李玉柏卫星导航与定位概述(第五版)描述
卫星定位技术—GNSS概述(工程测量)
GNSS的基本定位原理
我们先要清楚几个问题！
根据几何与物理基本原理，利用空间分 布的卫星以及卫星与地面点间距离交会 出地面点位置。
R3
R1
R2
GNSS的基本定位原理
GPS定位为什么必须接收至少4颗卫星？
1、考虑到各种误差的影响，为了达到 定位精度要求，至少需要同步观测4颗 以上的卫星。
2 、 GPS 定 位 包 括 确 定 一 个 点 的 三 维 坐 标与实现同步这四个未知参数。
2、根据接收机运动状态的不同
动态定位：至少有一台接收机处于运动状态
GPS定位为什么必须接收至少4颗卫星？
GPS定位采用的方法主要有哪些？
3、根据接收机的数量
单点定位
GPS定位为什么必须接收至少4颗卫星？
GPS定位采用的方法主要有哪些？
3、根据接收机的数量
相对定位
3、未知数：纬度，经度，高程和时间。
GPS系统定位原理图
GPS定位为什么必须接收至少4颗卫星？
GPS定位基本原理图所示，有四颗已知坐标的卫星S1（x1，y1，z1），S2（x2，y2，z2）， S3（x3，y3，z3），S4（x4，y4，z4），以及一个位置坐标的观测点rP（x，y，z）。
由 以 上 四 个 方 程 即 可 解 出 观 测 点 的 坐 标 （ x ， y ， x ） 和 本 地 钟 差 tp ， 其 中 c 为 光 速 299792458m/s，从而得到观测点的位置信息。
多个卫星星座
• GPS • GLONASS • BeiDou • Galileo •…
>100颗卫星
增强系统
• WAAS • EGNOS • MASAS •…
GNSS的基本定位原理
如何使用卫星定位技术实现精确定位
如何使用卫星定位技术实现精确定位引言在现代社会，卫星定位技术已经成为了人们生活中不可或缺的工具。
无论是在导航、交通管理还是气象预报方面，卫星定位技术都发挥着重要作用。
本文将探讨如何使用卫星定位技术实现精确定位，从原理、应用和发展前景等方面进行阐述。
一、卫星定位技术的原理卫星定位技术的原理是利用卫星与接收器之间的距离来计算地理位置。
目前常用的卫星定位系统有全球卫星导航系统（GNSS）和地球轨道卫星导航系统（DORIS）。
GNSS是利用地球上部署的一组卫星和地面接收器之间的测量信息，通过三角测量或多普勒测量来确定接收器的位置。
目前最常见的GNSS系统是美国的全球定位系统（GPS），该系统由多颗卫星组成，向地球传输定位信号。
DORIS则是在低轨道运行的一组卫星系统，通过接收来自地面和卫星的信号来进行精确定位。
DORIS主要用于测量海洋动力学和地球形状等科学研究。
二、卫星定位技术的应用领域1.导航和定位卫星定位技术最直观的应用就是导航和定位。
无论是汽车导航、航空导航还是户外探险，卫星定位系统都可以帮助人们准确抵达目的地。
通过卫星定位，人们可以获得实时的位置信息，并根据导航系统的指引，精确规划行程。
2.交通管理卫星定位技术也广泛应用于交通管理领域。
例如，交通警察可以通过卫星定位技术实时监控车辆的位置，提前发现交通拥堵或违法行为，并及时采取相应的措施。
此外，交通管理部门还可以利用卫星定位信息来规划交通路线，优化交通网络，提升城市交通效率。
3.气象预报卫星定位技术在气象领域的应用也非常广泛。
气象卫星通过卫星定位技术可以实时观测大气温度、湿度、云层移动等气象参数，为气象预报提供重要数据支持。
同时，卫星定位技术还可以辅助进行气象灾害监测和预警，及时发布相关信息，保护人民的生命安全。
三、卫星定位技术的发展前景未来，随着科技的不断进步，卫星定位技术的发展前景十分广阔。
以下是几个可能的发展方向：1.室内定位技术目前，卫星定位技术主要用于室外环境。
第5章卫星定位基本原理
5.3.1 绝对定位原理
复习最小二乘平差
设观测量是L，对应的改正数是V，平差参数是X，之间的线性关系是：
V = AX − L
最小二乘就是要使 V T V = min ，即
∂V T V ∂V = 2V T =VT A = 0 ∂X ∂X
将 V = AX − L 代入上式，得法方程： AT AX − AT L = 0 于是，
)
上式可以进一步写为
[l
j
mj
nj
δX δY j j − 1 = ρ ′ j + δρion + δρtrop − cδt j − ρ 0j δZ δρ
]
2.伪距法绝对定位的解算
对于任一历元ti，由观测站同步观测到四颗卫星，则，j=1，2，3，4，于是， 可以列出四个观测方程，写到一起就是：
相对定位： 相对定位
确定同步跟踪相同的GPS信号的若干台接收机之间的相对位置的方法。可以 消除许多相同或相近的误差（如卫星钟、卫星星历、卫星信号传播误差等），定 位精度较高。但其缺点是外业组织实施较为困难，数据处理更为烦琐。在大地测 量、工程测量、地壳形变监测等精密定位领域内得到广泛的应用。 在绝对定位和相对定位中，又都包含静态定位和动态定位两种方式。为缩短观测 时间，提高作业效率，近年来发展了一些快速定位方法，如准动态相对定位法和 快速静态相对定位法等。
非线性方程，需要线性化，就是把方程左边的式子按台老级数展开，取至一次项 台老级数：
y = f (x )
y = f ( x0 + (x − x 0 ))
y = f (x0 ) +
∂f ∂x
(x − x0 )
0
根据台老级数，可将方程写成：
第8章 卫星导航定位技术 电子科技大学
卫星定位的一般原理
• 卫星定位步骤
– 卫星在某坐标系的坐标 – 用户相对于卫星的位臵 – 计算用户在该坐标系的坐标
• 根据观测量的不同，定位方法可以分为： 测距定位、测速定位、测角定位等
卫星定位的几何原理
• 定位参量与位臵面
定位的原理
• • 几何原理：球面交汇定位、双曲面、圆锥面 交汇定位 代数原理
N
a 1 e sin
2
基准椭球下地理坐标与空间直角坐标的 关系2－直角坐标变换到地理坐标
• 由直角坐标(X, Y, Z ) 变换到地理坐标的逆变换式为：
Y arctan X
Z N H arctan 2 2 2 N (1 e ) H X Y
• 卫星无线电测定业务（RDSS）：用户位臵 由外部系统进行距离测量和位臵计算，再 通过同一个系统通知用户 • 卫星无线电导航业务（RNSS）：用户根据 接收到的卫星无线电导航信号，自主完成 定位和航速及航行参数计算
卫星定位工程与卫星导航工程比较
卫星定位工程(RDSS) 原理 可用卫星星座 服务业务 用户发射响应信号 观测量 卫星载荷复杂性 由用户机以外系统确定 用户位臵，有源 GEO卫星星座 卫星导航工程(RNSS) 用户机自主完成位臵、速 度测定，无源 MEO、 GEO、IGSO卫星 星座
• 地心固定坐标系
地心固定坐标系：以地心 为原点、 Z轴为地球自转 轴并指向北极，XOY平 面与地球赤道面重合， OX轴穿过格林尼治本初 子午线和赤道的交点， OY轴在赤道平面内并与 OX、OZ轴构成右手系
协议地球坐标系
• 概念：地球的极移，极点在地球表面上的位臵 随时间而变化 • 协议地球坐标系
卫星导航(8.12)第4章
x(t ) = ∫ y (t )dt
0
t
频率的相对偏离对于时间的积分可以解释 钟面时差。 为钟面时差。 y(t)和x(t)可以认为是一种随机变化量。 可以认为是一种随机变化量。 和 可以认为是一种随机变化量
绝大部分的振荡器的输出频率不仅具有随机特 而且具有系统漂移， 征，而且具有系统漂移，即：
可见，电离层中影响卫星定位信号的主 要参数就是TEC（积分电子浓度）。 TEC表示无线电波从卫星到接收机传播路 径时，每平方米的电子浓度。定义如下：
TEC = ∫ Nds
L
TEC的值一般为1016，在极限情况下有可 能到1019。
和太阳的活动有很大的关系。
由于电离层形态的复杂性，无论是基于 经验型气候或者是理论气候模型，所有 的电离层模型仅仅是考虑到一小部分由 于太阳活动而引起的误差。
由于自然条件的限制或者其他的人为因素的影 响，卫星导航仍然存在不足，主要表现为两个 方面：
首先定位精度仍然不能满足某些特殊用户的需要； 其次是其完善性。
当然，连续性和可靠性方面也存在不足，特别 是在有完好性要求的条件下，系统的可用性将 更差强人意。 因此，有必要采取措施改善卫星导航系统的上 述性能，称之为卫星导航系统的增强。
2
所有的系统都不可能考虑的尽善尽美，而 且有些小量在具体应用时可以忽略不计的。
在GPS系统中，在给用户进行服务时，用的是二 阶多项式。与刚才的式子相比较可以看出，多 了一项：由相对论效应引起的钟差。
主控站通过地面的监测站的信息拟和多项 式中的校正参数（仍然会有残差），注入 到卫星的导航电文中播发出来，由用户接 收机自行校正。
2、星历误差
第05章 GPS卫星定位基本原理
2 2
( X X ) (Y Y ) (Z Z )
2 3 3 2 3 2
3 2
GPS定位方法及分类
• 依据测距的原理划分： 伪距法定位（测码） 载波相位测量定位（测相） 差分定位 • 依据（接收机）待定点运动状态划分 动态定位——认为接收机相对于地面是运动的 静态定位——认为接收机相对于地面静止不动 • 绝对定位与相对定位： 绝对定位——求测站点相对于地心的坐标；（静态） 相对定位——求测站点相对于某已知点的坐标增量；
电离层对C/A码影响
C/A码 在电离层中以群速Vg 传播 （级数展开）
n g 1 40.28Nf c 2 Vg c(1 40.28 Nf ) ng
2
40.28 其速度与频率有关 tVg dt c R N e dR 2 f 电离层改正的大小主 ion
• C/A码（Coarse/Acquisition Code） 10级 1周期含码元数N：1023； 码率：1.023MHz； 码元宽度tu：0.98us(293.05m)；精度：2.9m 周期：Tu=Ntu=1ms； 粗码/捕获码； 仅被调制在L1上
• P（Y）码（Precise Code） 1周期含码元数：6.19×1012； 码率：10.23MHz； 周期：7天； 码元宽度：0.098us(29.30m)； 精度:0.29m 精码； 被调制在L1和L2上
信号传播时间
ti ti t ti (GPS) t (GPS) ti t
j j j
j
伪距
i cti c(ti (GPS) t (GPS)) c(t ti )
j j j j
c(t j ti )
第五章 卫星导航原理(2011续)
§5.10 GPS定位的误差分析1概述广义上说，精度（accuracy）表示一个量的观测值与其真值接近或一致的程度，常以其相应值——误差（error）予以表示。
对于GPS 卫星导航而言，精度，直观地概括为用GPS信号所测定的载体的在航点位与载体实际点位之差。
对于GPS卫星测地而言，精度是用GPS 信号所测定的地面点位与其实地点位之差。
在GPS卫星导航定位中，不仅存在测量误差，而且存在偏差（bias）。
例如，GPS卫星时钟导致了两个不同的概念。
卫星时钟偏差和卫星时钟误差。
星钟偏差是每一颗GPS卫星的时钟相对于GPS 时间系统的差值。
GPS卫星导航电文提供计算时钟偏差的系数，不能真实代表GPS导航定位测量时的时钟多项式系数，而1ns时间误差相当于30cm的距离误差，因此，星钟误差，是时钟偏差的系数代表性误差的综合影响。
总体说来，消除和削弱卫星导航系统误差有以下几种方法：建立误差的改正模型、求差法、参数法和回避法。
（1）建立误差的改正模型原理：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。
改正后的观测值=原始观测值+模型改正（2）求差法原理：通过观测值间一定方式的相互求差，消去或消弱求差观测值中所包含的相同或相似的误差影响。
适用情况：误差具有较强的空间、时间或其它类型的相关性。
所针对的误差源：对流层延迟、卫星轨道误差限制：空间相关性将随着测站间距离的增加而减弱。
（3）参数法原理：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。
（4）回避法原理：选择合适的观测地点，避开易产生误差的环境；采用特殊的观测方法；采用特殊的硬件设备，消除或减弱误差的影响。
适用情况：对误差产生的条件及原因有所了解；具有特殊的设备。
卫星导航定位算法与程序设计讲义
卫星导航定位算法与程序设计讲义导航定位是指通过卫星导航系统获取位置信息的过程。
在卫星导航系统中，定位算法和程序设计起着至关重要的作用。
本讲义将介绍卫星导航定位算法的基本原理和程序设计的要点。
一、卫星导航定位算法基本原理接收信号：接收器接收到卫星发射的信号，通过测量信号的到达时间来计算接收器与卫星之间的距离。
由于信号传播速度是已知的，所以可以通过测量时间的差异来计算距离。
伪距测量：伪距是指信号从卫星发射到接收器接收到的时间乘以光速。
接收器以测量接收信号的到达时间为基础，通过乘以光速得到信号传播的距离。
位置计算：通过接收到的多颗卫星的伪距测量结果，结合卫星的位置和钟差等信息，使用三角定位或者加权最小二乘法等方法来计算出接收器的位置。
二、卫星导航定位程序设计要点接收信号的处理：接收信号的处理包括信号接收和时间测量两个方面。
在接收信号的过程中，需要考虑信号的衰减和干扰等问题，可以通过信号处理算法来提高信号的质量。
时间测量可以使用硬件设备或者操作系统提供的时间戳功能来实现。
伪距测量的计算：伪距测量的计算需要根据接收到的信号和接收器的时钟同步信息来计算出信号传播的时间，并乘以光速得到伪距。
在计算过程中需要考虑钟差和多径干扰等因素，并使用滤波算法来提高测量的准确性。
位置计算的实现：位置计算的实现可以使用三角定位或者加权最小二乘法等方法。
在使用三角定位时，需要知道至少三颗卫星的位置信息和伪距测量结果。
在使用加权最小二乘法时，可以通过考虑误差权重来提高位置计算的精度。
三、总结卫星导航定位算法和程序设计是卫星导航系统的核心部分。
通过了解卫星导航定位算法的基本原理和程序设计的要点，可以更好地理解和实现卫星导航定位功能。
同时，还可以通过改进算法和程序设计来提高定位的准确性和稳定性。