第8章 全球定位系统的定位技术 全球导导航卫卫星系统统GNSS 8.1 概述 1957年10月，世界上第一颗人造地球卫星发射成功 1958年底，美国开始建立为美国军用舰艇导航服务的“海 军导航卫星系统”(Navy Navigation Satellite System，简称 NNSS)。 NNSS于1964年建成并在美国军方使用。 NNSS共有6颗工作卫星，距离地球表面的平均高度约为 1070km,因运行轨道面均通过地球南北极构成的子午面， 又称为“子午卫星导航系统”. 使用的卫星接收机称多普勒接收机与传统导航、定位方法 比较，使用NNSS导航和定位具有不受气象条件的影响、 自动化程度较高和定位精度高的优点 NNSS缺点：工作卫星少、高度较低，多普勒接收机的观 测时间较长，不能提供连续实时定位和导航服务； 大地测量静态定位，一个测站平均观测时间12天，不能 达到cm级的定位精度 为满足军事和民用部门对连续实时定位和导航的迫切 要求1973年12月，美国国防部开始组织陆海空三军联合研 制新一代军用卫星导航系统，英文全称为“Navigation by Satellite Timing And Ranging/Global Positioning System (NAVSTAR/GPS)”中文意思是“用卫星定时和测距进行导 航/全球定位系统”，简称GPS 从1989年2月14日第一颗工作卫星发射成功，1994年3月28 日共发射了24颗.目前的卫星数已经超过32颗它们均匀分 布在6个相对于赤道的倾角为55的近似圆形轨道上，每个 轨道上有4颗卫星运行，它们距地球表面的平均高度约为 20200km，可保证在地球上任何地点、任何 时刻、在高度15以上的天 空同时能观测到4颗以上卫星 俄罗斯格洛纳斯系统，1976 年开始推进，目前在轨道上 只有6颗卫星可用，不能独 立组网，定位精度30米至 100米，测速精度0.15米/秒 。俄罗斯则计划在2010年全 面恢复LONASS系统 俄罗斯格洛纳斯卫星导航系统(GLONASS)共有31颗卫星 在轨，其中24颗卫星正在运行，3颗卫星即将投入运行 ，2颗卫星处于维护中，1颗卫星正在试验，1颗卫星备 用。至此，俄罗斯格洛纳斯卫星导航系统研发正式完 成。 格洛纳斯卫星导航系统是俄罗斯于上世纪90年代 基于国防目的研制开发的，这套系统用24颗卫星即可 实现全球覆盖。俄军总参谋部2011年10月末承诺，到 2015年格洛纳斯卫星导航系统将赶上美国GPS系统的定 位精度。 3、欧洲的伽利略卫星导航系统 根据欧盟的设想，伽利略计划分4个阶段逐步实施。第一阶 段是系统可行性评估或定义阶段(2000年前结束)；第二阶段 为开发和检测阶段(2001年至2005年)；第三阶段是部署阶段 (2006年至2007年)；第四阶段为商业运行阶段(2008年以后) 。 打造“伽利略系统”将耗资约27亿美元，将30枚人造卫星送上 距离地球表面23000公里的太空轨道。欧盟的一些专家称，“ 伽利略系统”可与美国的GPS和俄罗斯的“全球导航卫星系统” 兼容，“伽利略系统”确定物体的误差范围将在1米之内，此外 ，“伽利略系统”的运作将十分安全、稳定，非常适合安全要 求极高的使用者，如引导飞机安全起降或火车行驶等。 “伽利略”计划的总投资预计为36亿欧元，由分布在3个轨 道上的30颗卫星组成。该系统与GPS类似，可以向全球任何 地点提供精确定位信号。由于“伽利略”系统主要针对民用 市场，因此在设计之初，设计人员就把为民用领域的客户提 供高精度的定位放在了首要位置。与美国的GPS相比，“伽 利略”系统可以为民用客户提供更为精确的定位，其定位精 度可以达到1米，而GPS只能达到10米。 伽利略系统是欧洲设计建设的新一代民用全球卫星 导航系统，由30颗卫星组成，其中27颗为工作卫星，3颗为 备用卫星。2011年10月21号，欧洲阿丽亚娜公司用一枚俄罗 斯运载火箭为伽利略系统发射了首批两颗卫星。 伽利略系统对欧盟具有关键意义，欧盟将从此拥有自己的全 球卫星导航系统，有助于打破美国GPS导航系统的垄断地位 ，从而在全球高科技竞争浪潮中获取有利位置，并为将来建 设欧洲独立防务创造条件。 能在全球范围内，向任意多用 户提供高精度的、全天候的、 连续的、实时的三维测速、三维定位和授时。 对于测绘界的用户而言， GPS已在测绘领域引起了革命性的 变化，目前，范围上数公里至几千公里的控制网或形变监测网，都 将GPS作为首选手段。 n的组成 nGPS由工作卫星、地面监控系统和用户设备三部分组成。 n1、地面监控系统 n地面监控系统包括1个主控站、3个注入站和5个监测站 n主控站位于美国本土科罗拉多斯平士的联合空间执行中心 n3个注入站分别位于大西洋的阿森松群岛、印度洋的狄哥伽 西亚和太平洋的卡瓦加兰3个美军基地 n5个监测站除了位于1个 n主控站和3个注入站以 n外，还在夏威夷设立了 n1个监测站 n(1) 监测站 n完成对GPS卫星信号的连续观测，搜集当地的气象 数据，观测数据经计算机处理后传送到主控站 n(2) 主控站 n协调和管理所有地面监控系统的工作和下列工作： n1) 根据本站和其它监测站的观测数据，推算编制各 卫星的星历、卫星钟差和大气层的修正参数，并将 这些数据传送到注入站 n2) 提供时间基准。各监测站和GPS卫星的原子钟均 应与主控站的原子钟同步，或测量出其间的钟差， 并将这些钟差信息编入导航电文，送到注入站 n3) 调整偏离轨道的卫星，使之沿预定的轨道运行 n4) 启用备用卫星以代替失效的工作卫星 n(3) 注入站 n在主控站的控制下，将主控站推算和编制的卫星星 历、钟差、导航电文和其它控制指令等，注入到相 应卫星的存储系统中，并监测注入信息的正确性 8.2.1、空间星座部分 1、GPS卫星星座 GPS系统的空间部分由21+3颗 卫星组成，均匀分布在6个轨道面 上，地面高度为20200余公里，轨 道倾角为55度，扁心率约为0，周 期约为12小时。 卫星向地面发射两个波段的载 波信号，载波信号频率分别为 1575.442兆 赫兹（L1波段）和 1227.6兆赫兹（L2波段）。 2、GPS卫星及其功能 卫星重774kg,每颗卫星配有4个原子钟，定时精度为10 -1210-13秒 接收并储存由地面监控站发来的导航信息； 接收并执行主控站发出的控制命令； 向用户连续发送导航信息。 3、GPS信号的组成 基准信号：F=10.23MHz 载波L1:f1=1575.42MHz 载波L2:f2=1227.60MHz C/A 码 G=1.023MHz P码 P=10.23MHz D码 D=50Hz 50 比特/秒卫星轨道信息 8.2.2 用户设备 用户设备包括GPS接收机和相应的数据处理软 件 GPS接收机包括接收天线、主机和电源 GPS接收机的任务是捕获卫星信号，跟踪并锁 定卫星信号，对接收到的信号进行处理，测量 出测距信号从卫星传播到接收机天线的时间间 隔，译出卫星广播的导航电文，实时计算接收 机天线的三维坐标、速度和时间。 系统控制部分： 1 个主控站 5 个监控站 空间部分： NAVSTAR (NAVigation Satellite Time and Ranging) 24 颗卫星 20200 Km轨道高度 用户设备部分： 接收卫星信号 GPS系统组成 我们处在以 Ri 为半径的一个球面上,3 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、精度与高程. R1 R2 R3 8.3 GPS卫星定位的基本原理 GPS 原理：单点定位 Xll Vl Xl lll l ll lV V Vll Vlll X lX 距离 = 信号传输时间 光的速度 8.3.1 伪距测量原理 S=t c 伪距 (码观测值) 每一颗卫星大约以 1 毫秒为周期重复 播发它自己所特有的一组信号 DT 接收到来自 卫星的码信号 接收机产生 的码信号 = DT c tj ：接收机收到信号的时间，tw：卫星信发出信号的时间 。 =t c=(tj-tw) c ：接收机至卫星的距离观测值，由于包含有多种误差 ，故称为伪距观测值。 接收机将接收到的信号与它本身产生 的信号相比较 根据信号到达的时间差 (DT)，我们就 可以确定距离的观测值 tj+Vj=Tj tw +Vw=Tw =(Tj-Tw ) c+(Vw - Vj) c+l+ T = + c Vw - c Vj+l+ T Vj ：接收机时钟误差， Vw ：卫星时钟误差。 卫星信号在传播过程中，会产 生两项误差：大气中电离层误 差l和对流层误差 T 。 =(Tj-Vj)-(Tw -Vw) c =(Tj-Tw ) c+(Vw - Vj) c = - c Vw + c Vj+l+ T 伪距测量的基本方程式 19950 Km 50 Km 对流层 电离层 200 Km = - c Vw + c Vj+l+ T = (Xsi-XG)2 +(Ysi-YG)2+(Zsi-ZG)2 式中： XG 、 YG 、 ZG 、 Vj是未知数，故需要观测 4颗卫星建立4个方程才能结算出来。 理论上说，利用 C/A 码进行单点定位精度可 以达到 10 - 30m 8.3.2 载波相位观测值及观测方程 C/A码的波长为：293m，P码的波长为29.3m,相应的测 距精度分别为：3m合0.3m。 载波L1波长为：19cm，载波L2波长为24cm,相应的测距 精度为：2mm。 接收机将接收到的相位与本身产生 的相位相比较 开机时到达接收机的波长的整周数 是不知道的 (称为载波相位初始整周 未知数) 只要您能保持对卫星信号的跟踪， 距离的变化能够通过观测得到 DT 接收到的来自 卫星的相位 接收机生成 的载波 D = c DT + lN 载波相位测量时测定GPS卫星载波信号传送至接收机天线 之间的相位延迟。 GPS接收机将接收到的卫星信号与本机复制的信号进行相位 比对，即可得到相位差。设卫星发射的信号相位为(S)，接 收机接收到的卫星信号的相位为(R) ，则，伪距观测值为 ： =(R)-(S)/2= No+/ 2 No为信号传播相位变化的整周数， 相位变化的尾数。 时刻 (0) 整周未知数 时刻 (0) 的 初始相位观测值 整周未知数 时刻 (1) 时刻 (1) 的 相位观测值 相位观测值方程： = No+int()+/ 2=（ +l+ T ） f/c +f Vw f Vj + No = ( +l+ T ） +c Vw c Vj + No = - c Vw + c Vj+l+ T + No 基线向量基线向量 B A A 8.3.3 载波相位测量的相对定位 流动接收机“B”的点位可以通过相对于给定的参考站 “A”来确定 “A”的坐标是已知的 它们之间进行了GPS 观测 差分定位 消除了卫星与接收机的 时钟误差 使残余的大气延迟误差 降低到最低限度 精度提高到 3mm - 5m 它实际上是在一个测站对两个目标的观测量、两个测站 对一个目标的观测量或一个测站对一个目标的两次观测量之 间进行求差。其目的在于消除公共项，包括公共误差 和公 共参数。从而得到高精度的坐标差观测值。 1、单差法 两个测站对一个卫星目标的 观测量的两次观测量之间进 行求差。 1 = 1 - c Vw+ c V1+l+ T 2 = 2 - c Vw+ c V2+l+ T 21 = 2 - 1 + c（V2 - V1 ） 2、双差法 3、三差法 两个测站对