GNSS定位的基本原理

1、卫星导航差分与增强系统 第一讲 GNSS定位的基本原理 唐卫明 武汉大学卫星导航定位技术研究中心,GNSS卫星定位概述,1. GNSS的现状和发展趋势 2. GNSS定位基本观测值和观测方程 3. GNSS定位技术和模式 4. GNSS定位误差源 5. 线性组合观测值 6. 整周模糊度 7. 周跳的探测和修复 8. 差分GNSS技术 9. GNSS的应用范围,1.全球卫星定位系统（GNSS）现状和发展趋势,GNSS的定义和实际运行的系统 GNSS的组成 GPS, GLONASS, GALILEO, BeiDou,GNSS的定义和实际运行的系统,定义 具有全球导航定位能力的卫星定位导航系统称为全

2、球卫星导航系统，英文全称为Global Navigation Satellite System，简称为GNSS。 实际系统 美国的全球卫星定位系统（GPS） 俄罗斯的全球卫星导航系统GLONASS 正在发展研究的有欧盟的GALILEO系统 中国北斗卫星导航系统(BeiDou, Compass) 区域导航系统(2012) 全球卫星导航系统(2020,GNSS系统组成,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

3、统组成 空间部分 控制部分 用户部分 目前状态 应用广泛，形成产业 现代化 保护，阻止，保持,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。 系统组成 卫星星座 地面监测控制站 用户设备 目前状态 起步早，卫星寿命较短，民用太少 现代化 2010年达到补充完整个卫星星座 频分多址改为码分多址,GLONASS 1982-2007,GLONASS-M 2003-2013,GLONASS-K 2

4、007-2022,GLONASS-KM 2015,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，计划将于2008年完成。可与美国的GPS和俄罗斯的GLONASS兼容，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,北斗卫星导航系统局域现状及发展计划,北斗导航系统现状，发射16颗，

5、可用14颗 5 颗地球静止轨道卫星(GEO) 东经 84、东经140, 和东经 160 5 颗倾斜地球同步轨道卫星(IGSO)和4颗MEO 3颗位于东经 118, 1颗位于东经110 轨道倾角55,北斗卫星导航系统局域现状及发展计划,北斗导航系统发展计划 2012年: 满足区域定位服务需求 14颗5GEO+5IGSO+4MEO 2020: 提供全球服务 35颗5GEO+3IGSO+27MEO,2 GNSS观测值和基本观测方程,2.1 GNSS观测值的种类 伪距观测值CA,P1,P2（粗码，精码） 载波相位观测值L1,L2,L5 多普勒观测值D1,D2 2.2 载波相位测量的基本原理 2.3 码

6、伪距和载波相位的基本观测方程,GPS测距原理（测距码,利用测距码测定卫地距离,利用测距码进行测距的原理 基本思路:= c=t c 伪距 伪距的测定方法,2.2 GPS载波相位测量的基本原理（一,理想情况,实际情况,2.2 GPS载波相位测量的基本原理（二,观测值 整周计数 整周未知数 （整周模糊度） 优点 精度高，测距精度可达0.1mm量级 难点 整周未知数问题 整周跳变问题,载波相位观测值,2.3 码伪距和载波相位的基本观测方程,为该历元的伪距观测值,为该历元的卫星至接收机天线的几何距离,为该历元卫星,的轨道误差,为以米/秒为单位的光速,和,为该历元卫星,的卫星钟差和测站,的接收机钟差,为该

7、历元卫星,的电离层延迟误差,为该历元卫星,的对流层延迟误差,为接收机码观测值的噪声和多路径误差等随机误差,其中,为接收机载波相位观测值的噪声和多路径误差等随机误差,为该历元相位差的小数部分与连续的整周记数之和，单位为周,为相应于该载波的波长,为该卫星的相位观测值模糊度,伪距,载波,3 GNSS定位技术和模式,GNSS定位的基本原理 GNSS定位的发展历史 GNSS的发展方向 目前GNSS的发展方向 精密单点定位的原理和优缺点,GNSS定位的基本原理,绝对定位,GNSS定位技术发展历史,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,

8、常规RTK,广域差分定位,定位技术 -PPPRTK,第一代,第二代,第三代,第四代,GNSS定位的发展方向,实时、高精度、高可靠性 网络化、集中式的数据服务 各种定位方法相互融合，趋向统一 呈现出多元化和学科交叉的特点,目前GNSS定位研究的热点,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,精密单点定位概念及原理,利用预报的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

9、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在数千万平方公里乃至全球范围内的任意位置都可以分米级的精度进行实时动态定位或以厘米级的精度进行较快速的静态定位，这一导航定位方法称为精密单点定位（Precise Point Positioning），简称为（PPP,精密单点定位优缺点,优点： 处理非差伪距和相位观测值 估计位置、接收机钟差、对流层延迟历元 支持静态和动态定位 支持全球定位 与坐标框架直接联系 无需基准站支持即可实现厘米级到分米级定位 提高效益，降低成本 挑战 卫星星历和钟差的可用性问题 相位模糊度收敛问题 误差处理问题,4

10、 GNSS测量误差来源,GNSS误差源的分类 消除或减弱各种误差的方法 模型改正法 求差法 参数法 相对论效应 电离层误差 对流层误差 多路径效应,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,GNSS误差源的分类,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 相对论效应 电离层延迟 对流层延迟 卫星钟差

11、限制：有些误差难以模型化 求差法 原理：通过观测值间一定方式的相互求差，消去或消弱求差观测值中所包含的相同或相似的误差影响 适用情况：误差具有较强的空间、时间或其它类型的相关性。 所针对的误差源 如电离层延迟 对流层延迟 卫星轨道误差 限制：空间相关性将随测站间距离的增加而减弱 参数法 原理：采用参数估计的方法，将系统性偏差求定出来 适用情况：几乎适用于任何的情况 限制：不能同时将所有影响均作为参数来估计,电离层延迟(Ionosphere,常用电离层延迟改正方法分类,经验模型改正 方法：根据以往观测结果所建立的模型 改正效果：差 双频改正 方法：利用双频观测值直接计算出延迟改正或组成无电离层延

12、迟的组合观测量 效果：改正效果最好 实测模型改正 方法：利用实际观测所得到的离散的电离层延迟（或电子含量），建立模型（如内插） 效果：改正效果较好,对流层延迟（Troposphere,常用模型改正 霍普菲尔德（Hopfield）改正模型 萨斯塔莫宁（Saastamoinen）改正模型 勃兰克（Black）改正模型 不同模型所算出的高度角30以上方向的延迟差异不大 Black模型可以看作是Hopfield模型的修正形式 Saastamoinen模型与Hopfield模型的差异要大于Black模型与Hopfield模型的差异,常用对流层延迟改正方法,多路径误差,多路径（Multipath）误差 在

13、GPS测量中，被测站附近的物体所反射的卫星信号（反射波）被接收机天线所接收，与直接来自卫星的信号（直接波）产生干涉，从而使观测值偏离真值产生所谓的“多路径误差”。 多路径效应 由于多路径的信号传播所引起的干涉时延效应称为多路径效应,应对多路径误差的方法,硬件上 采用抗多路径误差的仪器设备 抗多路径的天线：带抑径板或抑径圈的天线，极化天线 抗多路径的接收机：窄相关技术MEDLL(Multipath Estimating Delay Lock Loop)等 观测上 选择合适的测站，避开易产生多路径的环境 数据处理上 加权,参数法,滤波法,信号分析法,易发生多路径的环境,组合观测值的一般特性 电磁波

14、的一般特性,5. 观测值间的线性组合,组合观测值的一般特性（续） 频率特性 波长特性 整周未知数特性,两个载波（L1、L2）观测值间的线性组合,宽巷组合观测值（wide-lane）(n=1, m=-1,几种特殊的组合观测值,无电离层影响组合观测值（iono-free,几种特殊的组合观测值,6. 整周未知数N0的确定,整周未知数（整周模糊度 Ambiguity,载波相位模糊度的确定方法,1.在观测值领域的搜索技术 利用接收机的伪距观测值，特别是P码伪距观测值与相位观测值组合平滑，从而确定整周未知数。（双频P码法） 2.在坐标域内的搜索技术 如果初始的坐标估计足够精确，整周模糊度可以利用这些初始坐

15、标进行估计，如果初始坐标的偏差，整周模糊度不能通过坐标直接确定。（模糊度函数法） 3.在估计的模糊度域内的搜索技术 先利用所有的观测值一起进行平差处理，从而得到基线向量和模糊度参数的浮点解，并且获得模糊度方差-协方差阵。根据模糊度参数的精度信息，构造搜索空间，寻找一组使残差平方和最小的整数模糊度参数的组合。通过一个基于统计检验的确认过程，搜索出模糊度，得出基线向量的固定解。（FARA, FASF,LAMBDA,QIF,7. 周跳的探测与修复,整周跳变（周跳） 什么是整周跳变（周跳） 如果因为某种原因使得载波相位观测值中的整周计数器累计工作产生中断，那么恢复累计后所有的计数中都会包含有同一个偏差

16、，此偏差就是中断期间丢失的整周数，通常称为周跳 产生周跳的原因 信号被遮挡 仪器故障 信号被干扰 接收机在高速动态的环境下进行观测 周跳的特点 只影响整周计数 周跳为波长的整数倍 将影响从周跳发生时刻（历元）之后的所有观测值,周跳的探测和修复,周跳的探测和修复方法 高次差法 多项式拟合法 伪距/载波组合法 电离层残差法 卡尔曼滤波法 冗余观测值法 三差法 小波分析法,8 差分GNSS技术,差分GNSS的基本原理 差分观测值的定义和种类 差分GNSS的分类,差分GPS的基本原理,误差的空间相关性 影响GNSS定位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G

17、PS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 位置（坐标改正数）改正数 观测值改正数,差分观测值的定义和种类,差分观测值的定义 将相同频率的GPS载波相位观测值依据某种方式求差所获得的新的组合观测值（虚拟观测值） 差分观测值的特点 可以消去某些不重要的参数，或将某些对确定待定参数有较大负面影响的因素消去或消弱其影响 求差方式 站间求差 卫星间求差 历元间求差,站间求差（站间差分,求差方式 同步观测值在接收机间求差 数学形式 特点 消除了卫星钟差影响 削弱了电离层折射影响 削弱了对流层折射影响 削弱了卫星轨道误差的影响,星间求差（星间差分,求差方式 同步观测值在卫星间求差 数学形式 特点 消除了接收机钟差的影响,历元间求差（历元间差分,差分方式 观测值在间