第一讲-GNSS定位的基本原理

GNSScenter,WuhanUniversity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GNSScenter,WuhanUniversityGNSS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GNSScenter,WuhanUniversity1.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,BeiDouGNSScenter,WuhanUniversityGNSS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球卫星导航系统，英文全称为GlobalNavigationSatelliteSystem，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)GNSScenter,WuhanUniversityGNSS系统组成卫星定位系统的三大部分空间飞行的GPS卫星GNSScenter,WuhanUniversity各种类型的GPS用户接收机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GNSScenter,WuhanUniversityGLONASS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GLONASS1982-2007GLONASS-M2003-2013GLONASS-K2007-2022GLONASS-KM2015-…GNSScenter,WuhanUniversityGalileo系统星座伽利略（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。GNSScenter,WuhanUniversity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，可用14颗5颗地球静止轨道卫星(GEO)•东经84º、东经140º,和东经160º5颗倾斜地球同步轨道卫星(IGSO)和4颗MEO•3颗位于东经118º,1颗位于东经110°•轨道倾角55ºGNSScenter,WuhanUniversity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+27MEOGNSScenter,WuhanUniversity2GNSS观测值和基本观测方程2.1GNSS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,D22.2载波相位测量的基本原理2.3码伪距和载波相位的基本观测方程GNSScenter,WuhanUniversityGPS测距原理（测距码）GNSScenter,WuhanUniversity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dtTutTuTRT)()(1相关系数：GNSScenter,WuhanUniversity2.2GPS载波相位测量的基本原理（一）SRSR)SR()tR()tS接收机根据自身的钟在时刻复制信号的相位tR接收机根据自身的钟在时刻所接收到卫星在时刻所发送信号的相位tRtStRtS理想情况实际情况GNSScenter,WuhanUniversity2.2GPS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Int0NN0Fr0N0Int()iFrit0ti)()(~)()()(000FrIntNFrIntFriii通常表示为：以后的观测：首次观测：GNSScenter,WuhanUniversity2.3码伪距和载波相位的基本观测方程()()()(()())()()jjjjjjiiiiitRtdtcttttItTt()()()(()())()()jjjjjjjiiiiiitNRtdtcttttItTt()jit为该历元的伪距观测值()jiRt为该历元的卫星至接收机天线的几何距离()jdt为该历元卫星j的轨道误差c为以米/秒为单位的光速()itt和()jtt为该历元卫星j的卫星钟差和测站i的接收机钟差()jiIt为该历元卫星j的电离层延迟误差()jiTt为该历元卫星j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()jit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jiN为该卫星的相位观测值模糊度伪距：载波：GNSScenter,WuhanUniversity3GNSS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GNSScenter,WuhanUniversityGNSS定位的基本原理绝对定位GNSScenter,WuhanUniversityGNSS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GNSScenter,WuhanUniversityGNSS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GNSScenter,WuhanUniversity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：0.1-0.5m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）GNSScenter,WuhanUniversity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（PrecisePointPositioning），简称为（PPP）。GNSScenter,WuhanUniversity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GNSScenter,WuhanUniversity4GNSS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GNSScenter,WuhanUniversity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GNSScenter,WuhanUniversity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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改正后的观测值=原始观测值+模型改正GNSScenter,WuhanUniversity电离层延迟(Ionosphere)电离层地球TEC柱体底面积为1m2GNSScenter,WuhanUniversity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GNSScenter,WuhanUniversity对流层延迟（Troposphere）GNSScenter,WuhanUniversity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GNSScenter,WuhanUniversity多路径误差多路径（Multipath）误差在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。GNSScenter,WuhanUniversity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(MultipathEstimatingDelayLockLoop)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