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全球导航卫星系统（GNSS）技术
发展与应用
2012年07月全球导航卫星系统的概念全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System，缩写GNSS）的概念：GNSS是以人造卫星组网为基础的无线电导航定位系统。利用设臵在地面或运动载体上的卫星接收机，接收卫星发射的无线电信号，经技术处理，实现导航定位。全球导航卫星系统的构成GNSS由三部分组成：空间的卫星星座；地面的控制系统；用户的接收机处理装臵。全球导航卫星系统定位的优点用于控制测量时，控制点间无需通视，选点方面、节省造标费用，减轻体力负担；不受气候影响，全天候测量，提高作业效率；同时获取测量点的三维坐标，改变过去平面、高程分别测量的状况，提高生产效率和效益；可用于快速的工程测量和地形测量。全球导航卫星系统星座的发展美国的GPS：是GNSS系统中应用最早、最广泛，也是效益最好的系统。该星座是1995年7月17日建成投入完全运行状态，共有24颗卫星（其中21颗工作卫星，3颗备用卫星），均匀分布在6个轨道平面内，轨道平面相对赤道平面的倾角为55º，各个轨道平面之间相差60º。3颗备用卫星分别位于第1、3、5号轨道平面内。4 全球导航卫星系统星座的发展全球导航卫星系统星座的发展卫星轨道的平均高度为20200km，卫星公转周期正好12小时，卫星寿命7.5年。GPS卫星以连续方式发射两个载波信号：L1 为1575.42MKz（波长约为19cm），L2 为1227.6MKz（波长约为24cm）。载波频率上调制有导航电文，有两种码，P码（精码），C/A码（粗码）。至2007年底共发射50多颗卫星，目前，有30颗卫星可使用。全球导航卫星系统星座的发展地面监控系统：包括一个主控站，三个注入站和五个监测站，主控站设在美国本土科罗拉多的斯普林斯，三个注入站分别在大西洋、印度洋、太平洋的三个美军基地上；五个监测站分别在主控站、注入站处，还有一个在美国的夏威夷。全球导航卫星系统星座的发展主控站的任务收集数据，编写导航电文，诊断卫星状态，调度卫星。注入站的任务注入卫星导航电文。监测站的任务为主控站编写导航电文提供观测数据（卫星的伪距和距离差、气象要素等）。全球导航卫星系统星座的发展AS和SA技术由于GNSS是战略性基础设备，美国国防部曾发布声明：“国防部正在建立一个21颗卫星组成的GPS工作卫星，选择可用性和反电子欺骗（SA/AS），是任何时候都可能实行的系统能力。为了与国家政策相一致，目前的GPS星座从1990年3月25日以标准定位服务（SPS）的精度水平发播导航电位”。全球导航卫星系统星座的发展SA技术（选择利用技术）即主要是增加C/A码信号的随机抖动和降低卫星钟的稳定性。使C/A码信号受到污染，精度从30m降低到100m。对用户影响很大，反映强烈。后来美国政府被迫宣布停止。AS技术（电子欺骗技术）即将P码换成更保密的Y码，防止未经批准的用户掌握精码。AS技术不是连续使用，只有在军事形势需要时才使用。全球导航卫星系统星座的发展苏联/俄罗斯的GLONASS：为了对抗美国，前苏联于1996年1月18日也建成投入完全运行状态的GLONASS。该星座共有24颗卫星，均匀分布在3个轨道面上。其结构与美国GPS类似。4 全球导航卫星系统星座的发展俄罗斯1995年建成的卫星导航定位系统24颗卫星分布在3个轨道平面卫星钟寿命3-5年采用频分多址技术军民两用系统受俄罗斯国防部控制全球导航卫星系统星座的发展由于苏联解体，卫星维护不足，新星发射困难，有一段时间只有9颗有效卫星，影响了使用。普京上台后很关注该系统，投入大量的改造经费。目前已逐步恢复，有18颗卫星可提供使用，大概2011年能全部恢复。全球导航卫星系统星座的发展欧盟的Galileo：欧盟是美国的盟友，也对美国不放心，要求独立建全球导航卫星系统，开始美国反对，经过艰难的谈判，由于欧盟的坚决态度，美国不得不同意欧盟的Galileo计划。全球导航卫星系统星座的发展该星座是欧盟政府和大企业共建系统，政府出资1/3，大企业出资2/3，以民用为主要目标。该星座共有30颗卫星，分布在3个轨道面上，目前只发射了3颗试用卫星。全球导航卫星系统星座的发展Galileo系统全球导航卫星系统星座的发展由于预算经费不足，政府和企业意见分歧，进度缓慢，原计划2013年建成，估计要到2015年后才能建成。我国原计划加入Galileo计划，但欧盟有技术壁垒，不让我国参加核心技术研究，至今没有进展，促使中国发展自己的GNSS系统。全球导航卫星系统星座的发展中国的北斗系统BD：由于美国的GPS的SA政策，欧盟Galileo的技术壁垒，以及为维护我国空间技术发展战略。我国决定建立独立自主的中国全球导航卫星系统。该计划分两步走：一期工程先发射3颗北斗卫星，属于区域性主动式导航卫星系统。4 全球导航卫星系统星座的发展北斗系统一期：全球导航卫星系统星座的发展一期工程已于2007年开始投入使用，为汶川和玉树抗震救灾、2008年奥运会以及国防、经济建设发挥了积极的作用；二期工程是建设全球导航定位的北斗系统（BD）。该星座建成后，将有35颗卫星（27颗MEO卫星，5颗GEO卫星和3颗地球同步卫星）组成，于2018年全部建成。GNSS测量定位方法的发展静态定位：自从上世纪九十年代初GPS建成以来，一直采用此方法建立国家大地坐标系、CORS网站、控制网、监控网以及各类精密定位测量。快速静态定位：自从上世纪九十年代初到本世纪初，有采用此方法快速建立低等级的控制网。GNSS测量定位方法的发展动态定位：本世纪初以来，随着GNSS动态定位技术的发展，动态定位受到青睐。广泛采用动态定位的RTK技术、网络RTK技术进行快速的、低精度的控制测量、工程测量和空间地理信息的数据采集。《卫星定位城市测量技术规范》CJJ/T73-2010 规定：网络RTK测量可作一、二、三级、图根和碎部测量，RTK可作为图根和碎部测量。GNSS测量定位方法的发展在高精度卫星定位技术上，从静态相对定位向载波相位实时动态定位（CORS）方向发展。由单基站RTK向网络RTK方向发展；网络RTK有虚拟参考站技术及主副站技术，利用GSM、GPRS、CDMA等无线通信网，用户只需一台卫星定位接收机即可实现长距离快速RTK定位，定位精度平面为1-2cm，高程为3-4cm，定位速度1-2分钟。
GNSS接收机的发展GNSS接收机的分类按照GNSS信号的不同用途，GNSS信号接收机可分为三大类：定位型、导航型和授时型。按照GNSS信号应用场合不同，GNSS接收机可分为背负式、车载式、船用式、机载式、弹载式等五种。按照GNSS载波频率分类：单频机和双频机。
GNSS接收机的发展GNSS接收机的发展GNSS接收机向多星座、多频接收机方向发展，上世纪九十年代末出现了GPS/GLONASS兼容双频接收机。本世纪初又出现了GPS/GLONASS/GALILEO三系统兼容三频接收机，共有72个通道的卫星接收机OEM板。多系统兼容接收机的研制成功，将提高定位速度、定位精度、定位可靠性及定位可用性。
GNSS接收机的发展GNSS接收机生产过去都是美国、瑞士、法国、加拿大、日本等国家所垄断。从上世纪九十年代末我国的一些仪器厂商已成功研制生产GNSS接收机以及北斗一号接收机。航天部704所还研制出GPS/GLONASS兼容接收机，我国利用进口卫星定位OEM板生产的双频高精度接收机已代替部分进口设备，并占领国内市场的一半。目前国内正在积极研制GPS和GALILEO兼容以及GPS与北斗二号兼容的单频、双频卫星定位高精度接收机。全球导航卫星系统技术的应用GNSS技术在国外应用的概况：世界各国已普遍采用GNSS技术建立国家或地域的大地控制网、工程控制网、地震监测网，在工程测量和地形测量以及航测等方面应用广泛，发达国家还较普遍建设CORS网站，并建立国家或地域的大地坐标系统。全球导航卫星系统技术的应用我国大地控制网建设: 国家测绘局于1991—1995年间建立国家GPSA、B级共832个点（其中A级网点30个），框架：ITRF93；历元1996.365；点位地心坐标精度为10-7量级。总参测绘局于1991—1997年间布设全国GPS一、二级网共553点（其中一级网点44个），框架：ITRF96；历元1997.0；点位地心坐标-8精度为10量级。全球导航卫星系统技术的应用中国地壳运动GPS观测网络工程：该工程由国家地震局主持，参与该工程建设的有国家测绘局、总参测绘局、中国科学院等。该网共有1222个点，其中基准网点25个，基本网点56个。框架：ITRF96；历元1998.680。
-8点位地心坐标精度优于10量级。全球导航卫星系统技术的应用2000国家GPS大地网：该网除上述三个全国性GPS网外，还有其他地壳形变GPS监测网，共有2666个GPS点参加了2000国家GPS大地网的平差。框架：ITRF97；框架点：包括网络工程基准点、基本站、区域站和国际IGS站（共1171个），历元2000.0；精度：平均平面点位中误差约为5mm；平均高程中误差约为20mm；平均三维点位中误差优于25mm级。全球导航卫星系统技术的应用2000国家GPS大地网：
2000制网点位分布图
国家GPS大地控全球导航卫星系统技术的应用2000国家坐标系建立：即全国天文大地网与2000国家GPS大地网联合平差工程。该工程是一项大型的、复杂的大地数据处理工程，工程历时13年，分二期进行。一期工程始于1991年；二期工程始于1999年。坐标框架：ITRF97；历元2000.0；坐标框架以2000国家GPS大地控制网所建立的地心坐标为基础。全球导航卫星系统技术的应用新坐标与IERS维持的协议地球参考（ITRS）保持一致，ITRS是目前国际上最精确、最稳定的全球性地心坐标系。它的定义遵循ITRS定义协议地球坐标系的法则；CGCS2000由三个层次的坐标框架点组成。水平位臵中误差平均为0.14m；大地高中误差平均为0.37m；点位三维坐标中误差为0.2m。全球导航卫星系统技术的应用GNSS技术在我国省域大地控制网建设中的应用自上世纪八十年代末GPS进入我国以来，各省都普遍地采用GNSS技术静态方法建立省级GPS大地控制网。本世纪初开始采用CORS技术建立省级GNSS综合服务网或CORS网站。如江苏省64站，广州省46站，山东省、河北省、河南等建立省联网的CORS站网。全球导航卫星系统技术的应用GNSS技术在我国城市与工程测量中的应用上世纪八十年代以来，现代空间定位技术、特别是GPS技术的发展与应用，为城市及工程测量提供了一种崭新的技术手段，使城市与工程测量发生了革命性的变革。应用发展概况如下：全球导航卫星系统技术的应用1990年12月在建设部规划司的倡导下在北京进行GPS城市控制测量试验，探索GPS技术在城市测量中的应用，取得圆满成功；1991年建设部在北京组建《全国城市测量GPS应用研究中心》，挂靠在北京市测绘设计研究院，有关城市勘测单位集资购买GPS接收机，在全国有关城市开展GPS控制测量工作；全球导航卫星系统技术的应用建设部以建设[1992]2号文件下发《GPS城市测量管理暂行规定》和《GPS城市测量技术暂行规定》两个文件，为GPS技术在城市控制测量中广泛应用打下基础；1997年发布行标《全球定位系统城市测量技术规程》CJJ73-97，为城市与工程控制测量全面应用GPS技术提供了法律支持和技术保障。从此GPS技术成为全国各大、中、小城市及工程和变形监测网建设和改造的主要手段；2010-10-01开始实施的《卫星定位城市测量技术规范》CJJ/T 73-2010替代《全球定位系统城市测量技术规程》CJJ73-97全球导航卫星系统技术的应用本世纪初随着GNSS技术的发展，RTK和网络RTK技术的应用，使城市的GNSS技术应用进入网络RTK新时代。目前已有深圳、上海、北京、香港、澳门、武汉、重庆、天津、成都、广州、昆明、福州、苏州、合肥、西安等30多个城市建立了CORS网。CORS站网建立实现了一网多用，节省投资、资源共享，不但实现城市控制网的功能，还可为市政工程、规划管理、施工放样、地理信息快速更新提供服务，其静态观测数据还可为地壳形变、地震监测、短期大气水汽含量监测提供技术支持，所以也称为GNSS综合服务网。GPS定位中的误差源•GPS定位中出现的各种误差从误差源来讲大体可分为下列三类:•1.与卫星有关的误差:1).卫星星历误差(采用精密星历,采用相对定位模式)、卫星钟的钟误差、相对论效应。•2.与信号传播有关的误差: 电离层延迟(电离层模型和经验改正公式、双频改正模型),对流层延迟(对流层延迟模型,霍普菲尔德模型,萨斯塔莫宁模型、勃兰克模型,测站上的气温和气压可用温度计和气压计直接测定),多路径误差(反射波, 选择合适的站址, 选择合适的GPS接收机, 适当延长观测时间。•3.与接收机有关的误差:接收机钟的钟误差, 接收机的位置误差, 接收机的测量噪声。消除或削弱上述误差影响的方法和措施•1.建立误差改正模型•2.•3.求差法选择较好的硬件和较好的观测条件
载波相位测量•实际上就是以波长作为长度单位，以载波作为一把尺子来量测卫星至接收机的距离。•整周跳变和整周未知数的确定是载波相位测量中特有的问题。•整周模糊度的确定是载波相位测量中的关键问题，确定整周模糊度的方法很多，静态相对定位中常用的几种方法：取值法，置信区间法，模糊函数法，整数解和实数解。
载波相位测量•动态相对定位中常用的几种方法：初始化法，实时解算模糊度的方法
ＧＰＳ单点定位•根据卫星星历以及一台GPS接收机的观测值来独立确定该接收机在地球坐标系中的绝对坐标的方法称为单点定位,也称绝对定位，精度一般较差，这种定位方法在飞机、船舶和地面车辆的导航以及资源调查、地质勘探、环境监测、防灾减灾及军事等领域中得到了广泛的应用。
ＧＰＳ相对定位•确定同步跟踪相同的GPS卫星信号的若干台接收机之间的相对位置(坐标差)的定位方法称为相对定位,两点间的相对位置可以用一条基线向量来表示,故相对定位有时也称为测定基线向量或简称为基线测量。•由于用同步观测资料进行相对定位时两站所受到的许多误差是相同的或大体相同的，如卫星钟差、卫星星历误差、电离层延迟、对流层延迟等。在相对定位的过程中这些误差可得以消除或大幅度削弱，故可获得很高精度的相对位置，从而使这种方法成为精密定位中的主要作业方式。ＧＰＳ静态相对定位•静态相对定位由于观测时间长，各种误差消除得比较充分，因而定位精度高，目前长距离高精度GPS静态相对定位的精度已达10-8~10-9级。这种定位方式被广泛用于建立和维持各种参考框架，测定极移、日长变化，测定板块运动、地壳形变、布设各级控制网及进行高精度的工程测量。ＧＰＳ动态相对定位•广泛用于以下方面:•1.单纯的动态定位:例如,在航空摄影测量中测定曝光瞬间光学摄影仪的瞬时位置。•2.姿态测量:通过对固定安置在运动载体上的多个(一般为3个)GPS接收机天线进行动态定位来确定运载器的3个姿态角。•3.导航:动态定位在飞机、船舶、地面车辆等运载器的导航中起着至关重要的作用。•4.武器制导•5.地面车辆管理系统
差分ＧＰＳ•在已知点上配备一台GPS接收机并和用户一起进行GPS观测,就可能求得每个观测时刻由于上述误差而造成的影响(例如将GPS单点定位所求得的结果与已知站坐标比较,就能求得上述误差对站坐标•的影响)。假如该已知点还能通过数据通信链将求得的误差改正数及时发送给在附近工作的用户，那么这些用户在施加上述改正数后，其定位精度就能大幅度提高，这就是差分GPS的基本工作原理。该已知点称为基准站。•差分GPS按用户进行数据处理的时间的不同可分为实时差分和事后差分。
差分ＧＰＳ•差分ＧＰＳ按其工作原理及数学模型大体可分为三种类型:单基准站差分（ＳＲＤＧＰＳ)，单站差分ＧＰＳ系统是由基准站、数据通信链及用户等部分组成的）。•具有多个基准站的局部区域差分（ＬＡＤＧＰＳ)，在某一局部区域中布设若干个基准站，用户根据多个基准站所提供的改正信息经平差计算后求得自己的改正数，这种差分ＧＰＳ定位技术（系统）称为具有多个基准站的局部区域的差分ＧＰＳ技术（系统)，一般也应设立监测站，较多地采用长波和中波无线电通信。•广域差分（ＷＡＤＧＰＳ)，广域差分ＧＰＳ系统由基准站、数据处理中心,数据通信链,监测站及用户等部分构成。GPS测量的技术设计•一.技术设计的依据:•1.测量任务书或测量合同书•2.GPS测量规范及规程•二.GPS网的精度和密度设计：•1.GPS测量的等级及其用途•2.根据项目具体情况进行技术设计
