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现代变形监测技术
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现代变形监测技术（全套课件）,现代变形监测技术
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GNSS变形监测,主要内容,伪距法绝对定位原理,基本原理：通过码相关技术求定卫星信号到达接收机的时间 延迟，从而求出卫星到达接收机的距离。,伪距定位的基本模型的推导： 为卫星j到接收机k的几何距离，可用位于同一坐标系的卫星与接收机的空间直角坐标表示为：,代入式（1）即为伪距定位的基本模型：,GPS伪距定位的原理图 将GPS接收机的钟差作为未知参数的目的： 大大降低GPS接收机的成本， 实现GPS定时的功能。,GPS伪距定位的原理图,为了提高GPS 的定位精度，在实际定位模型中应考虑电离层、对流层的影响，其影响可采用一些较成熟的模型加以改正，因此可以认为是已知量。 当在某时刻观测卫星的个数j大于等于4间接平时，可采用间接平差法计算接收机的位置坐标的最或然值。,首先根据待定点的近似坐标 对式（4.11）进行线性化（用泰勒级数展开）得：,令 ，j=1，2，3，4，则式（4.12）写成矩阵的形式为：,当同时观测的卫星数等于4时，可求出未知参数的唯一解：,当同时观测的卫星数大于4时，可用最小二乘法求解：,精度为：,接收机位置坐标：WGS-84坐标系下的坐标（X,Y,Z)根据大地坐标的正反算公式可将其转化为大地经纬度坐标(经度，纬度，高程）。,伪距单点定位的精度：约十米,伪距单点定位既可用于静态定位，也可用于动态定位。,主要内容,基本结构,差分定位系统基本结构,RTCM-SC104,差分数据通信类型,按传输差分信息的覆盖范围 近程(小于100km) 临时性、短期性的差分定位作业 优点：穿透性强、直线传播性强 缺点：易受障碍物、地形和地球曲率的 中程(30800km) 长波(LF):靠地面波传输、受大气影响小而受地形影响较大 不太适宜于差分定位 中波(MF):频道拥挤，易受干扰，而且传播速率仍偏低 短波(VHF):易受天气和电离层干扰和影响、常出现盲区、通信 设备造价低廉且集成度高 远程(大于800km ):采用星基的差分数据播发站 按播发站的位置 空（星）基 陆基,差分定位的基本原理 利用设置在坐标已知的点（基准站）上测定GPS测量定位误差，用以提高在一定范围内其它GPS接收机（流动站）测量定位精度的方法。,利用基准站测定具有空间相关性的误差或其对测量定位结果的影响，流动站改正其观测值或定位结果。,基本原理,差分系统的分类,根据时效性 实时差分 事后差分 根据差分改正数类型 位置差分 距离差分 根据观测值的类型 伪距差分 载波相位差分 根据覆盖范围 局域差分 广域差分,位置差分,实际坐标 = x+0, y+0 校正 = x-5, y+3,差分改正 = x+(30-5) and y+(60+3) 实际坐标 = x+25, y+63,Differential Correction 2,位置差分,接收机 (位置未知),坐标改正信息,优点: 计算方法简单，适用范围较广； 缺点: 实现位置差分原理的先决条件是必须保证基准站和用户站观测同一组卫星的情况； 适用范围：用户与基准站间距离在100km以内。,伪距差分,伪距的改正数,基准站的接收机测量的伪距,经过差分修正的伪距,用户至卫星的伪距,基准站接收机计算出基站至 可见卫星的距离，并将此距离 与含有误差的测量值加以比较,卫星到基准站的真实距离,优点 ：可以达到较高的精度；可以采用外推的方法继续进行高精度定位；允许用户接收任意4颗星的信号进行定位。 缺点 ：用户和基准站之间的距离对精度有决定性影响。随着用户到基准站距离的增加又出现了新的系统误差 ，且无法用差分方法消除。,载波相位伪距测量,周跳：接收机内部载波整周计数丢失。,连续载波相位测量,原理,思想 载波相位差分技术建立在实时处理两个测站的载波相位测量基础上。 能实时提供观测点的三维坐标，并达到厘米级的高精度。 基本原理 与伪距差分原理相同，由基准站通过数据链实时将其载波观测量及基站坐标信息一同传送给用户站。用户站接收导航卫星的载波相位与来自基准站的载波相位，并组成相位差分观测值进行实时处理，能实时给出厘米级的定位结果。 实现方法 修正法：基准站向用户站发送载波相位修正量（准RTK技术）。 差分法：基准站将采集的载波相位观测值发送给用户台进行求差解算（RTK技术） 。,(RTK: Real Time Kinematic,载波相位差分,求差法 接收机间的一次差 接收机和卫星间的二次差 接收机、卫星和观测历元时刻之间的三次差,载波相位差分,基准站 A与用户台B到第j 颗卫星的伪距：,一次差,不能消除,接收机间一次差（单差）,载波相位差分,A、B两站与卫星j和k的一次差：,接收机与卫星间二次差（双差）,求 差,消除钟差,载波相位差分,三次差不会明显提高差分定位结果,接收机、卫星和观测历元时刻之间的三次差,局域差分GPS系统,单基准站局域差分,局域差分GPS系统,结构：基准站（一个）、数据通讯链和用户 数学模型：利用差分改正数的计算方法，提供距离改正和距离改正的变率。 特点： 优点：结构、模型简单 缺点：差分范围小，精度随距基准站距离的增加而下降，可靠性低,单基准站局域差分,局域差分GPS系统,多基准站局域差分,局域差分GPS系统,结 构：基准站（多个）、数据通讯链、用户。 数学模型：加权平均、偏导数法、最小方差法。 特 点： 优点：差分精度高、可靠性高、差分范围增大 缺点：差分范围仍然有限、模型不完善,多基准站局域差分,广域差分GPS系统,结构 基准站（多个）、数据通讯链和用户。 数学模型 与普通差分不相同，普通差分考虑的是误差的综合影响。广域差分对各项误差加以分离，建立各自的改正模型，用户根据自身的位置，对观测值进行改正。 特点 优点：差分精度高、差分精度与距离无关、差分范围大。 缺点： 系统结构复杂、建设费用高。,广域差分GPS系统,工作流程,用户用接收到的误差 改正观测量，得到GPS 精确定位,基准站对卫星进行连续观测，并将观测值实时地传输至控制中心。 控制中心根据这些基准站的观测值，建立区域内的GNSS电离层、对流层和卫星星历误差改正模型，并实时地将各基准站的观测值减去其误差改正，形成“无误差”的观测值，再结合移动站的观测值，在移动站附近（通常约为几米到几十米）形成一个虚拟的参考站，计算出虚拟参考站的相位差分改正，并实时发布。 用户站利用接收到的相位差分改正信息和自身的相位观测值，组成双差相位观测值并快速确定整周模糊度参数和位置信息，完成实时定位。,由若干个连续运行的GNSS基准站、控制中心和用户站（移动站）构成。,网络RTK虚拟参考站(VRS),由于其差分改正是经过多个基准站观测资料有效组合求出的，可以消除电离层、对流层和卫星星历等误差，即使用户站远离基准站，也能很快地确定自己的整周模糊度，实现厘米级的实时快速定位。 VRS RTK技术大大扩展了普通RTK的作业范围，用户站不需要在每次测量时都单独架设基准站，使得测量作业成本得到降低，而且在基准站信号覆盖范围内，定位精度保持稳定，可靠性得到进一步提高。,网络RTK虚拟参考站(VRS),网络RTK虚拟参考站(VRS),VRS RTK 定位结果,单基准站RTK 定位结果,MDGPS由美国海岸警卫队（USCG）于20世纪80年代末开发，它利用无线电指向标（信标）和DGPS技术结合的方式实现服务区内优于10m（95%）的定位精度，并能够提供一定的完好性，满足美国海岸和内陆水域的导航需求。1997年，MDGPS的信标数量由原来的54个计划扩展至136个以覆盖全美，这项计划被称为NDGPS。NDGPS差分信息传送的频率（285325kHz）和格式（RTCM SC-104）支持国际标准，目前世界上已有50多个国家建立了类似的系统,MDGPS/NDGPS,GPS/GLONASS Satellites,GEO,1,2,3,4,Master Station,SBAS message,Integrity & Ranging+ Corrections,Reference Stations,Augmented Navigation,SBAS,Ground Earth Station,+ Accuracy + Availability + Continuity,+ Integrity,Differential Corrections,Use/Dont Use Message,GPS-Like Signal,GEO,GEO卫星,主要内容,38,相对定位的原理 相对定位是用两台（或多台）接收机分别安置在一条（或多条）基线的两端，同步观测相同的GPS卫星，以确定基线端点的相对位置或基线向量 在相对定位时，通过对观测量求差，可以消除卫星钟差、接收机钟差，削弱电离层和对流层折射的影响，提高测量精度,39,卫星定位的特点 （1）可在全球任何地方、任何时间、全天候、进行导航定位； （2）卫星定位是直接接收卫星信号进行定位，测站间不需要通视，所以定位速度快，测量距离远。用双频机可以测定几百公里到几千公里点间距离； （3）采样率高,最快可达50Hz，可实现快速实时导航定位； （4）定位精度高：实时定位精度15m ，高精度定位可达到1mm，相对定位精度可达到1*10-9； （5）具有多种功能，除定位、导航外还可有以下功能：测时、测速等； （6）用户无限，仪器体积小，重量轻，价格便宜,2019/7/25,40,2019/7/25,41,实时动态（RTK）测量系统，是GPS测量技术与数据传输技术相结合而构成的组合系统。它是GPS测量技术发展中的一个新的突破。 实时动态测量的基本思想是，在基准站上安置一台GPS接收机，对所有可见GPS卫星进行连续观测，并将其观测数据通过无线电传输设备，接收基准站传输的观测数据，然后根据相对定位的原理，实时地计算并显示用户站的三维坐标及其精度。,2019年7月25日星期四,42,利用GPS监测高大建筑物的动态位移,1测试原理,采用RTK观测实时位移，再利用离散快速傅里叶变换进 行频谱分析，得出振动频率与振幅（采样频率要高于振 动频率）,测试实例,深圳地王大厦,新加坡共和国广场大厦,GNSS结构振动监测,GNSS高精度定位技术应用,2019年7月25日星期四,44,新加坡共和国广场大厦,楼顶安装的GPS天线,2019年7月25日星期四,45,GPS、加速度计观测结果,2019/7/25,46,清华大学已成功将GPS RTK技术应用于虎门大桥的实时安全监测。 GPS RTK实时监测系统主要是由GPS基准站、GPS监测站、光纤通信链路和数据处理与监测中心等部分组成，而数据处理与监测中心主要由工作站、服务器和局域网组成。 基准站将接收到的卫星差分信息经过光纤实时传递到监测站，监测站接收卫星信号及GPS基准站信息，进行实时差分后，可实时测得站点的三维空间坐标。,2019/7/25,淮 海 工 学 院,47,隔河岩大坝外观变形 GPS自动化监测系统,2019/7/25,49,工程概况,隔河岩水电站总装机容量为120万kw，年发电30.4亿kw.h，水库正常蓄水位为200m，总库容量为34亿m3，是清江三个梯级水电站之一。 隔河岩水电站是华中电网重要的调峰调频电站，它的建成对于缓解华中地区的电力紧张状况，保证华中电网的安全稳定运行；对于消除清江中下游的洪涝灾害，避免清江洪峰与长江洪峰相遇以减轻长江荆江段及下游的防洪压力；对于打通清江航道，为鄂西山区提供便捷的交通动脉，促进商品流通和资源开发；对于发展清江流域的旅游事业等都具有十分重要的意义。,隔河岩大坝外观变形GPS自动化监测系统,2019/7/25,50,大坝情况,隔河岩水电站大坝为三圆心变截面重力拱坝，最大坝高151m，坝顶弧线全长为653m，坝顶高程为206m。 高程150m以下为拱坝，高程150m以上为重力坝。 坝址为凹形河谷，地形条件比较复杂。,隔河岩大坝外观变形GPS自动化监测系统,2019/7/25,51,监测系统的总体结构,大坝变形GPS自动化监测系统是由数据采集、数据传输及数据处理、分析和管理三个部分组成的。 整个系统的数据采集、传输、处理、分析、管理采用局域网络来完成。 大坝外部变形监测系统的数据采集工作是在GPSlGPS7这7个GPS站上进行的。其中GPSl和GPS2为位于两岸的基淮点，GPS3GPS7为位于大坝上的变形监测点。,隔河岩大坝外观变形GPS自动化监测系统,2019/7/25,52,隔河岩大坝外观变形GPS自动化监测系统,2019/7/25,淮 海 工 学 院,53,数据传输,及时准确地传输观测资料及有关信息是建立GPS自动化监测系统中的一个重要环节。 坝面工控机通过RS-232多串口远距离通讯方式将各监测点的接收机面板信息实时传送到总控室，同时又通过多路开关方式，按总控室所设置的时间间隔定时将上述各台接收机所采集到的数据(观测值、卫星星历等)传回服务器。,隔河岩大坝外观变形GPS自动化监测系统,2019/7/25,54,数据分析,数据处理、分析、管理部分在隔河岩大坝外观变形GPS自动化监测系统中具有重要作用，是整个系统能自动运行的关键。 主要由总控、数据处理、数据分析和数据库管理等四个模块组成。 总控是整个系统中各模块的数据交换中心，也是系统的主要用户接口。 数据处理模块的主要功能是：时段自动定义与选取；自动进行数据处理；对成果可靠性进行判断；对运行过程中可能出现的错误进行控制和处理，保存结果和清理数据。变形分析模块部分在PC机上运行，部分在工作站上运行。 数据库管理模块具有如下功能：数据安全管理、数据更新、数据查询、数据自动转储、报表打印、数据库恢复等。,隔河岩大坝外观变形GPS自动化监测系统,2019/7/25,淮 海 工 学 院,55,应用效果,该系统在1998年夏天抗御长江全流域特大洪水期间所提供的快速而准确的资料为隔河岩水库超蓄调度提供了科学决策的依据，为长江防洪发挥了重要作用。 该系统可广泛用于水库大坝、大型建筑物、电视塔、大型桥梁、大型核电站、滑坡、地壳形变、环境等安全监测。有着显著的社会效益和经济效益，具有重要的应用和推广价值。,隔河岩大坝外观变形GPS自动化监测系统,GNSS在山体滑坡监测中的应用,山体滑坡监测的意义 山体滑坡是一种严重的地址灾害，许多大型的基础设施，如高速公路、铁路、水库等设施在开挖山体时都有发生滑坡的可能，对这些潜在或正在滑动的滑坡体进行监测，以防止产生大的灾难和损失是很有必要的。,GNSS在山体滑坡监测中的应用,GNSS用于山体滑坡监测的可行性 具有全天候、自动化、选点灵活、可同时监测点 的三维位置与速率； 在精度、速度、时效性、效益等方面优于常规方法。,GNSS在山体滑坡监测中的应用,滑坡GPS自动化监测预警系统 GPS监测系统由三部分组成：监测单元、数据传输和控制 单元、数据处理分析及管理单元。这三部分形成一个有机的 整体，监测单元跟踪GPS卫星并实时采集数据，数据通过通 讯网络传输至控制中心，控制中心的GPS软件对数据处理并 分析，实时形变监测。,数据采集系统,数据发布系统,当发生预警时可通过MAS服务器给周边居民发送告警信息，通知群众紧急疏散 平时可作为公众信息披露由政府定期通知群众山体健康状况,监测单体选定原则 选定监测对象，主要根据地质体的稳定性、危险性、危害性方面考虑,数据处理,采用精密软件进行基线向量的解算及网平差，求出每个监测点的坐标值，每次的坐标变化量及累积变化量，超出阈值时进行预警 以前期的观测数据为基础，对滑坡体未来的变化趋势做出预测，有险情时及时采取措施,GPS用于东莞滑坡监测凤岗,滑坡全长100m，上口宽40m，下口宽200m 按照规划要在坡脚处开发住宅楼 由于滑坡严重威胁建筑物与公路，所以要长期监测，掌握滑坡规律,系统方案设计,精度要求：水平3mm，高程6mm 具有远程传输、远程浏览、远程设置功能 能自动生成变形曲线图 能自动计算变形速度，预测后续变形 能自动判断并发布预警信息,系统方案设计,精度要求：水平3mm，高程6mm 具有远程传输、远程浏览、远程设置功能 能自动生成变形曲线图 能自动计算变形速度，预测后续变形 能自动判断并发布预警信息,系统组成,测量性GPS接收机，功耗4.6瓦，适合长时间无人值守 数据采样率20HZ 4GB内存，可保留3年数据 用户可以在任何地方进行远升级、内存格式化、重启等操作,基站,系统软件,数据处理、分析 生成报表 信息发布,基于BD/GPS的尾矿大坝外部变形自动化监测系统,项目目标,项目特色 高精度、高可靠性 低功耗、低成本 全天候、高智能化,73/22,监测原理,卫星导航差分测量原理,将BD/GPS兼容性天线分别沿坝轴线安置在坝体上面,利用卫星导航高精度差分定位，测量基准点与监测点之间坐标差，由于基准点稳定不动，可以实时计算监测点的三维坐标,将不同卫星、不同天线之间的卫星信号求差，可以消除大气延迟、卫星轨道、钟误差、接收机钟误差等，求出两点之间精确的相对位置关系,74/22,软件架构,75/22,技术创新,首次将北斗系统引入到尾矿外部变形在线监测系统 既能双系统定位，也可以利用北斗单系统定位，摆 脱对美国GPS的依赖 利用北斗二代卫星信号与GPS信号组合，可以增加可 视卫星的数量，提高定位的精度 采用两个卫星系统的多频信号，利用组合信号，可 以提高定位的精度，缩短定位的时间，检测定位中 的粗差数据，提高定位可靠性,76/22,已经开展的工作,目前已经开展的相关工作 申报国家项目 已经高压传输线杆塔倾斜监测系统，前期在合肥送变电试验场试验，监测效果良好，精度达到规范要求,77/22,已经开展的工作,已经研制产品,78/22,79/22,仿真实验,高低温试验 从0C逐步升到50C，在50C时保持温度恒定， 观测时间晚上8:00至第二天早上8:00，数据接收 时间为12个小时，一共解算了40组数据。 位移误差平面达到3mm，高程达5mm,从0C逐步降到-30C,然后保持-30C不变。观测时间晚上8:00至第二天早上6:00，数据接收时间为10个小时,位移误差平面达到3mm，高程达5mm,仿真实验,高压电场干扰试验 将被测试BD/GPS倾斜监测设备处于开机状态，放入高电压 测试环境中，将BD/GPS天线安置于高压电线下方1m处。 在有无磁干扰与加电磁干扰的情况下分别测试 结果：在加压、不加压两种情况下，测量结果基本不变,将被测试北斗通信机处于开机状态，放入高电压测试环境中，将北斗天线安置于高压电线下方1m处。,结果：北斗通信不受高电压场影响,80/22,典型应用非煤矿监测应用,尾矿大坝安全 客户名称：滁州、铜陵等地区尾矿库大坝位移监测 项目特色：利用北斗与GPS双系统的卫星信号，进行高精度位移监测，利用北斗系统，传输位移、水位、温度等信息，对尾矿大坝安全监测、预警 进展情况：已经完成整个系统的研制，目前已经在滁州等地的尾矿安装、运行，系统运行稳定，效果良好,81/22,软件界面,作业,1.为什么GPS定位至少需要4颗卫星？ 2.叙述差分定位原理。 3.举例说明GPS在变形监测工程中的应用，说出其原理、组成部分、工作模式。,感谢聆听！,1/47,GNSS高精度定位技术及其应用,第一部分 GNSS简介,第二部分 GNSS组成,第三部分 GNSS特点及用途,目录,发展历史 1958年12月，美国为给北极星核潜艇提供全球性导航而研制卫星多普勒定位系统。 1959年9月，发射了第一颗试验性卫星。 1961年11月，共发射了9颗试验性导航卫星。 1963年12月起，陆续发射6颗工作卫星，组成子午卫星星座使得地球表面上任何一个测站上，平均每隔2小时便可观测到其中一颗卫星。 1967年7月29日，美国政府宣布解密子午卫星的部分电文供民间使用。,卫星多普勒定位技术,70年代中期，我国开始引进卫星多普勒接收机。 系统组成：子午卫星、地面跟踪网和用户接收机。 地 组成：跟踪站、计算中心、注入站、海军天文台和控制中心。 任务：测定各颗卫星的轨道参数，并定时将轨道参数和时间信号注入到相应卫星内，以便卫星按时向地面播发。 接收机：用来接收卫星发射的信号，测量多普勒频移，译出卫星的轨道参数，以测定接收机所在位置的设备。,子午卫星系统及其局限性,系统简介 NNSS Navy Navigation Satellite System（海军导航卫星系统），由于其卫星轨道为极地轨道，故也称为Transit（子午卫星系统） 采用利用多普勒效应进行导航定位，也被称为多普勒定位系统 美国研制、建立 1964年1月建成 1967年7月解密供民用,子午卫星系统及其局限性,系统组成 空间部分 卫星：发送导航定位信号（信号：4.9996MHz 30 = 149.988MHz；4.9996MHz 80 = 399.968MHz；星历） 卫星星座 由6颗卫星构成，6轨道面，轨道高度1075km 地面控制部分 包括：跟踪站、计算中心、注入站、控制中心和海军天文台 用户部分 多普勒接收机,子午卫星系统及其局限性,应用领域 海上船舶的定位 大地测量 精度 单点定位：15次合格卫星通过（两次通过之间的时间间隔为0.8h 1.6h），精度约为10m 联测定位： 各站共同观测17次合格卫星通过，精度约为0.5m,子午卫星系统及其局限性,系统缺陷 卫星少，观测时间和间隔时间长，无法提供实时导航定位服务 导航定位精度低 卫星信号频率低，不利于补偿电离层折射效应的影响 卫星轨道低，难以进行精密定轨,发展历史 1973年12月，美国开始研制新一代 卫星导航系统导航卫星定时测距 全球定位系统（Navigation Satellite Timing And Ranging Global Positioning System ），简称GPS系统。（如图所示） 1978年2月22日，第一颗GPS试验卫星发射成功； ,3、GPS全球定位系统,GPS定位系统的发展历史,1989年2月14日，第一颗GPS工作卫星发射成功，宣告GPS系统进入了生产作业阶段； 1994年全部完成24颗工作卫星（含3颗备用卫星）的发射工作。 用途： 向全球用户连续提供高精度的全天候三维坐标、三维速度以及时间信息。 广泛应用于飞机船舶和各种载运工具的导航、高精度的大地测量、精密工程测量、地壳形变监测、地球物理测量、海空救援、水文测量、近海资源勘探、航天发射及卫星回收等技术领域。,GPS全球定位系统,GPS与NNSS的主要特征的比较,GNSS简介GPS,GPS现代化 控制部分现代化目标减少运行费用并增强系统性能：对GPS监测站设备更新；在Vandenberg建立备用主控站；在Block IIR-M等卫星上增加控制和命令的能力。 卫星星座现代化：2015年Block II R-M达到完全运行状态，带有L2C码和M码；增加L5频率；美国国会2000年批准了GPSIII计划，可能对GPS系统重新设计，即与GLONASS、GLALILEO类似的三个平面的星座，共计27-33颗卫星。,GLONASS constellation,GLONASS satellite,P24,其它卫星导航定位系统GLONASS,GNSS简介GLONASS,GLONASS历史 20世纪70年代中期，前苏联开始研制 GLONASS目标是能够在全球或近地空间的空中、水域等用户提供全天候三维定位、速度测量和授时等服务 从1982年10月12日发射第一颗GLONASS卫星起，至1995年12月14日共发射了73颗卫星。由于卫星寿命过短，加之俄罗斯一段时间内经济状况欠佳，无法及时补充新卫星，故该系统在一段时间内不能维持正常工作 由军方负责，军用。1995年，俄罗斯发布命令向国内外民用用户提供服务，并且开始补发卫星，1996年1月，24颗卫星组网成功,其它卫星导航定位系统GLONASS,卫星运行状况 从1982年10月12日发射第一颗GLONASS卫星起，至1995年12月14日共发射了73颗卫星。 由于卫星寿命过短，加之俄罗斯前一段时间经济状况欠佳，无法及时补充新卫星，故该系统不能维持正常工作。 到目前为止（2006年3月20日）,GLONASS系统共有17颗卫星在轨。其中有11颗卫星处于工作状态，2颗备用，4颗已过期而停止使用。俄罗斯计划到2007年使GLONASS系统的工作卫星数量至少达到18颗，开始发挥导航定位功能。,GLONASS与GPS的比较,GNSS简介GLONASS,GLONASS现代化 卫星星座现代化：开发GLONASS-M与GLONASS-K卫星，卫星钟稳定性更高，寿命更长；提高导航电文质量；加入第二个民用信号G2；提供第三个频率信号G3并加载差分信息，提高移动用户实时定位精度 控制部分现代化：控制中心位于莫斯科西南约70km的Krasnoznamensk太空中心，将来计划扩充监测站，包括与国际GNSS服务组织合作,GNSS简介GALILEO,GALILEO历史回顾 1994年，欧洲理事会要求欧盟（EU）在卫星导航技术方面必须主动 欧洲设想了一个两步方案：（1）建立GPS/GLONASS增强系统EGNOS；（2）设计和组织管理一个民用全球卫星导航系统 1999年，EU将卫星导航系统命名为GALILEO； GALILEO包括四个阶段：定义阶段，开发及在轨验证阶段，系统部署阶段，系统运营阶段 1999年5月，欧空局（ESA）批准了GALILEO的定义阶段 2005年12月28日，第一颗试验卫星发射,GALILEO设计包括27颗工作卫星与3颗备用卫星，分布在3个近圆的中轨（MEO）上 加强对高纬度地区的覆盖，包括挪威、瑞典等地区 地面部分包括2个控制中心，5个遥测、跟踪与控制站，40个地面跟踪站 提供的服务：公开服务、商业服务、生命安全服务公共安全服务、搜索与救援服务,GNSS简介GALILEO,伽利略卫星定位系统电脑模拟图,四、美国的SA政策,the Galileo satellite constellation,其它卫星导航定位系统Galileo,the GIOVE Satellite,其它卫星导航定位系统Galileo,GIOVE的主要目标: 频率信号测试； 验证一些关键技术（比如铷原子钟、氢原子钟）； 轨道环境特征测试； 并行2或3通道信号传输测试。,发展路线图,GNSS简介北斗,25/41,GNSS简介北斗,我国自行研制的两颗北斗导航试验卫星分别于2000年10月31日和12月20日从西昌卫星发射中心升空并准确进入预定的地球同步轨道（东经80和140的赤道上空），此外另一颗备用卫星也被送入预定轨道（东经110.5的赤道上空），标志着我国拥有了自己的第一代卫星导航系统BD1,北斗1代卫星导航系统组成图,其它卫星导航定位系统北斗卫星导航系统,“北斗卫星导航系统”系统是由空间卫星、地面控制中心站和北斗用户终端三部分构成。 空间部分包括两颗地球同步轨道卫星（GEO）组成。卫星上带有信号转发装置，完成地面控制中心站和用户终端之间的双向无线电信号的中继任务。,其它卫星导航定位系统北斗卫星导航系统,用户终端分为 定位通信终端 集团用户管理站终端 差分终端 校时终端等,与GPS系统不同，所有用户终端位置的计算都是在地面控制中心站完成。因此，控制中心可以保留全部北斗终端用户机的位置及时间信息。同时，地面控制中心站还负责整个系统的监控管理 与GPS、GLONASS、Galileo等国外的卫星导航系统相比，BD1有自己的优点。如投资少，组建快；具有通信功能；捕获信号快等。但也存在着明显的不足和差距，如用户隐蔽性差；无测高和测速功能；用户数量受限制；用户的设备体积大、重量重、能耗大等,GNSS简介北斗,北斗二代系统,系统组成： 空间段：由5颗GEO卫星和30颗Non-GEO卫星组成 （27颗中圆轨道卫星（GEO）与3颗倾斜轨道卫星（IGSO）,Non-GEO 卫星,GEO 卫星,星座,GNSS简介北斗,GNSS简介北斗,2012年12月27日，北斗办公室正式公布了北斗二代导航卫星系统的ICD协议 截止到2012年底，共有5颗地球静止轨道卫星（GEO）、4颗中圆地球轨道卫星（MEO）、5颗倾斜地球轨道卫星（IGSO） 北斗系统采用的是2000中国大地坐标系 目前，卫星播发三个频率的信号B1、B2/B3 与GPS定位原理类似 目前覆盖亚太地区,其它卫星导航定位系统北斗卫星导航系统,GNSS简介其它,欧空局接收卫星导航系统(EGNOS)，覆盖欧洲大陆 美国的DGPS(Differential GPS)，美国雷声公司的广域增强系统(WAAS)，覆盖美洲大陆 日本的多功能卫星增强系统（MSAS），覆盖亚洲大陆 印度的GPS辅助型静地轨道增强导航（GAGAN 四者具有完全兼容的互操作性 通过地球静止卫星（GEO）发布包括GPS卫星星历误差改正、卫星钟差改正和电离层改的信息 通过GEO卫星发播GPS和GEO卫星完整的数据 GEO卫星的导航载荷发射GPS L1测距信号,第一部分 GNSS简介,第二部分 GNSS组成,第三部分 GNSS特点及用途,目录,GNSS 的组成,空间星座部分,地面监控部分,用户设备部分,GNSS 的组成,卫星分布情况： 组成： 21颗工作卫星； 3颗备用卫星。 分布： 6个轨道，都均匀分布4颗卫星。 轨道平均高度约为20200km。 各轨道平面升交点的赤经相差60 卫星轨道平面相对地球赤道面的倾角均为55 相邻轨道上，卫星的升交距角相差30 周期：11小时58分。,GPS卫星构造： 主体呈圆柱形； 直径约15m； 重约774kg； 星体两侧各伸展出一块由四叶 拼成的太阳能电池翼板，其面积 为72m2，能自动对准太阳，以保证卫星正常工作用电； 卫星姿态调整采用三轴稳定方式，使螺旋天线阵列所幅射的波速对准卫星的可见地面,GPS卫星的核心部件：高精度的时钟、导航电文存储器、双频发射、接收机、微处理机,GPS卫星的作用： 向广大用户连续发送定位信息； 接收和储存监控站发来的卫星导航电文等信息，并适时地发送给广大用户； 接收并执行监控站发来的控制指令，适时地改正运行偏差或启用备用卫星等； 通过星载的高精度铷钟和铯钟，提供精密的时间标准。,GPS 的组成,39,GPS地面控制站,一个主控站：科罗拉多斯必灵司 三个注入站：阿松森(Ascencion)大西洋 迭哥伽西亚(Diego Garcia)印度洋 卡瓦加兰(kwajalein)太平洋 17个监测站 = 8美国本土+9个美国以外,（2）监测站 在主控站控制下的数据自动采集中心。全球共17个监测站，分布在美国本土和三大洋的美军基地上。 主要任务：为主控站提供卫星的观测数据。,（3）注入站 将主控站发来的导航电文注入到相应卫星的存储器，每天34次。自动向主控站发射信号，每分钟报告一次自己的工作状态。全球共3个地面天线站，分别与3个监测站重合。,41,GPS 的组成,主要任务： 监视卫星的运行； 确定GPS时间系统； 跟踪并预报卫星星历和卫星钟状态； 向每颗卫星的数据存贮器注入卫星导航数据。 组成部分： 主控站（1个） 注入站（3个） 监测站（5个）,GPS 的组成,（1）主控站 设在美国本土科罗拉多州斯本斯空间联合执行中心。 主要任务： 管理和协调整个地面监控系统的工作； 根据本站和其它监测站的所有跟踪观测数据； 计算各卫星的轨道参数、钟差参数及大气层的修正参数，编制成导航电文并传送至各注入站； 调整偏离轨道的卫星，使之沿预定轨道运行，必要时启用备用卫星以代替失效的工作卫星。,主要组成部分： GPS接收机 天线 微处理器 终端设备 电源,45,用户设备部分,用户设备是指用户GPS接收机。其主要任务是捕获卫星信号，跟踪并锁定卫星信号。对接收的卫星信号进行处理，测量出GPS信号从卫星到接收机天线间传播时间能译出GPS卫星发射的导航电文，实时计算接收机天线的三维位置、速度和时间。,46,GPS天线部分 将微弱的卫星电磁波信号转变为电信号,并放大,GPS主机部分 1.变频器 2.信号通道 3.微处理器 4.存储器 5.显示器,GPS电源部分,8. GNSS接收机构造和工作原理,47,GNSS接收机,导航型GNSS接收机一般情况下无数据输出的记录存储设备(手持机),48,8.4.1 GNSS接收机构造和工作原理 跟踪、接收、放大、处理卫星信号，测量出信号从卫星到天线的传播时间。 解译导航电文，实时解算测站三维位置。,（3）按系统类型分类： 单系统接收机 多系统接收机,（1）按用途分： 导航型 授时型 测地型,（2）按接收机通道数分类： 多通道GPS接收机 序贯通道接收机 多路复用通道接收机,49,50,GPS 的组成,天线单元： 组成：接收天线、前置放大器。 大多采用全向天线，可接收来自任何方向的GPS信号，并将电磁波能量转化为变化规律相同的电流。前置放大器可将极微弱的GPS信号电流予以放大。 接收单元： 核心部件：信号波道、微处理机。 信号波道：主要有平方型和相关型。 利用多个波道同时对多个卫星进行观测，实现快速定位。,GPS接收机,数据记录器：记录接收机所采集的定位数据。 接收机的电池：采用机内机外两种直流电源。 视屏监视器：包括一个显示窗和一个操作键盘，均在接收单元的面板上，观测者可从显示窗上读取数据和文字。 GPS软件：包括内软件和外部软件,GPS 的组成,接收机的主要功能： 迅速捕获按一定卫星截止高度角所选择的待测卫星信号，并跟踪这些卫星； 对所接收到
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