测量GNSS技术的发展与未来.ppt

GPS定位技术及应用 GNSS技术的最新进展及2000坐标系简介 全球导航卫星系统 GNSS 定义具有全球导航定位能力的卫星定位导航系统称为全球卫星导航系统 英文全称为GlobalNavigationSatelliteSystem 简称为GNSS 实际系统美国的全球卫星定位系统 GPS 俄罗斯的全球卫星导航系统GLONASS正在发展研究的有欧盟的GALILEO系统中国北斗卫星导航广域增强系统实现中国及其周边海域的区域定位导航系统 GPS全球定位系统 拥有者美国发展简史全球卫星定位系统 GPS 计划自1973年起步 1978年首次发射卫星 1994年完成24颗中高度圆轨道 MEO 卫星组网 共历时16年 耗资120亿美元 至今 已先后发展了三代卫星 系统组成空间部分控制部分用户部分 GLONASS全球定位系统 拥有者俄罗斯发展简史由前苏联从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 现在由俄罗斯空间局管理 GLONASS的整体结构类似于GPS系统 其主要不同之处在于星座设计和信号载波频率和卫星识别方法的设计不同 目前因经济问题 星座中卫星缺失太多 暂时不能连续实时定位 系统组成卫星星座地面监测控制站用户设备 伽利略 GALILEO 全球定位系统 拥有者欧盟 中国参与发展简史GALILEO系统是欧洲自主的 独立的全球多模式卫星定位导航系统 提供高精度 高可靠性的定位服务 同时它实现完全非军方控制 管理 可与美国的GPS和俄罗斯的GLONASS兼容 但比后两者更安全 更准确 计划将于2008年完成 但从目前的情况来看 整个系统的建立还是遥遥无期系统组成GALILEO系统由30颗卫星组成 其中27颗工作星 3颗备份星 卫星分布在3个中地球轨道 MEO 上 轨道高度为23616千米 轨道倾角56度 每个轨道上部署9颗工作星和1颗备份星 中国北斗定位系统 由三颗地球同步轨道卫星组成 投资较少不具备全球覆盖能力 只能以地区为主 先发射卫星 再进行终端设备研发 不像GPS是军民应用一起开发 北斗系统需要接收机的返回信息 不像GPS属于被动系统 二代北斗导航系统 计划包括4颗静止星 12颗中轨星和9颗高轨星 原定2006年开始组网 2010年实现全球精确覆盖 目前时间推迟了 真正实现还没有时间表 GPS现代化 GPS现代化计划 保护采用一系列措施保护GPS系统不受敌方和黑客的干扰 增加GPS军用信号的抗干扰能力 其中包括增加GPS的军用无线电信号的强度 阻止阻止敌方利用GPS的军用信号 设计新的GPS卫星型号 F 设计新的GPS信号结构 增加频道 将民用频道L1 L2 L5 1 17645GHz 和军用频道L3 L4分开 GPS现代化计划 GPS将使用BlockIIRGPS卫星 今后将陆续更新12颗卫星 增强了信号的功率和种类两种新型军用信号 增强了加密和抗干扰能力增加一种民用信号 提供不同频率上的公开信号在使用位置上可以直接校正电离层干扰 实现GPS服务更加准确 有效 完整 可靠 新信号概述 除了IIR卫星 2005年还要发射波音IIF卫星 F批次卫星除发射增强的L1 L2民用信号和M码外 将在1176 45兆赫增加第3个民用信号 L5 位于960 1215MHZL2载波上增加的第二个民用信号是L2C 能补偿大气传输不稳定性 提高民用导航精度到3 10米M码采用新型的调制方法 和新一代加密技术 军用和民用码分离 PPP技术 精密单点定位技术 3P PrecisePointPositioning 简称为PPP 原理利用预报的GPS卫星的精密星历或事后的精密星历作为已知坐标起算数据 同时利用某种方式得到的精密卫星钟差来替代用户GPS定位观测值方程中的卫星钟差参数 用户利用单台GPS双频双码接收机的观测数据在数千万平方公里乃至全球范围内的任意位置都可以2 4dm级的精度进行实时动态定位或以2 4cm级的精度进行较快速的静态定位精密单点定位技术是实现全球精密实时动态定位与导航的关键技术 也是GPS定位方面的前沿研究方向 优点处理非差码与相位观测值 可利用的观测值多且不相关可估计位置 钟差及对流层延迟等参数支持静态模式和动态模式作业只要有通讯链路支持 可在全球范围内应用直接得到ITRF框架坐标关键技术及难点精密卫星轨道及精密卫星钟差估计非差模糊度求解问题相对于双差定位模式 非差定位误差处理更为复杂 精密单点定位 3P SBAS介绍 SBAS差分模式介绍 SBAS即SpaceBasedAugmentationSystem 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 星站差分 系统通过卫星向外广播差分信号 地面上的GPS在接收GPS卫星信号的同时 还接收这些差分信号 从而提高单机定位精度 随着SBAS测量系统的不断完善和定位精度的逐步提高 SBAS差分测量应用越来越广泛 SBAS即地区性广域差分增强系统 可以为地区的差分接收系统提供持续不断的数据 在此基础之上 发展了以接收SBAS信号为差分输入源的GPS接收机 目前全球发展的SBAS系统有 欧空局接收卫星导航系统 EGNOS 覆盖欧洲大陆美国的DGPS DifferentialGPS 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 MAAS 覆盖亚洲大陆还有印度即将投入使用的GAGAN系统 可以覆盖东南亚大部 MAAS卫星的差分覆盖范围 SBAS系统工作特点 1 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 2 通过GEO卫星发播GPS和GEO卫星完整的数据 3 GEO卫星的导航载荷发射GPSL1测距信号 4 在接收机上利用结算模型 利用GEO卫星发送的信息 结算出高精度的结果 网络CORS技术 网络CORS技术 工作原理网络CORS就是在一定区域内建立多个 一般为三个或三个以上 坐标为已知的GNSS基准站 对该地区构成网状覆盖 并以这些基准站为基准 计算和发播相位观测值误差改正信息 对该地区内的卫星定位用户进行实时改正的定位方式 特点覆盖面广 定位精度高 可靠性高 可实时提供厘米级定位 网络CORS相对于传统RTK的优势 具有跨行业特性 可面向不同类型的用户 不再局限于测绘领域及设站的单位与部门 可同时满足不同需求的用户在实时性方面的差异 能同时提供RTK DGPS 静态或动态后处理 及现场高精度准实时定位的数据服务 参考站网的建立可部分取代常规测量布控 网络CORS相对于传统RTK的优势 能兼顾不同层次的用户对定位精度指标要求 提供覆盖米级 分米级 厘米级的数据 覆盖范围广 作业效率高 一次投资长期受益的特点 成为城市基础设施建设新方向 提供稳定 统一的参考坐标系给所有用户共享 规范基础测绘数据 网络CORS相对于传统RTK的优势 提高作业区域的精度一致性 降低系统误差 提高外业数据质量 提高生产效率 单人测量系统成为GNSS主流作业模式解决了重复的参数求取提供了数据完整性监控 目前几种网络CORS的算法 现有的网络CORS技术 根据发送网络信息 改正模型 方法的不同 现有的网络CORS技术可以分为虚拟参考站 VRS VirtualReferenceStation 区域改正参数 FKP Fl chen Korrektur Parameter 主辅站技术 MAX Master AuxiliaryCorrections 网络参考站系统 NRS NETReferenceStation 虚拟参考站技术 VRS 流动站将自身的概略位置 GGA 发送给数据处理中心 数据处理中心选择用户周围的三个参考站 并根据改正模型在用户附近虚拟一个基准站 将虚拟基准站的数据通过与常规RTK相同的方式发送给流动站 VRS特点 全网电离层 对流层 轨道误差模型化 双向数据通讯 用户量受通讯能力的限制 易于监控和管理流动站用户权限 作业 使用NTrip协议可以很容易实现对用户权限的管理发送内容与传统RTK相同 区域改正参数技术 FKP FKP是指利用GPS基准站观测数据 相位观测值和伪距观测值等 及基准站已知坐标等信息 计算得到基准网范围内与时间或空间相关的误差改正数模型 然后利用测量点的近似坐标内插出测量点的误差改正数 将它应用到观测值中 从而消除各种与时间和空间有关的误差 获得高精度的定位结果 区域改正参数技术 FKP 数据处理中心广播主站的观测值 与常规RTK相同 同时通过RTCM59广播一组模型参数 流动站根据自身位置和主站位置 以及与距离有关的模型参数计算改正值 并用计算除的改正值改正观测值 从而进行RTK定位 FKP技术特点 单向通讯 流动站不需要发送GGA 无法兼容传统RTK流动站 要求流动站能处理RTCM59信息单向数据通讯 用户只接收不发播 具有良好的隐蔽性 主辅站技术 MAX 数据处理中心广播主站观测值 与常规RTK相同 同时通过RTCM3 11014 1017消息发送一组辅站数据 只发送辅站改正数与主站改正数的差值 以及辅站坐标与主站坐标的差值 为了减低传输负担 流动站收到广播消息后 计算自身位置的改正数 并加到观测值中 进行常规RTK定位 MAX技术特点 数据量大 需要发送主站及一系列辅站的改正数 单向数据通讯 用户只接收不发播 具有良好的隐蔽性 无法兼容常规RTK流动站 需要流动站能处理RTCM3 11014 1017信息 用户量没有限制 不利于监控和管理流动站用户的作业和权限 iMAX IndividualMAX 增强了个人的应用流动站发送GGA易于监控和管理流动站用户权限 作业 网络参考站系统 NRS NRS NetReferenceStation 是南方公司在虚拟参考站技术的基础上 吸收其他网络CORS技术优点 结合中国实际进一步发展和延伸的自主创新成果 NRS系统特点 特有的DEEP NRS技术 使网的可用性大大提高数据加密技术支持NTrip协议 系统兼容国内外各种型号的GPS支持多种差分格式RTCM2 x 含RTD CMRRTCA RTCM30自定义图形显示 GPS产品 多样 高端的GPS产品成为主流 随着电子信息终端技术的快速发展 GPS产品不断向更轻 更小 更齐全功能方向发展 高端产品逐渐成为主线测量行业的RTK产品GIS个人手持定位系统 CORS系统下的网络RTK主机 工作模式在网络基站的支持下 方便程度达到最大化主要是开放的天空 对野外工作者来说 就是完全 无脑化 的作业模式改善了原来常规测量的流程 直接从最高级别控制点 CORS基站 下发展控制和最细部的测量点需要一个系统的支持 网络RTK机房中心的支持需要通讯系统的支持大量的单台流动站和单人测量系统工作模式会快速进入各个测量单位 进口RTK厂商 天宝 R8 R6 阿斯泰克 Z X Z Max 加瓦特 凯旋 1和凯旋 4 拓普康 HiPerPro GR 3 Novatel 最主要的OEM厂商 徕卡 GPS1220 GPS1230 Magellen Thales Hemisphere Datagrid双频接收机由于用户量小 专利垄断等原因 生产的厂家较少 价格垄断 国产RTK厂商 南方 S86 S82 中海达 V8 华测 X90 X91 目前都是OEM制造 没有完全的自主制造技术国产的双频接收机技术近一两年将会取得突破 这种突破会彻底使测量型GPS的市场重新洗牌 价格下降 手持GPS主要厂商 Garmin麦哲伦最大的芯片厂家SiRF 2000国家大地坐标系简介 CGCS2000的定义 CGCS2000符合IERS 国际地球旋转和参考系服务局 ITRS 国际地球参考系 的下列定义 原点在包括海洋和大气的整个地球的质量中心 长度单位为米 SI 这一尺度与地心局部框架的TCG 地心坐标时 时间坐标一致 定向在1984 0时与国际时间局 BIH 定向一致 定向随时间的演变由整个地球水平构造运动无整体旋转 no net rotation 的条件保证 CGCS2000的定义 以上定义对应一个右手地固直角坐标系 它的原点和轴定义如下 原点在地球质量中心 Z轴指向IERS参考极方向 X轴为IERS参考子午面与通过原点且同z轴正交的赤道面的交线 Y轴与Z X轴构成右手直角坐标系 参考椭球的几何中心与坐标系的原点重合 其旋转轴与坐标系的Z轴重合 正常椭球与参考椭球一致 CGCS2000 参考椭球 CGCS2000 参考椭球 CGCS2000参考椭球的定义常数 赤道半径 a 6378137m扁率 f 1 298 257222101地心引力常数 GM 3 986004418 1014m3s 2旋转速度 7 292115 10 5rads 1 CGCS2000 参考椭球常数导出几何常数值 b 6356752 3141m短半轴E 521854 00970025m线偏心率c 6399593 6259m极曲率半径e 0 00669438002290第一偏心率平方e 0 081819191042816第一偏心率e 0 00673949677548第二偏心率平方e 0 082094438151917第二偏心率f 0 00335281068118扁率b a 0 996647189319轴比b aQ 10001965 7293m子午圈一象限弧长V 1083207319783 546km3椭球体积S 510065621 718km2椭球表面积R1 6371008 7714m算术平均半径R2 6371007 1809m同面积之球的半径R3 6371000 7900m同体积之球的半径 CGCS2000 参考椭球常数导出物理常数值 U0 62636851 7149m2s 2椭球面正常位J2 0 1082629832258x10 22阶带谐系数J4 0 2370911256141x10 54阶带谐系数J6 0 6083465258892x10 86阶带谐系数J8 0 1426811009798x10 108阶带谐系数J10 0 1214393383343x10 1310阶带谐系数m 0 00344978650678m 2a2b GM e 9 7803253361ms 2赤道正常重力 p 9 8321849379ms 2极正常重力 9 7976432224ms 2平均正常重力fg 0 00530244174137重力扁率k 0 00193185261931k b p a e 1M 5 97333196 1024kg地球质量 包括大气 CGCS2000的实现 CGCS2000通过2000国家GPS大地控制网的坐标和速度具体实现 参考历元为2000 0 2000国家GPS大地控制网是在测绘 地震和科学院等部门布设的4个GPS网联合平差的基础上得到的一个全国规模的GPS大地控制网 共包括2518点 坐标平均中误差 x 0 90cm y 1 57cm z 1 06cm B 0 37cm L 0 77cm h 1 92cm位置平均中误差 P 2 13cm CGCS2000的实现 2000国家GPS大地网 CGCS2000与WGS84比较 CGCS2000椭球WGS84椭球差a6378137m6378137m01 f298 257222101298 257223563 0 000001462GM3986004 418x1083986004 418x1080 7292115x10 117292115x10 110b6356752 3141m6356752 3142m 0 0001m CGSC2000与WGS84比较 椭球的扁率变化引起的大地纬度 大地高和椭球面上正常重力的变化 CGSC2000与WGS84比较 CGCS2000 WGS84的扁率差df