PPP技术及应用PPT课件.ppt

精密单点定位 PPP 技术及应用 朱照荣 1 主要内容 1 全球导航卫星系统星座的发展2 IGS组织概述发展3 卫星定位技术的发展4 精密单点 PPP 定位技术5 PPP技术的应用 2 1全球导航卫星系统星座的发展GNSS系统 全球系统区域系统增强系统 3 COMPASS GPS GLONASS Galileo QZSS IRNSS 4 1全球导航卫星系统星座的发展 美国的GPS 是GNSS系统中应用最早 最广泛 也是效益最好的系统 该星座是1995年7月17日建成投入完全运行状态 共有24颗卫星 其中21颗工作卫星 3颗备用卫星 均匀分布在6个轨道平面内 轨道平面相对赤道平面的倾角为55 各个轨道平面之间相差60 3颗备用卫星分别位于第1 3 5号轨道平面内 5 1全球导航卫星系统星座的发展 6 1全球导航卫星系统星座的发展 卫星轨道的平均高度为20200km 卫星公转周期正好12小时 卫星寿命7 5年 GPS卫星以连续方式发射两个载波信号 L1为1575 42MKz 波长约为19cm L2为1227 6MKz 波长约为24cm 载波频率上调制有导航电文 有两种码 P码 精码 C A码 粗码 至2007年底共发射50多颗卫星 目前 有30颗卫星可使用 7 1全球导航卫星系统星座的发展 地面监控系统 包括一个主控站 三个注入站和五个监测站 主控站设在美国本土科罗拉多的斯普林斯 三个注入站分别在大西洋 印度洋 太平洋的三个美军基地上 五个监测站分别在主控站 注入站处 还有一个在美国的夏威夷 8 1全球导航卫星系统星座的发展 苏联 俄罗斯的GLONASS 为了对抗美国 前苏联于1996年1月18日也建成投入完全运行状态的GLONASS 该星座共有24颗卫星 均匀分布在3个轨道面上 其结构与美国GPS类似 9 1全球导航卫星系统星座的发展 俄罗斯1995年建成的卫星导航定位系统24颗卫星分布在3个轨道平面卫星钟寿命3 5年采用频分多址技术军民两用系统受俄罗斯国防部控制 10 1全球导航卫星系统星座的发展 由于苏联解体 卫星维护不足 新星发射困难 有一段时间只有9颗有效卫星 影响了使用 普京上台后很关注该系统 投入大量的改造经费 目前已逐步恢复 有18颗卫星可提供使用 大概2011年能全部恢复 11 1全球导航卫星系统星座的发展 欧盟的Galileo 欧盟是美国的盟友 也对美国不放心 要求独立建全球导航卫星系统 开始美国反对 经过艰难的谈判 由于欧盟的坚决态度 美国不得不同意欧盟的Galileo计划 12 1全球导航卫星系统星座的发展 该星座是欧盟政府和大企业共建系统 政府出资1 3 大企业出资2 3 以民用为主要目标 该星座共有30颗卫星 分布在3个轨道面上 目前只发射了3颗试用卫星 13 1全球导航卫星系统星座的发展 Galileo系统 14 1全球导航卫星系统星座的发展 由于预算经费不足 政府和企业意见分歧 进度缓慢 原计划2013年建成 估计要到2015年后才能建成 我国原计划加入Galileo计划 但欧盟有技术壁垒 不让我国参加核心技术研究 至今没有进展 促使中国发展自己的GNSS系统 15 1全球导航卫星系统星座的发展 中国的北斗系统BD 由于美国的GPS的SA政策 欧盟Galileo的技术壁垒 以及为维护我国空间技术发展战略 我国决定建立独立自主的中国全球导航卫星系统 该计划分两步走 一期工程先发射3颗北斗卫星 属于区域性主动式导航卫星系统 16 1全球导航卫星系统星座的发展 COMPASS 北斗 发展步骤1 北斗卫星导航试验系统 北斗一代 1994 2003 3颗GEO 2 北斗二代一期 区域定位系统 2004 2012 5颗IGSO 5颗GEO 4颗MEO 3 北斗二代二期 全球定位系统 2012 2020 30颗MEO 5颗GEO 具有导航 定位 授时及通信功能 17 1全球导航卫星系统星座的发展 2003年建成空间段 36 000km地球同步轨道卫星 两颗工作卫星 东经80o 140o 一颗备用卫星 东经110 5o 中心站 北京功能 具有区域定位 授时 短报文通信功能 18 1全球导航卫星系统星座的发展 2 北斗二代一期 2012年建成北斗二代系统空间段 5颗地球同步轨道卫星 GEO5颗倾斜地球同步轨道卫星 IGSO4颗中轨道卫星 MEO覆盖范围 同北斗一期区域导航 定位 授时 通信功能3 北斗二代二期 2020年建成空间段 5颗地球同步轨道卫星 GEO30颗中轨道卫星 MEO全球复盖 具有导航 定位 授时 通信功能 19 2IGS组织概述 GPS一直在地学研究领域尤其是在大地测量领域扮演着一个举足轻重的角色 为了加强国际间GPS地学研究合作应用 IAG于1993年成立了IGS组织 于1994年1月正式运作 IGS组织主要由全球跟踪站网 数据中心 分析中心和协作分析中心 协调分析中心 中心局及发布中心等几部分组成 分析中心包括NRCan GFZ JPL CODE ESA SIO和NGS等七个 20 IGS发展概述 21 IGS发展概述 22 3卫星定位技术的发展 GPS定位可分为相对定位和绝对定位 绝对定位也叫单点定位 第一代GPS的绝对定位采用的是伪距单点定位 定位精度都比较差 相对定位 为了提高GPS的定位精度 根据相邻GPS的误差相关原理 通过差分技术可以实现高精度的相对定位 23 3卫星定位技术的发展 但差分技术依赖于相邻GPS的误差相关性 随着GPS接收机之间的距离变大 误差相关性会逐渐变弱 从而导致定位精度逐渐变差 这就是差分GPS的覆盖范围问题 为了扩大GPS差分的覆盖范围 随着技术的不断研发 先后实现了广域差分定位和网络RTK技术 但要实现更大范围甚至全球的精密定位 仍要依靠不断发展的PPP 精密单点定位 技术 24 4精密单点 PPP 定位技术 从1995年左右 GPS研发人员开始研究分别估计处理GPS系统各种误差源来提高定位精度 这种技术适用于全球范围 不受差分参考站的限制 1997年 JPL 美国喷气推进实验室 正式提出PPP 精密单点定位 概念 25 4精密单点 PPP 定位技术 精密单点定位 PPP 概念 利用这种预报的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进行分米级精度的实时动态定位或以厘米级的精度进行较快速的静态定位 这一导航定位方法称为精密单点定位 PrecisePointPositioning 简称为 PPP 26 4精密单点 PPP 定位技术 精密单点定位从定位原理上讲同普通的标准单点定位没有本质区别 GPS卫星定位系统开发后 由于C A码或P码单点定位精度不高 20世纪80年代中期就有人探索采用原始相位观测数据进行单点定位 即所谓的非差相位单点定位 27 4精密单点 PPP 定位技术 由于在定位解算的估计模型中需要同时估计每一历元的卫星钟差 接收机钟差 对流层延迟 所有卫星的相位模糊度参数和测站维坐标 待估参数太多 估计方程是亏秩的 基本无法提出解决方案 问题的高难度使得这一方法在80年代后期暂时搁置起来 90年代中期 国际GNSS服务局 IGS 开始向全球提供精密星历和精密卫星钟差产品 这就为非差相位精密单点定位提供了可能 28 4精密单点 PPP 定位技术 PPP定位的主要误差源可以分为和接收机 测站有关 和卫星有关及和信号传播有关三类 1 和接收机 测站有关误差接收机钟差接收机天线相位偏差固体潮改正大洋负荷改正地球自转改正 29 4精密单点 PPP 定位技术 2 和卫星有关误差卫星钟差卫星轨道误差天线相位偏差相对论效应 3 和信号传播有关误差对流层延迟电离层延迟多路径效应 30 4精密单点 PPP 定位技术 精密单点定位与RTK比较 精密单点定位采用非差观测值模型 可用观测值多 保留了所有观测信息 能直接得到测站坐标 不同测站的观测值不相关 显然误差也不相关 测站与测站之间无距离限制其不利之处是未知参数多 无法采用站间或星间差分的方法消除误差影响 必须利用完善的改正模型加以改正 整周未知数不具有整数特性 RTK采用双差模型观测模型 其重要优点是消除卫星钟差 接收机钟差的影响 对于短基线情况 可以进一步消除电离层和对流层延迟的影响 整周未知数具有整数特性 缺点是观测值减少且相关必须至少在一个已知站上进行同步观测才能求解测站坐标 31 地面和空间运动目标定位 运载武器 飞机 轮船实时或准实时以及事后定位及运动状态分析 5PPP技术的应用 32 地理信息调查 公路调查 森林面积范围调查 环境监测