高精度GNSS定位技术.pptx

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GNSS系统概述
高精度定位原理
基准站技术应用
数据处理方法
实时动态定位
差分定位技术
应用领域分析
未来发展展望
Contents Page
目录页
GNSS系统概述
高精度GNSS定位技术
GNSS系统概述
全球导航卫星系统（GNSS）概念与定位原理
1. 定义与目的：全球导航卫星系统（GNSS）是一系列人造卫星星座及其相关地面基础设施的总称，旨在为全球用户提供全天候、高精度的三维定位、测速和授时（PNT）服务。
2. 基本工作原理：用户设备（UE）通过接收至少4颗卫星发射的包含卫星精确位置和时钟信息的信号，计算信号传输时间，进而解算出自身到卫星的距离。利用至少4个距离方程（三维空间）可唯一确定用户的位置和接收机时钟偏差。
3. 定位几何基础：定位精度与卫星几何分布（如PDOP值，Position Dilution Of Precision，位置精度衰减因子）密切相关，理想的卫星天顶距小、方位角分布均匀且基线短的配置能获得更高精度。
GNSS系统概述
主流GNSS系统与星座构成
1. 主要系统构成：目前全球主要的GNSS系统包括美国的全球定位系统（GPS）、俄罗斯的格洛纳斯系统（GLONASS）、欧洲的伽利略系统（GALILEO）以及中国的北斗卫星导航系统（BDS）。这些系统各有其设计特点和服务标准。
2. 卫星星座与轨道：各系统采用不同的卫星数量、轨道高度和倾角配置（例如，GPS主要使用中地球轨道MEO，高度约20200km；北斗系统同时包含地球静止轨道IGSO和倾斜地球同步轨道LEO卫星以增强区域服务能力），以提供全球或区域覆盖。
3. 信号结构与频段：各系统开放多个民用频率（如GPS L1/L2/L5， BDS B1/B2/B3， GALILEO E1/E5/E6， GLONASS L1/L2），传输不同的导航电文，包含导航消息、卫星星历、钟差等信息，支持多频观测是实现高精度定位（如PPP）的基础。
GNSS系统概述
GNSS信号结构与特性
1. 信号组成：标准的导航信号由载波、导航数据调制（如BPSK调制）、捕获码（如C/A码、P(Y)码）和导航消息组成。导航数据用于传输卫星状态信息。
2. 基本导航电文：核心信息包括卫星星历（精确轨道参数）、时钟偏差、系统/卫星健康状态、工作模式、电离层修正模型及GPS系统的UTC时间和GPS周计数等。
3. 多普勒频移与伪距：卫星信号到达接收机经历传播时间，产生伪距观测值；同时，由于接收机和卫星相对运动，信号产生多普勒频移，两者共同用于解算接收机钟差和相对运动速度。
高精度GNSS定位的误差源分析
1. 主要误差类型：高精度定位面临多种误差，包括：卫星钟差（卫星时钟与标准时间的偏差）、接收机钟差（接收机内部时钟误差）、卫星轨道误差（与预估星历的偏差）、大气延迟（信号穿过对流层和电离层产生的延迟）。
2. 大气延迟建模：对流层延迟相对稳定，可通过气象模型或接收机内置模型估算；电离层延迟与电子密度相关，随时间和空间变化，需利用双频接收机进行消除或通过模型（如Klobuchar模型或精密模型）修正，其影响更大。
3. 其他误差：多路径效应（信号经反射后到达接收机）、天线相位中心偏差与稳定性、整周模糊度（载波相位测量中的未知整数周期）以及卫星间差异等，都是制约高精度定位精度和收敛速度的关键因素。
GNSS系统概述
高精度定位性能指标与评估方法
1. 定位精度：通常用水平位置误差（HDOP）、垂直位置误差（VDOP）或三维位置误差（PDOP）来衡量，常以95%置信区间内的误差范围表示（如厘米级、毫米级）。高精度定位的目标是达到亚米至厘米级甚至毫米级精度。
2. 收敛时间：指首次固定整周模糊度（如PPP-AR）或达到指定精度所需的时间。快速收敛是高精度定位应用（如实时动态差分RTK）的关键性能指标。
3. 可靠性与稳定性：评估定位结果在不同环境和时间下的持续性和可信度，例如通过重复性测试、在不同时间段的定位结果对比等方法。
GNSS系统概述
高精度GNSS定位技术发展趋势
1. 多系统融合：利用GPS、GLONASS、GALILEO、BDS等多系统信号，显著增加卫星可见数，提高定位可靠性、抗干扰性和在城市峡谷等恶劣环境下的性能。
2. PPP-RTK技术：结合了精密单点定位（PPP）的高精度和实时差分定位（RTK）的快速收敛优势，通过卫星精密星历和钟差广播信息结合区域基准站网络差分校正信息，实现更快速、更高精度的定位。
3. 载波相位技术深化应用：载波相位测量精度远高于伪距，是实现厘米级乃至毫米级高精度定位的核心。模糊度快速求解（AR）、多频观测与模糊度固定、网络RTK（NRTK）等技术不断演进。
4. 新兴技术探索：如利用激光技术、惯性导航系统（INS）与GNSS深度融合实现组合导航，以及探索量子精密测量等前沿技术对时间频率标准和信号探测的潜在影响。
高精度定位原理
高精度GNSS定位技术
高精度定位原理
差分校正技术
1. 差分原理：高精度定位依赖于利用参考站网或单基准站提供的误差修正信息，消除或减弱公共误差（如大气延迟、卫星钟差、轨道误差）对用户接收机观测值的影响，显著提高定位精度。
2. 差分类型：主要包括实时差分（如RTK）、快速静态差分、精密单点定位（PPP）等，不同技术针对不同的应用场景和精度需求，采用不同的差分校正数据类型和处理策略。
3. 误差模型：有效的差分校正依赖于对误差来源及其时空变化特性的准确建模，包括卫星钟差模型、轨道误差模型、大气延迟模型（对流层和电离层）以及接收机内部误差模型。
实时动态定位（RTK）
1. 核心机制：RTK技术通过在基准站和流动站之间实时传输载波相位观测数据及差分校正信息，实现流动站观测值的实时差分处理。
2. 模糊度固定：RTK的关键在于快速且可靠地求解并固定载波相位测量中的整周未知数（模糊度），一旦模糊度固定，定位精度可达到厘米级。
3. 高精度与实时性：该技术结合了载波相位测量的高精度特性与差分校正的实时性，广泛应用于需要快速获得高精度位置信息的领域，如大地测量、施工放样、精准农业和机器对地控制。