四大GNSS及GPS的基本原理与测量应用

1、2021-5-27, Page 1 主要内容主要内容 二二三三 四大四大GNSSGNSS简介简介 GPSGPS的组成及基本原理的组成及基本原理 GPSGPS的测量应用的测量应用 一一 2021-5-27, Page 2 一、四大一、四大GNSS 北北 斗斗 GPSGPS 伽利略伽利略 格洛纳斯格洛纳斯 2021-5-27, Page 3 GPS(Global Positioning Systems) l美国国防部开发的第二代空间定位系统 l特点 由21+3颗卫星组成 分布在6个轨道平面上 轨道高度20200Km 运行周期11小时58分 民用定位精度为10m左右 导航精度10 - 20 m 坐标

2、系统为WGS-84 全球、全天候工作 ，定位精度高 ，功能多，应用广 2021-5-27, Page 4 GPS现状现状 l完成时间： 1994年 l最新进展：2010年5月13日，美国发射了首颗改 进型GPS二代导航卫星GPS-2F，其后还将在本年 度再发射两颗。GPS-2F卫星具有更强的抗干扰和 抗打击能力，寿命也延长到15年。与此同时，为 满足未来30年系统技术扩展和用户需求而制定的 第三代GPS计划也有提前部署的可能。 2021-5-27, Page 5 格洛纳斯（格洛纳斯（GLONASS） l由24颗卫星组成，分布在3个轨道平面上，每个 轨道面有8 颗卫星 l轨道高度19100Km，

3、运行周期11小时15分 l定位精度可达1米，速度误差仅为15厘米/秒 l前苏联地心坐标系（PE-90） l卫星平均在轨寿命较短,没有开发民用市场 2021-5-27, Page 6 格洛纳斯现状格洛纳斯现状 l完成时间： 1996年 l最新进展：截至2010年2月，共有18颗卫星处于 在轨运行状态。由于GLONASS卫星寿命短，组 网后因为种种原因不能及时替代，从1999年起处 于瘫痪状态，不能单独提供全球导航卫星服务。 俄罗斯计划2010年将分3次发射共9颗格洛纳斯卫 星，使这一系统恢复正常。 2021-5-27, Page 7 伽利略（伽利略（GALILEO） l由30颗卫星组成，分布在3

4、个轨道，轨道高度 24126Km l 与GPS相比： 覆盖面积将是GPS系统的两倍 地面定位误差不超过1米，GPS只能找到 街道，而伽利略系统则能找到车库门 伽利略系统使用多种频段工作，在民用 领域比GPS更经济、更透明、更开放 2021-5-27, Page 8 伽利略现状伽利略现状 l完成时间：最初预计2012年完 成全球覆盖 l最新进展：2002年启动的欧洲 伽利略系统一直不够顺利，计 划超支和成员国之间利益分配 问题导致该计划滞后于原计划 近6年。今年11月，联盟火箭计 划发射两颗伽利略在轨实验卫 星。 2021-5-27, Page 9 北斗（北斗（COMPASS） l颗静止轨道卫星

5、+颗非静止轨道卫星 l采用中国2000大地坐标系（CGS2000） l开放服务： 定位精度: 10 m 测速精度: 0.2 m/s 授时精度: 20 ns 2021-5-27, Page 10 北斗现状北斗现状 l完成时间： 预计2012年 实现亚太地区覆盖， 2020年完成全球覆盖 l最新进展：北京时间11 月1号0时26分，我国在 西昌卫星发射中心成功 将第6颗北斗导航卫星送 入太空，这是我国今年 连续发射的第4颗北斗卫 星。 2021-5-27, Page 11 北斗介绍北斗介绍 2021-5-27, Page 12 GPS的组成 基本原理 空间星座部分 地面控制部分 用户设备部分 测距

6、 定位 二、二、GPSGPS的组成及基本原理的组成及基本原理 2021-5-27, Page 13 GPS系统组成系统组成 地面控制部分：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：空间部分： 提供星历和时间信息 发射伪距和载表信号 提供其它辅助信息 用户设备部分：用户设备部分： 接收卫星信号 记录处理数据 2021-5-27, Page 14 GPS系统组成系统组成空间部分空间部分 l24颗卫星（21+3） l6个轨道平面 l55轨道倾角 l20200km轨道高度（地面高 度） l11小时58分轨道周期 l5个多小时出现在地平线以 上每天提前4分钟出现 l在地球上

7、任何地方可以同 时观测到4-11颗高度角15 以上的卫星。 2021-5-27, Page 15 GPS系统组成系统组成地面控制部分地面控制部分 Colorado springs 5 5 5 5 Hawaii AscencionDiego Garcia kwajalein l 1 1个主控站个主控站:Colorado springs(:Colorado springs(科罗拉多科罗拉多. .斯平士斯平士) )。 l 3 3个注入站个注入站:Ascencion(:Ascencion(阿森松群岛阿森松群岛) )、 Diego Garcia(Diego Garcia(迭哥迭哥 伽西亚伽西亚) )、k

8、wajalein(kwajalein(卡瓦加兰卡瓦加兰) )。 l 5 5个监控站：个监控站： 以上主控站、注入站及以上主控站、注入站及Hawaii(Hawaii(夏威夷夏威夷) )。 2021-5-27, Page 16 GPS系统组成系统组成地面控制部分地面控制部分 l 主控站:它的作用是根据各监控站对GPS的观测数据， 计算出卫星的星历和卫星钟的改正参数等，并将这 些数据通过注入站注入到卫星中去 ；同时，它还对 卫星进行控制，向卫星发布指令，当工作卫星出现 故障时，调度备用卫星替代失效的工作卫星工作。 l 3个注入站: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。 l 5个

9、监控站：接收卫星信号，监测卫星的接收卫星信 号，监测卫星的工作状态 ，传送到主控站。 2021-5-27, Page 17 GPS系统组成系统组成用户设备部分用户设备部分 按照原理、用途、功能来分类 用途 载波频率 工作原理 导航型接收机 测地型接收机 平方型接收机 混合型接收机 干涉型接收机 单频接收机 双频接收机 通道种类 多通道接收机 序贯通道接收机 2021-5-27, Page 18 GPS系统组成系统组成用户设备部分用户设备部分 l手持导航型GPS机，精度5-15m 2021-5-27, Page 19 GPS系统组成系统组成用户设备部分用户设备部分 l测量型GPS接收机，最高精度

10、1mm+1ppm 天天 线线 天天 线线 主机箱主机箱 记记 录录 簿簿 主机主机 电电 源源 电台电台 2021-5-27, Page 20 GPS基本原理基本原理测距测距 Xll Vl Xl lll l ll lV V Vll Vlll X lX Xll Vl Xl lll l ll lV V Vll Vlll X lX 距离距离 = = 信号传输时间信号传输时间 x x 光的速度光的速度 2021-5-27, Page 21 GPS基本原理基本原理二维三边测量法二维三边测量法 北京北京 西安西安 广州广州 武汉武汉 2021-5-27, Page 22 GPS基本原理基本原理三维三边测量

11、法三维三边测量法 我们处在以我们处在以 RI 为半径的一个球面上为半径的一个球面上 R1 2 个球面相交得出一条曲线个球面相交得出一条曲线 R2 3 个球面相交于一个点个球面相交于一个点 3 个距离观测值可以解算出一个点的纬度、经度与高程个距离观测值可以解算出一个点的纬度、经度与高程 R3 2021-5-27, Page 23 GPS基本原理基本原理定位过程定位过程 空 间 距 离 的空 间 距 离 的 量 测 为量 测 为 定 位定 位 的基本的基本 1 1 参数参数改正改正 5 5 观测卫星至观测卫星至 地面点位的地面点位的 距离距离 2 2 利用接收利用接收卫星卫星 星历资料决定星历资料

12、决定 点位位置点位位置 4 4 3 3 观测观测4 4颗以上卫星颗以上卫星 才能解算点位的才能解算点位的 空间距离空间距离 2021-5-27, Page 24 GPS基本原理基本原理定位定位 卫星充当 “轨道控制站” 测量与时间相关的每一颗卫星的伪随机码 通常情况下，GPS接收机采用廉价的时钟。它们的 精度远远低于卫星的机载时钟 无线电波以光速传播 (距离 = 速度 x 时间) 时钟误差与测距精度的关系： 1/10 秒时钟误差 = 30,000 Km 测距误差 1/1,000,000 秒时钟误差 = 300 m测距误差 2021-5-27, Page 25 三、GPS的测量应用 单点 定位

13、相对 定位 VRS 技术 2021-5-27, Page 26 GPS的测量应用的测量应用单点定位单点定位 l单独一个观测站接受信号进行定位。从原理 上类似于后方交会进行点的定位。 采用虚拟距离观测量 精度较差，仅能消除接收机时钟误差 2021-5-27, Page 27 GPS的测量应用的测量应用单点定位精度单点定位精度 l理论上说，利用 C/A 码进行单点定位精度可以达到 10 - 30m l在 SA 条件下进行单点定位： 平面位置的精度为 +/- 100 m 高程的精度则为 +/- 160 m 2021-5-27, Page 28 单点定位的应用单点定位的应用 自然资源调查自然资源调查城

14、市规划城市规划环境调查环境调查 2021-5-27, Page 29 GPS的测量应用的测量应用相对定位相对定位 l确定同步跟踪相同的GPS卫星信号的若干台接收机之间 的相对位置的定位方法。 至少一台接收机置于已知坐标点上，称为主站，置于未知 点上的称为待测站或移动站。 精度较高 2021-5-27, Page 30 GPS的测量应用的测量应用相对定位的种类相对定位的种类 动态（kinematic） DGPS-codeDGPS-codeKGPS-phaseKGPS-phase 静态（static） 静态快速静态 SRDGPS 单基站差分GPS LADGPS 区域差分GPS WADGPS 广域差

15、分GPS WAAS 广域增强系统 LAAS 区域增强系统 Pseudo-Kinematic 虚拟动态测量 Semi-Kinematic 半动态测量 Real Time Kinematic 即时动态测量 2021-5-27, Page 31 GPS的测量应用的测量应用静态相对定位静态相对定位 l方法：利用两套及以上的GPS接收机，分别安置在每条 基线的端点上，同步观测四颗以上的卫星0.51小时， 基线的长度在20公里以内。各基线构成网状的封闭图 形，事后经过整体平差处理。 l用途：是精度最高的作业模式。主要用于大地测量、 控制测量、变形测量、工程测量。 l精度：可达到5mm+1ppm 2021-

16、5-27, Page 32 静态相对定位静态相对定位基线测量基线测量 B 基准站 移动站 2021-5-27, Page 33 GPSGPS的测量应用的测量应用即时动态测量（即时动态测量（RTKRTK） 常规的GPS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方法，极大地提高了外业作业 效率。 2021-5-27, Page 34 GPSGPS的测量应用的测量应用即时动态测量（即时动态测量（RTKRTK） 定位精度定位精度为厘米级为厘米级 RTK RTK 基基准准站站 即时传

17、递改正值 移动移动站站 2021-5-27, Page 35 GPS的测量应用的测量应用即时动态测量（即时动态测量（RTK） 2021-5-27, Page 36 GPS相对定位的后处理测量方法相对定位的后处理测量方法 静态相对定位模式静态相对定位模式 流动站流动站 动态相对定位模式动态相对定位模式 基准站基准站 2021-5-27, Page 37 GPS定位误差分类定位误差分类 与GPS卫星有关的误差 与传播途径有关的误差 与GPS 接收机有关的误差 卫星星历误差 卫星钟差 SA干扰误差 电离层折射 对流层折射 多路径效应 接收机钟差 接收机的位置误差 接收机天线相位中心偏差 2021-5

18、-27, Page 38 VRSVRS测量技术测量技术 GPS实时差分定位RTK技术的缺点： l用户需要架设本地参考站 l误差随距离的增加而增长 l误差增长使流动站和参考站的距离受到限制，一般 小于15公里 l精度为10mm+1ppm，可靠性随距离增大而降低 2021-5-27, Page 39 VRSVRS测量技术测量技术 虚拟参考站方案中虚拟参考站方案中VRSVRS的特点与技术优势：的特点与技术优势： 虚拟参考站方案中，VRS的实施将使一个地区的 测绘工作成为一个有机的整体，这改变了以往GPS作 业“单打独斗”的局面，同时它使GPS技术的应用更 为广泛，使其精度和可靠性得到进一步提高，最重

19、要 的是建立GPS网络的成本降低了很多。 我国深圳市第一个建成了VRS技术卫星定位服务系统 2021-5-27, Page 40 何谓何谓VRSVRS测量技术测量技术？ l移动站并非接受某个实际基准站的实际观测资料，而是经 过定位误差修正的虚拟观测数据，也就是RTK主站，并不 是实际存在的实体主站，而是在移动站附近产生一个经过 人为加工的虚拟化主站，这种网络化的定位技术称为虚拟 参考站动态定位技术，简称 + GPS卫星定位技术卫星定位技术 Mobile Phone 行行动式数据传输技术动式数据传输技术 + 宽频网络数据宽频网络数据 通讯技术通讯技术 2021-5-27, Page 41 VRS

20、VRS测量技术测量技术 控制中心 固定站 用户部分 整个系统的核心 固定参考站是固定的GPS接收系统，分布在整个 网络中，一个VRS网络可包括无数个站 用户部分就是用户的接收 机，加上无线通讯的调制 解调器。 系系 统统 构构 成成 GPS设备上网模块 无线上网设备及上网账号 VRS的接入账号 2021-5-27, Page 42 VRSVRS测量技术测量技术原理与流程原理与流程 GPSGPS基准站 基准站 GPSGPS基准 基准站站 GPSGPS基准 基准站站 BS1 BS2 BS4 BS3 超短基超短基线线 V VR RS-RTK S-RTK 解算解算 RoverRover V VR RS

21、 S 虚拟基准虚拟基准站站 GPSGPS基准 基准站站 GPSGPS基准 基准站站 BS5 BS6 基基准站间距准站间距約約 5050公里公里 基基 准准 站站 间间 距距 約約 50 公公 里里 控控 制制 及及 计计 算算 中中 心心 GSM/GSM/GPRSGPRS & & NTRIPNTRIP 通讯协定通讯协定 ADSLADSL ADSLADSL 待待测点测点位位 GPS GPS 原始观测资料原始观测资料 GPS GPS 原始原始观测资料观测资料 计计 算算 区区 域域 改改 正正 參參 数数 內內 插插 计计 算算 組組 成成 虚虚 拟拟 观观 测测 量量 控控 制制 及及 计计 算

22、算 中中 心心 GPSGPS基准站 基准站 2021-5-27, Page 43 VRS测量技术优势测量技术优势 VRSVRS覆盖范围：覆盖范围： VRS网络可以有多个站，但最少需要3个 VRSVRS的主要优势的主要优势 费用将大幅度降低 相对传统RTK，提高了精度，精度始终在12cm。 提高可靠性 2021-5-27, Page 44 谢谢谢谢! ! 2021-5-27, Page 45 伽利略（伽利略（GALILEO） l由30颗卫星组成，分布在3个轨道，轨道高度 24126Km l 与GPS相比： 覆盖面积将是GPS系统的两倍 地面定位误差不超过1米，GPS只能找到 街道，而伽利略系统则能找到车库门 伽利略系统使用多种频段工作，在民用 领域比GPS更经济、更透明、更开放 2021-5-27, Page 46 伽利略现状伽利略现状 l完成时间：最初预计2012年完 成全球覆盖 l最新进展：200