一、卫星导航定位系统基础(1)

1.GNSS定位原理简介

4个主流GNSS系统

1.GPS系统是美国国防部研制的一种新的军用卫星全球定位导航系统,该系统是以卫星为基础的无线电导航定位系统。
2.GLONASS是俄罗斯部署的卫星导航系统,于1996正常运行。
3.Galileo系统是由欧盟进行建立,由30颗卫星组成,完全从民用出发,建立一个最高精度的全开放型的新一代GNSS系统。
4.BDS是中国独立自主建设的全球卫星导航系统,于2020年6月全部部署完成,后期之秀。

GNSS 基本组成

空中卫星:接收从地面监控部分发射的卫星位置等信息,执行从地面监控部分发射的控制指令,进行部分必要的数据处理,向地面发送导航信息,以及通过推进器调整自身的运行姿态。
地面监控系统:1.全天候的跟踪监控天空中的卫星,2.编算每一个卫星的导航电文。3.收集数据4.注入电文5.诊断状态6.调度卫星。
用户接收机:接收卫星实时位置信息(通过导航电文获取),接收机对这些信号进行处理来实现定位导航功能。

GNSS导航电文(D码):

卫星广播星历、卫星时钟改正参数、电离层改正参数、卫星状态信息、由C/A码捕获P码的Z跟踪计数。
其中卫星广播星历由系统的地面控制系统求得并注入卫星。它由17个参数组成(6个轨道根数、9个摄动改正参数和2个时间参考参数)。可以用来计算任意指定时刻该卫星在地心坐标系统中三维坐标。

GNSS两种基本定位原理

1.伪距定位法:测量测距码信号到达接收机的伪距(由于各种干扰,非几何距离),即伪距测量。(5-10m)
2.载波相位测量定位:测量卫星载波信号与接收机的参考信号之间的相位差,即载波相位测量。(2-3mm)

应用领域

导航:对陆海空天实时导航。
授时:一些实时嵌入式
定位:测绘,大地测量。

2.GPS由来和系统构成

GPS来由

GPS(Global Positioning System)是在美国子午卫星导航系统(NNSS)基础上建立起来的新一代导航卫星定位系统。
无线电定位系统->NNSS->GPS

GPS系统组成

美国国防部在总结了NNSS的优劣之后,1973年12月批准研制新一代的卫星导航系统----导航卫星定时测距全球定位系统(Navigation Satellite Timing And Ranging Global Positioning System),即GPS系统,于1978年2月22号发射第一颗试验卫星,1989年2月14号发射第一颗工作卫星,1994年完成24颗工作卫星的发射工作。

GPS由三大部分组成:
空中卫星:包括21颗GPS工作卫星和3颗备用卫星。
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GPS的主要参数
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主要需要记的参数:
载波频率:L1为1575.42MHz,L2为1227.6MHz
卫星钟标准频率:10.23MHz
轨道高度 20200km

地面监控系统:控制整个系统和时间,负责轨道检测和预报;又由主控站、监测站和注入站所组成。
主要任务:
监视卫星的运行;
确定GPS时间系统;
跟踪并预报卫星星历和卫星钟状态;
向每颗卫星的数据存储器注入卫星导航数据。

地面监控系统由一个主控站、三个注入站和五个监测站组成
主控站:根据监测站跟踪观测数据,计算各卫星的轨道参数、钟差参数以及大气层的修正参数,编制成导航电文并传送至各注入站。也负责调整偏离轨道卫星和启用备用卫星。
检测站:主控站的数据采集中心。
注入站:将主控站发来的导航电文注入相应卫星的存储器中。

用户接收机:主要是各种接收机,接收卫星信号。
由GPS接收机天线单元、GPS接收机主机单元和电源。主机又由变频器、信号通道、微处理器、存储器以及显示器组成。
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3.北斗卫星导航系统

北斗二号

简介

区域覆盖(亚太);
无源定位导航体制,三个民用频点;继承了BDS-1的报文功能,扩充了通信容量;充分考虑了于其他系统的兼容。

基本导航定位性能

1.在亚太地区具有良好的几何覆盖,在60S-60N和 65E-150E之间的区域内可见的卫星数在7颗以上,PDOP值一般小于5,科蔓珠不同用户的导航定位需求。
2.北斗二代伪距和载波测量精度已与GPS处于同一水平,伪距精度约为33cm,载波测量精度为2mm。
3.北斗B1单频伪距单点定位水平精度优于6m,高程精度优于10m,三维精度优于12m,满足设计需求。
4.短基线情况下,北斗B1伪距差分定位的平面精度优于1.5m,高程精度优于2m,三维精度优于2.5m,与GPS比仍存在差距。
5.以及具备双频RTK定位能力,其单历双频模糊度解算成功率与GPS相当,当北斗与GPS组合定位时,模糊度解算的固定率和可靠性均显著提高。
6.北斗区域卫星导航系统载波相位差分定位精度与GPS相位差分定位处在同一水平,超短基线情况下,三维定位精度优于1cm,而在短基线情况下优于3cm,北斗与GPS组合定位对单系统定位精度的改善也较明显,在短基线情况下,北斗\GPS组合载波相位差分动态定位精度相比单一GPS可改善20%以上。

北斗三号BDS-3

系统组成

它由3个地球同步轨道卫星GEO,3个倾斜地球同步轨道卫星IGSO,24个中地球轨道卫星MEO 共 30 颗卫星组成。2018 年 12 月 27 日,BDS-3 全球系统初步建设完成。今年六月底发射了收宫卫星,完成北斗三号全球组网建设。

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