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【第七章】全球卫星导航定位技术

news 2025/7/7 11:22:24

概述

定位与导航的概念

定位：测量和表达某一地表特征信息、事件或目标发生在什么时间什么相关的空间位置的理论方法与技术
定位是导航的基础，导航是目标或物体在动态环境下位置与姿态的确定

绝对定位方式与相对定位方式

绝对定位：直接确定信息、事件和目标相对于参考坐标系统的位置坐标；概念抽象，技术复杂
相对定位：确定信息、事件和目标相对于坐标系统内另一已知或相关信息、事件和目标的具体位置关系；技术简单、直接，精度高

定位与导航的方法和技术

天文定位与导航技术（绝对定位）

天文导航：观测天体来测定航行体位置，以引导航行体到达预定目的地
观测目标：宇宙中的星体

常规大地测量定位技术

相对定位，禁止目标的测量定位

惯性导航定位技术INS

两种基本传感器：
- 陀螺传感器：测量运动载体的三维角速度矢量
- 加速度计的传感器：测量运动载体在运动过程中的加速度矢量
通过传感器测的加速度、速度与位置的关系，最终得到运动载体的相对位置、速度和姿态(航向偏转、横向摇摆、纵向摇摆等)导航参数
优点：不依赖任何外界系统的支持而独立自主地进行导航、连续地提供包括姿态参数在内的全部导航参数、良好的短期精度和短期稳定性
缺点：结构复杂设备造价较高、导航定位误差随时间积累而增大、需经常校准，不能满足远距离或长时间航行以及高精度导航的要求

无线电导航定位技术

利用无线电波来确定动态目标至位置坐标已知的导航定位中心台站之间距离或时间差的定位与导航技术
定位系统需要用户接收机向系统发射信号
- 被动式定位：只接收定位系统发射的信号而无须用户发射信号就能自主进行定位的方式
- 主动式定位：需要用户发射信号或同时需要发射和接收信号的定位方式
- 地基无线电导航系统
  - 无线电导航信号发射台安设在地球表面的导航系统
  - 优点：系统定位可靠性高，全天候实用
  - 缺点：系统覆盖区域受限制、定位精度较低
  - 例子
    - 罗兰C：远程无线电导航系统，脉冲相位双曲面定位
    - 奥米伽：甚低频超远程导航，相位双曲面定位原理
    - 塔康：地面应答站给出飞机的方位角和距离
- 卫星导航定位技术
  是导航定位技术的巨大革命
  完全实现了从局部测量定位到全球测量定位，从静态定位到实时高精度动态定位，从限于地表的二维定位到从地表到近地空间的全三维定位，从受天气影响的间歇性定位到全天候连续定位的变革

组合导航定位技术

INS/GPS组合导航：GPS长期高精度+INS短时高精度，GPS和INS两种运动传感器输出的定位数据速率不同，组合在一个载体，可对同一运动以不同的互补的精度和定位观测速率间隔获取性质互补的定位观测量；得到高精度的实时定位数据，克服INS无限制累积的位置误差和独立GPS的慢速率输出定位数据的缺陷

区域卫星导航定位技术

北斗-双星导航定位系统：主动式无线电定位系统，定位、通信、定时、瞬间快速定位

GNSS的工作原理和使用方法

全球卫星导航定位系统组成

空间运行的卫星星座：多个卫星组成的星座系统向地面发送某种时间信号、测距信号、卫星瞬时的坐标位置信号
地面控制部分：接收卫星星座信号来精确测定卫星的轨道坐标、时钟差异，监测其运转是否正常，并向卫星注入新的卫星轨道坐标，进行必要的卫星轨道纠正和调整控制
= 用户部分：通过用户的卫星信号接收机接收卫星广播发送的多种信号并进行处理计算，确定用户的最终位置

特点

多领域：陆地、海洋、航空航天
多模式：静态、动态、RTK、广域差分
多用途：在途导航、精密定位、精确定时、卫星定轨、灾害监测、资源调查、工程建设、市政规划、海洋开发、交通管制
多机型：测地型、定时型、手持型、集成型、车载式、船载式、机载式、星载式、弹载式

GPS全球定位系统

空间部分：卫星星座21+3、卫星可见性≥4、卫星信号(载波频率L1L2L3；卫星识别：码分多址C/A、P1P2；导航数据：广播星历(卫星轨道坐标、卫星钟差方程式参数、电离层延迟修正)，向用户提供了定位的已知参考点的（卫星）的起算坐标和系统参考时间以及相关的信号传播误差修正)
控制部分
- 监控站：接收卫星下行信号数据并送至主控站，监控卫星导航运行和服务状态
- 主控站：卫星广播星历参数估计，卫星控制，定位系统的运行管理
- 注入站：将卫星轨道纠正信息、卫星钟差纠正信息和调整卫星运行状态的控制命令注入卫星
用户部分：GPS接收机：接收天线和信号处理运算显示
- 定位与导航功能分：大地测量型接收机：高精度静态定位和动态定位；导航型动态接收机：实时动态定位
- 同时能接收的载波频率：多频接收机：同时接收两种以上的载波频率和相应的C/A码和P码伪距，用于静态大地测量和高精度动态测量；单频接收机：只能接收L1载波频率和C/A码伪距，用于低精度测量和普通导航

GLONASS伽利略全球卫星导航定位系统

欧洲自主的、独立的全球多模式卫星导航定位系统，科可提供高精度、高可靠性的定位服务，同时实现完全非军方控制和管理
服务类型；开放服务、商业服务、公共管理服务、生命安全服务、搜索和救援服务

BDS北斗卫星导航系统

中国在实施的自主发展、独立运行的全球卫星导航系统
建设目标：建成独立自主、开放兼容、技术先进、稳定可靠的覆盖全球的BDS
渐进式建设方案、服务模式由主动式发展为被动式
服务
- 开放服务：向全球免费提供定位、测速、授时服务
- 授权服务：为有高精度、高可靠卫星导航需求的用户提供定位、测速、授时和通信服务以及系统完好性信息

GNSS基本定位原理

从原理上说，只需三个卫星至测站的距离，就可实现三维坐标的定位
载波相位观测量：通过加载测距码和导航信息的载波的相位数测量获得，精度高，相对定位(存在未知的整周模糊度)
伪距观测量：通过卫星发射的伪距码(C/A码或P码)获得，精度较低，实现绝对定位(直接测量卫星到接收机的距离)
- 观测到包含了卫星和接收机时钟误差和时间延迟误差的伪距离
- 绝对定位：用GNSS技术同时实现三维定位与接收机时间的定位
- 误差：卫星轨道、卫星钟差、接收机钟差、电离层延迟误差、对流层延迟

主要误差

与卫星相关的误差
- 轨道误差：目前实时广播星历的轨道三维综合误差可达15m
- 卫星钟差：GNSS卫星钟的钟面时间同标准GNSS时间之差
- 卫星几何中心与相位中心偏差：事先确定或通过一定方法解算出来
与接收机相关的误差
- 接收机安置误差：接收机相位中心与待测物体自标中心的偏差，可事先确定
- 接收机钟差：接收机钟与标准的GNSS系统时间之差
- 接收机信道误差：信号经过处理信道时引起的延时和附加的噪声误差
- 多路径误差：接收机周围环境产生信号的反射，构成同一信号的多个路径入射天线相位中心，可以用抑径板等方法减弱其影响
- 观测量误差：对于GPS而言，C/A码伪距偶然误差约为13m；P码伪距偶然误差约为0.10.3m；载波相位观测值的等效距离误差约为12mm
与大气传输有关的误差
- 电离层误差：白天强，夜晚弱；误差与信号载波频率有关，故可用双频或多频率信号予以显著减弱
- 对流层误差：无线电信号在含水汽和干燥空气的大气介质中传播而引起的信号传播延时，其影响随卫星高度角、时间季节和地理位置的变化而变化，与信号频率无关，不能用双频载波予以消除，但可用模型削弱

相对定位原理和方法

相对定位：
- 差分观测量：确定Pj点相对于Pi点的三维位置关系，两点距离较近时，电离层和对流层误差几乎相同，利用两点组成的新的观测量
- 单次差分观测量：大大削弱电离层对流层的影响、卫星轨道误差影响、几乎完全消除卫星钟差的影响
- 二次差分观测量/双差观测量：大大削弱卫星卫星轨道误差、电离层、对流层延迟误差的影响，几乎完全消除卫星钟差和接收机钟差的影响
基于伪距的相对定位方式
- 常规伪距差分：向用户提供综合的用户接收机伪距误差改正信息，即观测值改正，而不是提供单个误差源的改正，作用范围比较小
- 广域差分系统（WADGPS）：将GPS定位中的主要误差源分别加以计算，并分别向用户提供这些差分信息，作用的范围比较大，往往是1000km以上
- 广域增强系统（WAAS）：数据通信手段采用地球同步卫星，并在其上增加了GPS卫星伪距信号测距源
- 局域增强系统（LAAS）：将在坐标已知的基准站上所算得的伪距差分和载波相位差分改正值，以及地基“伪卫星”C/A码测距信号，一起由地基播发站调制在L1频道上发送给用户站，以增强局部地区定位的精度和可靠性。
基于相位观测值的相对定位
- 相位观测值：观测值精度高，定位结果的精度很高
- 双差静态定位：利用两台或两台以上的GPS接收机在两个或两个以上的观测站上同步观测相同的卫星信号若干时间，然后用相应的解算软件处理这些数据，得到两个站之间精确的坐标差分量
- 双差动态定位RTK：只用单次（又称一个历元）的同步观测数据就可以实时求出流动站到基准站之间的坐标差分量
- 网络动态实时定位技术Network RTK
- 全球动态定位技术：实时单点定位技术同网络技术及卫星通信技术结合在一起；采用世界范围内的安置了双频GPS接收机的参考站来对卫星信号进行跟踪，并实时地将相关信息发回数据处理中心，经数据处理中心处理后，形成一组差分改正数，将其传送到国际海事卫星上，然后通过卫星在全世界范围内进行广播

GNSS应用

科学研究

精密定时和时间同步：利用精密仪器设备对天空的天体、运动目标进行同步观测；与其他空间定位和时间传递技术相结合，测定地球自转常数；测量引力对某些实用时间尺度的影响
精密定位在地球板块运动中：测定各大板块的相互运动速率，确定板块运动模型，研究板块运动的现今短时间周期的运动规律，与地球物理和地质研究的长时期运动规律进行比较分析，研究地球板块边沿的受力和形变状态，预测地震灾害
精密定位在大气层气象参数确定和灾害天气预报中：分离GPS电离层、对流层延迟参数，通过大气折射率与大气折射量之间的函数关系，求得大气折射率，再建立大气折射量与大气参数之间的关系（GPS/MET），优点：全球覆盖、费用低廉、精度好高、垂直分辨率高；测定电离层延迟参数，反演高空大气层中的电子含量，监测和预报空气环境及其变化规律，为人类航天活动通讯、导航、定位、输电等服务

工程技术

全球和我国大地控制网的建设：建立和维持一个基于地心的长期稳定的、具有较高密度的、动态的全球性或区域性坐标参考框架
工程施工测量、精密监测：精度高、观测时间短、测站间不需要通视、全天候作业，广泛应用到工程测量各个领域；高精度三维定位能力，监测各种工程形变
通信工程、电力工程：GPS高精度定时功能，时间基准、精确监测
交通、监控、智能交通：动态跟踪和监控
测绘：建立不同等级的测量控制网；获取地球表面的三维数字信息并用于生产各种地图；为航空摄影测量提供位置和姿态数据；测绘水下（海底、湖底、江河底）地形图；应用于城市规划测量、厂矿工程测量、交通规划与施工测量、石油地质勘探测量以及地质灾害监测等领域，产生了良好的社会效益和经济效益
海陆空运动载体（车、船、飞机）导航：利用GPS对大海上的船只进行连续、高精度实时定位与导航，航线精确航行、节省时间和燃料、避免碰撞；对车辆进行跟踪、调度管理，合理分布车辆，以最快速度响应用户，降低能源消耗，节省运行成本；建立数字化交通电台，实时发播城市交通信息，车载设备通过GPS进行精确定位，结合电子地图以及实时的交通状况，自动匹配最优路径，并实行车辆的自主导航；GPS的精度和动态适应能力，用于飞机的航路导航

军事技术

低空遥感卫星定轨：低轨道卫星采用星载GPS技术进行精密定轨，定轨精度高
飞机、火箭的实时位置、轨迹确定：为各种军事运载体导航，使武器的命中率大为提高，武器威力显著增强；用于特种部队的空降、集结、侦察和撤离过程；用于对所有海陆空军参战飞机进行空战指挥，实施空中管制，夜航盲驶、救援引导、精确攻击中；用于对地面部队引导、穿越障碍和雷区、战场补给、地面车辆导航、海空火力协同、火炮瞄准、导弹制导等方面
战场的精密武器时间同步协调指挥：统一化的“时空位置信息”，提供精确位置、速度和时间(PVT)信息对现代战争的成败至关重要

其他领域

娱乐消遣、体育运动：引导方向、显示出附近地势、地形、街道索引的道路蓝图、发送求救信息，对于喜爱野外旅行和必须在人烟罕至的区域工作、生活的人非常重要；在陌生的城市里迅速找到目的地，并以最优的路径行驶；野营者带上GPS接收机，可快捷地找到合适的野营地点，不必担心迷路；GPS手表、一些高档的电子游戏使用了GPS仿真技术；实时确定运动目标的空间位置、运动速度，分析运动员的体能、状态等参数，并调整相关的训练计划和方法等，有利于提高运动员的训练水平
动物跟踪：迷你型的GPS装置安置到动物身上，实现对动物的动态跟踪，研究动物的生活规律
精细农业：利用GPS进行农田信息定位获取，包括产量监测、土样采集等，计算机系统通过对数据的分析处理，依据农业信息采集系统和专家系统提供的农机作业路线及变更作业方式的空间位置，使农机自动完成耕地、播种、施肥、中耕、灭虫、灌溉、收割

课后题

1. 定位与导航在概念上有哪些区别和联系：

区别：定位是指确定一个物体相对于参考点的精确位置，是一个静态的过程，关注的是“在哪里”。导航则是指导物体从一个位置移动到另一个位置的过程，是一个动态的过程，关注的是“如何从A点到达B点”。
联系：定位是导航的基础，没有准确的定位信息，导航就无法进行。导航过程中需要不断地进行定位来确保路径的正确性。

2. 天文导航、惯性导航、地基无线电导航是绝对定位还是相对定位方式？为什么？

天文导航：绝对定位，通过观测天体（如星星）相对于地球的位置来确定自己的位置
惯性导航：相对定位，通过测量加速度和角速度来推算位置，起始点是已知的，之后的位置是基于初始位置和运动参数计算得出的
地基无线电导航：可以是绝对也可以是相对，取决于参考点的选择。如果是相对于发射站的位置，则为相对定位；如果使用多个发射站建立一个全球性的参考框架，则可以视为绝对定位

3. 用全球卫星导航定位系统（CGNSS）进行定位或导航时，为什么一定要同时至少观测到四颗以上的卫星？三维空间中的位置XYZ、时间(校正卫星钟差和接收机钟差)

4. 用GNSS相对定位和导航，可以消除或消减哪些定位与导航误差？卫星钟差、接收机钟差、大气延迟（电离层和对流层延迟）、多路径效应等

5. 设想并提出应用GNSS实时或事后导航定位的原理和方法：

机器人野外工作定位：利用GNSS提供高精度的位置信息，结合机器人的传感器数据，可以实现机器人在野外环境中的自主导航和路径规划。GNSS数据可以帮助机器人避免障碍物，规划最佳路径，并在必要时进行自我定位校正。
道路交通流量控制：通过在车辆上安装GNSS接收器，可以实时监控车辆的位置和速度，从而分析交通流量和拥堵情况；用搜集的数据优化交通信号灯的时序，指导车辆分流，减少拥堵，提高道路使用效率