GNSS及GPS的基本原理与测量应用

2020/3/2,Page1GNSS及GPS的基本原理与测量应用主要内容二三GNSS简介GPS的组成及基本原理GPS的测量应用一一、GNSS的概念GNSS是GlobalNavigationSatelliteSystem的缩写，应译为“全球导航卫星系统”，而不宜译成“全球卫星导航系统”。“全球导航”是相对于陆基区域性导航而言，以此体现卫星导航的优越性。目前很多人将GNSS与GPS等系统并列而论，而GPS厂商却推出GNSS接收机。这就存在一个问题：GNSS究竟是一个单一系统，还是一个综合系统？GNSS从它问世开始，就不是一个单一星座系统，而是一个包括GPS、GLONASS在内的综合星座系统。早在20世纪90年代中期开始，欧盟一直在致力于一个雄心勃勃的民用全球导航卫星系统计划，称之为GlobalNavigationSatelliteSystem。该计划分两步实施：第一步是建立一个综合利用美国的GPS系统和俄罗斯的GLONASS系统的第一代全球导航卫星系统(当时称为GNSS-1，即后来建成的如图所示的EGNOS系统)；第二步是建立一个完全独立于美国的GPS系统和俄罗斯的GLONASS系统之外的第二代全球导航卫星系统，即正在建设中的Galileo卫星导航定位系统。静地卫星定轨观测网国际卫星完好性监测网广域差分观测网空间部分地面监测控制系统导航地面地球站用户一、GNSS北斗GPS伽利略格洛纳斯19731982197819851、GLONASS类似于GPS，是俄罗斯以空间为基础的无线电导航系统；其前身CICADA与子午系统同期，于1965年设计，有12颗卫星；20世纪70年代中期前苏联军方启动GLONASS计划1982年10月12日发射第一颗GLONASS卫星1996年1月18日，完成24颗卫星的布局，卫星具备完全工作能力由于经济原因，现在天空上的GLONASS卫星仅为8颗。GLONASSGPS/GLONASS系统参数比较GPSGLONASS卫星星座21+321+3轨道平面6个轨道面3个轨道面轨道倾角55。64.8。轨道高度20,200km19,123km运行周期11小时58分钟11小时15分钟星历数据轨道开普勒根数地心直角坐标卫星寻址CDMA（码分多址）不同的卫星采用不同的PRN码加以区分FDMA（频分多址）（L1）1602+k?/16MHz（L2）1246+k?/16MHz载波频率L1：1575.42MHzL2：1227.6MHz1602.5625MHz~1615.5MHz1246.4375MHz~1256.5MHz基准坐标系WGS-84PZ-90测距码伪随机噪声码伪随机噪声码码元数1023bit511bit码周期1ms1ms码频率1.023MHz0.511MHz时间基准GPS时统，与UTC保持一定的差值，无跳秒GLONASS时统，经常调整与UTC保持一致，有跳秒导航电文37500bits，持续750秒7500bits，持续150秒2、Galileo背景：GLONASS在轨卫星缺失，GPS独霸市场GLONASS、GPS均由军方控制欧盟：要建立国际民间控制的或欧盟自己的民用导航系统特点：共享的独立于GPS的无增强条件下的适于海陆空的系统。参股共建，收费。阶段：（一）2000年前，可行性评估或定义（二）2001~2005，开发和检测（三）2006~2007，部署（四）2008，商业运行欧盟为何重视伽利略计划•首先，打破美国在这方面的垄断地位，为欧盟赢得可观的市场份额。权威部门预计：伽利略计划将为欧盟创造１５万个高技术含量的就业岗位；每年经济收益有１００亿欧元之多；仅出售航空和航海终端设备一项就可在２００８年至２０２０年将获得１５０亿欧元收入•第二，欧盟开发此项目可为欧盟现在极力提倡的欧洲共同安全防御政策服务。•第三，欧盟认为，没有科技上的领先地位，欧盟在将来许多事务中就没有主导权。Galileo计划的历程•主要面临的困难：投资巨大：“伽利略系统”高达36亿欧元的造价美国政府的极力反对：美国的干扰在一定程度上推迟了“伽利略”计划的通过•各国的态度:美国：美国说“伽利略”是个很坏的计划法国：对美国的垄断感到不满德国、荷兰、英国：经济Galileo计划概况•伽利略计划的资金预计为32亿到36亿欧元•系统由30颗高轨道卫星组成，分布在轨道高度为2.4万千米、倾角为56度的3个轨道面上。•基础设施包括天基和地基两部分。•卫星将为用户提供精确的时间和误差不超过一米的全球精确定位服务，与美国GPS和俄罗斯的GLONASS争夺市场。Galileo系统的特性相比GPS和GLONASS，Galileo系统起点较高，吸收了很多GPS和GLONASS的经验，具有很多优点。从设计目标来看，Galileo系统的定位精度优于GPS。如果说GPS只能找到街道，Galileo系统则可找到车库门。Galileo系统为地面用户提供3种信号：免费使用的信号、加密且需交费使用的信号、加密且能满足更高要求的信号。其精度依次提高，最高精度比GPS高10倍。免费使用的信号精度预计为10米。Galileo系统的主要特点是多频率、多服务、多用户。它除了具有定位导航功能外，还具有全球搜寻救援功能。为此每颗Galileo卫星还装备一种援救收发器，接收来自遇险用户的求援信号，并将它转发给地面救援协调中心，后者组织对遇险用户的援救。与此同时，Galileo系统还向遇险用户发送援救安排通报，以便遇险用户等待救援。Galileo系统的另一个优势在于：它能够与GPS、GLONASS实现多系统内的相互兼容。Galileo接收机可以采集各个系统的数据或者通过各个系统数据的组合来进行定位导航。Galileo系统提供的服务Galileo系统提供两种类型的服务，即免费服务和有偿服务。具体分为六类：公开服务（OpenService）：该服务免费提供给全球用户。商业服务（CommercialService）：这种服务主要提供公开服务中额外的服务，比如在公开服务中添加加密的数据，通过Galileo系统和无线通讯网络的结合实现航空通信等。生命安全服务（Safe-of-LifeService）：这种服务一般只用于交通运输、船只入港、铁路运输管制和航空管制等。公共规范服务（PublicRegularService）：这种服务只提供给欧盟成员国。提供与欧洲密切相关的军事、工业和经济服务，比如：国家安全、紧急救援、治安、警戒以及紧急的能源、交通和通讯等。地区性组织提供的导航定位服务（NavigationServicestobeprovidedbyLocalcomponents）：这种加强的导航定位服务根据用户的特殊要求，通过区域性增强系统向用户提供。该服务可以提供更精确的定位和授时服务。搜寻与救援服务（SearchandRescueService）3、北斗系统•目的：快速定位、实时导航，简短通讯，精密授时•由两颗地球同步轨道卫星组成星座，卫星结构简单北斗卫星导航系统三步走战略：第一步，1994年启动北斗卫星导航试验系统建设，2000年形成区域有源服务能力；第二步，建设北斗卫星导航系统，2012年左右形成覆盖亚太大部分地区的服务能力。第三步，2020年左右，北斗卫星导航系统形成全球覆盖能力。P.S：“北斗”卫星导航试验系统（也称“双星定位导航系统”），工程代号：“北斗一号”2000年以来，中国成功发射了4颗“北斗导航试验卫星”，建成“北斗一号”。这个系统具备在中国及其周边地区范围内的定位、授时、报文和GPS广域差分功能，并在测绘、电信、水利、交通运输、渔业、勘探、森林防火和国家安全等诸多领域发挥重要作用。2012年12月27日，北斗系统空间信号接口控制文件正式版正式公布，北斗导航业务正式对亚太地区提供无源定位、导航、授时服务。集团用户解决方案地面数据处理中心可以：•利用北斗用户的实时运行轨迹和相关地图对动态用户进行导航和交通管制•遥测北斗用户接收机的工作状态，报警用户收发机的故障，识别用户身份，控制用户使用•响应并回复集团用户对下属用户的定位审查二、GPS的组成及基本原理GPS系统组成地面控制部分：中心控制系统实现时间同步跟踪卫星进行定轨空间部分：提供星历和时间信息发射伪距和载表信号提供其它辅助信息用户设备部分：接收卫星信号记录处理数据GPS系统组成——空间部分24颗卫星（21+3）6个轨道平面55º轨道倾角20200km轨道高度（地面高度）11小时58分轨道周期5个多小时出现在地平线以上每天提前4分钟出现在地球上任何地方可以同时观测到4-11颗高度角15以上的卫星。GPS系统组成——地面控制部分Coloradosprings55HawaiiAscencionDiegoGarciakwajalein1个主控站:Coloradosprings(科罗拉多.斯平士)。3个注入站:Ascencion(阿森松群岛)、DiegoGarcia(迭哥伽西亚)、kwajalein(卡瓦加兰)。5个监控站：以上主控站、注入站及Hawaii(夏威夷)。GPS系统组成——地面控制部分主控站:它的作用是根据各监控站对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。3个注入站: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。5个监控站：接收卫星信号，监测卫星的接收卫星信号，监测卫星的工作状态，传送到主控站。GPS系统组成——用户设备部分按照原理、用途、功能来分类用途载波频率工作原理导航型接收机测地型接收机平方型接收机混合型接收机干涉型接收机单频接收机双频接收机通道种类多通道接收机序贯通道接收机GPS系统组成——用户设备部分手持导航型GPS机，精度5-15mGPS系统组成——用户设备部分测量型GPS接收机，最高精度1mm+1ppm天线天线主机箱记录簿主机电源电台GPS基本原理——测距XllVlXllVl距离=信号传输时间x光的速度GPS定位误差分类与GPS卫星有关的误差与传播途径有关的误差与GPS接收机有关的误差卫星星历误差卫星钟差SA干扰误差电离层折射对流层折射多路径效应接收机钟差接收机的位置误差接收机天线相位中心偏差GPS基本原理——二维三边测量法北京西安广州武汉GPS基本原理——三维三边测量法我们处在以RI为半径的一个球面上R12个球面相交得出一条曲线R23个球面相交于一个点3个距离观测值可以解算出一个点的纬度、经度与高程R3GPS基本原理——定位过程空间距离的量测为定位的基本1参数改正5观测卫星至地面点位的距离2利用接收卫星星历资料决定点位位置43观测4颗以上卫星才能解算点位的空间距离GPS基本原理——定位•卫星充当“轨道控制站”•测量与时间相关的每一颗卫星的伪随机码•通常情况下，GPS接收机采用廉价的时钟。它们的精度远远低于卫星的机载时钟•无线电波以光速传播(距离=速度x时间)•时钟误差与测距精度的关系：•1/10秒时钟误差=30,000Km测距误差•1/1,000,000秒时钟误差=300m测距误差三、GPS的测量应用单点定位相对定位VRS技术GPS的测量应用——单点定位单独一个观测站接受信号进行定位。从原理上类似于后方交会进行点的定位。•采用虚拟距离观测量•精度较差，仅能消除接收机时钟误差GPS的测量应用——单点定位精度理论上说，利用C/A码进行单点定位精度可以达到10-30m在SA条件下进行单点定位：•平面位置的精度为+/-100m•高程的精度则为+/-160m单点定位的应用自然资源调查城市规划环境调查GPS的测量应用——相对定位确定同步跟踪相同的GPS卫星信号的若干台接收机之间的相对位置的定位方法。•至少一台接收机置于已知坐标点上，称为主站，置于未知点上的称为待测站或移动站。•精度较高GPS的测量应用——静态相对定位方法：利用两套及以上的GPS接收机，分别安置在每条基线的端点上，同步观