接收机的位置。,三颗卫星在三维空间中其实有两个交点，但一个在太空，一个在大气层内。,15,GPS,定位是通过,GPS,接收机同时接收,4,颗以上的,GPS,卫星发出的信号来测定接收机在地球上的位置。,四颗卫星可以确定一个点坐标。,为什么必须是,4,颗星才能定位 ？难道,3,颗不可以吗？,备注：定位原理其实就是距离后方交会，简单地讲，就是天上卫星的位置已知，,GPS,接收机把它到这些卫星的距离测出来，然后通过距离公式把坐标反算出来，但是具体的实现方式不同类型的,GPS,都不同，比如有伪距定位和载波相位定位等等。,GPS,定位原理,16,GPS,定位原理,解算方程：,：卫星位置坐标，已知量,：接收机位置坐标，未知数,：卫星到接收机的距离，待观测量,测距方法：伪距测量、载波相位测量,+,：接收机钟差，未知数,四个未知数，至少需要四组方程，即需要四颗观测卫星,17,伪距测量,伪距测距是根据接收到得,C/A,码和电文内容，通过信号的发射和接收时间差的计算，从而算出卫星和接收机的距离，但由于卫星时钟和接收机存在的钟差，因此计算出来的距离并不是真实的值，所以称为伪距。,18,载波相位测量,i,t,j,j,t,j,i,t,j,i,j,t,t,R,j,j,l,-,=,t,i,是首次观测时刻，其相位为,FI(ti),（范围在,0-360,之间）, Fi(tj),是,tj,秒观测的相位值（范围任意），则,ti,和,tj,之间的距离可以表达为两个相位差与波长的乘积。,载波测距原理,19,GPS,定位的特点,作业范围：全球地面覆盖，无须通视,作业时间：实时，全天候,成果精度：精度高,劳动强度：自动化程度高,三维坐标：真三维坐标,20,GPS,定位模式,定位模式,绝对定位（单机定位）,相对定位（差分定位）,定位时接收机天线的运动状态,静态定位,动态定位,获得定位结果的时效,事后定位,实时定位,观测值类型,伪距测量,载波相位测量,21,绝对定位（单机定位）,22,相对定位（差分定位）,已知：卫星坐标,观测：至少8个距离、相位。,待求：基线,AB,的(,X,Y,Z)、(,B,L,H),精度：伪距1,m,相位 1,cm,甚至,mm,23,卫星定位技术的发展,非差相位精密单点定位,（,PPP,）,网络,RTK,技术,伪距单点定位,伪距差分定位,载波静态定位,绝对定位,相对定位,常规,RTK,广域差分定位,定位技术,-X,第一代,第二代,第三代,第四代,24,目前热点技术,非差相位精密单点定位技术,结合广域差分技术和单点定位技术。,要求：精密卫星轨道、卫星钟参数。,定位精度：,0.1-0.5 m,网络,RTK,定位技术,结合,RTK,和基准站技术,要求：在区域内架设多个基准站,定位精度：,0.01-0.05m,（水平实时）,25,GPS,观测精度分布谱,GPS,定位平面精度谱,图例,5%,50%,95%,分布,绝对,差分,相位观测值,码观测值,1,mm,2,mm,5,mm,1,cm,2,cm,5,cm,10,cm,20,cm,50,cm,1,m,2,m,5,m,10,m,20,m,50,m,100,m,SPS,标准定位服务,PPS,精密定位服务,SA ,选择可用性,测量（静态）,（,+1ppm,）,载波相位,RTK,导航,伪距,/,载波相,位浮动解,相位,平滑伪距,DGPS,伪距,DGPS,PPS,SPS,（无,SA,）,SPS,（有,SA,）,定位方法,26,GPS,测量定位的主要误差来源,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,电离层延迟和折射,对流层延迟和折射,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差和变化,接收机钟差,接收机内部噪声,GPS,测量定位的主要误差源,27,GPS,差分技术概述,差分,GPS,产生的诱因：绝对定位精度不能满足要求,GPS,绝对定位的精度受多种误差因素的影响，完全满足某些特殊应用的要求,美国的,GPS,政策对,GPS,绝对定位精度的影响（选择可用性,SA,）,差分,GPS,（,DGPS Differential GPS,）,利用设置在坐标已知的点（基准站）上的,GPS,接收机测定,GPS,测量定位误差，用以提高在一定范围内其它,GPS,接收机（流动站）测量定位精度的方法,28,差分,GPS,的基本原理,误差的空间相关性,以上各类误差中除多路径效应均具有较强的空间相关性，从而定位结果也有一定的空间相关性。,差分,GPS,的基本原理,利用基准站（设在坐标精确已知的点上）测定具有空间相关性的误差或其对测量定位结果的影响，供流动站改正其观测值或定位结果,差分改正数的类型,距离改正数：利用基准站坐标和卫星星历可计算出站星间的计算距离，计算距离减去观测距离即为距离改正数。,位置（坐标）改正数：基准站上的接收机对,GPS,卫星进行观测，确定出测站的观测坐标，测站的已知坐标与观测坐标之差即为位置的改正数。,29,差分,GPS,的分类,位置差分,距离差分,距离改正,坐标改正,根据时效性,实时差分,事后差分,根据观测值类型,伪距差分,载波相位差分,根据差分改正数,位置差分（坐标差分）,距离差分,根据工作原理和差分模型,局域差分（,LADGPSLocal Area DGPS,）,单基准站差分,多基准站差分,广域差分（,WADGPSWide Area DGPS,）,30,位置差分和距离差分的特点,距离差分,差分改正计算的数学模型简单,差分数据的数据量少,基准站与流动站要求观测完全相同的一组卫星,位置差分,差分改正计算的数学模型较复杂,差分数据的数据量较多,基准站与流动站不要求观测完全相同的一组卫星,31,主要,GPS,差分技术,局域差分,单站局域差分：,DGPS,，,RTK,多站局域差分：,Multi Base RTK,网络局域差分：,MAC,，,VRS,，,FKP,，,CBI,广域差分,应用热点,32,主要差分方法,-,单基准站局域差分,基准站,数据通讯链,流动站（用户）,结构,基准站（一个）、数据通讯链和用户,数学模型（差分改正数的计算方法）,提供距离改正和距离改正的变率,特点,优点：结构、模型简单,缺点：差分范围小，精度随距基准站距离的增加而下降，,可靠性低,33,主要差分方法,-,多基准站局域差分,结构,基准站（多个）、数据通讯链和用户,数学模型（差分改正数的计算方法）,加权平均,偏导数法,最小方差法,特点,优点：差分精度高、可靠性高，差分范围增大,缺点：差分范围仍然有限，模型不完善,34,主要差分方法,-,广域差分,结构,基准站（多个）、数据通讯链和用户,数学模型（差分改正数的计算方法）,与普通差分不相同,普通差分是考虑的是误差的综合影响,广域差分对各项误差加以分离，建立各自的改正模型,用户根据自身的位置，对观测值进行改正,特点,优点：差分精度高、差分精度与距离无关、差分范围大,缺点：系统结构复杂、建设费用高,35,应用热点,增强型系统,特点,伪卫星技术,卫星通讯技术,类型,LAAS Local Area Augmentation System,采用地基伪卫星,WAAS Wide Area Augmentation System,采用空基伪卫星,采用通讯卫星发送差分改正数,36,应用热点,VRS Virtual Reference Station,作业模型类似,RTK,原理,利用基准站网计算出用户附近某点（虚拟参考站）各项误差改正，再将它们加到利用虚拟参考站坐标和卫星坐标所计算出的距离之上，得出虚拟参考站上的虚拟观测值，将其发送给用户，进行实时相对定位。,特点,精度和可靠性高,属网络,RTK,37,RTK,技术,RTK,技术：,RTK,（,Real Time Kinematics,）：利用载波相位进行实时定位，属于距离差分。,RTK,算法本质上是静态相对处理：单差，双差。,RTK,技术的关键是动态双差整周模糊度搜索和定位可靠性。,FARA,技术,LAMDA,技术,双频,P,码技术,OTF,技术,38,RTK,类型,类型：,载波相位差分,基准站发送未改正的观测值,RTCM SC-104,数据报文,18,，,19,精度：厘米级,准载波相位差分,基准站发送载波相位改正值,RTCM SC-104,数据报文,20,，,21,精度：分米级,39,RTK,系统,RTK,系统,基准站单元，数据链单元，流动站单元,40,RTK,系统,-,基准站,基准站,要求：双频，具有,RTK,差分基准站数据输出功能，带有可抑制多路径效应的天线。,观测值：,P1,，,P2,，,L1,，,L2,采样率：根据实际要求，一般要求,1S,或以上。,输出：自定义格式、,RTCM SC104,标准格式或,CMR +,。,结构：,GPS,接收机、天线、数据发播设备,41,RTK,系统,-,流动站,流动站,要求：双频，具备,RTK,差分功能,观测值：,P1,、,P2,、,L1,、,L2,采样率：根据实际要求，一般要求,1S,或以上。,输入：自定义格式、,RTCM SC-104,或,CMR,组成：天线、接收机、数据接收设备、手簿,42,RTK,系统,-,数据链路,类型,UHF/VHF,速度一般在,200,到,4800bps,，非连接,优点：面状广播式，可以同时供多个用户使用，通信接入方式透明（,RS-232,接口）,缺点：易受干扰，绕射能力差；陆地作用距离有限,公众网络：,GSM,，,CDMA,，,GPRS,速度一般在,4800,到,150kbps,，面向连接的方式,优点：可靠性好，距离不受限制,缺点：受到公众网络的通信条件影响。,43,谢 谢！,44,