四大GNSS及GPS的基本原理与测量应用.ppt

2024/5/27 周一,Page 1 四大四大GNSSGNSS及及GPSGPS的的基本原理与测量应用基本原理与测量应用2024/5/27 周一,Page 2主要内容主要内容二二三三四大四大GNSSGNSS简介简介GPSGPS的组成及基本原理的组成及基本原理 GPSGPS的测量应用的测量应用一一2024/5/27 周一,Page 3一、四大一、四大GNSS2024/5/27 周一,Page 4GPS(Global Positioning Systems)l美国国防部开发的第二代空间定位系统l特点由21+3颗卫星组成分布在6个轨道平面上轨道高度20200Km运行周期11小时58分民用定位精度为10m左右导航精度10-20 m 坐标系统为WGS-84全球、全天候工作，定位精度高，功能多，应用广2024/5/27 周一,Page 5GPS现状现状l完成时间：1994年l最新进展：2010年5月13日，美国发射了首颗改进型GPS二代导航卫星GPS-2F，其后还将在本年度再发射两颗。GPS-2F卫星具有更强的抗干扰和抗打击能力，寿命也延长到15年。与此同时，为满足未来30年系统技术扩展和用户需求而制定的第三代GPS计划也有提前部署的可能。2024/5/27 周一,Page 6格洛纳斯（格洛纳斯（GLONASS）l由24颗卫星组成，分布在3个轨道平面上，每个轨道面有8 颗卫星l轨道高度19100Km，运行周期11小时15分l定位精度可达1米，速度误差仅为15厘米/秒l前苏联地心坐标系（PE-90）l卫星平均在轨寿命较短,没有开发民用市场2024/5/27 周一,Page 7格洛纳斯现状格洛纳斯现状l完成时间：1996年l最新进展：截至2010年2月，共有18颗卫星处于在轨运行状态。由于GLONASS卫星寿命短，组网后因为种种原因不能及时替代，从1999年起处于瘫痪状态，不能单独提供全球导航卫星服务。俄罗斯计划2010年将分3次发射共9颗格洛纳斯卫星，使这一系统恢复正常。2024/5/27 周一,Page 8伽利略（伽利略（GALILEO）l由30颗卫星组成，分布在3个轨道，轨道高度24126Kml 与GPS相比：覆盖面积将是GPS系统的两倍地面定位误差不超过1米，GPS只能找到街道，而伽利略系统则能找到车库门伽利略系统使用多种频段工作，在民用领域比GPS更经济、更透明、更开放2024/5/27 周一,Page 9伽利略现状伽利略现状l完成时间：最初预计2012年完成全球覆盖l最新进展：2002年启动的欧洲伽利略系统一直不够顺利，计划超支和成员国之间利益分配问题导致该计划滞后于原计划近6年。今年11月，联盟火箭计划发射两颗伽利略在轨实验卫星。2024/5/27 周一,Page 10北斗（北斗（COMPASS）l颗静止轨道卫星+颗非静止轨道卫星l采用中国2000大地坐标系（CGS2000）l开放服务：定位精度:10 m测速精度:0.2 m/s授时精度:20 ns2024/5/27 周一,Page 11北斗现状北斗现状l完成时间：预计2012年实现亚太地区覆盖，2020年完成全球覆盖l最新进展：北京时间11月1号0时26分，我国在西昌卫星发射中心成功将第6颗北斗导航卫星送入太空，这是我国今年连续发射的第4颗北斗卫星。2024/5/27 周一,Page 12北斗介绍北斗介绍2024/5/27 周一,Page 13GPS的组成基本原理空间星座部分地面控制部分用户设备部分测距定位二、二、GPSGPS的组成及基本原理的组成及基本原理 2024/5/27 周一,Page 14GPS系统组成系统组成地面控制部分：地面控制部分：中心控制系统 实现时间同步 跟踪卫星进行定轨空间部分：空间部分：提供星历和时间信息 发射伪距和载表信号 提供其它辅助信息用户设备部分：用户设备部分：接收卫星信号记录处理数据2024/5/27 周一,Page 15GPS系统组成系统组成空间部分空间部分l24颗卫星（21+3）l6个轨道平面l55轨道倾角l20200km轨道高度（地面高度）l11小时58分轨道周期l5个多小时出现在地平线以上每天提前4分钟出现l在地球上任何地方可以同时观测到4-11颗高度角15以上的卫星。2024/5/27 周一,Page 16GPS系统组成系统组成地面控制部分地面控制部分Colorado springs5 55 5HawaiiAscencionDiego Garciakwajaleinl1 1个主控站个主控站:Colorado springs(:Colorado springs(科罗拉多科罗拉多.斯平士斯平士)。l3 3个注入站个注入站:Ascencion(:Ascencion(阿森松群岛阿森松群岛)、Diego Garcia(Diego Garcia(迭哥迭哥伽西亚伽西亚)、kwajalein(kwajalein(卡瓦加兰卡瓦加兰)。l5 5个监控站：个监控站：以上主控站、注入站及以上主控站、注入站及Hawaii(Hawaii(夏威夷夏威夷)。2024/5/27 周一,Page 17GPS系统组成系统组成地面控制部分地面控制部分l主控站:它的作用是根据各监控站对GPS的观测数据，计算出卫星的星历和卫星钟的改正参数等，并将这些数据通过注入站注入到卫星中去；同时，它还对卫星进行控制，向卫星发布指令，当工作卫星出现故障时，调度备用卫星替代失效的工作卫星工作。l3个注入站:将主控站计算出的卫星星历和卫星钟的改正数等注入到卫星中去。l5个监控站：接收卫星信号，监测卫星的接收卫星信号，监测卫星的工作状态，传送到主控站。2024/5/27 周一,Page 18GPS系统组成系统组成用户设备部分用户设备部分按照原理、用途、功能来分类 用途载波频率 工作原理 导航型接收机 测地型接收机 平方型接收机 混合型接收机 干涉型接收机 单频接收机 双频接收机 通道种类 多通道接收机 序贯通道接收机 2024/5/27 周一,Page 19GPS系统组成系统组成用户设备部分用户设备部分l手持导航型GPS机，精度5-15m2024/5/27 周一,Page 20GPS系统组成系统组成用户设备部分用户设备部分l测量型GPS接收机，最高精度1mm+1ppm天天线线天天线线主机箱主机箱记记录录簿簿主机主机电电源源电台电台2024/5/27 周一,Page 21GPS基本原理基本原理测距测距XllVlXllllllllVVVll VlllXlXXllVlXllllllllVVVll VlllXlX距离距离=信号传输时间信号传输时间 x x 光的速度光的速度2024/5/27 周一,Page 22GPS基本原理基本原理二维三边测量法二维三边测量法北京北京西安西安广州广州武汉武汉2024/5/27 周一,Page 23GPS基本原理基本原理三维三边测量法三维三边测量法我们处在以我们处在以 RI 为半径的一个球面上为半径的一个球面上R12 个球面相交得出一条曲线个球面相交得出一条曲线R23 个球面相交于一个点个球面相交于一个点3 个距离观测值可以解算出一个点的纬度、经度与高程个距离观测值可以解算出一个点的纬度、经度与高程R32024/5/27 周一,Page 24GPS基本原理基本原理定位过程定位过程空空间间距距离离的的量量测测为为定定位位的的基基本本1 1参数参数改正改正5 5观观测测卫卫星星至至地地面面点点位位的的距离距离2 2利利用用接接收收卫卫星星星星历历资资料料决决定定点位位置点位位置4 43 3观观测测4 4颗颗以以上上卫卫星星才才能能解解算算点点位位的的空间距离空间距离2024/5/27 周一,Page 25GPS基本原理基本原理定位定位卫星充当“轨道控制站”测量与时间相关的每一颗卫星的伪随机码通常情况下，GPS接收机采用廉价的时钟。它们的精度远远低于卫星的机载时钟无线电波以光速传播(距离=速度x时间)时钟误差与测距精度的关系：1/10秒时钟误差=30,000Km测距误差1/1,000,000秒时钟误差=300m测距误差2024/5/27 周一,Page 26三、GPS的测量应用单点定位相对定位VRS技术2024/5/27 周一,Page 27GPS的测量应用的测量应用单点定位单点定位l单独一个观测站接受信号进行定位。从原理上类似于后方交会进行点的定位。采用虚拟距离观测量精度较差，仅能消除接收机时钟误差2024/5/27 周一,Page 28GPS的测量应用的测量应用单点定位精度单点定位精度l理论上说，利用 C/A 码进行单点定位精度可以达到 10-30ml在 SA 条件下进行单点定位：平面位置的精度为+/-100m高程的精度则为+/-160m2024/5/27 周一,Page 29单点定位的应用单点定位的应用自然资源调查自然资源调查城市规划城市规划环境调查环境调查2024/5/27 周一,Page 30GPS的测量应用的测量应用相对定位相对定位l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的定位方法。至少一台接收机置于已知坐标点上，称为主站，置于未知点上的称为待测站或移动站。精度较高2024/5/27 周一,Page 31GPS的测量应用的测量应用相对定位的种类相对定位的种类动态（kinematic）DGPS-codeDGPS-codeKGPS-phaseKGPS-phase静态（static）静态快速静态SRDGPS单基站差分GPSLADGPS区域差分GPSWADGPS广域差分GPSWAAS广域增强系统LAAS区域增强系统Pseudo-Kinematic虚拟动态测量Semi-Kinematic半动态测量RealTimeKinematic即时动态测量2024/5/27 周一,Page 32GPS的测量应用的测量应用静态相对定位静态相对定位l方法：利用两套及以上的GPS接收机，分别安置在每条基线的端点上，同步观测四颗以上的卫星0.51小时，基线的长度在20公里以内。各基线构成网状的封闭图形，事后经过整体平差处理。l用途：是精度最高的作业模式。主要用于大地测量、控制测量、变形测量、工程测量。l精度：可达到5mm+1ppm2024/5/27 周一,Page 33静态相对定位静态相对定位基线测量基线测量基线向量基线向量基线向量基线向量BA A（dxdx、dydy、dz)dz)基准站移动站2024/5/27 周一,Page 34GPSGPS的测量应用的测量应用即时动态测量（即时动态测量（RTKRTK）常规的GPS测量方法，如静态、快速静态、动态测量都需要事后进行解算才能获得厘米级的精度，而RTK是能够在野外实时得到厘米级定位精度的测量方法，它采用了载波相位动态实时差分方法，极大地提高了外业作业效率。2024/5/27 周一,Page 35GPSGPS的测量应用的测量应用即时动态测量（即时动态测量（RTKRTK）定位精度定位精度为厘米级为厘米级RTK RTK 基基准准站站即时传递改正值移动移动站站2024/5/27 周一,Page 36GPS的测量应用的测量应用即时动态测量（即时动态测量（RTK）2024/5/27 周一,Page 37GPS相对定位的后处理测量方法相对定位的后处理测量方法静态相对定位模式静态相对定位模式流动站流动站动态相对定位模式动态相对定位模式基准站基准站2024/5/27 周一,Page 38GPS定位误差分类定位误差分类与GPS卫星有关的误差与传播途径有关的误差与GPS 接收机有关的误差卫星星历误差 卫星钟差 SA干扰误差电离层折射 对流层折射 多路径效应 接收机钟差 接收机的位置误差 接收机天线相位中心偏差 2024/5/27 周一,Page 39VRSVRS测量技术测量技术GPS实时差分定位RTK技术的缺点：l用户需要架设本地参考站l误差随距离的增加而增长l误差增长使流动站和参考站的距离受到限制，一般 小于15公里l精度为10mm+1ppm，可靠性随距离增大而降低 2024/5/27 周一,Page 40VRSVRS测量技术测量技术虚拟参考站方案中虚拟参考站方案中VRSVRS的特点与技术优势：的特点与技术优势：虚拟参考站方案中，VRS的实施将使一个地区的测绘工作成为一个有机的整体，这改变了以往GPS作业“单打独斗”的局面，同时它使GPS技术的应用更为广泛，使其精度和可靠性得到进一步提高，最重要的是建立GPS网络的成本降低了很多。我国深圳市第一个建成了VRS技术卫星定位服务系统2024/5/27 周一,Page 41何谓何谓VRSVRS测量技术测量技术？l移动站并非接受某个实际基准站的实际观测资料，而是经过定位误差修正的虚拟观测数据，也就是RTK主站，并不是实际存在的实体主站，而是在移动站附近产生一个经过人为加工的虚拟化主站，这种网络化的定位技术称为虚拟参考站动态定位技术，简称VRS-RTKVRS-RTK+GPS卫星定位技术卫星定位技术Mobile Phone 行行动式数据传输技术动式数据传输技术+宽频网络数据宽频网络数据通讯技术通讯技术2024/5/27 周一,Page 42VRSVRS测量技术测量技术控制中心固定站用户部分整个系统的核心固定参考站是固定的GPS接收系统，分布在整个网络中，一个VRS网络可包括无数个站用户部分就是用户的接收机，加上无线通讯的调制解调器。系系统统构构成成 GPS设备上网模块 无线上网设备及上网账号 VRS的接入账号 2024/5/27 周一,Page 43VRSVRS测量技术测量技术原理与流程原理与流程G GP PS S基基准准站站G GP PS S基基准准站站G GP PS S基基准准站站BS1BS2BS4BS3超短基超短基线线 V VR RS-RTK S-RTK 解算解算RoverRoverV VR RS S虚虚拟拟基基准准站站G GP PS S基基准准站站G GP PS S基基准准站站BS5BS6基基准站间距准站间距約約 5050公里公里基基准准站站间间距距約約 50公公里里控控制制及及计计算算中中心心GSM/GSM/GPRSGPRS&NTRIPNTRIP 通讯协定通讯协定 ADSLADSLADSLADSL待待测点测点位位GPS GPS GPS GPS 单点定位坐标单点定位坐标单点定位坐标单点定位坐标(NMEANMEANMEANMEA)虚拟观测资料虚拟观测资料虚拟观测资料虚拟观测资料(RTCMRTCMRTCMRTCM)GPS GPS 原始观测资料原始观测资料GPS GPS 原始原始观测资料观测资料 计计算算区区域域改改正正參參数数內內插插计计算算組組成成虚虚拟拟观观测测量量控控制制及及计计 算算中中心心G GP PS S基基准准站站2024/5/27 周一,Page 44VRS测量技术优势测量技术优势 VRSVRS覆盖范围：覆盖范围：VRS网络可以有多个站，但最少需要3个 VRSVRS的主要优势的主要优势 费用将大幅度降低相对传统RTK，提高了精度，精度始终在12cm。提高可靠性2024/5/27 周一,Page 45谢谢谢谢!