基于GNSS广播星历的高轨卫星高精度自主定轨方法与相关技术
一种基于GNSS广播星历的高轨卫星高精度自主定轨方法，可以在没有实时GNSS精密星历支持情况下，仅使用GNSS广播星历和GNSS观测量完成高轨卫星高精度自主定轨。
通过星载增强扩展卡尔曼滤波器(AEKF)完成GNSS观测量和轨道动力学模型的紧耦合，获取轨道动力学模型递推结果短期精度高和GNSS观测量长期不发散的优点；同时，针对广播星历引入的GNSS卫星轨道误差和时钟误差缓慢变化的特性，在滤波过程对其进行联合估计，并从GNSS原始观测量中予以扣除，以削弱其对定轨结果的影响。
使用本技术方法，在GEO轨道可达到优于10m(3D RMS)的自主定轨精度。
权利要求书1.一种基于GNSS广播星历的高轨卫星高精度自主定轨方法，其特征在于包括如下步骤：(1)获取GNSS卫星跟踪列表PRNs，确定与增强状态Xaug相对应的协方差矩阵Paug；其中Xaug＝[δ1,δ2,δ3…δN]N，δ1,δ2,δ3…δN为卫星跟踪列表PRNs中正在跟踪的N颗GNSS卫星由于广播星历误差引入的系统偏差，Paug为N×N维对角矩阵，初始化为对角阵，对角线元素为与N颗GNSS卫星相对应的初始方差值；(2)根据GNSS观测量的噪声水平生成观测噪声矩阵Rk；(3)利用轨道动力学模型，将上一历元滤波估计的卫星位置和速度通过轨道递推，计算得到当前历元的预测值(4)将接收机状态Xrecv和增强状态Xaug一起组成系统状态X＝[Xrecv,Xaug]N+8，采用增强扩展卡尔曼滤波器对所述系统状态进行滤波，得到更新后的卫星位置和速度；其中，rx,ry,rz为GNSS接收机的位置矢量，b为GNSS接收机的钟差，vx,vy,vz为GNSS接收机的速度矢量，为GNSS接收机的钟速。
2.根据权利要求1所述的一种基于GNSS广播星历的高轨卫星高精度自主定轨方法，其特征在于：所述的卫星跟踪列表PRNs中，若有GNSS卫星跟踪状态发生变化导致PRNs发生变化，则对增强状态Xaug及其对应的协方差矩阵Paug进行调整，具体为：若有一颗新的GNSS卫星出现，则将增强状态Xaug增加一维，并将对应于新GNSS卫星的广播星历误差初始化为0，将增强状态的协方差矩阵Paug从N×N 维增加至(N+1)×(N+1)维，并将新加入的行和列初始化；若有一颗GNSS卫星停止跟踪，则将增强状态Xaug减少一维，删除停止跟踪的GNSS卫星的广播星历误差，同时将增强状态的协方差矩阵Paug从N×N维减少至(N-1)×(N-1)维，删除停止跟踪的GNSS卫星的广播星历误差对应的行和列；若跟踪的GNSS卫星保持不变，但有某颗GNSS卫星的广播星历发生了更新，则将增强状态Xaug中对应的元素初始化为0，将增强状态的协方差矩阵Paug中对应的行和列初始化。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于GNSS广播星历的高轨卫星高精度自主定轨方法，其特征在于：所述的Rk矩阵为对角阵，对角元素由GNSS伪距噪声σρ,k和伪速噪声组成，具体表示如下：4.根据权利要求1或2所述的一种基于GNSS广播星历的高轨卫星高精度自主定轨方法，其特征在于：所述的轨道递推方法为龙格-库塔4阶积分法。
5.根据权利要求1或2所述的一种基于GNSS广播星历的高轨卫星高精度自主定轨方法，其特征在于：所述的增强扩展卡尔曼滤波器中，状态量的递推通过轨道力学模型积分得到，系统矩阵通过在状态量处线性化轨道力学模型得到，GNSS原始观测作为观测量，观测矩阵为由GNSS卫星的位置和估计的接收机位置计算得到，系统误差矩阵Qk由轨道动力学模型的精度决定，观测误差矩阵Rk由GNSS观测的噪声水平决定。
6.根据权利要求5所述的一种基于GNSS广播星历的高轨卫星高精度自主定轨方法，其特征在于：所述的增强扩展卡尔曼滤波器中，系统转移矩阵为其中，表示k时刻的状态预测值，表示k-1时刻的状态估计值，f为系统函数，表示在t时刻状态对时间的导数，τs为状态递推的时间间隔，ax,ay,az表示GNSS接收机的加速度，由轨道动力学模型计算得到。
7.根据权利要求5所述的一种基于GNSS广播星历的高轨卫星高精度自主定轨方法，其特征在于：所述的增强扩展卡尔曼滤波器中，观测矩阵HK＝[Hrecv Haug]2N×(N+8)表示第一颗GNSS卫星和接收机间的视线矢量，角标为N的代表第N颗GNSS卫星和接收机间的视线矢量。
8.根据权利要求5所述的一种基于GNSS广播星历的高轨卫星高精度自主定轨方法，其特征在于：所述的增强扩展卡尔曼滤波器中，协方差矩阵P表示为：Precv为接收机状态Xrecv的协方差矩阵。
技术说明书一种基于GNSS广播星历的高轨卫星高精度自主定轨方法技术领域本技术属于卫星导航技术领域，涉及一种基于GNSS广播星历的高轨卫星定轨方法。
背景技术基于星载GNSS接收机的定位与授时技术具有自主性强、定位精度高和体积功耗小等优点，已经被广泛应用于低轨卫星的自主导航与精密定轨任务。
但是，对于高轨任务而言，由于卫星轨道高度高于GNSS卫星，因此只能接收来自于地球另外一边的GNSS信号。
由于主瓣信号大部分被地球遮掩而需要接收旁瓣信号，这种远距离的信号传播方式会引入很大的空间衰减，使得高轨场景下GNSS可用性急剧下降。
极弱信号的捕获和跟踪能够大幅提升GNSS的可用性，但由于在高轨场景下的GNSS观测量噪声大，GNSS卫星的几何分布差，导致导航定位误差较大。
现有的基于GNSS的高轨卫星自主定轨方法，在定轨过程中并未对GNSS广播星历引起的缓变系统误差(GNSS卫星轨道误差和钟差)进行建模估计，而将其作为GNSS测量误差的一部分，并容许其传递至定轨定位结果中去。
在高轨场景下，由于GNSS卫星的几何分布很差，几何因子PDOP的数值大都在十几至几十量级，其与由GNSS广播星历引起的用户测距误差URE相乘后，可造成数十米级的定轨定位误差。
文献《基于高轨航天器的GNSS接收机技术》(《中国空间科学技术》，Vol.37,No.3,Jun.2017)针对高轨道航天器GNSS信号微弱的特点，采用长时间积分处理的梳状滤波方法、差分相干累加比特同步算法和基于动力学模型补偿的扩展卡尔曼滤波自主定轨算法设计GNSS接收机。
文献《GNSS接收机在探月三期中的应用研究》(《飞行器测控学报》，Vol.34,No.2,Apr.,2015)针对低信噪比环境下的高灵敏度接收机系统应用进行设计，采用弱信号捕获算法和弱信号跟踪算法实现-175dBW的灵敏度，最终采用基于轨道动力学模型的卡尔曼滤波方法实现了GNSS自主定轨算法。
上述两篇文献均介绍了针对高轨和月球场景的高灵敏度GNSS接收机，分析了GNSS可用性，并为了提高自主导航的精度，引入了轨道动力学模型和扩展卡尔曼滤波进行了自主定轨。
然而，对于由于GNSS广播星历引入的系统误差，两篇文献皆未提及如何通过在轨处理予以消除或削弱，在其各自的仿真场景设计中，也未明确对此部分真实存在的误差进行模拟。
技术内容本技术解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种基于GNSS广播星历的高轨卫星高精度自主定轨方法，可以实现在没有实时GNSS精密星历支持情况下，仅使用GNSS广播星历和GNSS观测量完成高轨卫星高精度自主定轨。
本技术的主要原理是：通过星载增强扩展卡尔曼滤波器(AEKF)完成GNSS观测量和轨道动力学模型的紧耦合，获取轨道动力学模型递推结果短期精度高和GNSS观测量长期不发散的优点；同时，针对广播星历引入的GNSS卫星轨道误差和时钟误差缓慢变化的特性，在滤波过程对其进行联合估计，并从GNSS原始观测量中予以扣除，以削弱其对定轨结果的影响。
本技术的技术解决方案是：一种基于GNSS广播星历的高轨卫星高精度自主定轨方法，包括如下步骤：(1)获取GNSS卫星跟踪列表PRNs，确定与增强状态Xaug相对应的协方差矩阵Paug；其中Xaug＝[δ1,δ2,δ3…δN]N，δ1,δ2,δ3…δN为卫星跟踪列表PRNs中正在跟踪的N颗GNSS卫星由于广播星历误差引入的系统偏差，Paug为N×N维对角矩阵，初始化为对角阵，对角线元素为与N颗GNSS卫星相对应的初始方差值；(2)根据GNSS观测量的噪声水平生成观测噪声矩阵Rk；(3)利用轨道动力学模型，将上一历元滤波估计的卫星位置和速度通过轨道递推，计算得到当前历元的预测值(4)将接收机状态Xrecv和增强状态Xaug一起组成系统状态X＝[Xrecv,Xaug]N+8，采用增强扩展卡尔曼滤波器对所述系统状态进行滤波，得到更新后的卫星位置和速度；其中，rx,ry,rz为GNSS接收机的位置矢量，b为GNSS接收机的钟差，vx,vy,vz为GNSS接收机的速度矢量，为GNSS接收机的钟速。
所述的卫星跟踪列表PRNs中，若有GNSS卫星跟踪状态发生变化导致PRNs发生变化，则对增强状态Xaug及其对应的协方差矩阵Paug进行调整，具体为：若有一颗新的GNSS卫星出现，则将增强状态Xaug增加一维，并将对应于新GNSS卫星的广播星历误差初始化为0，将增强状态的协方差矩阵Paug从N×N维增加至(N+1)×(N+1)维，并将新加入的行和列初始化；若有一颗GNSS卫星停止跟踪，则将增强状态Xaug减少一维，删除停止跟踪的GNSS卫星的广播星历误差，同时将增强状态的协方差矩阵Paug从N×N维减少至(N-1)×(N-1)维，删除停止跟踪的GNSS卫星的广播星历误差对应的行和列；若跟踪的GNSS卫星保持不变，但有某颗GNSS卫星的广播星历发生了更新，则将增强状态Xaug中对应的元素初始化为0，将增强状态的协方差矩阵Paug中对应的行和列初始化。
所述的Rk矩阵为对角阵，对角元素由GNSS伪距噪声σρ,k和伪速噪声组成，具体表示如下：所述的轨道递推方法为龙格-库塔4阶积分法。
所述的增强扩展卡尔曼滤波器中，状态量的递推通过轨道力学模型积分得到，系统矩阵通过在状态量处线性化轨道力学模型得到，GNSS原始观测作为观测量，观测矩阵为由GNSS卫星的位置和估计的接收机位置计算得到，系统误差矩阵Qk由轨道动力学模型的精度决定，观测误差矩阵Rk由GNSS观测的噪声水平决定。
所述的增强扩展卡尔曼滤波器中，系统转移矩阵为其中，表示k时刻的状态预测值，表示k-1时刻的状态估计值，f为系统函数，表示在t时刻状态对时间的导数，τs为状态递推的时间间隔，ax,ay,az表示GNSS接收机的加速度，由轨道动力学模型计算得到。
所述的增强扩展卡尔曼滤波器中，观测矩阵HK＝[Hrecv Haug]2N×(N+8)表示第一颗GNSS卫星和接收机间的视线矢量，角标为N的代表第N颗GNSS卫星和接收机间的视线矢量。
【CN110058282A】一种基于双频GNSS智能手机的PPP高精度定位方法【专利】
(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910270060.8(22)申请日 2019.04.03(71)申请人 南京航空航天大学地址 210016 江苏省南京市秦淮区御道街29号(72)发明人 康国华 徐伟证 张琪 张文豪 张晗 周宏涛 吴佳奇 刘奇弦 王强 刘宗强 (74)专利代理机构 江苏圣典律师事务所 32237代理人 贺翔(51)Int.Cl.G01S 19/44(2010.01)G01S 19/40(2010.01)(54)发明名称一种基于双频GNSS智能手机的PPP高精度定位方法(57)摘要本发明公开了一种基于双频GNSS智能手机的PPP高精度定位方法，涉及高精度导航技术领域，需要优于10m精度的GNSS卫星定位系统的支持，在双频GNSS智能手机上实现。
本发明通过IGS/iGMAS信息辅助，利用PPP算法在GNSS原始接收数据上实现分米级及以上高精度定位。
手机通过双频GNSS接收机获取GNSS卫星定位系统提供初步的定位结果和原始载波等数据，通过移动互联网接入IGS/iGMAS系统获取GNSS精密轨道、钟差等改正数据，经过手机端运行PPP算法解算出高精度定位结果。
本发明克服了当前智能手机定位精度不高带来的问题，在双频GNSS智能手机逐渐成为趋势的市场形势下，将大幅度提升智能手机的定位精度，为基于位置的服务发展搭建了基础设施，更加适应5G与物联网技术时代的高精度定位需求。
权利要求书1页 说明书6页 附图1页CN 110058282 A 2019.07.26C N 110058282A权 利 要 求 书1/1页CN 110058282 A1.一种基于双频GNSS智能手机的PPP高精度定位方法，其特征在于，包括：双频GNSS智能手机采集双频GNSS观测数据；双频GNSS智能手机实时获取IGS/iGMAS提供的精密改正数；利用双频GNSS观测数据和IGS/iGMAS提供的精密改正数，采用非差模型的精密单点定位算法得到高精度定位。
GNSS原理及应用
一GNSS测量原理及应用（一）、GPS 基本原理GPS 导航系统的基本原理是测量出已知位置的卫星到用户接收机之间的距离,然后综合多颗卫星的数据就可知道接收机的具体位置。
要达到这一目的，卫星的位置可以根据星载时钟所记录的时间在卫星星历中查出。
而用户到卫星的距离则通过记录卫星信号传播到用户所经历的时间，再将其乘以光速得到(由于大气层电离层的干扰，这一距离并不是用户与卫星之间的真实距离,而是伪距（PR）:当GPS 卫星正常工作时，会不断地用1 和0 二进制码元组成的伪随机码(简称伪码）发射导航电文。
GPS 系统使用的伪码一共有两种，码. 分别是民用的C/A 码和军用的PY）C/A码频率1。
023MHz，重复周期一毫秒,码间距1 微秒，相当于300m;P 码频率10.23MHz,重复周期266.4 天，码间距0.1 微秒，相当于30m.而Y 码是在P 码的基础上形成的,保密性能更佳。
导航电文包括卫星星历、工作状况、时钟改正、电离层时延修正、大气折射修正等信息.它是从卫星信号中解调制出来，以50b/s 调制在载频上发射的。
导航电文每个主帧中包含 5 个子帧每帧长6s。
前三帧各10 个字码；每三十秒重复一次,每小时更新一次。
后两帧共15000b。
导航电文中的内容主要有遥测码、转换码、第1、2、3 数据块,其中最重要的则为星历数据。
当用户接受到导航电文时，提取出卫星时间并将其与自己的时钟做对比便可得知卫星与用户的距离，再利用导航电文中的卫星星历数据推算出卫星发射电文时所处位置,用户在WGS-84 大地坐标系中的位置速度等信息便可得知. 可见GPS 导航系统卫星部分的作用就是不断地发射导航电文。
然而，由于用户接受机使用的时钟与卫星星载时钟不可能总是同步，所以除了用户的三维坐标x、y、z 外,还要引进一个Δt 即卫星与接收机之间的时间差作为未知数,然后用4 个方程将这4 个未知数解出来。
所以如果想知道接收机所处的位置，至少要能接收到4 个卫星的信号。
GNSS相关知识ppt课件
GPS卫星信号 > 导航电文 > 遥测字&交接字
定位技术 > 移动定位技术
A-GPS 小区识别码 (Cell-ID) 到达时间差 (Time Difference of Arrival, TDOA) 增强型观测时间差 (Enhanced-Observed Time Difference,
E-OTD) 角度到达时间差 (Arrival of Angle, AOA) 蓝牙定位 WIFI定位
➢ GPS ➢ GLONASS ➢ Galileo ➢ Compass
➢ QZSS ➢ IRNSS
GPS/Glonass/Galileo系统主要参数对比
GPS系统组成及其信号结构
GPS系统组成 > GPS系统描述
整个GPS系统由三个功 能部分组成： ➢ 控制部分 ➢ 太空部分 ➢ 用户部分
GPS系统组成 > GPS系统控制部分
定位技术 > 移动定位技术 > E-OTD
增强型观测时间差 (Enhanced-Observed Time Difference, E-OTD)定位技术：
在无线网络中放置若干位置接收器或参考点作为位置 测量单元LMU，参考点都有一个精确的定时源，当具有 E-OTD功能的手机和LMU接收到3个以上的基站信号时， 每个基站信号到达两者的时间差将被算出来，从而估算出 手机所处的位置。这项定位技术定位精度较高但硬件实现 也复杂。
手机PPP定位能力测试验证
手机PPP定位能力测试验证摘要：智能手机使用差分数据增强定位能力已经成为当前趋势，该文首先详细论述了目前A-GNSS（Assisting - Global Navigation Satellite System）技术定位技术的特点以及存在的缺陷，据此提出一种基于A-GNSS的改进PPP （precise point positioning）定位方案，并给出了手机在开阔环境、城市环境和林区环境中测试验证的结果。
该文方法可将商用发售版手机定位精度修正至亚米级，对城市环境和林区环境下定位精度也有很好的提升效果。
关键词：北斗定位 A-GNSS PPP手机终端要实现高精度定位无非是在原有观测条件下将误差尽可能消除，而消除误差的方式除了提升手机本身的天线性能外，最主要的方式是通过某种通信手段的将某种类型的辅助消息实时地传输给终端，由终端利用辅助消息对自身的误差进行消除[1]。
智能手机使用卫星差分数据增强定位能力已经成为主流趋势，在传统测绘领域比较成熟的RTK （Real Time Kinematic）定位技术已经在少数旗舰型号的手机中落地应用，但是鉴于RTK使用成本等一系列问题，未来在全部机型中大规模应用的可能性较低，因此研究低成本、标准化、可规模推广的高精度定位实现方案就显得很有价值。
精密单点定位技术（Precise Point Positioning，PPP）是采用单台GNSS接收机，利用GNSS提供的精密星历和卫星钟差，基于载波相位观测值可实现毫米至分米级高精度定位[2]。
该文将介绍PPP定位在手机中测试验证的一些情况。
1 手机PPP定位方案隨着5G网络建设逐步推进和终端不断完善，用户对高精度需求日益增长[3]。
不同的业务应用场景在天线性能等硬件方面有一定的局限性，在精度和收敛时间等性能方面有差异化的需求。
中国信息通信研究院北斗导航公共服务平台提供基于A-GNSS的PPP的车道级导航服务，通过移动通信网播发北斗系统的钟差、轨差、电离层模型等信息。
GNSS原理及应用
一GNSS测量原理及应用（一）、GPS 基本原理GPS 导航系统的基本原理是测量出已知位置的卫星到用户接收机之间的距离，然后综合多颗卫星的数据就可知道接收机的具体位置。
要达到这一目的，卫星的位置可以根据星载时钟所记录的时间在卫星星历中查出。
而用户到卫星的距离则通过记录卫星信号传播到用户所经历的时间，再将其乘以光速得到（由于大气层电离层的干扰，这一距离并不是用户与卫星之间的真实距离，而是伪距（PR）：当GPS 卫星正常工作时，会不断地用1 和0 二进制码元组成的伪随机码（简称伪码）发射导航电文。
GPS 系统使用的伪码一共有两种，码。
分别是民用的C/A 码和军用的PY）C/A码频率1.023MHz，重复周期一毫秒，码间距1 微秒，相当于300m；P 码频率10.23MHz，重复周期266.4 天，码间距0.1 微秒，相当于30m。
而Y 码是在P 码的基础上形成的，保密性能更佳。
导航电文包括卫星星历、工作状况、时钟改正、电离层时延修正、大气折射修正等信息。
它是从卫星信号中解调制出来，以50b/s 调制在载频上发射的。
导航电文每个主帧中包含5 个子帧每帧长6s。
前三帧各10 个字码；每三十秒重复一次，每小时更新一次。
后两帧共15000b。
导航电文中的内容主要有遥测码、转换码、第1、2、3 数据块，其中最重要的则为星历数据。
当用户接受到导航电文时，提取出卫星时间并将其与自己的时钟做对比便可得知卫星与用户的距离，再利用导航电文中的卫星星历数据推算出卫星发射电文时所处位置，用户在WGS-84 大地坐标系中的位置速度等信息便可得知。
可见GPS 导航系统卫星部分的作用就是不断地发射导航电文。
然而，由于用户接受机使用的时钟与卫星星载时钟不可能总是同步，所以除了用户的三维坐标x、y、z 外，还要引进一个Δt 即卫星与接收机之间的时间差作为未知数，然后用4 个方程将这4 个未知数解出来。
所以如果想知道接收机所处的位置，至少要能接收到 4 个卫星的信号。
GNSS原理及应用
一GNSS测量原理及应用一、GPS 基本原理GPS 导航系统的基本原理是测量出已知位置的卫星到用户接收机之间的距离;然后综合多颗卫星的数据就可知道接收机的具体位置..要达到这一目的;卫星的位置可以根据星载时钟所记录的时间在卫星星历中查出..而用户到卫星的距离则通过记录卫星信号传播到用户所经历的时间;再将其乘以光速得到由于大气层电离层的干扰;这一距离并不是用户与卫星之间的真实距离;而是伪距PR：当GPS 卫星正常工作时;会不断地用1 和0 二进制码元组成的伪随机码简称伪码发射导航电文.. GPS 系统使用的伪码一共有两种; 码.. 分别是民用的C/A 码和军用的PY C/A码频率1.023MHz;重复周期一毫秒;码间距1 微秒;相当于300m；P 码频率10.23MHz;重复周期266.4 天;码间距0.1 微秒;相当于30m..而Y 码是在P 码的基础上形成的;保密性能更佳..导航电文包括卫星星历、工作状况、时钟改正、电离层时延修正、大气折射修正等信息..它是从卫星信号中解调制出来;以50b/s 调制在载频上发射的..导航电文每个主帧中包含5 个子帧每帧长6s..前三帧各10 个字码；每三十秒重复一次;每小时更新一次..后两帧共15000b..导航电文中的内容主要有遥测码、转换码、第1、2、3 数据块;其中最重要的则为星历数据..当用户接受到导航电文时;提取出卫星时间并将其与自己的时钟做对比便可得知卫星与用户的距离;再利用导航电文中的卫星星历数据推算出卫星发射电文时所处位置;用户在WGS-84 大地坐标系中的位置速度等信息便可得知.. 可见GPS 导航系统卫星部分的作用就是不断地发射导航电文..然而;由于用户接受机使用的时钟与卫星星载时钟不可能总是同步;所以除了用户的三维坐标x、y、z 外;还要引进一个Δt 即卫星与接收机之间的时间差作为未知数;然后用 4 个方程将这 4 个未知数解出来..所以如果想知道接收机所处的位置;至少要能接收到 4 个卫星的信号.. GPS 接收机可接收到可用于授时的准确至纳秒级的时间信息；用于预报未来几个月内卫星所处概略位置的预报星历；用于计算定位时所需卫星坐标的广播星历;精度为几米至几十米各个卫星不同;随时变化；以及GPS 系统信息;如卫星状况等.. GPS 接收机对码的量测就可得到卫星到接收机的距离;由于含有接收机卫星钟的误差及大气传播误差;故称为伪距..对0A 码测得的伪距称为UA 码伪距;精度约为20 米左右;对P 码测得的伪距称为P 码伪距;精度约为 2 米左右.. GPS 接收机对收到的卫星信号;进行解码或采用其它技术;将调制在载波上的信息去掉后;就可以恢复载波..严格而言;载波相位应被称为载波拍频相位;它是收到的受多普勒频移影响的卫星信号载波相位与接收机本机振荡产生信号相位之差..一般在接收机钟确定的历元时刻量测;保持对卫星信号的跟踪;就可记录下相位的变化值;但开始观测时的接收机和卫星振荡器的相位初值是不知道的;起始历元的相位整数也是不知道的;即整周模糊度;只能在数据处理中作为参数解算..相位观测值的精度高至毫米;但前提是解出整周模糊度;因此只有在相对定位、并有一段连续观测值时才能使用相位观测值;而要达到优于米级的定位精度也只能采用相位观测值.. 按定位方式;GPS 定位分为单点定位和相对定位差分定位..单点定位就是根据一台接收机的观测数据来确定接收机位置的方式;它只能采用伪距观测量;可用于车船等的概略导航定位..相对定位差分定位是根据两台以上接收机的观测数据来确定观测点之间的相对位置的方法;它既可采用伪距观测量也可采用相位观测量;大地测量或工程测量均应采用相位观测值进行相对定位.. 在GPS 观测量中包含了卫星和接收机的钟差、大气传播延迟、多路径效应等误差;在定位计算时还要受到卫星广播星历误差的影响;在进行相对定位时大部分公共误差被抵消或削弱;因此定位精度将大大提高;双频接收机可以根据两个频率的观测量抵消大气中电离层误差的主要部分;在精度要求高;接收机间距离较远时大气有明显差别;应选用双频接收机..二、GPS 的组成部分1.空间部分GPS 的空间部分是由24 颗卫星组成21 颗工作卫星；3 颗备用卫星;它位于距地表20200km 的上空;均匀分布在 6 个轨道面上每个轨道面 4 颗;轨道倾角为55°..卫星的分布使得在全球任何地方、任何时间都可观测到 4 颗以上的卫星;并能在卫星中预存导航信息;GPS 的卫星因为大气摩擦等问题；随着时间的推移;导航精度会逐渐降低..2. 地面控制系统地面控制系统由监测站Monitor Station、主控制站Master Monitor Station、地面天线Ground Antenna所组成;主控制站位于美国科罗拉多州春田市ColoradoSpring..地面控制站负责收集由卫星传回之讯息;并计算卫星星历、相对距离;大气校正等数据..3.用户设备部分用户设备部分即GPS 信号接收机..其主要功能是能够捕获到按一定卫星截止角所选择的待测卫星;并跟踪这些卫星的运行..当接收机捕获到跟踪的卫星信号后;就可测量出接收天线至卫星的伪距离和距离的变化率;解调出卫星轨道参数等数据..根据这些数据;接收机中的微处理计算机就可按定位解算方法进行定位计算;计算出用户所在地理位置的经纬度、高度、速度、时间等信息..接收机硬件和机内软件以及GPS 数据的后处理软件包构成完整的GPS 用户设备..GPS 接收机的结构分为天线单元和接收单元两部分..接收机一般采用机内和机外两种直流电源..设置机内电源的目的在于更换外电源时不中断连续观测..在用机外电源时机内电池自动充电..关机后机内电池为RAM 存储器供电;以防止数据丢失..目前各种类型的接受机体积越来越小;重量越来越轻;便于野外观测使用典型接收机专门介绍..三、RTK 原理RTKReal - time kinematic实时动态差分法..这是一种新的常用的GPS 测量方法;以前的静态、快速静态、动态测量都需要事后进行解算才能获得厘米级的精而度; RTK 是能够在野外实时得到厘米级定位精度的测量方法;它采用了载波相位动态实时差分方法;是GPS 应用的重大里程碑;它的出现为工程放样、地形测图;各种控制测量带来了新曙光;极大地提高了外业作业效率.. 高精度的GPS 测量必须采用载波相位观测值;RTK 定位技术就是基于载波相位观测值的实时动态定位技术;它能够实时地提供测站点在指定坐标系中的三维定位结果;并达到厘米级精度..在RTK 作业模式下;基准站通过数据链将其观测值和测站坐标信息一起传送给流动站..流动站不仅通过数据链接收来自基准站的数据;还要采集GPS 观测数据;并在系统内组成差分观测值进行实时处理;同时给出厘米级定位结果;历时不足一秒钟..流动站可处于静止状态;也可处于运动状态；可在固定点上先进行初始化后再进入动态作业;也可在动态条件下直接开机;并在动态环境下完成整周模糊度的搜索求解..在整周末知数解固定后;即可进行每个历元的实时处理;只要能保持四颗以上卫星相位观测值的跟踪和必要的几何图形;则流动站可随时给出厘米级定位结果..四、RTK 技术如何应用及注意事项1．各种控制测量传统的大地测量、工程控制测量采用三角网、导线网方法来施测;不仅费工费时;要求点间通视;而且精度分布不均匀;且在外业不知精度如何;采用常规的GPS静态测量、快速静态、伪动态方法;在外业测设过程中不能实时知道定位精度;如果测设完成后;回到内业处理后发现精度不合要求;还必须返测;而采用RTK 来进行控制测量;能够实时知道定位精度;如果点位精度要求满足了;用户就可以停止观测了;而且知道观测质量如何;这样可以大大提高作业效率..如果把RTK 用于公路控制测量、电子线路控制测量、水利工程控制测量、大地测量、则不仅可以大大减少人力强度、节省费用;而且大大提高工作效率;测一个控制点在几分钟甚至于几秒钟内就可完成2．地形测图过去测地形图时一般首先要在测区建立图根控制点;然后在图根控制点上架上全站仪或经纬仪配合小平板测图;现在发展到外业用全站仪和电子手簿配合地物编码;利用大比例尺测图软件来进行测图;甚至于发展到最近的外业电子平板测图等等;都要求在测站上测四周的地貌等碎部点;这些碎部点都与测站通视;而且一般要求至少2-3 人操作;需要在拼图时一旦精度不合要求还得到外业去返测;现在采用RTK 时;仅需一人背着仪器在要测的地貌碎部点呆上一二秒种;并同时输入特征编码;通过手簿可以实时知道点位精度;把一个区域测完后回到室内;由专业的软件接口就可以输出所要求的地形图;这样用RTK 仅需一人操作;不要求点间通视;大大提高了工作效率;采用RTK 配合电子手簿可以测设各种地形图;如普通测图、铁路线路带状地形图的测设;公路管线地形图的测设;配合测深仪可以用于测水库地形图;航海海洋测图等等..3．放样工程放样是测量一个应用分支;它要求通过一定方法采用一定仪器把人为设计好的点位在实地给标定出来;过去采用常规的放样方法很多;如经纬仪交会放样;全站仪的边角放样等等;一般要放样出一个设计点位时;往往需要来回移动目标;而且要2-3 人操作;同时在放样过程中还要求点间通视情况良好;在生产应用上效率不是很高;有时放样中遇到困难的情况会借助于很多方法才能放样;如果采用RTK 技术放样时;仅需把设计好的点位坐标输入到电子手簿中;背着GPS 接收机;它会提醒你走到要放样点的位置;既迅速又方便;由于GPS 是通过坐标来直接放样的;而且精度很高也很均匀;因而在外业放样中效率会大大提高;且只需一个人操作..二、典型测量型GNSS接收机目前市场上测量型GNSS接收机品牌多、型号多..就几种具有代表性的产品做一下介绍一进口GNSS接收机天宝R8 系列、徕卡GS12、GS15 系列、拓普康HiPer Ga/Gb 系列二国产GNSS接收机◆基准站内置发射电台典型代表南方灵锐S86 系列技术特点：1、一体化工业三防设计全合金外壳;坚固耐冲击;抗2m 自然跌落;防水防尘IP67 级..双电池组设计;无须拆装;主机充电;超长工作时间;提供最可靠的电源保证.. 、UHF 电台、GPRS/CDMA 网络数传模式的强强联手2业内认可;国际水平的UHF 电台数据链核心技术和成熟网络数据传输技术同时兼备;革新技术集成;无缝切换..用户可以根据现场作业环境的不同需要灵活选择..3 先进多路径干扰抑制技术和RTK 解算模型满足超长距离作业新灵锐S86T 采用的主板拥有先进的PAC 与VISION 技术;能够利用信号的特性建模来识别多路径反射影响;配合南方独有的四馈点接收天线、严格的电子屏蔽和特殊的内部构造设计来实现对多路径干扰的抑制..再加上主板采用的长距离解算模型;可以达到超长的作业效果..4、无缝兼容CORS 系统对所有品牌的CORS 系统都可以实现无缝接入;成熟应用..5 即插即用的主机ARM 系统架构主机系统基于32 位处理器的ARM 架构;采用多任务的操作系统;数据处理更快;更安全..即插即用USB 高速下载数据..6、适应GPS 现代化;支持GLONASS当GPS 现代化实现以后;在不需要增加硬件的情况下即可具备跟踪新一代GPS卫星信号的能力..同时;在恶劣的接收环境下;新灵锐S86T 能够结合GLONASS观测数据与GPS 数据来为定位解算提供更多的卫星信息;增强了定位时卫星空间分布的图形结构;提高定位的可靠性..7、基准站内置发射电台不断创新的南方GPS 核心数据链技术;内置基准站发射电台后;仍然能满足典型距离内的测量作业;使得基准站摆脱沉重电瓶和线缆并实现全无线作业..8、两个国内领先新灵锐S86T 是国内同类产品中第一款采用四馈点双频双星天线的GPS 接收机之一;可有效防止多路径效应..拥有更强的接收信号能力..此外;它随身标配内置的蓝牙是国内第一家通过EMC蓝牙组织认证产品;蓝牙连接更加稳定..9、机身液晶显示128×64 分辨率;2 英寸液晶显示..用户可通过显示屏灵活进行仪器设置和观察仪器运行情况..10、强大的RTK 操作软件系统得益于南方软件在业界的巨大优势;南方RTK 软件系统在保持强功能、人性化、多样化的同时不断细化软件功能;针对不同行业的测量应用量身订制专业测绘软件.. 、、“工程之星”“电力之星”“测图之星”“导航之星”;星星闪耀..◆GPS北斗双星GNSS接收机典型代表南方灵锐S82c ★“北斗compassGPS”双频RTK;因为北斗卫星在中国的稳定覆盖;比单GPS 定位性能更为优越★内置网络通讯模块;可使用网络RTK 作业模式;更为灵巧方便★4G 存储并支持扩展;高速USB 数据传输★专业的工业级控制手薄;标配工程之星专业测量软件;并可选配多种有行业针对性的测量软件★国产自主卫星导航系统;高强度加密设计;安全、可靠、稳定★时间可用性和空间可用性更强;型号强度更强。
gnss课件整理
---------------------------------------------------------------最新资料推荐------------------------------------------------------gnss课件整理第一章定位：定位是在一个特定的坐标系中确定一个目标的空间位置的一门技术。
目标可以是相对静止的，也可以是运动的。
定位与某个特定的时间和坐标相关联。
能够实现定位的装置就是定位系统。
导航：引导载体（飞机、船舶、车辆、航天器等）或者个人，沿着所选定的路线安全、准时地到达目的地的一门技术。
通信：信息的传递卫星通信：利用人造地球卫星作为中继站转发无线电波，在两个或多个用户之间进行的通信特点：覆盖区大,通信距离远,三颗同步卫星可覆盖全球频带宽,容量大机动性好,不受地理条件限制通信可靠性高,质量好,稳定费用与距离无关有多址能力,组网灵活可实现区域及全球个人移动通信卫星导航：利用人造地球卫星为参照物及其发射或转发的无线电波来实现定位、导航与授时。
四种导航系统：1 / 18无线电、天文、惯性、卫星。
（比较见第九章） GNSS 全球导航卫星系统：具有全球导航定位能力的系统， GPS， GLONASS， GALILEO，COMPSASS 区域卫星导航系统：准天顶卫星系统 QZSS，印度区域导航卫星系统 IRNSS GPS：码分多址； 6 个轨道面； WGS-84 坐标系统； UTC 时间系统；星座：21+3；两种服务--- 标准定位服务---精密定位服务GLONASS：频分多址；三个轨道面； PZ-90 坐标系统； UTC（Russia）时间；星座：21+3；两种服务-----标准精密导航信号（SP） ---高精密导航信号（HP）。
GALILEO：码分多址；三个轨道面；大地参考框架(GTRF)； GST 时间；星座：27+3；五种服务-------公开服务 (OS) ---生命安全服务(SoLS) ---商业服务 (CS) ---公共特许服务 (PRS) ---搜救 (SAR) 服务卫星通信发展趋势：同步通信卫星向大容量，多波束，智能化发展低轨卫星群与蜂窝技术相结合，实现全球个人通信小型卫星通信地面站(VSAT)广泛应用电视直播(DVB)和数字声广播(DAB)步入家庭和个人用户---------------------------------------------------------------最新资料推荐------------------------------------------------------ 多媒体通信和因特网接入微小卫星和纳卫星讨论：1. 什么是卫星导航？什么是卫星通信？简述各种 GNSS 的特点? 谈谈 GPS 的应用前景? GPS 有哪些应用盲点？ GPS 的脆弱性？2.3.4.5.6. 第二章 GPS 的基本任务：用户在空间的位置（Positioning）；用户的行动导航（Navigation）；用户的时间（Timing） GPS 定位的基本原理：GPS 接收机的位置是通过测量卫星的位置和卫星与接收机间的距离来实现的。
GNSS培训理论篇
网络RTK的优势
RTK技术优点 1作业效率高。 在一般的地形地势下，高质量的RTK 设站一次即可测完10km半径的测区，大大减少了传统 测量所需的控制点数量和测量仪器的“搬站”次数，仅 需一人操作，在一般的电磁波环境下几秒钟即得一点坐 标，作业速度快，劳动强度低，节省了外业费用，提高 了劳动效率。 2定位精度高，数据安全可靠，没有误差积累。只要 满足RTK的基本工作条件，在一定的作业半径范围内 （一般为10km），RTK的平面精度和高程精度都能达 到厘米级。
GPS卫星
发射天线
差分信号
基准站
移动站
2. 传统RTK的工作原理
传统RTK以及仪器操作
差分的数据类型有伪距差分、坐标差分（位置差分）和载波相位差分三 类。前两类定位误差的相关性，会随基准站与流动站的空间距离的增加而 迅速降低。故RTK采用第三类方法
RTK的观测模型为：
c d dt N dtrop d d
1. GNSS的现状及未来
GNSS理论部分
美国的GPS：
GPS是英文Global Positioning System或NAVigation Satellite Timing And Ranging Global Position System的缩写，即全球定位系统，是一个全球 性、全天候、全天时、高精度的导航定位和时间传递系统。由24颗工作卫星和 4颗备用卫星组成，分布在6个等间距的轨道平面上。采用码分多址体制，每颗 卫星的信号频率和调制方式相同，不同卫星的信号靠不同的伪码区分，现有30 多颗卫星。 GPS自1973年开始设计、研制，历时20年，于1993年全部建成，GPS系统由 空间部分、地面控制部分和用户部分所组成。
GNSS原理及应用PPT课件
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新的GEO卫星发射
2010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 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。
武汉大学
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新的GEO卫星发射
2010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。
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1.3 GPS的系统组成— 系统组成
▪ GPS的系统组成：由空间部分、地面控制部分和用户设备部分等三部分 组成
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1.3.1 GPS的系统组成— 空间部分
▪ GPS的空间部分（GPS卫星星座）
•GPS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24小时，在高度角15以 上，能够同时观测到4至8颗卫星
1207.14 1268.52
码速率 (cps)
2.046 2.046 2.046 10.23 10.23
带宽 (MHz) 4.092
24 24
调制方式 QPSK QPSK QPSK
服务类型
开放 授权 开放 授权 授权
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信号特征
北斗系统第三阶段信号
信号
B1-CD B1-CP
B1-A
B2aD B2aP B2bD B2bP B3 B3-AD B3-AP
GNSS发展与应用
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第一章 GPS概况和基本原理
▪ 定义 ▪ 发展简史 ▪ 系统组成 ▪ 信号结构 ▪ 美国政府的GPS政策 ▪ GPS接收机
GNSS测量原理及应用
GNSＳ测量原理及应用一、ＧＮSS测量原理(以GPS为代表）(一）、GPS基本原理GＰS导航系统旳基本原理是测量出已知位置旳卫星到顾客接受机之间旳距离,然后综合多颗卫星旳数据就可懂得接受机旳具体位置。
要达到这一目旳,卫星旳位置可以根据星载时钟所记录旳时间在卫星星历中查出。
而顾客到卫星旳距离则通过记录卫星信号传播到顾客所经历旳时间,再将其乘以光速得到(由于大气层电离层旳干扰,这一距离并不是顾客与卫星之间旳真实距离，而是伪距(PR）:当GPS卫星正常工作时,会不断地用1和0二进制码元构成旳伪随机码(简称伪码）发射导航电文。
GＰS系统使用旳伪码一共有两种,分别是民用旳C/A码和军用旳P(Y)码。
C／A码频率1.02３MHz，反复周期一毫秒,码间距1微秒,相称于３00m；P码频率10.23ＭHz，反复周期266.４天,码间距0.1微秒,相称于30ｍ。
而Y码是在P码旳基础上形成旳,保密性能更佳。
导航电文涉及卫星星历、工作状况、时钟改正、电离层时延修正、大气折射修正等信息。
它是从卫星信号中解调制出来,以5０ｂ／s调制在载频上发射旳。
导航电文每个主帧中涉及5个子帧每帧长６s。
前三帧各10个字码；每三十秒反复一次，每小时更新一次。
后两帧共1５000b。
导航电文中旳内容重要有遥测码、转换码、第1、2、３数据块,其中最重要旳则为星历数据。
当顾客接受到导航电文时,提取出卫星时间并将其与自己旳时钟做对比便可得知卫星与顾客旳距离，再运用导航电文中旳卫星星历数据推算出卫星发射电文时所处位置，顾客在WＧS-8４大地坐标系中旳位置速度等信息便可得知。
可见GPS导航系统卫星部分旳作用就是不断地发射导航电文。
然而，由于顾客接受机使用旳时钟与卫星星载时钟不也许总是同步，因此除了顾客旳三维坐标ｘ、y、z外,还要引进一种Δt即卫星与接受机之间旳时间差作为未知数,然后用4个方程将这4个未知数解出来。
因此如果想懂得接受机所处旳位置，至少要能接受到４个卫星旳信号。