1、GNSS基础知识简介 赵新峰集思事业部华东分公司GPS定位技术概述英文全称是 NAVigation Satellite Timing And Ranging Global Position System（导航星测时与测距全球定位系统），简称 GPS，有时也被称作NAVSTAR GPS。美国国防部负责开发空基全天侯导航定位系统用以满足军方在地面或近地空间内获取目标或载体的位置、速度和时间信息的要求同时也可为民间用户提供类似但受限的免费服务GPS的组成部分GPS系统由三部分组成1、空间部分（Space Segment）2、地面控制部分（Ground Segment）3、用户设备部分（User Se
2、gment）空间部分：提供星历和时间信息发射伪距和载波信号提供其它辅助信息用户部分：接收并测定卫星信号记录原始数据得到导航定位信息地面控制部分：解算中心控制参数实现时间同步跟踪卫星并进行定规GPS的组成部分GPS的系统组成：空间部分 GPS卫星星座卫星星座 设计星座：21+3 21颗正式的工作卫星+3颗活动的备用卫星 6个轨道面，平均轨道高度20200km，轨道倾角55，周期11h 58min（顾及地球自转，地球-卫星的几何关系每天提前4min重复一次）保证在每天24小时的任何时刻，在高度角15以上，能够同时观测到4颗以上卫星GPS的系统组成：地面控制部分GPS的地面控制部分的地面控制部分v组
3、成：组成：主控站（主控站（1 1个）个）监测站（监测站（5 5个）个）注入站（注入站（3 3个）个）v作用：作用：监测和控制卫星运行监测和控制卫星运行编算卫星星历（导航电文）编算卫星星历（导航电文）保持系统时间。保持系统时间。主控站监测站注入站大西洋太平洋印度洋GPS的系统组成：用户部分l 组成组成 GPS信号接收机及辅助设备信号接收机及辅助设备l 作用作用 跟踪、捕获卫星信号跟踪、捕获卫星信号 进行信号处理进行信号处理 测定位置、速度和时间测定位置、速度和时间l GPS信号接收机的构成信号接收机的构成 天线单元天线单元 接收单元接收单元GPS信号 u 载波（载波（Carrier Phase）
4、u 测距码（测距码（Ranging Code）u 导航电文（导航电文（Navigation Message/Data Message）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）GPS信号结构：载波载波载波v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）。v类型类型目前目前L1L1：频率：频率：1575.43MHz1575.43MHz，波长：，波长：19cm19cmL2L2：频率：频率：1227.60MHz1227.60MHz，波长：，波长：24cm24cm现代化后增加现代化后增加L5L5：频率：频率：1176.45MHz1176.45
5、MHz，波长：，波长：26cm26cmGPS信号结构：测距码测距码测距码v属于伪随机噪声码属于伪随机噪声码 PRN码（码（Pseudo Random Noise）v类型（目前）类型（目前）C/AC/A（C1C1）码速：码速：1.023MHz1.023MHz码元长度：码元长度：293m293mP(Y)1P(Y)1、P(Y)2P(Y)2码速：码速：10.23MHz10.23MHz码元长度：码元长度：29.3m29.3mv现代化后增加现代化后增加C2C2M1M1、M2(M2(军用码军用码)GPS信号结构：导航电文导航电文导航电文v码速：码速：50bpsv内容：内容：u 广播星历（导航信息）广播星历（
6、导航信息）u 卫星钟改正卫星钟改正u 历书（概略星历）历书（概略星历）u 电离层信息电离层信息u 卫星健康状况卫星健康状况小知识你知道吗？你知道吗？GPS卫星信号由两万公里以卫星信号由两万公里以500W 传送，传送，到达地面仅剩到达地面仅剩10-13W 除了大家熟知的除了大家熟知的L1、L2、L5外，外，GPS卫卫星还拥有星还拥有L3、L4信号：信号：L3(1381.05 MHz)美国国防部用来探美国国防部用来探测导弹发射、核爆炸以及其他高能量红外测导弹发射、核爆炸以及其他高能量红外线事件。线事件。L4(1841.40 MHz)正被研究提供更多正被研究提供更多的电离层改正。的电离层改正。在同一
7、平面上，通过测量到两个已知点的精确距离，可以精密地确定出平面位置。.PQ我的位置应该在我的位置应该在P点或点或Q点点GPS定位原理如何在三维空间中得到位置坐标？如果能够精确测定出观测者到三个参考点（参考点的坐标已知）的距离D，那么观测者必然处在以这三个参考点为圆心，以观测距离（D1、D2、D3）为半径的三个球体的交点上。也就是说，只要知道三个已知点的坐标，知道一个未知点分别到这三个已知点的距离，就能把这个未知点的位置（即空间坐标）确定下来。这种定位方法称为距离交会法距离交会法GPS定位原理GPS定位原理 理论上，三颗卫星就理论上，三颗卫星就能够确定地面卫星接收机能够确定地面卫星接收机的位置。的
8、位置。三颗卫星在三维空间中三颗卫星在三维空间中其实有两个交点，但一个在其实有两个交点，但一个在太空，一个在大气层内。太空，一个在大气层内。GPS定位是通过GPS 接收机同时接收 4 颗以上的GPS卫星发出的信号来测定接收机在地球上的位置。四颗卫星可以确定一个点坐标。为什么必须是4 颗星才能定位？难道3颗不可以吗？备注：定位原理其实就是距离后方交会，简单地讲，就是天上卫星的位置已知，GPS接收机把它到这些卫星的距离测出来，然后通过距离公式把坐标反算出来，但是具体的实现方式不同类型的GPS都不同，比如有伪距定位和载波相位定位等等。GPS定位原理GPS定位原理解算方程：),(ssszyx),(rrr
9、zyx222)()()(ssrsrsrszzyyxx：卫星位置坐标，已知量：接收机位置坐标，未知数：卫星到接收机的距离，待观测量+：接收机钟差，未知数四个未知四个未知数，至少数，至少需要四组需要四组方程，即方程，即需要四颗需要四颗观测卫星观测卫星伪距测量伪距测距是根据接收到得C/A码和电文内容，通过信号的发射和接收时间差的计算，从而算出卫星和接收机的距离，但由于卫星时钟和接收机存在的钟差，因此计算出来的距离并不是真实的值，所以称为伪距。载波相位测量itjjtjitjijttRjjl t i 是首次观测时刻，其相位为FI(ti)（范围在0-360之间）,Fi(tj)是tj 秒观测的相位值（范围任
10、意），则ti 和tj 之间的距离可以表达为两个相位差与波长的乘积。载波测距原理载波测距原理GPS定位的特点 作业范围：全球地面覆盖，无须通视 作业时间：实时，全天候 成果精度：精度高 劳动强度：自动化程度高 三维坐标：真三维坐标GPS定位模式定位模式绝对定位（单机定位）相对定位（差分定位）定位时接收机天线的运动状态静态定位动态定位获得定位结果的时效事后定位实时定位观测值类型伪距测量载波相位测量绝对定位（单机定位）相对定位（差分定位）v已知：卫星坐标v观测：至少8个距离、相位。v待求：基线AB的(X,Y,Z)、(B,L,H)v精度：伪距1m,相位 1cm甚至mm卫星定位技术的发展定位技术-X目前
11、热点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：0.1-0.5 m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）GPS观测精度分布谱GPS定位平面精度谱定位平面精度谱差分测量（静态）（+1ppm）载波相位RTK导航伪距/载波相位浮动解相位平滑伪距DGPS伪距DGPSPPSSPS（无SA）SPS（有SA）定位方法GPS测量定位的主要误差来源 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 电离层延迟和折射 对流层延迟和折射 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差和变化
12、接收机钟差 接收机内部噪声GPS测量定位的主要误差源测量定位的主要误差源GPS差分技术概述p差分GPS产生的诱因：绝对定位精度不能满足要求nGPS绝对定位的精度受多种误差因素的影响，完全满足某些特殊应用的要求n美国的GPS政策对GPS绝对定位精度的影响（选择可用性SA）p差分GPS（DGPS Differential GPS）n利用设置在坐标已知的点（基准站）上的GPS接收机测定GPS测量定位误差，用以提高在一定范围内其它GPS接收机（流动站）测量定位精度的方法差分GPS的基本原理p误差的空间相关性n以上各类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。p差分GP
13、S的基本原理n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p差分改正数的类型n距离改正数：利用基准站坐标和卫星星历可计算出站星间的计算距离，计算距离减去观测距离即为距离改正数。n位置（坐标）改正数：基准站上的接收机对GPS卫星进行观测，确定出测站的观测坐标，测站的已知坐标与观测坐标之差即为位置的改正数。差分GPS的分类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p根据时效性n实时差分n事后差分p根据观测值类型n伪距差分n载波相位差分p根据差分改正数n位置差分（坐标差分）n距离差分p根据工作原理和差分模型
14、n局域差分（LADGPSLocal Area DGPS）p单基准站差分p多基准站差分n广域差分（WADGPSWide Area DGPS）位置差分和距离差分的特点p距离差分n差分改正计算的数学模型简单n差分数据的数据量少n基准站与流动站要求观测完全相同的一组卫星p位置差分n差分改正计算的数学模型较复杂n差分数据的数据量较多n基准站与流动站不要求观测完全相同的一组卫星主要GPS差分技术主要差分方法-单基准站局域差分基准基准站站数据数据通讯通讯链链流动站流动站（用户）（用户）p结构n基准站（一个）、数据通讯链和用户p数学模型（差分改正数的计算方法）n提供距离改正和距离改正的变率p特点n优点：结构、
15、模型简单n缺点：差分范围小，精度随距基准站距离的增加而下降，可靠性低的变率。为距离改正数为距离改正数；dtdVVtdtdVtVttVii)()(主要差分方法-多基准站局域差分p结构n基准站（多个）、数据通讯链和用户p数学模型（差分改正数的计算方法）n加权平均n偏导数法n最小方差法p特点n优点：差分精度高、可靠性高，差分范围增大n缺点：差分范围仍然有限，模型不完善主要差分方法-广域差分p结构n基准站（多个）、数据通讯链和用户p数学模型（差分改正数的计算方法）n与普通差分不相同p普通差分是考虑的是误差的综合影响p广域差分对各项误差加以分离，建立各自的改正模型n用户根据自身的位置，对观测值进行改正p
16、特点n优点：差分精度高、差分精度与距离无关、差分范围大n缺点：系统结构复杂、建设费用高应用热点p增强型系统n特点p伪卫星技术p卫星通讯技术n类型pLAAS Local Area Augmentation Systemn采用地基伪卫星pWAAS Wide Area Augmentation Systemn采用空基伪卫星n采用通讯卫星发送差分改正数应用热点pVRS Virtual Reference Stationn作业模型类似RTKn原理p利用基准站网计算出用户附近某点（虚拟参考站）各项误差改正，再将它们加到利用虚拟参考站坐标和卫星坐标所计算出的距离之上，得出虚拟参考站上的虚拟观测值，将其发送给
17、用户，进行实时相对定位。n特点p精度和可靠性高p属网络RTKRTK技术RTK类型类型：类型：载波相位差分载波相位差分基准站发送未改正的观测值基准站发送未改正的观测值RTCM SC-104RTCM SC-104数据报文数据报文 1818，1919精度：厘米级精度：厘米级准载波相位差分准载波相位差分基准站发送载波相位改正值基准站发送载波相位改正值RTCM SC-104RTCM SC-104数据报文数据报文 2020，2121精度：分米级精度：分米级RTK系统RTK系统基准站单元，数据链单元，流动站单元RTK系统-基准站基准站基准站要求：双频，具有要求：双频，具有RTK差分基准站数据输出功能，带差分
18、基准站数据输出功能，带有可抑制多路径效应的天线。有可抑制多路径效应的天线。观测值：观测值：P1，P2，L1，L2采样率：根据实际要求，一般要求采样率：根据实际要求，一般要求1S或以上。或以上。输出：自定义格式、输出：自定义格式、RTCM SC104标准格式或标准格式或CMR+。结构：结构：GPS接收机、天线、数据发播设备接收机、天线、数据发播设备RTK系统-流动站流动站流动站要求：双频，具备要求：双频，具备RTK差分功能差分功能观测值：观测值：P1、P2、L1、L2采样率：根据实际要求，一般要求采样率：根据实际要求，一般要求1S或以上。或以上。输入：自定义格式、输入：自定义格式、RTCM SC
19、-104或或CMR组成：天线、接收机、数据接收设备、手簿组成：天线、接收机、数据接收设备、手簿RTK系统-数据链路类型类型UHF/VHF速度一般在速度一般在200200到到4800bps4800bps，非连接，非连接优点：面状广播式，可以同时供多个用户使用，通信接入方优点：面状广播式，可以同时供多个用户使用，通信接入方式透明（式透明（RS-232RS-232接口）接口）缺点：易受干扰，绕射能力差；陆地作用距离有限缺点：易受干扰，绕射能力差；陆地作用距离有限公众网络：公众网络：GSM，CDMA，GPRS速度一般在速度一般在48004800到到150kbps150kbps，面向连接的方式，面向连接的方式优点：可靠性好，距离不受限制优点：可靠性好，距离不受限制缺点：受到公众网络的通信条件影响。缺点：受到公众网络的通信条件影响。谢 谢！
