1、卫星导航差分与增强系统卫星导航差分与增强系统第一讲第一讲GNSS定位的基本原理定位的基本原理GNSSGNSS卫星定位概述卫星定位概述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 1.1.全球卫星定位系统（全球卫星定位系统（GNSSGNSS）现状和发展趋势）现状和发展趋势GNSS的定义和实际运行的系统的定义和实际运行的系统GNSS的组成的组成GPS, GLONASS, GALILEO, BeiDouGNSSGNSS的定
2、义和实际运行的系统的定义和实际运行的系统n 区域导航系统区域导航系统(2012)(2012)n 全球卫星导航系统全球卫星导航系统(2020)(2020)GNSS系统组成卫星定位系统的三大部分卫星定位系统的三大部分 空间飞行的空间飞行的 GPS 卫星卫星 各种类型的各种类型的 GPS 用户接收机用户接收机 GPS全球定位系统GLONASS全球定位系统 GLONASS1982-2007GLONASS-M2003-2013GLONASS-K2007-2022GLONASS-KM2015-Galileo 系统星座系统星座 伽利略（GALILEO）全球定位系统 GALILEO系统是欧洲自主的、独立的全球
3、多模式卫星系统是欧洲自主的、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，计划将于时它实现完全非军方控制、管理，计划将于2008年完成。年完成。可与美国的可与美国的GPS和俄罗斯的和俄罗斯的GLONASS兼容，但比后两兼容，但比后两者更安全、更准确，者更安全、更准确， GALILEO系统由系统由30颗卫星组成，其中颗卫星组成，其中27颗工作星，颗工作星，3颗颗备份星。卫星分布在备份星。卫星分布在3个中地球轨道（个中地球轨道（MEO）上，轨道）上，轨道高度为高度为23616千米，轨道倾角千米，轨道
4、倾角56度。每个轨道上部署度。每个轨道上部署9颗颗工作星和工作星和1颗备份星。颗备份星。北斗卫星导航系统局域现状及发展计划北斗卫星导航系统局域现状及发展计划北斗卫星导航系统局域现状及发展计划北斗卫星导航系统局域现状及发展计划2 GNSS观测值和基本观测方程观测值和基本观测方程2.1 GNSS观测值的种类观测值的种类 伪距观测值伪距观测值CA,P1,P2（粗码，精码）（粗码，精码） 载波相位观测值载波相位观测值L1,L2,L5 多普勒观测值多普勒观测值D1,D22.2 载波相位测量的基本原理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码伪距和载波相位的基本观测方程GPS测距原理（
5、测距码）测距原理（测距码）利用测距码测定卫地距离利用测距码测定卫地距离dtTutTuTRT)()(1相关系数：2.2 GPS载波相位测量的基本原理（一）SR SR)SR( )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理想情况理想情况实际情况实际情况载波相位观测值载波相位观测值 Int0NN0Fr0N0Int( )iFrit0ti)()()()()(000FrIntNFrIntFriii通常表示为：以后的观测：首次观测：( )( )( )( )( )( )( )jjjjjjiiiiitR tdtct
6、tttItTt( )( )( )( )( )( )( )jjjjjjjiiiiiitNR tdtc t tt tI tT t( )jit为该历元的伪距观测值 ()jiR t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 ( )it t和( )jt t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 ()jiT t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：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
7、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：伪距：载波：载波： 绝对定位绝对定位定位技术 -PPPRTKGNSS定位的发展方向精密单点定位概念及原理精密单点定位概念及原理 利用预报的利用预报的GPS卫星的精密星历或事后的精密星历卫星的精密星历或事后的精密星历作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钟差来替代用户GPS定位观测值方程中的定位观测值方程中的卫星钟差参数卫星钟差参数；用户利用用户利用单台单台GPS双频双码接收机双频双码接收机的观测数据在在数千万的观测数据在在数千万
8、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进行实时动态定位或以厘米厘米级的精度进行较快速的静态定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（位，这一导航定位方法称为精密单点定位（Precise Point Positioning），简称为（），简称为（PPP）。）。 精密单点定位优缺点优点：优点：处理非差伪距和相位观测值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静态和动态定位支持全球定位支持全球定位与坐标框架直接联系与坐标
9、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，降低成本提高效益，降低成本挑战挑战卫星星历和钟差的可用性问题卫星星历和钟差的可用性问题相位模糊度收敛问题相位模糊度收敛问题误差处理问题误差处理问题n 卫星轨道误差n 卫星钟差n 相对论效应n 电离层延迟n 对流层延迟n 多路径效应原理：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
10、的增加而减弱原理：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+模型改正电离层地球TEC柱体底面积为1m2 方法：根据以往观测结果所建立的模型 改正效果：差 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 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
11、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 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”。 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。易发生多路径的环境易发生多路径的环境fANtctcftftfccfiontropionSR)(1；5. 观测值间的线性组合观测值间的线性组合（频率特性）21,LLmnfmfnf（整周未知数特性）21,LLmnN
12、mNnN（波长特性）mnmnfc,两个载波（两个载波（L1、L2）观测值间的线性组合）观测值间的线性组合cmcmffAffffffAtNNNfcffflanewideLLLLLLLlanewideLLlanewidelanewidewide-laneLLlanewideLLlanewide9 .121219.86cm19.86MHz82.34721211221212121几种特殊的组合观测值21121222221212122112212222121221121212222212122.545731.983680LLLionofreeLLLLLLLLLLLLLLLLLionofreeLLLLLL
13、LLLLLffffffffffffffffAtfffffffffff 几种特殊的组合观测值几种特殊的组合观测值6. 整周未知数整周未知数N0的确定的确定N0Fr0N0Int( )iFrit0ti 7. 周跳的探测与修复周跳的探测与修复 冗余观测值法冗余观测值法8 差分差分GNSS技术技术差分差分GPS的基本原理的基本原理误差的空间相关性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。差分差分GPS的基本原理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
14、改正数的类型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 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ABI站间差分：B I-A I)()()(,tttIAIBIBAAI星间差分：A J-A IJJ为参考星)()()(,tttIAJAJIAAI(t )i+1历元间差分：A I(t )-A I(t)i+1iI(t)i)()(),(11iIAiIAiiIAtttt单差单差双差双差三差三差)()()(,tttjAjBjBA)()()(,tttjBAkBAkjBA)()(),(,1,1,ikjBAikjBAiikjBAtttt位置差分位置差分距离差分距离差分距距离离改改正正坐坐标标改改正正
