卫星定位与导航系统
GNSS全球导航卫星系统与GPS全球定位系统对比
GNSS全球导航卫星系统与GPS全球定位系统对比全球导航卫星系统(GNSS)是一组卫星，用于生成坐标、授时和导航数据并将其从太空转发到地球上的连接传感器，这些数据通常嵌入物联网(IoT)设备中。
GNSS已成为全球不可或缺的一部分，主要应用于精准农业、自动驾驶、航海或航空测量以及国防应用。
全球定位系统(GPS)是一个支持全球高精度定位、导航和授时(PNT)测量的卫星，GPS 是GNSS系统的一部分。
GPS与GNSS有什么区别？GPS是组成GNSS的卫星之一。
GNSS由GPS、GLONASS、BDS、GALILEO等许多卫星组成。
定位技术依赖于许多不同的卫星来提供准确可靠的PNT。
正如正方形是矩形的一种，GPS是GNSS的一种。
GNSS是任何使用卫星信号的全球导航系统的总称。
接收器可以使用轨道卫星发送的信号找到您的位置。
GPS的问题是卫星信号很容易被恶劣天气和山脉等其他障碍物阻挡。
GPS接收器只能使用全球定位系统中部分卫星的信号。
GNSS接收器可以使用所有定位卫星的信号，不仅仅是GPS系统中的信号。
这就意味着GNSS的信号比GPS更强，定位数据也更加准确和可靠。
GNSS（全球导航卫星系统）工作原理示意：全球导航卫星系统是如何工作的？每个GNSS系统都包含三个主要组成部分：1.卫星卫星将坐标、授时和导航数据这些信息共享到地球，然后接收器使用该信息。
2.控制部分GNSS系统在赤道周围建有基站来控制、监视、跟踪卫星并与卫星通信。
3.用户部分用户通过带有GNSS接收器的手机、汽车、飞机获取信号并精确定位我们的位置。
GNSS的性能指标：精度：衡量实际位置、速度或时间与GNSS测量值相比的真实程度。
精度越高的GNSS 设备性能越强。
刷新率：刷新率越高的GNSS设备得到的数据越准确。
功耗：越来越多的定位设备会对GNSS的功耗上做出要求，所以低功耗也是GNSS性能指标之一。
稳定性：表示GNSS系统不间断运行的能力。
卫星导航及定位系统总结
(无 SA)±20～40 米 (有 SA) ±100 米 2.精密星历（后处理星历）的精度： 可达 1 厘米，只提供给特许用户 3.应对方法：精密定轨(后处理)、 相对定位或差分定位。 卫星时钟误差 GPS 测量定位是测时-测距定位系统， 所以定位精度与时钟误差密切相关。 应对方法 1.模型改正：用导航电文对 卫星钟差进行改正后，各卫星钟时与 GPS 标准时之间的差异(同步误差)可 保持在 20ns 以内。由此引起的等效距 离误差将不超过 6m。2.相对定位或差 分定位：可有效的消除美国 SA 政策引 起的星钟误差。 相对论效应对卫星钟的影响 狭义相对论观点：一个频率为 f0 的振 荡器安装飞行速度为 v 的载体上，由于 载体的运动，对地面观测者来说将产生 频率变化。 广义相对论观点：处于不同等位面的振 荡器，其频率将由于引力位不同而发生 变化。相对论效应的影响并非常数，经 改正后仍有残差，它对 GPS 时的影响最 大可达 70ns，对精密定位仍不可忽略。 狭义相对论＋广义相对论 为消除相对论效应的影响，卫星上时钟 应比地面调慢约 4.5 ×0.001Hz 电离层延迟误差 由于电离层中气体分子受到太阳等天 体的射线的辐射，产生强烈的电离，形 成大量的自由电子和正离子。对卫星信 号产生影响，使信号路径发生弯曲，传 播速度也受影响。 经验模型改正方法：根据以往观测结果 所建立的模型。改正效果：差。 双频改正方法：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。 实测模型改正方法：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 相对定位或差分定位 消除对流层延迟误差的方法 利用对流层误差修正模型加以修正： 存在模型误差和气象元素误差。 利用同步观测值求差： 相对定位或差分定位 多路径误差(直接、间接路径) 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”。 观测上选择合适的测站，避开易产生多 路径的环境。硬件上采用抗多路径误差 的仪器设备。数据处理上采用参数法。 观测误差：一般认为观测的分辨误差约 为信号波长的 1%。 接收机的钟差 定义：GPS 接收机一般采用石英钟，接 收机钟与理想的 GPS 时之间存在的偏 差和漂移。应对方法：1.作为未知数处 理。2.相对定位或差分定位。3.当定位 精度要求较高时，可以采用高精度的外 接频标(即时间标准)。 接收机的位置偏差 定义：接收机天线的相位中心相对测站 中心位置的偏差。应对方法：1.正确的 对中整平。2.采用强制对中装置（变形 监测时） 接收机天线相位中心偏差 接收机天线相位中心变化的改正。应对 方法：1.使用相同类型的天线并进行天 线定向（限于相对定位）2.模型改正。 载波相位观测中的整周跳变
导航系统的原理如何定位和导航
导航系统的原理如何定位和导航导航系统已经成为现代社会中不可或缺的一部分，它通过使用卫星导航系统和其他技术，为用户提供准确的定位和导航服务。
本文将介绍导航系统的原理，包括定位和导航的过程。
一、全球卫星定位系统（GNSS）全球卫星定位系统（GNSS）是现代导航系统的核心，其基本原理是通过接收卫星信号来确定接收器的位置。
这些卫星距离地球几万公里，每个卫星都以固定的速度绕地球运行，同时向地面发射信号。
接收器接收到来自多颗卫星的信号后，通过计算信号传播的时间和接收到的信号强度，可以得出接收器的位置信息。
二、定位过程1. 接收卫星信号：导航系统的接收器通过天线接收卫星发射的信号。
天线需要面向开阔的天空，以确保能够接收到足够的卫星信号。
2. 信号传播时间计算：接收器同时接收到多颗卫星的信号，并测量信号从卫星到接收器的传播时间。
根据传播时间，可以获得接收器与每颗卫星之间的距离。
3. 定位计算：接收器通过与多颗卫星的距离组合，使用三角定位原理计算出自身的位置。
通过测量多颗卫星到接收器之间的距离，交叉计算并确定接收器的位置坐标。
4. 定位误差校正：定位过程中可能存在误差，例如信号传播的延迟以及大气层对信号的影响。
系统会使用校正算法对误差进行修正，以提供更准确的定位结果。
三、导航过程1. 目的地输入：用户在导航系统中输入目的地的地址或坐标。
导航系统将根据这些信息规划最佳的行驶路线。
2. 路线规划：导航系统根据用户输入的目的地和当前位置，利用地图数据和路况信息规划最优路线。
路线规划考虑了交通流量、道路类型、限速等因素，以提供最佳的导航建议。
3. 导航指引：导航系统会在行驶过程中提供语音或图像指引，指示用户在何时、何处转向或行驶。
导航器会根据实时定位信息和路线规划，持续更新导航指引，确保用户沿着正确的路线行驶。
4. 实时路况信息：现代导航系统通常会提供实时交通信息，以帮助用户选择最佳路线。
这些信息通过接收其他车辆或交通设施传输的数据，并与地图数据进行匹配，以提供准确的路况情报。
卫星导航系统的原理
卫星导航系统的原理卫星导航系统是一种利用人造卫星提供定位、导航和时间服务的技术。
它通过将多颗卫星分布在地球轨道上，利用卫星与接收器之间的信号传输，实现对地球上任意位置的定位和导航。
本文将介绍卫星导航系统的原理及其应用。
一、卫星导航系统的组成卫星导航系统主要由卫星、地面控制系统和用户接收器三部分组成。
1. 卫星：卫星是卫星导航系统的核心组成部分。
卫星通过在地球轨道上运行，向地面发送信号，提供定位和导航服务。
目前，全球最主要的卫星导航系统是美国的GPS（全球定位系统），其由约30颗卫星组成。
2. 地面控制系统：地面控制系统负责监控和管理卫星导航系统的运行。
它包括地面测量站、控制中心和数据处理中心等设施。
地面控制系统通过与卫星进行通信，实时监测卫星的状态，并对其进行控制和调整。
3. 用户接收器：用户接收器是卫星导航系统的终端设备，用于接收卫星发出的信号，并进行解码和处理。
用户接收器可以是手机、汽车导航仪、航空器导航设备等。
它通过接收卫星信号，计算出自身的位置和导航信息，并将结果显示给用户。
二、卫星导航系统的工作原理卫星导航系统的工作原理基于三角测量和时间同步的原理。
1. 三角测量原理：卫星导航系统利用三角测量原理确定接收器的位置。
当接收器接收到至少三颗卫星的信号时，它可以通过测量信号的传播时间和卫星的位置信息，计算出自身的位置。
每颗卫星都会向接收器发送包含时间和位置信息的信号，接收器通过测量信号的传播时间来确定自身与卫星之间的距离，然后利用三角测量原理计算出自身的位置。
2. 时间同步原理：卫星导航系统利用时间同步原理确保接收器和卫星之间的通信准确。
卫星导航系统中的每颗卫星都具有高精度的原子钟，它们通过地面控制系统进行时间同步。
接收器接收到卫星发出的信号后，会测量信号的传播时间，并与卫星的发射时间进行比较，从而计算出信号传播的距离。
由于信号传播速度是已知的，接收器可以通过测量时间差来计算出自身与卫星之间的距离。
卫星导航和定位系统原理与技术
卫星导航和定位系统原理与技术随着科技的不断发展和进步，卫星导航和定位系统已经越来越成为人们生活中必不可少的一部分。
无论是普通民众、探险家还是军事人员都离不开卫星导航和定位系统。
那么卫星导航和定位系统到底是什么原理和技术，它们如何发挥作用呢？下面将具体介绍。
一．卫星导航和定位系统原理卫星导航和定位系统原理是基于卫星，通过信号的传输和接受，进行位置的测量和计算，实现导航和定位的目的。
（一）基本构成卫星导航和定位系统主要由四个部分构成，分别是卫星、地面控制站、用户终端和导航信息中心。
卫星负责向地面控制站发送信号，发送的信号中包含了时间和信号的位置信息。
然后，地面控制站接收到信号，再向用户终端发送解码后的信号，用户终端依据接收到的信号，通过计算、筛选、解析等方式，得出自己的位置信息。
在这个过程中，导航信息中心的责任是收集、计算、存储和更新卫星导航和定位系统的各类数据以及确保信息的正确性和完整性。
（二）信号传输基本原理卫星导航和定位系统实现位置计算的基础是信号传输。
信号传输的基本原理是发射方时间和接收方时间差的计算。
卫星定位系统需要同时接收到至少四个卫星信号才能定位，通过接收卫星信号时每颗卫星发射的信号独自的码顺序和位置信息即可计算自己的位置。
卫星定位系统中的信号传输时间戳是卫星发射信号时刻的计数，这是每一枚定位卫星的自身参数之一，微秒（1秒的1/1000）级别的时间戳精度提高了卫星导航的精度。
二．卫星导航和定位系统技术（一）GPS技术全球定位系统（GPS），是一种基于卫星导航和定位系统原理的技术，利用20颗卫星和地面摆放的测量接收机來确定位置。
GPS技术已经广泛应用于汽车导航、探险、科学研究和导弹制导等领域。
（二）GLONASS技术GLONASS（全球卫星导航系统），是由俄罗斯独立设计研发的一种卫星导航和定位系统，包括24颗卫星。
GLONASS技术大大提高了俄罗斯的导航能力，可以替代GPS，其定位精度也很高。
卫星导航系统工作原理
卫星导航系统工作原理卫星导航系统是一种利用人造卫星进行全球定位和导航的技术。
它能够提供精确的时间、位置和速度信息，为航海、航空、军事、交通等领域的应用提供了重要的支持。
在本文中，将详细介绍卫星导航系统的工作原理。
一、全球定位系统（GPS）是最常见和广泛使用的卫星导航系统。
它由一系列地球轨道卫星、地面控制站和用户设备组成。
在工作中，GPS主要包括以下几个步骤：1. 卫星发射：GPS系统中的卫星由美国国防部负责发射和维护。
这些卫星分布在特定的轨道上，以确保全球范围内的覆盖。
2. 卫星测距：用户设备通过接收来自至少4颗卫星的信号，并测量信号的传播时间来确定自身的位置。
这个过程需要同时接收卫星发出的导航信号，并记录每颗卫星的传播时间。
3. 定位计算：用户设备通过对接收到的卫星信号进行计算和处理，确定自身的位置。
利用测距原理，用户设备可以确定自身与各颗卫星之间的距离，然后通过三角定位来计算地理坐标。
4. 位置更新：一旦确定了用户设备的位置，GPS系统将持续不断地更新位置信息，以便用户及时获得最新的导航和定位数据。
二、伽利略导航系统是欧洲空间局研发的卫星导航系统。
与GPS系统类似，伽利略系统也由一系列地球轨道卫星、地面控制站和用户设备组成。
其工作原理也基本相同，不同之处在于伽利略系统采用了更高精度的技术，可以提供更准确的定位和导航服务。
伽利略导航系统的主要特点是系统开放性和独立性。
相比GPS系统需要依赖美国军方控制，伽利略系统的控制权完全掌握在欧洲自身手中，使得欧洲在定位和导航领域有了更大的自主权和可靠性。
三、北斗导航系统是中国自主开发的卫星导航系统。
与GPS和伽利略系统类似，北斗系统也基于一系列地球轨道卫星、地面控制站和用户设备构建，提供定位和导航服务。
北斗系统的工作原理与GPS类似，都是通过测距和定位计算来确定位置。
与GPS和伽利略系统相比，北斗系统有其独特的优势。
首先，北斗系统在全球范围内提供了更广泛的服务覆盖，包括陆地、海洋和航空领域。
如何进行卫星定位与导航
如何进行卫星定位与导航卫星定位与导航是现代社会中不可或缺的技术之一。
无论是日常生活的出行、物流运输的安全、还是军事战略的制定，都离不开卫星定位与导航系统的支持。
本文将探讨如何进行卫星定位与导航，包括定位原理、系统架构、应用领域等方面的内容。
一、定位原理卫星定位与导航的基本原理是利用地球上的多颗卫星发射信号并通过接收器接收这些信号。
根据信号传播的时间差，可以测量出接收器与卫星之间的距离，并通过三角定位方法计算出接收器的位置。
这一原理被广泛应用于全球定位系统（GPS）等卫星导航系统中。
二、系统架构卫星定位与导航系统的架构主要包括卫星部分、地面控制部分和用户终端。
卫星部分由多颗卫星组成，它们按照预定的轨道运行并发射信号。
地面控制部分负责维护和管理卫星，确保它们正常工作。
用户终端接收卫星发射的信号，并进行定位和导航计算，为用户提供位置和导航信息。
三、应用领域卫星定位与导航广泛应用于多个领域。
在日常生活中，我们常用的车载导航和手机定位服务就是基于卫星定位和导航系统的。
它们帮助我们找到目的地、规划行车路线，极大地方便了我们的出行。
在物流运输领域，卫星定位与导航可以提供货物实时定位和追踪功能，增强物流运作的安全性和效率。
此外，卫星定位与导航还在水上、航空、测绘、军事等各个领域发挥着重要作用。
四、技术挑战和发展趋势尽管卫星定位与导航技术已经取得了巨大的进步，但仍然面临着一些技术挑战。
首先是多路径效应，即卫星信号在传播过程中被建筑物和地形等障碍物所反射，导致接收器接收到多个信号，影响定位准确度。
其次是信号遮挡和时延误差，例如在城市高楼建筑密集区域，信号的遮挡会造成定位误差。
此外，随着对定位精度和实时性要求的提高，卫星导航系统需要不断进行升级和改进。
未来卫星定位与导航技术的发展趋势是向千兆定位、高精度、多模式和互联互通方向发展。
千兆定位指的是定位系统的处理速度大幅提升，可以更快速地处理复杂的定位计算。
高精度是指提高定位的精确度，以满足更多的应用需求，如无人驾驶和精准农业等。
卫星定位导航系统原理及应用串讲课件
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GPS卫星信号结构---载波
作用
搭载其它调制信号 测距
L1
19.03c m
测定多普勒频移
L2
类型
24.42c m
目前
L1 – 频率： 154f0 = 1575.43MHz；波长：19.03cm L2 – 频率： 120f0 = 1227.60MHz；波长：24.42cm
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GPS系统的特点
第三，实时定位
利用GPS导航，可以实时地确定运动目 标的三维位置和速度，由此既可保障运动载 体沿预定航线运行，也可实时监测和修正航 行路线，选择最佳航线。
5
美国政府的GPS政策
美国政府在GPS设计中计划提供两种服务: 一种为精密定位服务（PPS），利用P码进行定位，只提
供给本国及其盟国的军方和得到特许的民间用户使用， 估计其定位精度为10m。 另一种为标准定位服务(SPS)，利用C/A码定位，提供给 民间用户使用。由于C/A码作为捕获P码之前的前导码， 是一种粗捕获的明码，因此估计SPS的定位精度约为 400m。
x=F1(B，L) y=F2(B，L) 由于椭球面是一个曲面，我们不可能把它铺展成 一个平面而不产生某种褶皱和破裂，也就是不可 能把整个椭球面或其一部分曲面毫无变形地表示 在一个平面上，因此无论对投影函数F1和F2选得 如何妥当，总是不可避免地产生变形。
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地图投影的分类
按其变形性质分： 等角投影：投影后，地图上任意两相交短线之间的夹角 保持不变。 等面积投影：投影后，地图上面积大小保持正确的比例 关系。 等距投影：投影后，地图上从某一中心点到其它点的距 离保持不变。 方位投影：投影后，地图上表示的任一点到某一中心点 的方位角保持不变。
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7.2 卫星导航技术基础 续1
▪ 坐标系
➢ 与CIO和地极基准点所对应的地球赤道平面称为平 赤道面或协议赤道面，坐标系称为协议地球坐标系 (CTS)
➢ 以瞬时地极对应的地区固定坐标系，称为瞬时地球 坐标系
➢ 目前，由国际时间局(BIH) 所公布的瞬时地极坐标 所对应的坐标基准点就是BIH系统中的协议地极原 点
GM
3 986 005×106 m3/s2
椭球扁率
f
1/298.257 223 563
椭球第一偏心率平方
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e2
0.006 694 379 990 13
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7.2 卫星导航技术基础 续4
▪ 时间体系
➢ 世界时(UT)：以地球自转周期为基准，从午夜起算的英国格 林尼治平太阳时称为世界时
➢ 原子时(ATM)：国际时间局目前以大约100台位于世界各地
间在0～604800 s之间变化。主要作为GPS卫星轨道确定的
精密参考
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7.3 卫星定位的基础原理
▪ 卫星定位的必要条件
➢卫星在坐标系内的精确位置 ➢用户相对于卫星的某种观测值
▪ 定位方法，根据观测值的不同可以分为
➢测距定位 ➢测速定位 ➢测角定位
▪ 观测量包括距离差、距离和、频率、频率差、 相位等
▪ 定位的代数原理
➢ 建立对应于观测量的定位方程
➢ 将方程线型化
➢ 利用数值算法解方程
▪ 由于实际观测量存在误差，因此一般说来观 测量越多，定位结果越准确，即卫星数量越
多，观测值越多，定位结果越准确
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7.4 低轨卫星导航技术
▪ 低轨卫星的特点
➢ 轨道高度低、需要较多卫星才能实现多重覆盖 ➢ 卫星运动速度快，信号有较大的多普勒频移
➢ 1973年开始方案和原理研究 ➢ 1993年7月，24颗GPS卫星部署完成 ➢ 1993年12月8日，美国国防部正式宣布GPS具有初
始运行能力 ➢ 采用基于时间测量确定距离的伪距定位技术 ➢ 标准定位服务SPS提供民用，精密定位服务PPS提
供军用和特许用户
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7.1 卫星定位与导航概述 续2
的原子钟的读数，分别以不同的权值作平均，获得综合的时 间基准
➢ 协调时(UTC)：时间播发中把原子时的秒长和世界时的时刻 结合起来的一种时间 ，秒长严格等于原子时的秒长，采用整
数调秒的方法使协调时与世界时之差保持在0.9s之内
➢ GPS时(GPST)：与国际原子时保持有19s的常数差，并在
GPS标准历元1980年1月6日零时与UTC保持一致。GPS时
▪ 第二代卫星导航系统：GPS
➢ 2001年以前，美国政府对GPS施加了SA和AS政策
➢ SA：选择可用性政策，在GPS的基准频率上施加高 频抖动噪声信号，降低卫星星历数据中轨道参数的 精度
➢ 采用SA时的SPS定位精度约100米左右，取消后定 位精度达14米左右
➢ AS：反电子欺骗政策，其目的是保护P码，限定非 特许用户的使用
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7.2 卫星导航技术基础 续3
▪ 大地水准椭球和基准椭球
实际地球面 大地水准面
大地水准面与实际地球面
WGS-84 基准椭球参数
参数
符号
采用值
长半轴
a
6 378 137 m
地球引力场规格化的二 阶带球函数系数
-484.16685×10-6
地球自转角速度
地球质量与万有引力常 数乘积
ω
7 292 115×10-11 rad/s
▪ 低轨卫星定位系统
➢ 利用信号的多普勒频移实现测速，进而实现双曲线 交汇定位
➢ 典型系统为子午仪系统、搜索救援卫星系统
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7.4 低轨卫星导航技术 续1
▪ 多普勒频移与用户速度
fd
ft
Vr c
ft
V
cos
c
V
γ
Vr
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7.3 卫星定位的基础原理 续1
▪ 定位参量与位置面
➢ 测距定位：球面交汇定位
U用户
l S卫星
➢ 距离差定位：双曲面交汇
l1 S1
U用户 l2 S2
➢ 测速定位
S卫星
α
U用户
卫星速度V
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7.3 卫星定位的基础原理 续2
▪ 定位的几何原理
➢ 球面交汇定位
➢ 双曲面交汇定位
第七章 卫星定位与导航系统
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第七章概要
▪ 卫星定位与导航概述 ▪ 卫星导航技术基础 ▪ 卫星定位的基础原理 ▪ 低轨卫星导航技术 ▪ 双静止卫星导航系统 ▪ GPS导航系统 ▪ 新一代卫星导航系统
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7.1 卫星定位与导航概述
▪ 第一代卫星导航系统：子午仪(Transit)系统
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7.1 卫星定位与导航概述 续3
▪ 其它卫星导航系统
➢ 俄罗斯GLONASS：伪码测距定位 ➢ 区域性导航与定位系统，采用GEO卫星
✓欧洲的LOCSTAR ✓美国的GEOSTAR ✓美国Qualcomm公司的OmniTRACS ✓中国的“北斗一号”
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7.1 卫星定位与导航概述 续4
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7.2 卫星导航技术基础 续2
Hale Waihona Puke ▪ WGS84坐标系➢ 1984年世界大地坐标系，由美国国防部制图局建立 并公布
➢ 是GPS卫星广播星历和精密星历的参考系
➢ 是GPS导航系统中标识被定位用户坐标所采用的坐 标系
➢ 是一个地心固定坐标系，坐标轴方向与BIH1984.0 系统中定义的方向一致，是CTS-84的一个实现，是 目前最高水平的卫星定位与全球大地测量参考系统
➢ 出现于20世纪60年代 ➢ 利用低轨卫星的多普勒频移效应进行定位 ➢ 最初为美国海军提供潜艇提供高精度二维定位服务，
1967年开放为民用 ➢ 系统缺点：卫星数量少、轨道高度低、轨道精度保
持低，使得定位时间间隔长，精度差
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7.1 卫星定位与导航概述 续1
▪ 第二代卫星导航系统：GPS
▪ 卫星定位与导航系统提供的服务 ➢ 定位 ➢ 导航 ➢ 授时 ➢ 通信
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7.2 卫星导航技术基础
▪ 坐标系
➢ 地球坐标系：以地心为原点，地球自转轴为Z轴， 以地球赤道面为基准平面的地心固定坐标系
➢ 极移：地极点在地球表面移动的现象，使得地心固 定坐标系坐标轴的指向发生变化
➢ 国际协议原点CIO：1967年国际天文学联合会和国 际大地测量学协会建议，采用国际上5个纬度服务 站在1900-1905年的平均纬度所确定的平均极地位 置，作为地极的基准点，对应的坐标原点为CIO