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GNSS定位原理分析

一、GNSS定义

根据后方交会定位原理，要实现GNSS定位，需要解决两个问题:

一是观测瞬间卫星的空间位置；

二是观测站点和卫星之间的距离，即卫星在某坐标系中的坐标。

为此首先要建立适当的坐标系来表征卫星的参考位置，而坐标又往往与时

间联系在一起，因此，GNSS定位是基于坐标系统和时间系统进行的。

GNSS的全称是全球导航卫星系统（GlobalNavigationSatelliteSystem），它

是泛指所有的卫星导航系统，包括全球的、区域的和增强的，如美国的

GPS(GlobalPositioningSystem)、俄罗斯的Glonass（格洛纳斯）、欧洲的

Galileo、中国的北斗卫星导航系统，以及相关的增强系统，如美国的

WAAS（广域增强系统）、欧洲的EGNOS（欧洲静地导航重叠系统）和日本

的MSAS（多功能运输卫星增强系统）等，还涵盖在建和以后要建设的其他

卫星导航系统。国际GNSS系统是个多系统、多层面、多模式的复杂组合

系统，如下图所示。

二、坐标系统与时间系统

卫星导航系统中，坐标系用于描述与研究卫星在其轨道上的运动、表达地

面观测站的位置以及处理定位观测数据。根据应用场合的不同，选用的坐

标系也不相同。

坐标系统大概分为以下几类:

地理坐标系、惯性坐标系、地球坐标系、地心坐标系和参心坐标系。

国内常用的坐标系统有:

1954年北京54坐标系(Beijing54CoordinateSystem，P54)、

1980年国家大地坐标系(NationalGeodeticCoordinateSystem1980，C80)、

1984年世界大地坐标系统(WorldGeodeticSystem-1984CoordinateSystem，

WGS-84)、

2000国家大地坐标系(ChinaGeodeticCoordinateSystem2000CGCS2000)。

时间系统在卫星导航中是最重要、最基本的物理量之一。

首先，高精度的原子钟控制卫星发送的所有信号。

其次，在大多数卫星导航系统中，距离的测量都是通过精确测定信号传播

的时间来实现的。

时间系统主要包括世界时、历书时、力学时、原子时、协调世界时、儒略

日、卫星导航时间系统。

其中GNSS采用了一个独立的时间系统作为导航定位计算的依据，称为

GNSS时间系统，简称GNSST。GNSST属于原子时系统，其秒长与原子时

秒长相同。

三、定位原理

GNSS的设计思想是将空间的人造卫星作为参照点，确定一个物体的空间位

置。根据几何学理论可以证明，通过精确测量地球上某个点到三颗人造卫

星之间的距离，能对此点的位置进行三角形的测定，这就是GNSS最基本

的设计思路及定位功能。

假设地面测得某点P到卫星S1的距离为r1，那么从几何学可知，P点所在

的空间可能位置集缩到这样一个球面上，此球面的球心为卫星S1，半径为

r1。再假设测得P点到第二颗卫星S2的距离为r2，同样意味着P点处

于以第二颗卫星S2为球心、半径为r2的球面上。

如果同时测得P点到第三颗卫星S3的距离为r3，意味着P点也处于以第

三颗卫星S3为球心、半径为r3的球面上，这样就可以确定P点的位

置，也就是三个球面的交汇处，如图3-2所示。从GNSS进行定位的基本

原理可以看出，GNSS定位方法的实质，即测量学的空间后方交会。由于

GNSS采用单程测距，且难以保证卫星钟与用户接收机钟的严格同步，因

此观测站和卫星之间的距离均受两种时钟不同步的影响。卫星钟差可用导

航电文中所给的