GNSS测量原理

广州中海达卫星导航技术股份有限公司概述GPS是英文GlobalPositioningSystem的缩写,意为全球卫星定位系统。它是美国国防部为满足军事部门对海上、陆地和空中设施进行高精度导航和定位的需要而建立的。该系统于1973年开始设计、研究，历时20年，耗资约200亿美元，于1993年6月系统建成并投入使用。它从根本上解决了人类在地球上的导航和定位问题，在军事和工农业等领域得到了广泛的应用。给导航和定位技术带来了巨大的变化。GPS系统的特点1、全球性，全天候工作：能为用户提供连续，实时的三维位置，三维速度和精密时间。不受天气的影响。2、定位精度高：单机定位精度优于10米，采用差分定位，精度可达厘米级和毫米级。3、功能多，应用广：随着人们对GPS认识的加深，GPS不仅在测量，导航，测速，测时等方面得到更广泛的应用，而且其应用领域不断扩大Yourlocationis:45o23.323’N126o02.162’WGPS系统构成整个系统有三部分构成：GPS星座地面监控站用户接收机GPS星座•由均匀分布在6个轨道平面上的24颗卫星组成(第二代卫星升空后现在是28颗左右[增加了L5频段,L2频段加载C/A码])，轨道间交角60°其中两个与赤道面交角55°卫星距地面20200km,绕圆轨道一周需11小时58分，所以人们每天提前4分钟见到同一颗卫星。GPS卫星的作用向用户连续不断地发送导航定位信号，并用导航电文报告自己的位置以及其它在轨卫星的位置接收地面注入站发送到卫星的导航电文和其它信息，并通过GPS信号发送给用户接收地面主控站发送到卫星的调度指令。地面监控站一个主控站：位于科罗拉多三个注入站：大西洋的阿松森、印度洋的迭戈·伽西亚、太平洋的卡瓦加兰五个监控站：除以上四个，还有在夏威夷一个地面监控站的作用收集数据：气象、卫星时钟、卫星工作状态编算导航电文：计算卫星星历、时钟改正、状态数据、信号传播改正诊断状态：监测地面系统、检验导航电文调度卫星：轨道改正、启用备用卫星GPS的控制部分由分布在全球的由若干个跟踪站所组成的监控系统。根据其作用的不同这些跟踪站又被分为主控站、监控站和注入站。主控站有一个位于美国克罗拉多Colorado的法尔孔Falcon空军基地。它的作用是根据各监控站根据GPS的观测数据，计算出卫星的星历和卫星钟的改正参数等，并将这些数据通过注入站注入到卫星中去；同时它还对卫星进行控制，向卫星发布指令，当工作卫星出现故障时调度备用卫星替代失效的工作卫星工作；另外主控站也具有监控站的功能。监控站有五个除了主控站外还有四个分别位于夏威夷(Hawaii)、阿松森群岛(Ascencion)、迭哥伽西亚(DiegoGarcia)、卡瓦加兰(Kwajalein)。监控站的作用是接收卫星信号、监测卫星的工作状态。注入站有三个。它们分别位于阿松森群岛、迭哥伽西亚、卡瓦加兰。注入站的作用是将主控站计算出的卫星星历和卫星钟的改正数等注入到卫星中去。用户接收机部分基本部分：GPS接收机、GPS天线你的位置：45o23.323’N126o02.162’W•辅助部分：电源,固定和对中装置（即角架、基座）等GPS接收机捕获、跟踪卫星，接收GPS信号并将它变换、放大和处理，测量信号传播时间进以计算三维坐标、速度、时间•接收机不仅需要机内软件，还需要GPS数据后处理软件包才完整•按接收的载波频率类别多少，分为单频（L1）和双频（L1、L2）GPS信号载波信号：调制有导航电文和伪随机码，有两种：L1（19cm，1575.42MHz）；L2（24cm，1227.60MHz）伪随机码：是一个“开”、“关”脉冲的序列，由卫星产生并发送至用户接收机，调制导航电文形成组合码，C/A码和P码两种导航电文：关于卫星轨道、时钟改正和其它系统状态信息的低频信号GPS发展历程无线电导航系统●罗兰--C●Omega（奥米茄）●多普勒系统卫星定位系统●NNSS子午仪系统●GPS●GLONASS系统●双星导航定位系统（北斗一号）●加俐略系统广州中海达卫星导航技术股份有限公司GNSS系统北斗GPS伽利略格洛纳斯目前能使用的全球导航卫星系统美国GPS28颗卫星俄罗斯GLONASS24颗卫星欧盟伽利略30颗卫星中国北斗导航系统35颗卫星GLONASS系统GLONASS是GLObalNAvigationSatelliteSystem(全球导航卫星系统)的字头缩写，是前苏联从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，也由卫星星座、地面监测控制站和用户设备三部分组成。现在由俄罗斯空间局管理。GLONASS系统的卫星星座由24颗卫星组成，均匀分布在3个近圆形的轨道平面上，每个轨道面8颗卫星，轨道高度19100公里，运行周期11小时15分，轨道倾角64.8°。GLONASS卫星的载波上也调制了两种伪随机噪声码：S码和P码。该系统系统单点定位精度水平方向为16m，垂直方向为25m。俄罗斯航天系统公司副经理斯图帕克2012年11月13日说，未来2-3年内，GLONASS卫星数量将增加至30颗到2020年格洛纳斯精度将达到0.6米。加俐略(Galileo)系统是将来精度最高的全开放的新一代定位系统伽利略系统曾经是中国摆脱依赖GPS的希望,参股5%,美国控股迫使中国走向自主研发系统组成：①卫星星座：由3个独立的圆形轨道，30颗卫星组成（27颗工作卫星，3颗备用卫星）。卫星的轨道倾角i=56°；卫星的公转周期T=14h23m14S恒星时；轨道高度H=23616km。②地面系统：在欧洲建立2个控制中心；在全球构建监控网。③定位原理：与GPS相同。④定位精度：导航定位精度比目前任何系统都高。计划实施：①1994年开始进入方案论证阶段；②2003年开始发射两颗试验卫星进入试验阶段；③预计2008年整个伽利略系统建成并投入使用；但由于多种原因一直在推迟2012年10月12日用“联盟”火箭成功发射2颗伽利略系统卫星伽利略计划遇到的最大问题是缺钱。该计划提出之初，欧盟和欧洲空间局的设想是，该项目的三分之二资金由私人投资者提供，其余三分之一由欧盟和欧洲空间局分担。但私人投资迟迟不到位，而项目预算则从最初的77亿欧元飙升到200多亿欧元。北斗卫星导航系统预计35颗星5颗定轨卫星30颗动态卫星包含通讯定位军事等应用功能北斗卫星导航系统是我国自行研制开发的区域性有源三维卫星定位与通讯系统（CNSS），是除美国的（GPS）、俄罗斯的GLONASS之后第三个成熟的卫星导航系统。可在全球范围内全天候、全天时为各类用户提供高精度、高可靠的定位、导航、授时服务，并兼具短报文通信能力。第八颗和第九颗北斗卫星于2011年被长征三号运载火箭送入太空预定转移轨道。2011年12月2日发射第十颗导航卫星，北斗卫星导航系统新闻发言人冉承其表示，北斗卫星导航系统将在2020年形成全球覆盖能力。2012年10月25日发射了第十六颗北斗导航卫星现在公布北斗卫星系统的精度是25米，明年可达到10米，定位精度越高，应用的范围就越广泛。我们现在发射了15颗卫星。如果希望实现2020年覆盖全球能力的卫星导航系统，至少需要发射30颗卫星。卫星发射越多，对精度贡献越大。北斗与GPS主要区别覆盖范围：北斗导航系统同步卫星是覆盖中国本土的区域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。双向定位：知道你在哪里和我在哪里。系统容纳的最大用户数：每小时540000户。GPS坐标系WGS-84：a=6378137m，f=1/298.257223563aba=长半轴b=短半轴ab)(af扁率bfH椭球高经度纬度Hf椭球模型WGS-84坐标系WGS-84坐标系是目前GPS所采用的坐标系统，GPS所发布的星历参数和历书参数等都是基于此坐标系统的。WGS-84坐标系统的全称是WorldGeodicalSystem-84(世界大地坐标系-84),它是一个地心地固坐标系统。WGS-84坐标系统由美国国防部制图局建立，于1987年取代了当时GPS所采用的坐标系统WGS-72坐标系统而成为现在GPS所使用的坐标系统。1954年北京坐标系我国目前广泛采用的大地测量坐标系。该坐标系源自于原苏联采用过的1942年普尔科夫坐标系。原点在原苏联的普尔科夫，该坐标系采用的参考椭球是克拉索夫斯基椭球。1980年西安大地坐标系1978年我国决定重新对全国天文大地网施行整体平差，并且建立新的国家大地坐标系统。原点在陕西省泾阳县永乐镇北洪流村。整体平差在新大地坐标系统中进行，这个坐标系统就是1980年西安大地坐标系统。1980年西安大地坐标系统所采用的地球椭球参数的四个几何和物理参数采用了IAG1975年的推荐值2000国家大地坐标系经国务院批准，根据《中华人民共和国测绘法》，我国自2008年7月1日起启用2000国家大地坐标系。2008年3月，由国土资源部正式上报国务院《关于我国采用2000国家大地坐标系的请示》，并于2008年4月获得国务院批准。自2008年7月1日起，我国将全面启用2000国家大地坐标系，国家测绘局受权组织实施。在我国建立、使用2000国家大地坐标系，需要将现有的参心坐标系下成果转换到2000国家大地坐标系中。2000国家大地坐标系与现行国家大地坐标系转换、衔接的过渡期为8年至10年。若现在仍采用现行的二维、非地心的坐标系，不仅制约了地理空间信息的精确表达和各种先进的空间技术的广泛应用，无法全面满足当今气象、地震、水利、交通等部门对高精度测绘地理信息服务的要求，而且也不利于与国际上民航与海图的有效衔接，因此采用地心坐标系已势在必行。GPS高程和海拔高h=正常高H=椭球高(大地高)N=大地水准面高(正高)NNNhhhHHH大地高系统大地高系统是以参考椭球面为基准面的高程系统，某点的大地高是该点到通过该点的参考椭球的法线与参考椭球面的交点间的距离。大地高也称为椭球高。大地高一般用符号H表示。大地高是一个纯几何量，不具有物理意义，同一个点在不同的基准下具有不同的大地高。正高系统正高系统是以大地水准面为基准的高程系统，某点的正高是该点到通过该点的铅垂线与大地水准面的交点之间的距离。（大地水准面到参考椭球面的距离称为大地水准面差距）正常高系统正常高系统是以似大地水准面为基准的高程系统，某点的正常高是该点到通过该点的铅垂线与似大地水准面的交点之间的距离。（似大地水准面到参考椭球面的距离称为高程异常）常见的是56黄海高程系统和85国家高程系统GPS测距原理五个逻辑步骤：三角测量测量距离精确定时卫星监控误差剔除第一步：三角测量•卫星位置已知，我们的位置未知。我们接收机位于以卫星为中心，以我们离卫星的距离为半径的球面上。•两个卫星球面相交成一个圆，我们就在这个圆上。如果又测得了第三颗卫星的距离，那我们的位置范围就缩小到了两个点上。由于技术原因，还需要测第四颗卫星，这样就知道我们的位置了！第二步距离测量卫星和我们接收机的距离怎么得来的呢？很简单，卫星信号传播的速度可以光速计，那么,速度x时间=距离.关键是时间怎么测量信号传播时间怎么来？假设卫星和接收机同时产生同样的伪随机码对比这两个码得出GPS信号传播的延迟就是传播历经的时间（通常很短）再用这个时间乘以光速得出距离第三步精确定时时间测量的精确与否关系重大，误差千分之一秒，距离误差可达200m！原子钟:(100万年差0.1秒)原子钟不是依靠原子能工作的，之所以得名是因为它们使用一种特殊原子的振动作为它们的节拍器。这种定时形式比人们开发出来的时钟更稳定、更精确。这么高精度的东西价值40～50万元！不可能作为民用接收机的配件！第四步卫星监控卫星的确切位置DOD(美国国防部)事先已经确定好了，坐标系也是确定的，这样就能定出我们接收机的位置•DOD还会连续不断地监控卫星轨道的误差，并把这些误差传到接收机里，我们不用担心卫星方面的问题！第五