第12章 全球卫星定

第12章全球卫星定位导航技术(GPS),主讲人：张前勇,12.l概述12.1.1定位与导航的概念定位的概念卫星定位技术是利用人造地球卫星进行点位测量的技术。,定位从测绘的意义上说，定位就是测量和表达某一地表特征、事件或目标发生在什么空间位置的理论和技术。从广义和现代意义上来说，定位就是测量和表达信息、事件或目标发生在什么时间、什么相关的空间位置的理论方法与技术。我们这里的定位含义，仍然是讨论中观和宏观世界里有关信息、事件和目标的发生时间和空间位置的确定。导航指运动目标，通常是指运载工具如飞船、飞机、船舶、汽车、运载武器等的实时动态定位即三维位置、速度和包括航向偏转、纵向摇摆、横向摇摆三个角度的姿态的确定。,12.1.2定位需求与技术的发展过程,1957年10月，前苏联发射了人类第一颗人造地球卫星。人们在跟踪无线电信号的过程中，发现了卫星无线电信号的多普勒频移现象，这预示着一种全新的太空测量位置方式可以探索，由此提出了卫星定位和动态目标导航的初步概念，从此，人类进入了卫星定位和导航时代。,12.1.3绝对定位方式与相对定位方式,在实际工作中，我们把直接确定信息、事件和目标相对于参考坐标系统的坐标位置测量称之为绝对定位，而把确定信息、事件和目标相对于坐标系统内另一已知或相关的信息、事件和目标的坐标位置关系称之为相对定位。一般来说，绝对定位的概念比较抽象，技术比较复杂，定位精度也难以达到很高；而相对定位概念比较直观、具体，技术较为简单、直接，容易实现高精度,12.1.4定位与导航的方法和技术,在卫星定位系统出现之前，远程的导航与定位系统可采用四种方法：(1)常规大地测量定位系统；(2)天文导航系统；(3)无线电导航系统；(4)惯性导航系统。在实际应用中，可以是这四种方法中的两种或三种组合。,12.1.5卫星导航定位技术,全球卫星定位系统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因经济问题，星座中卫星缺失太多，暂时不能连续实时定位。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。,工作原理及系统组成,工作原理卫星定位系统都是利用在空间飞行的卫星不断向地面广播发送某种频率并加载了某些特殊定位信息的无线电信号来实现定位测量的定位系统。系统组成空间运行的卫星星座：发送某种时间信号、测距信号和卫星的瞬时坐标位置信号。地面控制部分：精确测定卫星的轨道坐标、时钟差异，确定系统运行状态，并向卫星注入新的卫星轨道坐标，进行必要的卫星轨道纠正等。用户部分：接收卫星广播发送的多种信号并进行处理计算确定用户的最终位置。,组合导航定位技术可提高导航定位精度和可靠性组合导航的方式惯性导航与多普勒组合导航系统惯性导航与测向/测距（VOR/DME）组合导航系统惯性导航与罗兰（LORAN）惯性导航与全球定位系统（INS/GPS）组合导航系统导航技术发展的方向把各具特点的不同类型的导航系统匹配组合，发挥各自特点、扬长避短，加之使用卡尔曼滤波技术等数据处理方法，提高系统导航能力、精度、可靠性和自动化程度。,区域导航定位技术,北斗-双星导航与定位系统我国自主研制的区域卫星导航与定位系统。工作原理利用两颗地球同步卫星作信号中转站，用户站点的收发机接收一颗卫星转发到地面的测距信号，并向两颗卫星同时发射应答信号，地面中心站根据两颗卫星转发的同一个应答信号以及其它数据计算用户站位置。用户站收发机在允许的时间或规定的时间内，在接收到卫星的转发信号后，便可得出定位结果。特点和意义该系统将定位、通信和定时等功能结合在一起，且有瞬时快速定位的能力。大大提高了我国自主导航能力。建立这一系统对于交通、运输、旅游、我国西部地区的开发、灾害监视和防治以及全国范围的时间同步有重要的作用。我国的二代卫星导航定位系统正在建设中,12.1.5GNSS发展,GPS1973年由美国国防部（DOD）开始建立，称为全球定位系统globalpositioningsystem，目的是用于美国军队的定位、导航、武器制导等。拟定由颗卫星组成。到今天为止经历了个阶段：1973年12月1978年2月22日为理论研究阶段；19781989年2月14日为建设阶段；19901999为建成运行阶段，1993年满24颗，1995年达预定工作能力；2000年5月2日2030为改进更新阶段。,GPS测量的特点与问题1）特点精度高；速度快；无需通视；操作简便；全球布网；全天候作业；三维坐标；应用广泛。2）问题军民两用；无安全承诺。三维精度不一致。如图,GLONASS,GLONASS是GLObalNAvigationSatelliteSystem(全球导航卫星系统)的字头缩写.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。系统组成卫星星座地面监测控制站用户设备因技术、经济原因，目前只有11颗工作卫星,加俐略系统（GALILEO）,拥有者欧盟发展简史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，2005年12月28日发射第一颗试验卫星，计划将于2008年完成。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，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。,北斗导航系统,“北斗导航系统”是全天候、全天时提供卫星导航信息的区域导航系统，此系统由二颗卫星、控制站和接收机组成，卫星编号分别为“北斗一号”和“北斗二号”，分别于2000年10月31日凌晨0时02分和2000年12月21日0时20分在西昌卫星发射中心发射升空，并准确进入预定轨道。这标志着中国将拥有自主研制的第一代卫星导航定位系统,12.1.6GPS系统的组成,GPS由三个独立的部分组成：空间部分：21颗工作卫星，3颗备用卫星。地面控制系统：1个主控站，3个注入站，5个监测站。用户设备部分：接收GPS卫星发射信号，以获得必要的导航和定位信息，经数据处理，完成导航和定位工作。GPS接收机硬件一般由主机、天线和电源组成。,空间部分,GPS卫星24颗卫星(21+3)6个轨道平面55轨道倾角20200km轨道高度(地面高度)11小时58分(恒星时)轨道周期5个多小时出现在地平线以上(每颗星)在全球各处能观测到高度角15的卫星4颗以上（目前轨道上实际运行的卫星个数已经超过了32颗）,GPS卫星在轨道上的分布,卫星信号,L1-Frequenz(1575.42MHz)=19.05cmC/A-CodeP-Code卫星星历L2-Frequenz(1227.60MHz)=24.45cmP-Code卫星星历,地面控制系统,GPS的控制部分由分布在全球的由若干个跟踪站所组成。分为主控站、监控站和注入站。主控站位于美国克罗拉多Colorado的法尔孔Falcon空军基地。监控站有五个。除了主控站外其它四个分别位于夏威夷(Hawaii)、阿松森群岛(Ascencion)、迭哥伽西亚(DiegoGarcia)、卡瓦加兰(Kwajalein)。监控站的作用是接收卫星信号、监测卫星的工作状态。注入站有三个。分别位于阿松森群岛、迭哥伽西亚、卡瓦加兰。注入站的作用是将主控站计算出的卫星星历和卫星钟的改正数等注入到卫星中去。,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(DiegoGarcia)印度洋卡瓦加兰(kwajalein)太平洋五个监测站=1个主控站+3个注入站+夏威夷(Hawaii),用户部分,GPS的用户部分由GPS接收机、数据处理软件及相应的用户设备如计算机等组成。作用是接收GPS卫星所发出的信号，利用这些信号进行导航定位等工作。,1.GPS接收机的功能跟踪、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。2.GPS接收机的类型3.GPS接收机的发展1981年GPS接收机问世测地型已从第一代发展到第三代,目前还在飞速发展。,（1）按用途分：导航型授时型测地型,（2）按信号频率分：单频（L1）双频（L1和L2）,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,测地型GPS接收机,导航型GPS接收机一般情况下无数据输出的记录存储设备(手持机),GPS的功能导航海空导航、车辆引行、导弹制导等测速其精度可达0.1m/s测时与授时其精度可达340ns（1纳秒=10-9秒）定位,GPS系统的特点,1、全球，全天候工作：能为用户提供连续，实时的三维位置，三维速度和精密时间。不受天气的影响。2、定位精度高：单机定位精度优于10米，采用差分定位，精度可达厘米级和毫米级。3、功能多，应用广：随着人们对GPS认识的加深，GPS不仅在测量，导航，测速，测时等方面得到更广泛的应用，而且其应用领域不断扩大,12.1.7GPS的加密措施,一、精密定位服务与标准定位服务1）精密定位服务（510m）：PPS美国军方使用，包括：L1：C/A码，P码；L2：P码；消除SA的密匙，导航电文。2）标准定位服务（100m）：SPS出于经济考虑，83年提供民用。L1：C/A，导航电文。二、A-S措施P码保密，只有美国军方可用，后来被解密。美国引入W码，并将P码与W码进行模二相加得Y码，难以破解。,三、SA政策84年民用结果，精度远高于100m，美国为保证自身安全，1990年3月25日起对民用信号进行干扰，包括：技术：干扰卫星星历；技术：干扰定位信号。因美国国内的就业压力及国际竞争，1996年3月29日，克林顿宣布10年内终止SA，2000年5月2日终止，但可随时在区域内恢复。四、政策调整与技术更新1、美国对GPS的政策调整与技术改进1）政策调整（1）1983年提供民用；（2）1990年实施SA政策；（3）2000年5月取消SA；（4）1999年决定既保证军用安全，又提高民用精度。,12.1.8GPS技术的最新进展,GPS现代化计划精密单点定位技术网络RTK定位技术,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。改善改善GPS定位和导航的精度，在GPSF卫星中增加两个新的民用频道，即在L2中增加CA码（2005年），另增L5民用频道（2007年）。,精密单点定位技术,PrecisePointPositioning，简称为PPP。原理利用这种预报的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。,12.2GPS定位原理,12.2.1GPS坐标系,1.WGS-84坐标系WorldGeodeticSystem-1984坐标是GPS所采用的坐标系统，GPS发布的星历参数都是基于此坐标系的。WGS-84的椭球参数：a=6378137m,1/f=298.2572.1954北京坐标系(C54)克拉索夫斯基椭球参数：a=6378245m,1/f=298.33.1980西安坐标系(C80)IUGG1975椭球参数：a=6378140m,1/f=298.257。,地球质心为原点的坐标系统（空间直角坐标系）,X轴=0经度X轴在赤道平面内,Y轴=东经90度Y轴在赤道平面内,Z轴=旋转轴（极轴BIH1984.0）,地心坐标为（0，0，0）,12.2.2基本原理,GPS定位属于无线电定位。星-地传输中无线电信号穿透对流层的路径长度较通常无线电定位要短，受对流层气象因素影响要小的多，且覆盖面要比通常地面无线电定位大得多。GPS定位基本原理是利用测距交会确定点位。,原理步骤为：1.一颗卫星传播到接收机的时间只能决定该卫星到接收机的距离，但不能确定接受机相对卫星的方向，在三维空间中，以该卫星为原点，测出的距离为半径，可以画出一个球面，则GPS接收机的位置则在这个球面的某一点上。2.当测到两颗卫星的距离时，可以分别画出两个球面，两个球面相交，相交处构成一个圆。则接收机的位置进一步的确定在这个圆圆周的某一点上。3.当得第三颗卫星的距离后，第三个球面与圆相交得到两个点，则GPS接收机位于这两个点之一上。4.第四颗卫星用于确定接收机准确的位置。,数学公式1设GPS工作卫星A的位置坐标为(Xa,Ya,Za)，GPS卫星的空间位置主要由GPS工作卫星提供的卫星星历得到。GPS接收机的位置为(Xp,Yp,Zp)，(Xp,Yp,Zp)为未知2卫星A与接收机P之间的距离Spa为：,3.同理，三颗卫星分别为A、B、C时，其观测方称为：,4.GPS接收机到GPS卫星的距离一般采用无线电信号的传播速度与传播时间的积得到，即S=V*t。其中t为传播时间，获得靠GPS工作卫星上的时钟和GPS接收机上的时钟计时得到；V为无线电信号传播速度(30万km/s)。5.只要GPS接收机接收到三颗GPS工作卫星信号既可以按照上式列出方程求出GPS接收机的位置(Xp,Yp,Zp)。,6.当有4颗卫星时，也可以用最小二乘平差法来求解：,12.2.3GPS测量定位的分类,依定位时的状态动态定位静态定位依定位模式绝对定位（单点定位）相对定位差分定位,依定位采用的观测值伪距测量（伪距定位）载波相位测量依时效实时定位事后定位,绝对定位,相对定位,求测站点相对于地心的坐标,求测站点相对于某已知点的坐标增量,差分定位,在基准点上观测求得大气折射等改正，并及时发送给流动站，流动站用收到的改正数对观测数据进行改正，得精确点位。,12.2.4GPS定位的各种常用观测量,距离观测值的计算,接收机至卫星的距离借助于卫星发射的码信号量测并计算得到的接收机本身按同一公式复制码信号比较本机码信号及到达的码信号确定传播延迟时间t传播延迟时间乘以光速就得到距离观测值=Ct,单点定位结果的获取,单点定位解可以理解为一个测边后方交会问题卫星充当轨道上运动的控制点，观测值为测站至卫星的伪距(由时间延迟计算得到)由于接收机时钟与卫星钟存在同步误差，所以要同步观测4颗卫星，解算四个未知参数：纬度,经度,大地高程h,钟差t,伪距单点定位原理,伪距单点定位的应用特点,既能用于静态定位，也可进行动态定位而用于导航定位速度快、实时性好对信号的强度要求不高但定位精度较（理论上为10米30米，在SA和AS技术作用下误差达100米以上）,12.2.5GPS定位的误差来源与GPS卫星有关的因素SA技术：人为的降低广播星历精度(技术，2000年5月取消),AS技术：防电子欺骗技术；卫星星历误差；卫星钟差与传播途径有关的因素电离层延迟；对流层延迟；多路径效应与接收机有关的因素接收机钟差；天线相位中心误差；接收机软件和硬件误差另外有接收机的对中、整平误差等,GPS载波相位测量,1.采用载波相位观测值,卫星广播的电磁波信号：,信号量测精度优于波长的1/100载波波长比C/A码波长短得多所以，GPS测量采用载波相位观测值可以获得比伪距(C/A码或P码)定位高得多的测距精度,12.2.6载波相位测量的特点定位精度比伪距定位精度高可用于进行静态绝对定位、静态相对定位、差分动态定位,设法解算出初始整周未知数,测站对某一卫星的载波相位观测值由三部分组成(1)初始整周未知数n；(2)t0至ti时刻的整周记数Ci；(3)相位尾数i如果信号没有失锁，则每一个观测值包含同一个初始整周未知数n为了利用载波相位进行定位，必须设法先解算出初始整周未知数，取得总观测值n+Ci+i,初始整周未知数的确定与定位精度的关系,如果无法准确解出初始整周未知数，则定位精度难以优于1m随着初始整周未知数解算精度的提高，定位精度也相应提高一旦初始整周未知数精确获得，定位精度不再随时间延长而提高经典静态定位需要30-80分钟观测才能求定初始整周未知数快速静态定位将这个过程缩短到5-8分钟(双频接收机),GPS相对定位,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,组成星际站际两次差分观测值,可以消去卫星钟的系统偏差可以消去接收机时钟的误差,可以消去轨道(星历)误差的影响可以削弱大气折射对观测值的影响,伪距差分定位技术,伪距差分测量精度可达0.5m-5m此种测量形式一般称为DGPS,RTD测量原理图,载波相位差分定位技术,如果使用载波差分或同时使用载波差分及伪距差分则定位精度可达5-10mm+1ppm,什么是RTK技术,常规GPS的测量方法，如静态、快速静态、动态测量都需要事后进行解算才能获得厘米级的精度，而RTK是能够在野外实时得到厘米级定位精度的测量方法，它采用了载波相位动态实时差分(Real-TimeKinematic)方法，是GPS应用的重大里程碑，它的出现为工程放样、地形测图，各种控制测量带来了新曙光，极大地提高了外业作业效率。RTK定位时要求基准站接收机实时地把观测数据(伪距观测值，相位观测值)及已知数据传输给流动站接收机。,RTK测量原理图,12.3GPS在测量中应用,12.3.1GPS用于大地测量,12.3.1.1GPS静态定位的主要应用领域GPS静态定位主要用于建立各级测量控制网，其优点为：定位精度高，其基线的相对精度非常高选点灵活、不需要造标、费用低全天候作业观测时间短观测数据处理自动化,12.3.1.2GPS测量前注意事项,在15截止高度角以上不存在障碍物周围没有反射面，不致引起多路径效应安全避开过往行人和车辆附近不应该有强辐射源(如无线电台、电视发射天线等)可靠的电源供应足够的内存容量正确的配置参数(观测类型、记录速率)检查天线高和偏差仪器的正确检测,12.3.1.3GPS布网方法,充分考虑建立GPS控制网的应用范围采用分级布网的原则GPS测量的精度标准,国家测绘局1992年制订的我国第一部“GPS测量规范”将GPS的精度分为AE五级(见下表)。其中A、B两级一般是国家GPS控制网。C、D、E三级是针对局部性GPS网规定的。,GPS网设计的一般原则应通过独立观测边构成闭合图形，以增加检核条件，提高网的可靠性。应尽量与原有地面控制网相重合，重合点一般不少于3个，且分布均匀。应考虑与水准点相重合，或在网中布设一定密度的水准联测点。点应设在视野开阔和容易到达的地方，联测方向。可在网点附近布设一通视良好的方位点，以建立联测方向。根据GPS测量的不同用途，GPS网的独立观测边均应构成一定的几何图形，基本形式有：1.三角形网2.环形网3.星形网,(1)、三角形网,优点：图形几何结构强，具有较多的检核条件，平差后网中相邻点间基线向量的精度比较均匀。缺点：观测工作量大。一般只有在网的精度和可靠性要求较高时，才单独采用这种图形。,(2)、环形网,优点：观测工作量较小，且具有较好的自检性和可靠性。缺点：非直接观测基线边(或间接边)精度较直接观测边低，相邻点间的基线精度分布不均匀。是大地测量和精密工程测量中普遍采用的图形，通常采用上述两种图形的混合图形。,(3)、星形网,优点：观测中只需要两台GPS接收机，作业简单。缺点：几何图形简单，检验和发现粗差能力差。广泛用于工程测量、边界测量、地籍测量和碎部测量等。,12.3.1.4野外记录手簿内容,点标识:日期:天气:接收机序列号:设站类型:天线高读数:天线高偏差:跟踪开始时间:跟