GNSS培训及RTK原理.ppt

主要内容,一、测绘仪器发展 二、gnss系统介绍 三、gnss定位原理 四、坐标系统知识,一、 测绘仪器的发展,（1）常规仪器的发展,一、 测绘仪器的发展,x20,（2）gnss仪器的发展,x93gnss,x60,x90gnss,一、 测绘仪器的发展,为什么要推荐gnss？,二、gnss系统介绍,1 gnss的现状及未来 2 gnss的特点 3 产业构成 4 应用行业 5 国内外gnss产品,gnss理论部分,gnss(global navigation satellite system)是全球导航卫星系统的英文缩写，它是所有全球导航卫星系统及其增强系统的集合名词，是利用全球的所有导航卫星所建立的覆盖全球的全天侯无线电导航系统。目前可供利用的全球卫星导航系统有美国的gps和俄罗斯的glonass中国的北斗以及未来欧洲的galileo。,1. gnss的现状及未来,gnss的含义：,美国的gps：,gps是英文global positioning system或navigation satellite timing and ranging global position system的缩写，即全球定位系统，是一个全球性、全天候、全天时、高精度的导航定位和时间传递系统。由24颗工作卫星和4颗备用卫星组成，分布在6个等间距的轨道平面上。采用码分多址体制，每颗卫星的信号频率和调制方式相同，不同卫星的信号靠不同的伪码区分，现有30多颗卫星。 gps自1973年开始设计、研制，历时20年，于1993年全部建成，gps系统由空间部分、地面控制部分和用户部分所组成。,gnss理论部分,1. gnss的现状及未来,glonass: 前苏联从80年代初开始建设的与美国gps系统相类似的卫星定位系统，也由卫星星座、地面监测控制站和用户设备三部分组成。苏联的解体让格洛纳斯受到很大影响，正常运行卫星数量大减，甚至无法为为俄罗斯本土提供全面导航服务，glonass 卫星一直处于降效运行状态。采用频分多址体制，卫星靠频率不同来区分，每组频率的伪随机码相同。 2002年后，随着俄罗斯的经济好转和总统普京试图重振俄罗斯大国雄风的努力，格洛纳斯系统的复兴开始提上日程。 2010年系统在轨卫星总数为23颗。,俄罗斯的glonass：,gnss理论部分,1. gnss的现状及未来,galileo(伽利略）: 从1994年欧盟已开始对伽利略系统方案实施论证。2000年欧盟已向世界无线电委员会申请并获准建立伽利略系统的l频段的频率资源。2002年3月欧盟15国交通部长一致同意伽利略系统的建设。 该系统由27颗工作卫星和3颗备份卫星组成，卫星采用中等地球轨道，分布在3个轨道面上。目前已有4颗，预计2014年可投入使用。,欧盟的galileo：,gnss理论部分,1. gnss的现状及未来,中国的北斗：,北斗导航系统(compass)，现有 16颗地球同步卫星 ，目前北斗卫星导航系统空间信号接口控制文件已经发布 快速定位：北斗导航系统可为服务区域内用户提供全天候、高精 度、快速实时定位服务 简短通信：北斗系统用户终端具有双向数字报文通信能力，可以 一次传送超过100个汉字的信息。 精密授时 ：为用户提供精密授时服务,根据系统建设总体规划，2012年左右，系统将首先具备覆盖亚太地区的定位、导航和授时以及短报文通信服务能力；2020年左右，建成覆盖全球的北斗卫星导航系统。,gnss理论部分,1. gnss的现状及未来,增强型系统 sbas,egnos 欧航空局接收卫星导航系统 wass 美国雷声公司的广域增强系统 msas 日本的多功能卫星增强系统,sbas ( satellite based augmentation systems)是利用地球静止轨道卫星建立的地区性广域差分增强系统：,gnss理论部分,1. gnss的现状及未来,1、军事用途 gps本身就是军事竞赛的产物。精码保密，主要提供给本国和盟国的军事用户使用；粗码提供给本国民用和全世界使用。 2、民用导航 占据了民用领域的绝大部分，一般精度要求不高，5-15米，飞机、轮船、车载定位等领域。 3、测绘 要求精度高，早期主要在石油部门使用，现在已在测绘相关行业中广泛普及，成为一种新的测绘方式。 4、gis 现在处于起步阶段，随着数字地球、数字中国的进程，必将成为一个庞大的新兴产业。,2. gnss产业构成,gnss理论部分,军事 测绘 林业 农业 地质 电力 水利 交通 环保 气象 地震 石油 通讯 海洋 城建 科研院所 院校 医疗 消防 国土,gnss的应用极为广泛、应用价值极为重要 gnss无处不在,4. gnss的应用行业,gnss理论部分,用户部分： 接收卫星信号 记录处理数据 提供导航定位信息,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： 提供星历和时间信息 发射伪距和载波信号 提供其它辅助信息,三、1.gnss定位原理-系统组成,2.gnss定位原理-卫星信号结构,每颗卫星都发射一系列无线电信号（基准频率） 两种载波（l1=19.03cm和l2=24.42cm） 两种码信号（c/a码和p码） 一组导航电文（信息码，d码）,3.gnss定位原理-rtk,gps定位的基本原理是根据高速运动的卫星瞬间位置作为已知的起算数据，采用空间距离后方交会的方法，确定待测点的位置. 如下图所示，假设t时刻在地面待测点上安置gps接收机，可以测定gps信号到达接收机的时间t，再加上接收机所接收到的卫星星历等其它数据可以确定以下四个方程式：,上述四个方程式中待测点坐标x、 y、 z 和vto为未知参数。其中di=cti (i=1、2、3、4)。 di (i=1、2、3、4) 分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4到接收机之间的距离。 ti (i=1、2、3、4) 分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4的信号到达接收机所经历的时间。 c为gps信号的传播速度（即光速）。,四个方程式中各个参数意义如下： x、y、z 为待测点坐标的空间直角坐标。 xi 、yi 、zi (i=1、2、3、4) 分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4在t时刻的空间直角坐标，可由卫星导航电文求得。 vt i (i=1、2、3、4) 分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4的卫星钟的钟差，由卫星星历提供。 vto为接收机的钟差。 由以上四个方程即可解算出待测点的坐标x、y、z 和接收机的钟差vto 。,rtk的工作原理是将一台接收机置于基准站上，另一台或几台接收 机置于载体（称为流动站）上，基准站和流动站同时接收同一时间、同一gps卫星发射的信号，基准站所获得的观测值与已知位置信息进行比较，得到gps差分改正值。然后将这个改正值通过无线电数据链电台及时传递给共视卫星的流动站精化其gps观测值，从而得到经差分改正后流动站较准确的实时位置。,rtk的工作原理,4. 传统rtk的工作原理,传统rtk以及仪器操作,数据链通讯：,电台模式：,5. 传统rtk的数据链,传统rtk以及仪器操作,uhf(ultra high frequency)超高频率，频率300mhz-300kmhz（波长属微波： 波长1m-1mm，空间波，小容量微波中继通信 ）410-430mhz /450-470mhz vhf(very high frequency)甚高频（3mhz30mhz 属短波： 波长100m-10m，空间波 ）220-240mhz,2. 网络模式：,gprs（general packet radio service）中文是通用分组无线业务，是在现有的gsm系统上发展出来的一种新的分组数据承载业务 ；cdma为码分多址数字无线技术, 电台模式,载波相位,6. 电台模式及具体操作,传统rtk以及仪器操作,基准站,移动站, 电台模式特点,作业距离一般距离为：0-28公里，特别是山区或城区传播距离就会受到影响； 电台信号容易受干扰，所以要远离大功率干扰源； 电台的架设对环境有非常高的要求，一般选在比较空旷，周围没有遮挡，且要基站架设的越高距离越远； 对于电瓶的电量要求较高，出外业之前电瓶一定要充满或有足够的电量；,6. 电台模式特点,传统rtk以及仪器操作,1. 网络通讯模式：gprs或cdma,internet互联网,internet互联网,gprs/cdma拨号上网internet 服务器 internet gprs/cdma拨号上网,服务器,7. 网络模式及具体操作,传统rtk以及仪器操作,外挂模块 内置模块 通过串口直接接入internet互联网,基准站,流动站,外挂模块 内置模块 手簿cf卡（手簿网络） 蓝牙手机,2. 网络通讯方式：,7. 网络模式及具体操作,传统rtk以及仪器操作,3. 网络通讯模式特点,距离远 携带方便,优点：,缺点：,在没有手机网络信号的地方无法使用 需要一定的费用、手机卡一般一个月都要流量20-50元费用,7. 网络模式及具体操作,传统rtk以及仪器操作,四、坐标系统知识,常用的坐标系统,1、1954年北京坐标系 50年代从前苏联引入（1942年普尔科夫坐标系），未进行整体平差，属参心坐标系, 克拉索夫斯基椭球体，长半轴 a=6378245m; 扁率=1/298.3。原点在普尔科夫天文台。 主要缺点： 1长半轴约大了108m ； 2椭球定位西高东低，东部高程异常达67m； 3不同区域接边处大地点坐标差达12m。,1各种坐标系统,2、1980西安坐标系 开始定义为 “1980国家大地坐标系”。 1982 年，经天文大地网整体平差建立，全网共48433点。 属参心坐标系， iag-75椭球（iag国际大地测量学协会），长半轴 a=6378140m; 扁率 =1/298.257，原点在陕西省泾阳县。 椭球定位： 1椭球短轴平行于地球地轴（由地球质心指向1968.0jyd方向）； 2起始子午面平行于格林威治天文台平均子午面； 3椭球面与似大地水准面在我国境内密合得最佳。,1各种坐标系统,3、wgs-84大地坐标系 美国国防部研制确定的大地坐标系，z轴指向bih（国际时间局）1984.0定义的协议地球极（ctp）方向，x轴指向零子午面与ctp赤道交点，y轴与x、 z轴构成右手坐标系。 长半轴 a=6378137m; 扁率 =1/298.257223563。 属地心坐标系，原点在地球质心。,1各种坐标系统,4、国家2000大地坐标系 属于地心坐标系，椭球的几何参数同“54系”。 a=6378245m； =1/ 298.3,5、独立坐标系（地方坐标系） 为了减少投影变形或满足保密需要，也可使用独立（地方）坐标系，坐标原点一般在测区或城区中部，投影面多为当地平均高程面。,1各种坐标系统,高程基准 1、1956年黄海高程系 水准原点设在观象山，采用19501956年7年的验潮结果 计算的黄海平均海水面，推得水准原点高程为72.289m。 2、1985国家高程基准 水准原点同 1956年黄海高程系，采用19521979年共28年的验潮结果，并顾及了海平面18.6年的周期变化及重力异常改正，计算的黄海平均海水面，推得水准原点高程为72.260m。,1各种坐标系统,坐标投影：, 椭球参数(长半轴和扁率) 中央子午线 投影面,如何求解中央子午线？ 3度带 l中= 3n 6度带 l中 = 6n-3 当地自定义中央子午线,1各种坐标系统,七参数,在工程应用中使用gps卫星定位系统采集到的数据是wgs-84坐标系数据,而目前我们测量成果普遍使用的是以1954年北京坐标系或是地方（任意|当地）独立坐标系为基础的坐标数据。因此必须将wgs-84坐标转换到bj-54坐标系或地方(任意)独立坐标系。,2坐标系统转换,三参数,点校正（四参数+高程拟合）,七参数,2坐标系统转换,两个椭球间的坐标转换一般而言比较严密的是用七参数法（包括布尔莎模型，一步法模型，海尔曼特等），要求得七参数就需要在一个地区需要3个以上的已知点，,3个平移参数（原点不重合产生）； 3个旋转参数（坐标轴不平行产生）； 1个尺度参数（尺度不一致产生）。,七参数,2坐标系统转换,常州,徐州,2坐标系统转换,三参数,如果区域范围不大，最远点间的距离不大于30km(经验值)，可以用三参数（莫洛登斯基模型），即x平移，y平移，z平移，而将x旋转，y旋转，z旋转，尺度变化k视为0，所以三参数只是七参数的一种特例。七参数50平方公里以上，大到一个地区，一个市，如上海、北京等。,2坐标系统转换,三参数,全国,北京,2坐标系统转换,点校正-求“四参数+高程拟合”,水平平差： 北原点： 东原点： 北平移量： 东平移量： 旋转： 比例因子：,垂直平差： 北原点： 东原点： 北斜坡： 东斜坡： 平差常数： 水准面模型：,从理论上而言，平面坐标xy使用四参数是最精确的方法，高程使用高程拟合是最精确的方法 。,要使一个坐标系统和另一个坐标系统产生关系，需要一组具有这两套坐标系统下坐标的地面点。因此，就需要一组wgs-84坐标和一组当地平面坐标：北, 东和高程。,wgs-84,当地平面坐标,点校正,一、水平平差,至少2个水平控制点 下面以5个点为例,点校正,旋转,点校正,平移,点校正,比例系数,点校正,残差： 校正执行后的格网平面坐标和gps坐标的差值。 残差越小，说明校正的参数越精确-gps (wgs-84 co-ordinates)和当地平面坐标之间的相对关系越好。,校正结果（水平残差）,理想的残差应该小于 20mm，残差将被均匀的分布在各个校正点之间。,因此，我