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文檔簡介
1、,GNSS及GPS的基本原理與測量應用,主要內(nèi)容,GNSS簡介,GPS的組成及基本原理,GPS的測量應用,一、GNSS的概念,GNSS是Global Navigation Satellite System的縮寫,應譯為“全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)”,而不宜譯成“全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)”?!叭?qū)Ш健笔窍鄬τ陉懟鶇^(qū)域性導航而言,以此體現(xiàn)衛(wèi)星導航的優(yōu)越性。目前很多人將GNSS與GPS等系統(tǒng)并列而論,而GPS廠商卻推出GNSS接收機。這就存在一個問題:
2、GNSS究竟是一個單一系統(tǒng),還是一個綜合系統(tǒng)?,GNSS從它問世開始,就不是一個單一星座系統(tǒng),而是一個包括GPS、GLONASS在內(nèi)的綜合星座系統(tǒng)。,早在20世紀90年代中期開始,歐盟一直在致力于一個雄心勃勃的民用全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)計劃,稱之為Global Navigation Satellite System。該計劃分兩步實施:第一步是建立一個綜合利用美國的GPS系統(tǒng)和俄羅斯的GLONASS系統(tǒng)的第一代全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(當時稱為GNSS
3、-1,即后來建成的如圖所示的EGNOS系統(tǒng));第二步是建立一個完全獨立于美國的GPS系統(tǒng)和俄羅斯的GLONASS系統(tǒng)之外的第二代全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng),即正在建設中的Galileo衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)。,,,一、GNSS,北 斗,GPS,伽利略,格洛納斯,1973,1982,1978,1985,1、GLONASS,類似于GPS,是俄羅斯以空間為基礎(chǔ)的無線電導航系統(tǒng);其前身CICADA與子午系統(tǒng)同期,于1965年設計,有12顆衛(wèi)星;20世紀70
4、年代中期前蘇聯(lián)軍方啟動GLONASS計劃1982年10月12日發(fā)射第一顆GLONASS衛(wèi)星1996年1月18日,完成24顆衛(wèi)星的布局,衛(wèi)星具備完全工作能力由于經(jīng)濟原因,現(xiàn)在天空上的GLONASS衛(wèi)星僅為8顆。,GLONASS,GPS/GLONASS系統(tǒng)參數(shù)比較,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,2、Galileo,背景:GLONASS在軌衛(wèi)星缺失,GPS獨霸市場
5、 GLONASS、GPS均由軍方控制歐盟:要建立國際民間控制的或歐盟自己的民用導航系統(tǒng)特點:共享的獨立于GPS的無增強條件下的適于海陸空的 系統(tǒng)。參股共建,收費。階段:(一)2000年前,可行性評估或定義(二)2001~2005,開發(fā)和檢測(三)2006~2007,部署(四)2008,商業(yè)運行,歐盟為何重視伽利略計劃,首先,打破美國在這方面的壟斷地位,為歐盟贏得可觀的市場份額。 權(quán)威部門
6、預計: 伽利略計劃將為歐盟創(chuàng)造15萬個高技術(shù)含量的就業(yè)崗位;每年經(jīng)濟收益有100億歐元之多; 僅出售航空和航海終端設備一項就可在2008年至2020年將獲得150億歐元收入第二,歐盟開發(fā)此項目可為歐盟現(xiàn)在極力提倡的歐洲共同安全防御政策服務。第三,歐盟認為,沒有科技上的領(lǐng)先地位,歐盟在將來許多事務中就沒有主導權(quán)。,Galileo計劃的歷程,主要面臨的困難: 投資巨大:“伽利略系統(tǒng)”高達36億歐元的造價
7、 美國政府的極力反對:美國的干擾在一定程度上推遲了“伽利略”計劃的通過各國的態(tài)度: 美國:美國說“伽利略”是個很壞的計劃 法國:對美國的壟斷感到不滿 德國、荷蘭、 英國:經(jīng)濟,Galileo計劃概況,,伽利略計劃的資金預計為32億到36億歐元系統(tǒng)由30顆高軌道衛(wèi)星組成,分布在軌道高度為2.4萬千米、傾角為56度的3個軌道面上。基礎(chǔ)設施包括天基和地基兩部分。衛(wèi)星將為用戶提供精確的時間和誤差不超過一米的全球精
8、確定位服務,與美國GPS和俄羅斯的GLONASS爭奪市場。,Galileo系統(tǒng)的特性,相比GPS和GLONASS,Galileo系統(tǒng)起點較高,吸收了很多GPS和GLONASS的經(jīng)驗,具有很多優(yōu)點。從設計目標來看, Galileo系統(tǒng)的定位精度優(yōu)于GPS。如果說GPS只能找到街道, Galileo系統(tǒng)則可找到車庫門。 Galileo系統(tǒng)為地面用戶提供3種信號:免費使用的信號、加密且需交費使用的信號、加密且能滿足更高要求的信號。其精
9、度依次提高,最高精度比GPS高10倍。免費使用的信號精度預計為10米。,,Galileo系統(tǒng)的主要特點是多頻率、多服務、多用戶。它除了具有定位導航功能外,還具有全球搜尋救援功能。為此每顆Galileo衛(wèi)星還裝備一種援救收發(fā)器,接收來自遇險用戶的求援信號,并將它轉(zhuǎn)發(fā)給地面救援協(xié)調(diào)中心,后者組織對遇險用戶的援救。與此同時,Galileo系統(tǒng)還向遇險用戶發(fā)送援救安排通報,以便遇險用戶等待救援。Galileo系統(tǒng)的另一個優(yōu)勢在于:它能夠與G
10、PS、GLONASS實現(xiàn)多系統(tǒng)內(nèi)的相互兼容。 Galileo接收機可以采集各個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)或者通過各個系統(tǒng)數(shù)據(jù)的組合來進行定位導航。,Galileo系統(tǒng)提供的服務,Galileo系統(tǒng)提供兩種類型的服務,即免費服務和有償服務。具體分為六類:公開服務(Open Service):該服務免費提供給全球用戶。商業(yè)服務(Commercial Service):這種服務主要提供公開服務中額外的服務,比如在公開服務中添加加密的數(shù)據(jù),通過Galile
11、o系統(tǒng)和無線通訊網(wǎng)絡的結(jié)合實現(xiàn)航空通信等。生命安全服務(Safe-of-Life Service):這種服務一般只用于交通運輸、船只入港、鐵路運輸管制和航空管制等。,,公共規(guī)范服務(Public Regular Service):這種服務只提供給歐盟成員國。提供與歐洲密切相關(guān)的軍事、工業(yè)和經(jīng)濟服務,比如:國家安全、緊急救援、治安、警戒以及緊急的能源、交通和通訊等。地區(qū)性組織提供的導航定位服務(Navigation Services
12、 to be provided by Local components):這種加強的導航定位服務根據(jù)用戶的特殊要求,通過區(qū)域性增強系統(tǒng)向用戶提供。該服務可以提供更精確的定位和授時服務。搜尋與救援服務(Search and Rescue Service),3、北斗系統(tǒng),目的:快速定位、實時導航,簡短通訊,精密授時 由兩顆地球同步軌道衛(wèi)星組成星座,衛(wèi)星結(jié)構(gòu)簡單,北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)三步走戰(zhàn)略:第一步,1994年啟動北斗衛(wèi)星導航試驗系
13、統(tǒng)建設,2000年形成區(qū)域有源服務能力;第二步,建設北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng),2012年左右形成覆蓋亞太大部分地區(qū)的服務能力。第三步,2020年左右,北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)形成全球覆蓋能力。,P.S:“北斗”衛(wèi)星導航試驗系統(tǒng)(也稱“雙星定位導航系統(tǒng)”),工程代號:“北斗一號”2000年以來,中國成功發(fā)射了4顆“北斗導航試驗衛(wèi)星”,建成“北斗一號”。這個系統(tǒng)具備在中國及其周邊地區(qū)范圍內(nèi)的定位、授時、報文和GPS廣域差分功能,并在測繪、電
14、信、水利、交通運輸、漁業(yè)、勘探、森林防火和國家安全等諸多領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。 2012年12月27日,北斗系統(tǒng)空間信號接口控制文件正式版正式公布,北斗導航業(yè)務正式對亞太地區(qū)提供無源定位、導航、授時服務。,集團用戶解決方案,地面數(shù)據(jù)處理中心可以:利用北斗用戶的實時運行軌跡和相關(guān)地圖對動態(tài)用戶進行導航和交通管制遙測北斗用戶接收機的工作狀態(tài),報警用戶收發(fā)機的故障,識別用戶身份,控制用戶使用響應并回復集團用戶對下屬用戶的定位審查,,二、
15、GPS的組成及基本原理,GPS系統(tǒng)組成,,,,,,地面控制部分: 中心控制系統(tǒng) 實現(xiàn)時間同步 跟蹤衛(wèi)星進行定軌,,空間部分: 提供星歷和時間信息 發(fā)射偽距和載表信號 提供其它輔助信息,,,用戶設備部分:接收衛(wèi)星信號記錄處理數(shù)據(jù),GPS系統(tǒng)組成——空間部分,24顆衛(wèi)星(21+3)6個軌道平面55º軌道傾角20200km軌道高度(地面高度)11小時58分軌道周期5個多小時
16、出現(xiàn)在地平線以上每天提前4分鐘出現(xiàn)在地球上任何地方可以同時觀測到4-11顆高度角15?以上的衛(wèi)星。,,,GPS系統(tǒng)組成——地面控制部分,,Colorado springs,,,,,,Hawaii,Ascencion,Diego Garcia,kwajalein,1個主控站:Colorado springs(科羅拉多.斯平士)。3個注入站:Ascencion(阿森松群島)、 Diego Garcia(迭哥伽西亞)、kwajalein(
17、卡瓦加蘭)。5個監(jiān)控站: 以上主控站、注入站及Hawaii(夏威夷)。,GPS系統(tǒng)組成——地面控制部分,主控站:它的作用是根據(jù)各監(jiān)控站對GPS的觀測數(shù)據(jù),計算出衛(wèi)星的星歷和衛(wèi)星鐘的改正參數(shù)等,并將這些數(shù)據(jù)通過注入站注入到衛(wèi)星中去 ;同時,它還對衛(wèi)星進行控制,向衛(wèi)星發(fā)布指令,當工作衛(wèi)星出現(xiàn)故障時,調(diào)度備用衛(wèi)星替代失效的工作衛(wèi)星工作。 3個注入站:將主控站計算出的衛(wèi)星星歷和衛(wèi)星鐘的改正數(shù)等注入到衛(wèi)星中去。5個監(jiān)控站:接收衛(wèi)星信號,監(jiān)測
18、衛(wèi)星的接收衛(wèi)星信號,監(jiān)測衛(wèi)星的工作狀態(tài) ,傳送到主控站。,GPS系統(tǒng)組成——用戶設備部分,按照原理、用途、功能來分類,用途,載波頻率,工作原理,,導航型接收機,測地型接收機,,平方型接收機,混合型接收機,干涉型接收機,,單頻接收機,雙頻接收機,通道種類,多通道接收機,序貫通道接收機,,GPS系統(tǒng)組成——用戶設備部分,手持導航型GPS機,精度5-15m,GPS系統(tǒng)組成——用戶設備部分,測量型GPS接收機,最高精度1mm+1ppm,GPS基
19、本原理——測距,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,GPS定位誤差分類,與GPS衛(wèi)星有關(guān)的誤差,,與傳播途徑有關(guān)的誤差,與GPS 接收機有關(guān)的誤差,,衛(wèi)星星歷誤差,衛(wèi)星鐘差,SA干擾誤差,電離層折射,對流層折射,多路徑效應,,接收機鐘差,接收機的位置誤差,接收機天線相位中心偏差,,GPS基本原理——二維三邊測量法,,,,北京,西安,廣州,,,武漢,,GPS基本原理——三維三邊測量法,我們處在以 RI 為半徑的一個球面上,,,,,,
20、,,,,,,,,,,,R1,GPS基本原理——定位過程,,,,,,空間距離的量測為定位的基本,1,參數(shù)改正,5,,觀測衛(wèi)星至地面點位的距離,2,,利用接收衛(wèi)星星歷資料決定點位位置,4,3,觀測4顆以上衛(wèi)星才能解算點位的空間距離,GPS基本原理——定位,衛(wèi)星充當 “軌道控制站”測量與時間相關(guān)的每一顆衛(wèi)星的偽隨機碼通常情況下,GPS接收機采用廉價的時鐘。它們的精度遠遠低于衛(wèi)星的機載時鐘無線電波以光速傳播 (距離 = 速度 x 時
21、間)時鐘誤差與測距精度的關(guān)系:1/10 秒時鐘誤差 = 30,000 Km 測距誤差1/1,000,000 秒時鐘誤差 = 300 m測距誤差,,,GPS的測量應用——單點定位,單獨一個觀測站接受信號進行定位。從原理上類似于后方交會進行點的定位。采用虛擬距離觀測量精度較差,僅能消除接收機時鐘誤差,,GPS的測量應用——單點定位精度,理論上說,利用 C/A 碼進行單點定位精度可以達到 10 - 30m在 SA 條件下進行單
22、點定位:平面位置的精度為 +/- 100 m 高程的精度則為 +/- 160 m,,單點定位的應用,自然資源調(diào)查,城市規(guī)劃,環(huán)境調(diào)查,GPS的測量應用——相對定位,確定同步跟蹤相同的GPS衛(wèi)星信號的若干臺接收機之間的相對位置的定位方法。至少一臺接收機置于已知坐標點上,稱為主站,置于未知點上的稱為待測站或移動站。精度較高,GPS的測量應用——靜態(tài)相對定位,方法:利用兩套及以上的GPS接收機,分別安置在每條基線的端點上,同步觀測四顆
23、以上的衛(wèi)星0.5~1小時,基線的長度在20公里以內(nèi)。各基線構(gòu)成網(wǎng)狀的封閉圖形,事后經(jīng)過整體平差處理。用途:是精度最高的作業(yè)模式。主要用于大地測量、控制測量、變形測量、工程測量。精度:可達到5mm+1ppm,靜態(tài)相對定位——基線測量,(dx、dy、dz),基準站,移動站,GPS的測量應用——即時動態(tài)測量(RTK),常規(guī)的GPS測量方法,如靜態(tài)、快速靜態(tài)、動態(tài)測量都需要事后進行解算才能獲得厘米級的精度,而RTK是能夠在野外實時得到厘米級
24、定位精度的測量方法,它采用了載波相位動態(tài)實時差分方法,極大地提高了外業(yè)作業(yè)效率。,GPS的測量應用——即時動態(tài)測量(RTK),GPS的測量應用——即時動態(tài)測量(RTK),,GPS相對定位的后處理測量方法,,,靜態(tài)相對定位模式,動態(tài)相對定位模式,VRS測量技術(shù),GPS實時差分定位RTK技術(shù)的缺點:用戶需要架設本地參考站誤差隨距離的增加而增長誤差增長使流動站和參考站的距離受到限制,一般 小于15公里精度為10mm+1ppm,
25、可靠性隨距離增大而降低,VRS測量技術(shù),虛擬參考站方案中VRS的特點與技術(shù)優(yōu)勢: 虛擬參考站方案中,VRS的實施將使一個地區(qū)的測繪工作成為一個有機的整體,這改變了以往GPS作業(yè)“單打獨斗”的局面,同時它使GPS技術(shù)的應用更為廣泛,使其精度和可靠性得到進一步提高,最重要的是建立GPS網(wǎng)絡的成本降低了很多。,我國深圳市第一個建成了VRS技術(shù)衛(wèi)星定位服務系統(tǒng),何謂VRS測量技術(shù)?,移動站并非接受某個實際基準站的實際觀測資料,而是經(jīng)過
26、定位誤差修正的虛擬觀測數(shù)據(jù),也就是RTK主站,并不是實際存在的實體主站,而是在移動站附近產(chǎn)生一個經(jīng)過人為加工的虛擬化主站,這種網(wǎng)絡化的定位技術(shù)稱為虛擬參考站動態(tài)定位技術(shù),簡稱VRS-RTK,+,GPS衛(wèi)星定位技術(shù),Mobile Phone 行動式數(shù)據(jù)傳輸技術(shù),+,寬頻網(wǎng)絡數(shù)據(jù)通訊技術(shù),VRS測量技術(shù),控制中心,,固定站,用戶部分,整個系統(tǒng)的核心,固定參考站是固定的GPS接收系統(tǒng),分布在整個網(wǎng)絡中,一個VRS網(wǎng)絡可包括無數(shù)個站,用戶
27、部分就是用戶的接收機,加上無線通訊的調(diào)制解調(diào)器。,系統(tǒng)構(gòu)成,GPS設備上網(wǎng)模塊,無線上網(wǎng)設備及上網(wǎng)賬號,VRS的接入賬號,,VRS測量技術(shù)原理與流程,BS1,BS2,BS4,BS3,超短基線 VRS-RTK 解算,Rover,,VRS,,虛擬基準站,,BS5,BS6,基準站間距約 50公里,基準站間距約 50公里,,控制及計算中心,,,,,,,,,GSM/GPRS & NTRIP 通訊協(xié)定,,ADSL,A
28、DSL,,待測點位,,,GPS 單點定位坐標(NMEA),,虛擬觀測資料(RTCM),,,GPS 原始觀測資料→,GPS 原始觀測資料 →,計算區(qū)域改正參數(shù),內(nèi)插計算,組成虛擬觀測量,控制及計 算中心,GPS基準站,VRS測量技術(shù)優(yōu)勢,VRS覆蓋范圍: VRS網(wǎng)絡可以有多個站,但最少需要3個,VRS的主要優(yōu)勢,費用將大幅度降低,相對傳
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