GNSS及GPS的基本原理与测量应用.pptx

主要内容主要内容二二三三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一一一、GNSS的概念n nGNSSGNSS是是Global Navigation Satellite SystemGlobal Navigation Satellite System的缩的缩写，应译为写，应译为“全球导航卫星系统全球导航卫星系统”，而不宜译，而不宜译成成“全球卫星导航系统全球卫星导航系统”。n n“全球导航全球导航”是相对于是相对于陆基区域性导航陆基区域性导航而言，而言，以此体现卫星导航的优越性。以此体现卫星导航的优越性。n n目前很多人将目前很多人将GNSSGNSS与与GPSGPS等系统等系统并列并列而论，而而论，而GPSGPS厂商却推出厂商却推出GNSSGNSS接收机。这就存在一个问接收机。这就存在一个问题：题：GNSSGNSS究竟是一个究竟是一个单一系统单一系统，还是一个，还是一个综合综合系统系统？GNSS从它问世开始，就不是一个单一星座系统，而是一个包括GPS、GLONASS在内的综合星座系统。早在早在早在早在2020世纪世纪世纪世纪9090年代中期开始，欧盟一直在致力于一个雄心年代中期开始，欧盟一直在致力于一个雄心年代中期开始，欧盟一直在致力于一个雄心年代中期开始，欧盟一直在致力于一个雄心勃勃的民用全球导航卫星系统计划，称之为勃勃的民用全球导航卫星系统计划，称之为勃勃的民用全球导航卫星系统计划，称之为勃勃的民用全球导航卫星系统计划，称之为Global Navigation Global Navigation Satellite SystemSatellite System。该计划分两步实施：。该计划分两步实施：。该计划分两步实施：。该计划分两步实施：第一步第一步是建立一个综合是建立一个综合是建立一个综合是建立一个综合利用美国的利用美国的利用美国的利用美国的GPSGPS系统和俄罗斯的系统和俄罗斯的系统和俄罗斯的系统和俄罗斯的GLONASSGLONASS系统的第一代全球系统的第一代全球系统的第一代全球系统的第一代全球导航卫星系统导航卫星系统导航卫星系统导航卫星系统(当时称为当时称为当时称为当时称为GNSS-1GNSS-1，即后来建成的如图所示的，即后来建成的如图所示的，即后来建成的如图所示的，即后来建成的如图所示的EGNOSEGNOS系统系统系统系统)；第二步第二步是建立一个完全独立于美国的是建立一个完全独立于美国的是建立一个完全独立于美国的是建立一个完全独立于美国的GPSGPS系统系统系统系统和俄罗斯的和俄罗斯的和俄罗斯的和俄罗斯的GLONASSGLONASS系统之外的第二代全球导航卫星系统，系统之外的第二代全球导航卫星系统，系统之外的第二代全球导航卫星系统，系统之外的第二代全球导航卫星系统，即正在建设中的即正在建设中的即正在建设中的即正在建设中的GalileoGalileo卫星导航定位系统。卫星导航定位系统。卫星导航定位系统。卫星导航定位系统。一、一、GNSS北北 斗斗GPSGPS伽利略伽利略格洛纳斯格洛纳斯19731982197819851 1、GLONASSGLONASSu类似于类似于GPS，是俄罗斯以空间为基础的无线电导，是俄罗斯以空间为基础的无线电导航系统；航系统；u其前身其前身CICADA与子午系统同期，于与子午系统同期，于19651965年设计，年设计，有有1212颗卫星；颗卫星；u2020世纪世纪7070年代中期前苏联军方启动年代中期前苏联军方启动GLONASS计划计划u19821982年年1010月月1212日发射第一颗日发射第一颗GLONASS卫星卫星u19961996年年1 1月月1818日，完成日，完成2424颗卫星的布局，卫星具备颗卫星的布局，卫星具备完全工作能力完全工作能力u由于经济原因，现在天空上的由于经济原因，现在天空上的GLONASS卫星仅为卫星仅为8 8颗。颗。GLONASSGLONASSGPS/GLONASS系统参数比较系统参数比较GPSGLONASS卫星星座21+321+3轨道平面6个轨道面3个轨道面轨道倾角55。64.8。轨道高度20,200km19,123km运行周期11小时58分钟11小时15分钟星历数据轨道开普勒根数地心直角坐标卫星寻址CDMA（码分多址）不同的卫星采用不同的PRN码加以区分FDMA（频分多址）（L1）1602+k?/16MHz（L2）1246+k?/16MHz载波频率L1：1575.42MHzL2：1227.6MHz1602.5625MHz1615.5MHz1246.4375MHz1256.5MHz基准坐标系WGS-84PZ-90测距码伪随机噪声码伪随机噪声码码元数1023 bit511 bit码周期1 ms1 ms码频率1.023 MHz0.511 MHz时间基准GPS时统，与UTC保持一定的差值，无跳秒GLONASS时统，经常调整与UTC保持一致，有跳秒导航电文37500 bits，持续750秒7500 bits，持续150秒2 2、GalileoGalileou背景：背景：GLONASS在轨卫星缺失，在轨卫星缺失，GPS独霸市场独霸市场 GLONASS、GPS均由军方控制均由军方控制u欧盟：要建立国际欧盟：要建立国际民间控制民间控制的或的或欧盟自己的欧盟自己的民用导航系统民用导航系统u特点：共享的独立于特点：共享的独立于GPS的无增强条件下的适于海陆空的的无增强条件下的适于海陆空的 系统。参股共建，收费。系统。参股共建，收费。u阶段：阶段：（一）（一）2000年前，可行性评估或定义年前，可行性评估或定义（二）（二）20012005，开发和检测，开发和检测（三）（三）20062007，部署，部署（四）（四）2008，商业运行，商业运行欧盟为何重视伽利略计划欧盟为何重视伽利略计划首先，打破美国在这方面的垄断地位，为欧盟赢得可观的市场份额首先，打破美国在这方面的垄断地位，为欧盟赢得可观的市场份额。权威部门预计：伽利略计划将为欧盟创造万个高技术含量的就业岗位；每年经济收益有亿欧元之多；仅出售航空和航海终端设备一项就可在年至年将获得亿欧元收入第二，欧盟开发此项目可为欧盟现在极力提倡的第二，欧盟开发此项目可为欧盟现在极力提倡的欧洲共同安全防御政欧洲共同安全防御政策服务。策服务。第三，欧盟认为，没有科技上的领先地位，欧盟在将来许多事务中就第三，欧盟认为，没有科技上的领先地位，欧盟在将来许多事务中就没有没有主导权主导权。GalileoGalileo计划的历程计划的历程主要面临的困难主要面临的困难：投资巨大：“伽利略系统”高达36亿欧元的造价 美国政府的极力反对：美国的干扰在一定程度上推迟了“伽利略”计划的通过各国的态度各国的态度:美国：美国说“伽利略”是个很坏的计划 法国：对美国的垄断感到不满 德国、荷兰、英国：经济Galileo计划概况伽利略计划的资金预计为32亿到36亿欧元系统由30颗高轨道卫星组成，分布在轨道高度为2.4万千米、倾角为56度的3个轨道面上。基础设施包括天基和地基两部分。卫星将为用户提供精确的时间和误差不超过一米的全球精确定位服务，与美国GPS和俄罗斯的GLONASS争夺市场。Galileo系统的特性系统的特性n n相比GPS和GLONASS，Galileo系统起点较高，吸收了很多GPS和GLONASS的经验，具有很多优点。n n从设计目标来看，Galileo系统的定位精度优于GPS。如果说GPS只能找到街道，Galileo系统则可找到车库门。n n Galileo系统为地面用户提供3种信号：免费使用的信号、加密且需交费使用的信号、加密且能满足更高要求的信号。其精度依次提高，最高精度比GPS高10倍。免费使用的信号精度预计为10米。n nGalileo系统的主要特点是多频率、多服务、多用户。它除了具有定位导航功能外，还具有全球搜寻救援功能。为此每颗Galileo卫星还装备一种援救收发器，接收来自遇险用户的求援信号，并将它转发给地面救援协调中心，后者组织对遇险用户的援救。与此同时，Galileo系统还向遇险用户发送援救安排通报，以便遇险用户等待救援。n nGalileo系统的另一个优势在于：它能够与GPS、GLONASS实现多系统内的相互兼容。Galileo接收机可以采集各个系统的数据或者通过各个系统数据的组合来进行定位导航。Galileo系统提供的服务系统提供的服务 Galileo Galileo系统提供两种类型的服务，即免费服务系统提供两种类型的服务，即免费服务和有偿服务。具体分为六类：和有偿服务。具体分为六类：n n公开服务（Open Service）：该服务免费提供给全球用户。n n商业服务（Commercial Service）：这种服务主要提供公开服务中额外的服务，比如在公开服务中添加加密的数据，通过Galileo系统和无线通讯网络的结合实现航空通信等。n n生命安全服务（Safe-of-Life Service）：这种服务一般只用于交通运输、船只入港、铁路运输管制和航空管制等。n n公共规范服务（公共规范服务（Public Regular ServicePublic Regular Service）：这种服务只）：这种服务只提供给欧盟成员国。提供与欧洲密切相关的军事、工提供给欧盟成员国。提供与欧洲密切相关的军事、工业和经济服务，比如：国家安全、紧急救援、治安、业和经济服务，比如：国家安全、紧急救援、治安、警戒以及紧急的能源、交通和通讯等。警戒以及紧急的能源、交通和通讯等。n n地区性组织提供的导航定位服务（地区性组织提供的导航定位服务（Navigation Services Navigation Services to be provided by Local componentsto be provided by Local components）：这种加强的导航）：这种加强的导航定位服务根据用户的特殊要求，通过区域性增强系统定位服务根据用户的特殊要求，通过区域性增强系统向用户提供。该服务可以提供更精确的定位和授时服向用户提供。该服务可以提供更精确的定位和授时服务。务。n n搜寻与救援服务（搜寻与救援服务（Search and Rescue ServiceSearch and Rescue Service）3 3、北斗系统、北斗系统目的：快速定位、实目的：快速定位、实时导航，简短通讯，时导航，简短通讯，精密授时精密授时 由两颗地球同步轨道由两颗地球同步轨道卫星组成星座，卫星卫星组成星座，卫星结构简单结构简单北斗卫星导航系统三步走战略：第一步，第一步，第一步，第一步，1994199419941994年启动北斗卫星导航试验系统建设，年启动北斗卫星导航试验系统建设，年启动北斗卫星导航试验系统建设，年启动北斗卫星导航试验系统建设，2000200020002000年形成区域有源服务能力；年形成区域有源服务能力；年形成区域有源服务能力；年形成区域有源服务能力；第二步，建设北斗卫星导航系统，第二步，建设北斗卫星导航系统，第二步，建设北斗卫星导航系统，第二步，建设北斗卫星导航系统，2012201220122012年左右形成覆盖年左右形成覆盖年左右形成覆盖年左右形成覆盖亚太大部分地区的服务能力。亚太大部分地区的服务能力。亚太大部分地区的服务能力。亚太大部分地区的服务能力。第三步，第三步，第三步，第三步，2020202020202020年左右，北斗卫星导航系统形成全球覆盖年左右，北斗卫星导航系统形成全球覆盖年左右，北斗卫星导航系统形成全球覆盖年左右，北斗卫星导航系统形成全球覆盖能力。能力。能力。能力。P.S：“北斗”卫星导航试验系统（也称“双星定位导航系统”），工程代号：“北斗一号”2000年以来，中国成功发射了4颗“北斗导航试验卫星”，建成“北斗一号”。这个系统具备在中国及其周边地区范围内的定位、授时、报文和GPS广域差分功能，并在测绘、电信、水利、交通运输、渔业、勘探、森林防火和国家安全等诸多领域发挥重要作用。2012年12月27日，北斗系统空间信号接口控制文件正式版正式公布，北斗导航业务正式对亚太地区提供无源定位、导航、授时服务。集团用户解决方案 地面数据处理中心可以：地面数据处理中心可以：利用北斗用户的实时运行轨迹和相关地图对动态用户进行导航和交通管制遥测北斗用户接收机的工作状态，报警用户收发机的故障，识别用户身份，控制用户使用响应并回复集团用户对下属用户的定位审查二、二、GPSGPS的组成及基本原理的组成及基本原理 GPS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GPS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。GPS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)。GPS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。GPS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 GPS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5-15mGPS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GPS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 光的速度光的速度GPS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 GPS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GPS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R3GPS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1参数参数改正改正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43观观测测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GPS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=300 m测距误差三、GPS的测量应用单点定位相对定位VRS技术GPS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GPS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+/-100 m 高程的精度则为+/-160 m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GPS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GPS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+1ppm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GPSGPS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。GPSGPS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 基基准准站站即时传递改正值移动移动站站GPS的测量应用的测量应用即时动态测量即时动态测量（RTK）GPS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VRSVRS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 VRSVRS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VRSVRS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 VRSVRS测量技术测量技术原理与流程原理与流程GPS基基准准站站GPS基基准准站站GPS基基准准站站BS1BS2BS4BS3超短基超短基线线 VRS-RTK 解算解算RoverVRS虚虚拟拟基基准准站站GPS基基准准站站GPS基基准准站站BS5BS6基基准站间距准站间距約約 50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/GPRS&NTRIP 通讯协定通讯协定 ADSLADSL待待测点测点位位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(NMEANMEA)虚拟观测资料虚拟观测资料虚拟观测资料虚拟观测资料(RTCMRTCM)GPS 原始观测资料原始观测资料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GPS基基准准站站VRS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。提高可靠性谢谢谢谢!