6 GNSS

背景与概念

传统测绘手段在大范围、高效率、自动化方面有明显局限。

GNSS（Global Navigation Satellite System，全球卫星导航系统）本质上是把「控制点在地面」扩展为「控制点在太空」，通过卫星信号完成定位、导航与授时。

全球四大系统

美国：GPS
俄罗斯：GLONASS
欧盟：Galileo
中国：北斗（BDS）

此外还有区域系统（如日本 QZSS、印度 IRNSS）用于区域增强服务。

TIP

GNSS $\neq$ GPS。GPS 是其中一款 GNSS 系统。

关于北斗系统

北斗已完成全球组网并提供全球服务
北斗三号体系强调自主可控
课堂提到北斗在产业化应用中增长很快，已深度进入交通、测绘、位置服务等场景

GNSS 系统组成

GNSS 由三部分协同完成：

地面监控部分：主控站、监测站、注入站、通信与辅助系统
监测卫星健康状态、精密定轨、生成并注入导航电文
空间星座部分：在轨卫星
广播导航信号，提供授时基准
用户设备部分：测量接收机、车载/船载/机载终端、手机等

定位基本原理

卫星发送一段电磁波，记录发射的时刻，接收机记录接收到的时刻，相减得到电磁波传输耗时 $t$ ，除以光速 $c$ 得到距离 $d$ 。

GNSS 定位可理解为空间后方距离交会：

已知量：若干卫星的空间位置（由广播星历 / 精密星历提供）
观测量：接收机到各卫星的距离
求解量：接收机坐标（ $x, y, z$ ）

若只看几何关系：

1 个距离对应 1 个球面
2 个距离对应两球相交圆
3 个距离对应两个交点

卫星上使用原子钟，保证时间的精确。但是接收机不可能做到原子钟级别的精确时间。接收机上走时的误差称为钟差。将钟差也作为未知数，则再加一颗卫星形成 4 个方程，解四个未知数 $x, y, z, δ t_{r}$ 。

因此工程上通常要求至少观测 4 颗卫星。

单星观测方程可概念化为：
$ρ_{i} = r_{i} + c (δ t_{r} - δ t_{s_{i}}) + I_{i} + T_{i} + ε_{i}$
其中：
$r_{i}$ ：接收机与第 $i$ 颗卫星的几何距离
$δ t_{r}, δ t_{s_{i}}$ ：接收机钟差、卫星钟差
$I_{i}, T_{i}$ ：电离层与对流层延迟
$ε_{i}$ ：多路径、噪声等剩余项

GNSS 测量定位方法分类

绝对定位

也称单点定位，单台接收机独立定位，直接给出点位在某坐标框架（如 WGS84）下的绝对坐标。

伪距单点定位（SPP）

伪距：前面定位基本原理中，修正钟差之后得到的接收机到卫星距离的测量值。

观测量：伪距（可配合广播星历）
优点：实时、设备简单、独立性强
精度特征：通常米级

精密单点定位（PPP）

观测量：伪距 + 载波相位
依赖：精密星历、精密误差模型（常见为后处理或收敛后实时）
精度特征：可达分米到厘米级（视数据与处理策略而定）

相对定位

相对定位也称差分定位。

核心思想：在已知坐标基准站与流动站同步观测同一组卫星，利用空间相关性削弱共同误差。

基准站先求自身观测改正数
通过数据链实时发送给流动站
流动站用改正数修正观测值并解算坐标

原理：若两个测站距离较近、观测时段相同，则它们经历的大气与轨道相关误差具有相似性。对两个测站观测值作差后，共性误差大幅抵消。即：单点误差难精确建模，但可通过求差显著削弱

误差来源

与卫星有关的误差
- 卫星星历误差
- 卫星钟的钟误差
- 相对论效应
与信号传指有关的误差
- 电离层延迟
- 对流层延迟
- 多路径效应
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

6 GNSS ​

背景与概念 ​

全球四大系统 ​

关于北斗系统 ​

GNSS 系统组成 ​

定位基本原理 ​

GNSS 测量定位方法分类 ​

绝对定位 ​

伪距单点定位（SPP） ​

精密单点定位（PPP） ​

相对定位 ​

误差来源 ​