卫星导航系统的工作原理如下:
在卫星导航系统定位测量中,主要解决:观测瞬间卫星的位置和观测瞬间测站点到卫星的空间距离两个问题。
一、卫星定位原理
(一)三角定位原理
卫星定位采用三角定位原理,通过借助卫星发射的测距信号来确定位置,即将空间中的卫星作为已知点,测量卫星到地面点的距离,然后通过距离来确定接收设备在地球表面或空中的位置。
卫星不断发送包含卫星位置的轨道信息和卫星所携带的原子钟产生的精确时间信息,同时发射测距信号。北斗接收机(自带时钟,并且拥有无线电信号接收器)接收卫星传来的信号,并测定该卫星到接收机的空间距离,此时接收机位于以观测卫星为球心,观测卫星到接收机空间距离为半径的球面与地球表面相交的圆弧的某一点。
以此类推,可以确定以第二、三颗观测卫星为球心,卫星到接收机空间距离为半径的球面与地球表面的相交点。三个圆弧相交于地球表面的一点,该点即为接收机的位置。
由于接收机内部采用的石英钟,和卫星搭载原子钟相比误差较大,因此需要接收4颗卫星的观测值,解算出卫星钟和接收机时钟的时间差,以便算出准确的传播时间,最终测算出准确的传播距离。
(二)距离测量原理
距离测量采用以下公式计算得出:
D=c«t
—D为卫星到接收机的距离;
—c为电磁波在大气中的传播速度;
—t为卫星到接收机的信号传播时间;
(三)影响定位结果的误差源
1.卫星相关误差
卫星钟差,即卫星原子钟误差;
卫星星历误差,也称卫星轨道误差;
相对论效应,即卫星钟与接收机所处状态不同引起的相对误差;
2.传播途径产生误差
电离层延迟,即当无线电信号通过电离层时,信号的路径要发生弯曲,传播速度也会发生变化,从而使测量的距离发生偏差。
对流层延迟,即信号通过对流层时,信号的传播路径会发生弯曲,从而使测量距离产生偏差;
多路径效应,即测站周围的反射物所反射的卫星信号(反射波)进入接收机天线,对直接来自卫星的信号(直接波)产生干涉以致观测值偏离;
3.接收机相关误差
接收机钟差,即接收机采用的石英钟相对于卫星标准时之间的误差;
接收机位置误差,即接收机天线相位中心相对测站标石中心位置的误差;
接收机天线相位中心偏差,即接收机天线的相位中心与其几何中心理论上应保持一致,但随着观测时信号输入的强度和方向不同而致使天线的相位中心有所变化。
二、卫星定位方法
(一)按接收机所处的状态分类
1.静态定位
在某次观测期间,接收机待定点相对于周围固定点没有可觉察的运动,或者虽可觉察,但运动缓慢以至于可以忽略不计,那么确定该待定点位置的方法称为静态定位。
2.动态定位
在某次观测期间,接收机待定点相对于周围固定点有可觉察的显著运动,则确定该待定点位置的方法称为动态定位。
静态定位和动态定位的区别主要是在观测期间待定点的位置于建立的数学模型中是否看做常量。
(二)按接收机是否有参考基准分类
1.单点定位
单点定位是独立确定接收机待定点在坐标系中的绝对位置的方法,也叫绝对定位。单点定位只需要一台接收机即可。
2.相对定位
相对定位是利用两台/多台接收机,分别安置在基线的两端/多端,同步观测相同的卫星,以确定待定点相对位置。相对定位可以通过各接收机数据求差的方式将卫星钟差、星历误差、信号传播误差等[h1]误差消除/削弱。
3.差分定位
属于相对定位的一种。需将一台接收机安置在基准站上进行观测,根据基准站已知精密坐标与接收机计算出的坐标,计算出真实坐标与定位得到的坐标的改正数,并由基准站实时将这一数据发送出去。用户接收机在进行定位观测的同时,也接收到基准站发出的改正数,并对其定位结果进行改正,从而提高定位精度。
(三)按卫星定位观测信息的性质分类
接收机所接收到的信号包含导航电文、伪随机码、载波等信息。
1.伪距定位
通过伪随机码测量传播时间实现定位。
2.载波相位定位
通过载波相位测量实现定位。
3.多普勒定位
多普勒频移是由于卫星与接收机之间的相对运动而产生,通过测量多普勒频移实现定位。
三、RTK技术
RTK技术,即载波相位差分技术,是实时处理两个测量站载波相位观测量的差分方法。通过基准站采集的载波相位发给用户接收机,进行求差解算坐标。
RTK可以在野外实时获取厘米级精度定位,是一种新型的常用卫星定位测量技术。
3RTK技术
网络RTK技术:也叫多基准站RTK,基本原理是在一个较大的区域内稀疏地、较均匀地布设多个基准站,构成一个基准站网,然后借鉴广域差分定位技术和多基准站的局域差分定位技术中的原理和方法来消除或削弱各种系统误差,从而获取高精度定位。
网络RTK利用CORS基站系统有效优化了单一基准站作业距离有限、效率低、电源供给不足等传统RTK技术的局限性,具有作用范围广、精度高、野外单机作业等优点。