GNSS测量技术与应用：GNSS测量定位方法详解

GNSS测量技术与应用：GNSS测量定位方法详解

项目二 GNSS测量定位方法

任务2.1 GNSS定位原理与方法

GNSS定位原理

GNSS定位的原理是：利用空间分布的卫星（已知点）以及卫星到接收机测得的距离（观测值），按空间距离交会的方法计算出接收机的位置（待定点）。

GNSS卫星定位的实质是把卫星视为“动态”的控制点，在已知其瞬时坐标的条件下，以GNSS卫星和用户接收机天线之间的距离（或距离差）为观测量，进行空间距离后方交会，从而确定用户接收机天线所处的位置。

GNSS定位至少需要观测4颗卫星。存在接收机钟误差，将其作为独立的未知数：

• 观测瞬间卫星的位置
• 观测瞬间测站点与卫星之间的距离

GNSS定位需解决的两个关键问题：

• 导航天文中的卫星星历
• 卫星信号传播时间

GNSS定位方法

根据参考点的不同位置分类：

• 绝对定位：以地球质心为参考点，测定接收机天线（即待定点）在协议地球坐标系中的绝对位置。简单，但定位精度较低。适用于低精度测量领域，如船只、飞机的导航、海洋捕鱼、地质调查等。
• 相对定位：如果选择地面某个固定点为参考点，确定接收机天线相位中心相对参考点的位置。精度较高，是精密定位的基本模式。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。

根据接收机天线的状态分类：

• 静态定位：在定位过程中，用户接收机天线处于静止状态，严格地说，接收机天线相对其周围的固定点天线位置没有可察觉的变化，或者变化非常缓慢，以致在观测期内察觉不出而可以忽略。是精度最高的作业模式。主要用于大地测量、控制测量、变形测量、工程测量。精度可达到（5mm+1ppm）
• 动态定位：在定位过程中，用户接收机天线处在运动状态，待定点位置随着时间变化。适用于精度要求不高的碎部测量，也可用于确定车辆、船舰、飞机和航天器的实时位置。精度可达到（10～20mm+1ppm）。

根据GNSS信号的不同观测量分类：

• 卫星射电干涉测量：利用GPS卫星射电信号具有白噪声的特性，由两个测站同时观测一颗GPS卫星，通过测量这颗卫星的射电信号到达两个测站的时间差，可以求得测站间距离。
• 多普勒定位法：根据多普勒效应原理，利用GNSS卫星较高的射电频率，由积分多普勒计数得出伪距差。
• 载波相位测量：将载波作为量测信号，对载波进行相位测量可以达到很高的精度。通过测量载波的相位而求得接收机到GNSS卫星的距离。
• 伪距测量法：是利用GNSS进行导航定位的最基本的方法。其原理是：在某一瞬间，利用GNSS接收机同时测定至少4颗卫星的伪距，根据已知的卫星位置和伪距观测值，采用距离交会法求出接收机的三维坐标和时钟改正数。

任务2.2 伪距测量原理

测距码及其特性

测距码是用于测定从卫星到地面测站（接收机）间距离的一种二进制码序列。GNSS卫星中所采用的测距码从性质上讲属于伪随机噪声码。根据性质和用途不同，GPS测距码可分为粗码（C/A码）和精码（P码）。

测码伪距测量原理

测码伪距测量的原理：

如何判断两组信号是否对齐？答：根据这两组信号的相关系数R是否为1来加以判断的。两组信号对齐时R=1，两组信号未对齐时R＜1。

接收机接收到测距码后，通过不断延迟时间τ，最终可与自身复制的码对齐（R=1）。理论值实际值（两组信号完全对齐）（所有码总体上对得最齐）原因①卫星钟和接收机钟存在误差，引起两组信号的码宽度与理论值并不完全相同；②卫星信号在长距离传播过程中可能产生变形。

R复制码测距码

测码伪距测量的观测方程

伪距测量的观测方程为：

设第i颗卫星观测瞬间在空间的位置为（xi，yi，zi），接收机观测瞬间在空间的位置为（X，Y，Z），则真实的站星距离为：

顾及上述误差后，可得：

测码伪距测量特点

• 测距码的独特结构：易于捕获微弱的卫星信号
• 所有码分别测距取平均：可提高测距精度
• 特定的伪随机噪声码：便于用码分多址技术对卫星信号进行识别和处理
• 公开公开或加密码结构：标准定位服务SPS精密定位服务PPSC/A码
• P(Y)码密：04便于对系统进行控制和管理

任务2.3 载波相位测量概论

为什么采用载波相位测量？

在进行载波相位测量之前，首先要进行解调工作，设法将调制在载波上的测距码和导航电文去掉，重新获取载波，这一工作称为重建载波。

方法：将所接收到的调制信号（卫星信号）与接收机产生的复制码相乘。

优点：可同时提取测距信号和导航电文，可获得全波长的载波，信号质量好（信噪比高）。

缺点：必须知道测距码的结构。

平方法码相关法方法：将所接收到的调制信号（卫星信号）自乘。

优点：无需了解码的结构。

缺点：无法获得测距码和导航电文，所获载波波长为原来波长的一半，信号质量较差（信噪比低）。

载波相位测量原理：

将测距码和数据码调制到载波上由卫星发射机将调制信号发出接收机解调出纯净的载波信号接收机产生基准信号载波信号和基准信号求相位差

载波相位测量的观测值是GNSS接收机所接收到的卫星载波信号与接收机本振参考信号的相位差。

载波相位测量原理：

完整的载波相位通常表示为：

0i0i整周模糊度整周计数

载波相位测量的观测方程：

载波相位测量的基本观测方程：

载波相位测量的基本观测方程线性化：

任务2.4 GNSS差分定位

差分GNSS概述

绝对定位GNSS定位测量

相对定位静态定位动态定位根据参考点的不同位置分类根据接收机天线的状态分类动态相对定位差分定位

美国的GPS政策对GPS绝对定位精度的影响。SA关闭前后GPS绝对定位精度的变化差分GNSS差分GNSS产生的诱因绝对定位的精度受多种误差因素的影响，难以满足某些应用领域的要求。

差分GNSS是利用安置在已知精确坐标的基准站上的GNSS接收机，测定GNSS测量定位误差，再将差分改正信息实时或事后发送给流动站（用户），用以提高在一定范围内流动站定位精度的方法。

什么是差分GNSS？

基准站差分改正信息电台流动站

为什么差分GNSS能提高精度？

差分GNSS分类：

根据用户进行数据处理的时间不同（时效性），可分为实时差分和事后差分。

根据工作原理及数学模型分类：单基站差分GNSS广域差分GNSS差分GNSS多基站局域差分GNSS

根据基准站发送的信息方式分类：差分GNSS伪距差分位置差分载波相位差分应用最广泛计算最简单精度最高

伪距差分原理

伪距差分是将一台接收机安置在基准站上进行观测，根据基准站已知精密坐标，计算出基准站到卫星的距离改正信息，并由基准站将此改正信息发送给用户，用户利用接收到的改正数对其伪距观测值进行改正，进而利用改正后的伪距进行单点定位。

基准站数据通讯链流动站（用户）距离改正数

相距不太远的两个测站同时观测相同卫星，两测站观测值中的误差存在时空相关性；在一定时间内，同一卫星相邻历元观测量中的误差及影响大体相同。

影响绝对定位精度的主要误差有哪些？

多路径效应卫星星历误差卫星钟钟差大气延迟误差

基准站(i)流动站(k)电台发射

基准站(i)流动站(k)电台发射

基准站(i)流动站(k)电台发射

3.流动站根据接收到的改正信息来改正同步观测的相应伪距观测量；接收

流动站伪距观测值

基准站(i)流动站(k)电台发射

4.流动站根据经过差分改正的伪距进行单点定位，可以得到精度较高的用户位置。

接收单点定位improved

伪距差分特点

缺点：

公共误差抵消的程度决定了定位精度的高低。随着基准站与流动站的距离增加，差分精度降低

基准站、流动站无需观测完全相同的卫星

伪距改正数无需变换为当地坐标，定位精度高且使用方便。

可选星，改善空间几何分布，提高精度

伪距差分是目前应用最广泛的差分定位技术之一。

载波相位差分定位

根据基准站发送的信息方式，差分GNSS可分为：

差分GNSS伪距差分位置差分载波相位差分应用最广泛计算最简单精度最高

载波相位差分定位的概念

载波相位观测差分定位模式

载波相位差分