GNSS原理及应用课件.ppt

1、 GNSS发展与应用 定义定义 发展简史发展简史 系统组成系统组成 信号结构信号结构 美国政府的美国政府的GPSGPS政策政策 GPSGPS接收机接收机第一章 GPS概况和基本原理 GPS的英文全称是Global Positioning System，简称GPS。根据Wooden 1985年所给出的定义：NAVSTAR全球定位系统（GPS）是一个空基全天侯导航系统，它由美国国防部开发，用以满足军方在地面或近地空间内获取在一个通用参照系中的位置、速度和时间信息的要求。1.1 1.1 定义定义1.2 GPS的发展简史的发展简史1973年年12月，美国国防部批准研制月，美国国防部批准研制GPS。19

2、94年，年，GPS卫星部署完毕，系统正式运行。卫星部署完毕，系统正式运行。2019年年1月月25日，美国副总统戈尔宣布，将斥资日，美国副总统戈尔宣布，将斥资40亿美圆，进行亿美圆，进行GPS现代化，将增加第三频率以及更多民用码。现代化，将增加第三频率以及更多民用码。2000年年5月月1日，美国总统克林顿宣布，日，美国总统克林顿宣布，GPS停止实施停止实施SA。2009年年4月月23日，含有第三频率的日，含有第三频率的Block II F卫星发射升空。卫星发射升空。1.3 GPS的系统组成的系统组成 系统组成系统组成GPS的系统组成：由的系统组成：由空间部分空间部分、地面控制部分地面控制部分和和

3、用户设备部分用户设备部分等三部等三部分组成分组成1.3.1 GPS的系统组成的系统组成 空间部分空间部分GPS的空间部分（的空间部分（GPS卫星星座）卫星星座）GPS卫星星座卫星星座设计星座：设计星座：21+3 21颗正式的工作卫星颗正式的工作卫星+3颗活动颗活动的备用卫星的备用卫星 6个轨道面，平均轨道高度个轨道面，平均轨道高度20200km，轨道倾角，轨道倾角55 ，周期，周期11h 58min（顾及地球自转，地球顾及地球自转，地球-卫星的几何关系每天提前卫星的几何关系每天提前4min重重复一次）复一次）保证在保证在24小时，在小时，在高度角高度角15 以以上，能够同时观测到上，能够同时观

4、测到4至至8颗卫星颗卫星当前星座：当前星座：31颗颗1.3.1 GPS的系统组成的系统组成 空间部分（续）空间部分（续）GPS卫星卫星 作用：作用：发送用于导航定位的信号发送用于导航定位的信号 其他特殊用途，如通讯、监测核暴等。其他特殊用途，如通讯、监测核暴等。主要设备：原子钟（主要设备：原子钟（2台铯钟、台铯钟、2台铷钟）、台铷钟）、信号生成与发射装置信号生成与发射装置 类型类型 试验卫星：试验卫星：Block 工作卫星：工作卫星：Block Block Block A Block R Block F（新一代的（新一代的GPS卫星）卫星）1.3.2 GPS的系统组成的系统组成 地面控制部分地

5、面控制部分GPS的地面控制部分（地面监测系统）的地面控制部分（地面监测系统）组成：主控站（组成：主控站（1个）、跟踪站（个）、跟踪站（5个）和注入站（个）和注入站（3个）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。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。1.3.2 GPS的系统组成的系统组成 地面控制部分（续）地面控制部分（续）主控站（主控站（1个）个）作用：作用：收集各检测站的数据，编制导航电文，监控卫星状态；收集各检测站的数据，编制导航电文，监控卫星状态；通过注入站将卫星星历注入卫星，向卫星发送控制指令；通过注入站将卫星星历注入卫星，向卫

6、星发送控制指令；卫星维护与异常情况的处理。卫星维护与异常情况的处理。地点：美国克罗拉多州法尔孔空军基地。地点：美国克罗拉多州法尔孔空军基地。跟踪站（跟踪站（5个）个）作用：接收卫星数据，采集气象信息，并将所收集到的数据传送给主控站。作用：接收卫星数据，采集气象信息，并将所收集到的数据传送给主控站。地点：夏威夷地点：夏威夷注入站（注入站（3个）个）作用：将导航电文注入作用：将导航电文注入GPS卫星。卫星。地点：阿松森群岛（大西洋）、迪戈加西亚（印度洋）和卡瓦加兰（太平地点：阿松森群岛（大西洋）、迪戈加西亚（印度洋）和卡瓦加兰（太平洋）。洋）。1.3.3 GPS的系统组成的系统组成 用户设备部分用

7、户设备部分用户设备部分用户设备部分-GPS信号接收机及相关设备信号接收机及相关设备接收、跟踪、变换和测量接收、跟踪、变换和测量GPS信号的设备信号的设备多数采用石英钟多数采用石英钟1.4 GPS的信号结构的信号结构GPS信号的基本组成部分（信号分量）信号的基本组成部分（信号分量）载波（载波（Carrier Phase）测距码（测距码（Ranging Code）导航电文（导航电文（Navigation Message/Data Message）载波载波作用：搭载其它信号，也可用于测量（测距）。作用：搭载其它信号，也可用于测量（测距）。类型类型目前目前L1：频率：频率：1575.43MHz，波长：

8、，波长：19cmL2：频率：频率：1227.60MHz，波长：，波长：24cm现代化后现代化后增加增加L5：1176.45MHz，波长：，波长：26cm1.5 GPS的信号结构（续）的信号结构（续）测距码测距码伪随机噪声码伪随机噪声码 PRN码码目前目前C/A（C1）码速：码速：1.023MHz码元长度：码元长度：300mP(Y)1、P(Y)2 (精码，没开放精码，没开放)码速：码速：10.23MHz码元长度：码元长度：30m现代化后现代化后 M1、M2（军用码（军用码)导航电文导航电文码速：码速：50bps内容：内容：广播星历（导航信息）广播星历（导航信息）卫星钟改正卫星钟改正历书（概略星历

9、）历书（概略星历）电离层信息电离层信息卫星健康状况卫星健康状况1.6 美国政府的美国政府的GPS政策政策SPS与与PPSSPS 标准定位服务，使用标准定位服务，使用C/A码，民用码，民用PPS 精密定位服务，可使用精密定位服务，可使用P码，军用码，军用SA（已于（已于2000年年5月月1日取消）日取消）Selective Availability 选择可用性：人为降低普通用户的测量精度。选择可用性：人为降低普通用户的测量精度。方法方法技术：轨道加绕（长周期，慢变化）技术：轨道加绕（长周期，慢变化）技术：星钟加绕（高频抖动，短周期，快变化）技术：星钟加绕（高频抖动，短周期，快变化）AS Anti

10、-Spoofing反电子欺骗反电子欺骗 P码加密，码加密，P+W-YGPS现代化现代化提高信号质量提高信号质量在在L2上增加上增加C/A码码增加第三民用频率增加第三民用频率L5增加增加2个军用码：个军用码：M1，M2局部关闭局部关闭1.7 GPS接收机接收机作用作用基本单元基本单元天线单元天线单元接收单元（频率维持通常采用石英钟）接收单元（频率维持通常采用石英钟）信号通道信号通道类型：（多路复用，序惯，多通道）；（码相关通道，平方通道）类型：（多路复用，序惯，多通道）；（码相关通道，平方通道）存储器存储器计算与显控计算与显控电源电源类型类型依用途：大地型（测地型）、导航型与授（守）时型依用途：

11、大地型（测地型）、导航型与授（守）时型依能否接收测距码（伪距码）：有码与无码依能否接收测距码（伪距码）：有码与无码依接收伪距码的种类：依接收伪距码的种类：P码与码与C/A码码依接收不同频率载波的数量：单频与双频依接收不同频率载波的数量：单频与双频GPS接收机的几个重要的物理与几何特性接收机的几个重要的物理与几何特性天线相位中心天线相位中心接收钟差接收钟差接收机信号通道间的延迟接收机信号通道间的延迟基本原则基本原则系统基本描述系统基本描述系统部署系统部署 应用应用第二章第二章 北斗北斗发展概述发展概述开放性开放性自主性自主性兼容性兼容性渐进性渐进性 2.1基本原则基本原则162.12.1基本原则

12、基本原则17u自主性自主性 中国将独立自主地发展和运行北斗卫星导航系统。北斗系统能够独立为全球用户提供服务，尤其是将为亚太地区提供更高质量的服务。2.12.1基本原则基本原则18u兼容性兼容性 北斗系统将致力于实现与其他卫星导航系统的兼容和互操作。2.1基本原则基本原则19u渐进性渐进性 北斗卫星导航系统将依据中国的技术和经济发展实际，遵循循序渐进的模式建设。北斗系统将通过改进系统性能，确保系统建设阶段平稳过渡，为用户提供长期连续的服务。2.22.2系统描述系统描述20系统组成系统组成信号特征信号特征时间系统时间系统坐标系统坐标系统服务和性能服务和性能系统组成系统组成星座星座GEO 卫星卫星M

13、EO 卫星卫星u空间段空间段5颗GEO卫星和30颗Non-GEO卫星21地面段由主控站、上行注入站和监测站组成。系统组成系统组成u地面段地面段22用户段由北斗用户终端以及与其他GNSS兼容的终端组成。北斗系统的用户终端北斗系统的用户终端u用户段用户段系统组成系统组成23u用户段用户段系统组成系统组成24 用户终端研制进展顺利，相关的政策和标准也在研究和制定当中。北斗系统民用信号ICD文件（1.0版本）的技术准备已完成，北斗系统民用信号ICD文件及其更新将逐步在北斗系统政府网站上发布。信号特征信号特征u频段频段 B1:1559.0521591.788MHz B2:1166.221217.37MH

14、z B3:1250.6181286.423MHz25截至截至星座星座信号（实际发射）信号（实际发射）2019年年5GEO+5IGSO+4MEO（区域服务）区域服务）主要是北斗系统第二阶段信号主要是北斗系统第二阶段信号2020年年5GEO+3IGSO+27MEO（全球服务）全球服务）主要是北斗系统第三阶段信号主要是北斗系统第三阶段信号u北斗系统第二阶段信号北斗系统第二阶段信号信号特征信号特征26信号信号中心频点中心频点(MHz)码速率码速率(cps)带宽带宽(MHz)调制方式调制方式服务类型服务类型B1(I)1561.0982.0464.092QPSK开放开放B1(Q)2.046授权授权B2(I

15、)1207.142.04624QPSK开放开放B2(Q)10.23授权授权B31268.5210.2324QPSK授权授权27u北斗系统第三阶段信号北斗系统第三阶段信号信号信号中心频点中心频点(MHz)码速率码速率(cps)数据数据/符号速符号速率率(bps/sps)调制方式调制方式服务类型服务类型B1-CD1575.421.02350/100MBOC(6,1,1/11)开放开放B1-CPNoB1-A2.04650/100BOC（14，2）授权授权NoB2aD1191.79510.2325/50AltBOC(15,10)开放开放B2aPNoB2bD50/100B2bPNoB31268.5210

16、.23500bpsQPSK(10)授权授权B3-AD2.557550/100BOC(15,2.5)授权授权B3-APNo信号特征信号特征部署步骤部署步骤u第一步第一步北斗卫星导航试验系统北斗卫星导航试验系统 北斗第一阶段北斗第一阶段 2000年以来，成功发射3颗GEO卫星，建成北斗卫星导航试验系统。系统能够提供基本的定位、授时和短报文通信服务。2000年年10月月31日日140E2000年年12月月21日日80E2019年年5月月25日日110.5E 作为全球系统，北斗卫星导航系统首先在2019年左右覆盖亚太地区，并将在2020年前覆盖全球。北斗系统第二阶段北斗系统第二阶段 北斗系统第三阶段北

17、斗系统第三阶段2019年左右年左右 2020年前年前部署步骤部署步骤u第二步第二步全球系统全球系统29 2019年4月，北斗卫星导航系统的首颗MEO（COMPASS-M1）卫星成功发射，确保了ITU频率资料，并完成了大量技术试验。COMPASS-M1COMPASS-M1发射发射30COMPASS-G2COMPASS-G2发射发射 2009年4月15日，北斗卫星导航系统的首颗GEO卫星（COMPASS-G2）在西昌卫星发射中心由长征三号丙运载火箭成功发射，验证了GEO导航卫星相关技术。31新的新的GEOGEO卫星发射卫星发射 2019年1月17日，北斗卫星导航系统的第三颗组网卫星在西昌卫星发射中

18、心由长征三号丙运载火箭成功发射，该卫星也是系统的第二颗GEO卫星。32u2019年1月22日，卫星定点于东经160度并开始发射信号。目前，卫星正在进行在轨测试。u截至2019年底，将由长征系列运载火箭陆续发射10余颗卫星。新的新的GEOGEO卫星发射卫星发射第三章第三章 GLONASS/GalileoGLONASS/Galileo发展概况发展概况GLONASS现状与发展现状与发展Galileo现状与发展现状与发展GLONASSGLONASS现状现状现状现状现状现状告 现代化的发展计划现代化的发展计划现代化的发展计划现代化的发展计划表4 GLONASS卫 星 的 发 展 计 划 卫 星 类 型

19、GLONASS GLONASS-M GLONASS-K GLONASS-KM 首 次 发 射 时 间 1982 2003 2009 2015 设 计 废 止 时 间 2007 2013 2022 2035 卫 星 设 计 寿 命(yr)4.5 7 10 民 用 测 距 码 个 数 1 2 3 时 间 精 度(S)3510-13 110-13 重 量(kg)1370 700 2002年 已 开 始 预研 工 作 GLONASS-KMGLONASS-KM卫星工作计划卫星工作计划GalileoGalileo系统建设曲折前进系统建设曲折前进 GPS测量定位的类型测量定位的类型 伪距的测定原理伪距的测定

20、原理 伪距法单点定位伪距法单点定位 载波相位测量载波相位测量第四章第四章 GPS/GNSS定位基础定位基础4.1 概述概述 GPS测量定位的分类测量定位的分类 依定位时的状态依定位时的状态 动态定位动态定位 静态定位静态定位 依定位模式依定位模式 绝对定位（单点定位）绝对定位（单点定位）相对定位相对定位 依定位采用的观测值依定位采用的观测值 伪距测量（伪距法定位）伪距测量（伪距法定位）载波相位测量载波相位测量 依时效依时效 实时定位实时定位 事后定位事后定位4.1 概述（续）概述（续）绝对定位绝对定位4.1 概述（续）概述（续）相对定位相对定位4.2 伪距法测定原理伪距法测定原理 伪距测定：伪

21、距测定：接收机在接收到卫星的信号后，产生结构完全相同的测距码，并通过延时器使其延迟时间，直到两组测距码进行相关处理，相关系数最大方可。则伪距就是光速c与延迟时间的乘积（c*)。4.3 伪距法单点定位伪距法单点定位 特点特点 观测值：观测值：伪距 时间系统：时间系统：采用GPS时间系统（GPS周和GPS秒）。从1980年1月6日子夜零点（UTC）开始的星期数为GPS周，不满一周的为GPS秒。结果：结果：在地固坐标系（WGS-84，ITRF）一般是WGS-84下的坐标 精度：精度：在取消SA后，单点定位的平面精度可达20米左右，高程精度可达40米左右。4.3 伪距法单点定位（续）伪距法单点定位（续

22、）接收机钟改正数。卫星钟改正数；信号接收时的标准时间；信号发射时的标准时间数。信号接收时接收机钟读；信号发射时卫星钟读数真空中的光速；观测距离（伪距）；其中：:)(babaTtbaTbbtaabaabvvvTvtTtctTcttttrr+=+=-=baabTttTabvcvcctTc*-*+-*=-*=)()(ttr对流层延迟改正。电离层延迟改正；其中：:)(tropiontropionabcdrdrdrdrttr+-*=rbaTtvcvc*-*+=rtropiondrdr+观测方程：4.3 伪距法单点定位（伪距法单点定位（续）续）观测方程观测方程vvcvcdZZzdYYyXdXxvcvcZz

23、YyXxiZYXzyxZzYyXxaibaibttropiioniiTsssittropiioniiTsssssssss+-+=-+-+-+-+=-+-+-+-+-=)()()()()()()(:,:,)()()(02122221222drdrrrrrrdrdrrr线性化：观测值，有：顾及前式，对于卫星测站坐标。卫星坐标；其中：观测误差。:v测站近似坐标；:Z,Y,X)Z(z)Y(y)X(x0002120s20s20s0i-+-+-=4.3 伪距法单点定位（续）伪距法单点定位（续）观测方程观测方程fpvv)(xvcdZdYdXx1ZzYyXxb,bbbBBxLT01Tisisisin21b=-

24、=-PLBPBBTT4.3 伪距法单点定位（续）伪距法单点定位（续）观测精度因子观测精度因子(DOP)ACB4.4 载波相位测量载波相位测量 伪距测量的局限性伪距测量的局限性 观测值的精度低观测值的精度低 载波相位载波相位（Carrier Phase）L1、L24.4 载波相位测量载波相位测量 载波相位的测定载波相位的测定 重建载波重建载波 码相关法码相关法 得到的观测值为全波（得到的观测值为全波（full wave）平方法平方法 得到的观测值为半波（得到的观测值为半波（half wave）载波相位观测值载波相位观测值 理想的观测方法：信号接收时刻，卫星端卫星载波信号的相位理想的观测方法：信号

25、接收时刻，卫星端卫星载波信号的相位(S)与接收机端卫星载波信号的相位与接收机端卫星载波信号的相位(R)之差。从而测定出站星之差。从而测定出站星距离距离(r r)，即，即 问题：卫星端卫星载波信号的相位问题：卫星端卫星载波信号的相位(S)不能直接测定。不能直接测定。)(RSRSr-=-=4.4 载波相位测量载波相位测量 载波相位观测值（续）载波相位观测值（续）实际观测方法：信号接收时刻，接收机模拟（复制）的卫星端实际观测方法：信号接收时刻，接收机模拟（复制）的卫星端卫星载波信号的相位卫星载波信号的相位(S)与接收机端卫星载波信号的相位与接收机端卫星载波信号的相位(R)之差，即之差，即 实际观测值

26、：实际观测值：整周跳变（周跳）整周跳变（周跳）Cycle Slip)(RSRSr-=-=不足一整周的部分。整周计数；其中：:)(:)(int)()(intiiiiFrFr+=4.4 载波相位测量载波相位测量 载波相位观测值（续）载波相位观测值（续）相位伪距：相位伪距：整周模糊度（整周未知数）整周模糊度（整周未知数）-Ambiguity 特性：特性：整数整数 若信号不失锁或发生周跳，则保持不变若信号不失锁或发生周跳，则保持不变。模糊度（整周未知数）整周相位伪距；其中:)(00NNrr+=4.4 周跳的探测与修复周跳的探测与修复 周跳产生的原因周跳产生的原因 信号被遮挡信号被遮挡 干扰干扰 接收机

27、运动速度过快接收机运动速度过快 接收机暂时的故障接收机暂时的故障 高次差法高次差法/多项式拟合法多项式拟合法 简单的高次差简单的高次差 星间差分的高次差星间差分的高次差 残差法残差法4.5 整周未知数（整周模糊度）的确定整周未知数（整周模糊度）的确定 伪距法伪距法 多普勒法（消去法）多普勒法（消去法）走走停停法（走走停停法（Stop and Go）参数法（搜索法）参数法（搜索法）经典方法经典方法 快速确定整周未知数的算法快速确定整周未知数的算法 FARA LAMBDA.固定解与浮动解（整数解与实数解）固定解与浮动解（整数解与实数解）导航导航授时授时测量测量第五章第五章 GNSS应用应用5.1

28、5.1 导航应用导航应用-船舶远洋导航船舶远洋导航5.2 5.2 导航应用导航应用-载体定向测姿载体定向测姿5.3 5.3 导航应用导航应用-船舶进港引水船舶进港引水5.4 5.4 导航应用导航应用-地面车辆跟踪和城市智能地面车辆跟踪和城市智能交通管理交通管理5.5 5.5 导航应用导航应用-地面目标跟踪地面目标跟踪5.6 5.6 导航应用导航应用-飞机航路引导和进场降落飞机航路引导和进场降落5.7 5.7 导航应用导航应用-汽车自主导航汽车自主导航5.8 5.8 导航应用导航应用-个人通讯终端自主导航个人通讯终端自主导航5.9 5.9 导航应用导航应用-个人旅游及野外探险个人旅游及野外探险5

29、.10 5.10 导航应用导航应用-动物保护跟踪动物保护跟踪5.11 5.11 导航应用导航应用-航道目标的遥测遥控航道目标的遥测遥控1.1.电力，邮电，通讯电力，邮电，通讯 等网络的时间同步等网络的时间同步2.2.准确时间的授入准确时间的授入3.3.准确频率的授入准确频率的授入5.12 GPS5.12 GPS应用于授时校频应用于授时校频5.13 GPS5.13 GPS测量应用大地测量，控制测量测量应用大地测量，控制测量5.14 GPS5.14 GPS测量应用道路和各种线路放样测量应用道路和各种线路放样5.15 GPS5.15 GPS测量应用水下地形测量测量应用水下地形测量5.16 GPS5.

30、16 GPS测量应用变形监测测量应用变形监测5.17 GPS5.17 GPS测量应用测量应用GISGIS应用应用5.18 GPS5.18 GPS测量应用工程机械控制测量应用工程机械控制5.19 GPS5.19 GPS测量应用精细农业测量应用精细农业5.20 GPS5.20 GPS测量应用测量应用-精密单点定位精密单点定位5.21 GPS5.21 GPS测量应用测量应用-精密单点定位精密单点定位5.22 GPS5.22 GPS测量应用测量应用-精密单点定位精密单点定位5.23 GPS5.23 GPS测量应用测量应用-移动测图移动测图5.24 GPS5.24 GPS测量应用测量应用-直接地理参考直

31、接地理参考5.25 GPS5.25 GPS测量应用测量应用-直接地理参考直接地理参考GPS 基站zSxSSensorIMUGPS 天线zBxByByS5.26 GPS5.26 GPS测量应用测量应用-LIDAR-LIDAR 5.28 GPS5.28 GPS测量应用测量应用-VRS-CORS-Net RTKVRS-CORS-Net RTK第六章第六章 GNSSGNSS产业发展产业发展GNSSGNSS产业发展产业发展87GNSSGNSS产业链产业链88GNSSGNSS产业规模产业规模89 专业市场专业市场 石油与天然气 车队管理 物流管理 气象预报 精密测量 精细农业 渔业与EEZ 车辆控制与机器

32、人 建筑与民用工程 大地测量学 陆地测量与GIS 矿业 时间 环境 空间 生命安全市场生命安全市场 航空 铁路 航海 内陆水运 医疗救护 警察消防 搜索救援 人员保护 交通件事 危品运输 ADAS 大众市场是重点大众市场是重点 个人通信与导航 汽车与摩托车 轻型商务车 个人户外娱乐 其他GNSSGNSS终端产品市场终端产品市场苍穹数码卫星导航终端苍穹数码卫星导航终端产品市场发展策略产品市场发展策略生命安全市场大众市场专业市场 生命安全市场是制高点生命安全市场是制高点 完好性（无误差）标准 法规 连续性 可用性 精度 专业市场是关键专业市场是关键 高精度 可靠性 产品需求专业性 按需定制 大众市场是重点大众市场是重点 低价位 低功耗 小型化 易上手 高性能 兼容性GNSSGNSS终端产品市场终端产品市场消费类民用市场消费类民用市场92消费类民用市场消费类民用市场93行业类专用市场行业类专用市场94GNSSGNSS产业发展前景产业发展前景95GNSSGNSS产业发展前景产业发展前景96谢谢！