《海洋测绘技术》课件 第2章-海洋测量定位（2.1）

概述GNSS简介GPS绝对定位GPS静态相对定位局域差分GPS（LDGPS）定位广域差分GPS（WADGPS）定位本

节

内

容第二章海上测量定位技术2.1概述

海洋定位测量是海洋测量的一个重要分支。在海洋测量工程中无论测量某一几何量或物理量，如水深、重力、磁力等，都必须固定在某一种坐标系统相应的格网中。海洋定位是海洋测绘和海洋工程的基础。海洋定位手段：天文定位光学定位陆基无线电定位空基无线电定位水声定位天文定位

天文定位是一套独立的定位系统，借助于天文观测，确定海洋上船只的航向以及经纬度，从而实现导航和定位。通常采用的方法有：

①观测太阳法确定船只经纬度②观测等高距恒星法确定天文经纬度③观测北极星定向法

光学定位光学定位只能用于沿岸和港口测量，一般使用光学经纬仪进行前方交会，求出船位，也可使用六分仪在船上进行后方交会测量。随着电子经纬仪和高精度红外激光测距仪的发展，全站仪按方位—距离极坐标法可为近岸动态目标实现快速跟踪定位。由于其自动化程度高，使用方便、灵活，在当前沿岸、港口、水上测量中的使用日益增多。

陆基无线电定位陆基无线电定位即传统意义上的无线电定位。无线电定位通过在岸上控制点处安置无线电收发机（岸台），在载体上设置无线电收发、测距、控制、显示单元，测量无线电波在船台和岸台间的传播时间或相位差，利用电波的传播速度，求得船台至岸台的距离或船台至两岸台的距离差，进而计算船位，无线电定位多采用圆—圆定位或双曲线定位方式。按作用距离分为：①远程定位系统，作用距离>1000公里②中程定位系统，作用距离<1000公里③近程定位系统，作用距离<300公里空基无线电定位空基无线电定位即卫星定位，为目前海上定位的主要手段，如全球定位系统GPS、我国的北斗双星定位系统以及欧洲和我国目前合作开发的伽利略定位系统。

声学定位水下声学技术可以解决海洋测量许多问题，如水深测量，观测海面波浪和海流，探测水下地形地貌，海底底质和浅层地质结构，也可用于导航定位和水下通讯等。用水下声标作为海底控制点，精确联测其坐标，可直接为船泊、潜艇及各种海洋工程导航、定位。

以上各种定位系统都有各自的局限性，把几种定位系统组合起来，能达到取长补短，减小外界影响，提高定位精度的目的。再采用卡尔曼滤波数据处理方法，使得组合导航系统无论在定位精度、可靠性、连续性和实时性等方面都远比单一系统更有优越性。

一、工作原理及系统组成工作原理卫星定位系统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：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。2.2卫星导航定位系统

二、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。2.2卫星导航定位系统

二、全球卫星定位系统1、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

2.2卫星导航定位系统

二、全球卫星定位系统1、GPS全球定位系统

工作原理由于卫星的位置精确可知，在GPS观测中，我们可得到卫星到接收机的距离，利用三维坐标中的距离公式，利用3颗卫星，就可以组成3个方程式，解出观测点的位置(X,Y,Z)。考虑到卫星的时钟与接收机时钟之间的误差，实际上有4个未知数，X、Y、Z和钟差，因而需要引入第4颗卫星，形成4个方程式进行求解，从而得到观测点的经纬度和高程。事实上，接收机往往可以锁住4颗以上的卫星，这时，接收机可按卫星的星座分布分成若干组，每组4颗，然后通过算法挑选出误差最小的一组用作定位，从而提高精度。2.2卫星导航定位系统

二、全球卫星定位系统1、GPS全球定位系统

应用2.2卫星导航定位系统1991年海湾战争期间开始显露出的巨大战术价值也令其他国家感到吃惊美军在伊拉克战场上所使用的GPS12

二、全球卫星定位系统1、GPS全球定位系统

应用2.2卫星导航定位系统

二、全球卫星定位系统2、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。

系统组成卫星星座地面监测控制站用户设备2.2卫星导航定位系统用于发射“格洛纳斯”系统卫星的俄“质子”火箭被运往发射点

二、全球卫星定位系统2、GLONASS全球定位系统该系统由24颗卫星组成，首颗卫星于1984年发射，苏联解体后曾一度处于停顿状态。直至1998年，俄再度开始对“格洛纳斯”进行更新升级。定位精度最高将可以达到1米，能让现役武器在不用花大价钱的情况下把威力提高一个等级。最让美方担心的是，“格洛纳斯”能提高战略导弹的打击精度。在导弹飞行过程中，“格洛纳斯”系统可不间断地进行路线精确测算和数据修正，将导弹的命中误差大大缩小。俄罗斯军事专家亚历山大·戈尔茨因此把“格洛纳斯”系统称为“除核武器之外，前苏联留给俄罗斯最珍贵的遗产”。2.2卫星导航定位系统

二、全球卫星定位系统2、GLONASS全球定位系统2.2卫星导航定位系统在俄罗斯首都莫斯科，俄总理普京的爱犬“科尼”被佩戴上装有全球卫星导航装置的项圈。

二、全球卫星定位系统2、GLONASS全球定位系统2.2卫星导航定位系统GLONASS既可以提供独立的导航服务，又可与GPS结合。将GLONASS组合到GPS中构成GNSS，主要有三方面的优势：

有效性

GPS需要捕获至少4颗卫星才能提供纬度、经度和高度定位数据。但如果在靠近高山、建筑物、树木和其它遮挡物时，GPS可见星的数目可能低于4颗或者3颗甚至更少，导致GPS接收机不能给出用户位置。将GLONASS与GPS组合，则有48颗卫星提供给用户，从而大大提高导航系统的有效性。

完整性完整性即导航系统在定位数据出错时给用户提供报警信息。更高的要求是能够隔离故障，提供修正后的定位结果。普通的完整性算法要求可见性数目至少为5颗，如若需要隔离故障则需要6颗以上的可见星。在GNSS中，用户能得到比单独GPS高出一倍的概率来实现完整性算法。

精度GNSS的定位精度比单独的GPS高出5~10倍。

二、全球卫星定位系统3、伽利略（GALILEO）全球定位系统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，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。2012年10月，伽利略全球卫星导航系统第二批两颗卫星成功发射升空，太空中已有的4颗正式的伽利略系统工作卫星。

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。2.2卫星导航定位系统

二、全球卫星定位系统3、伽利略（GALILEO）全球定位系统2.2卫星导航定位系统从设计目标来看，“伽利略”的定位精度优于GPS。如果说GPS只能找到街道，“伽利略”则可找到车库门。“伽利略”为地面用户提供3种信号：免费使用的信号、加密且需交费使用的信号、加密且需满足更高要求的信号。其精度依次提高，最高精度比GPS高10倍，即使是免费使用的信号精度也达到6米。

二、全球卫星定位系统4、“北斗”卫星定位系统

2.2卫星导航定位系统北斗卫星导航定位系统是我国自主建立的全天候、全天时提供卫星导航信息的区域导航系统。目前已成功发射33颗，15颗北斗二号卫星和18颗北斗三号卫星。该系统具有星间链路和自主导航功能，预计于2020年完成全球系统组建任务。

该系统主要由空间卫星、地面中心站和用户终端三部分组成。具有快速定位、双向通信和精密授时三大功能。覆盖范围为北纬5°～55°,东经70°～145°(中国全境及亚洲大部分地区)。

二、全球卫星定位系统4、“北斗”卫星定位系统

2.2卫星导航定位系统

2011年12月27日起，开始向中国及周边地区提供连续的导航定位和授时服务。北斗已经宣布在2017年底前向全球正式提供服务，民用服务与GPS一样免费。优势

短信服务和导航结合，增加了通讯功能；精度与GPS相当，而在增强区域也就是亚太地区，甚至会超过GPS；向全世界提供的服务都是免费的，在提供无源定位导航和授时等服务时，用户数量没有限制，且与GPS兼容应用二、全球卫星定位系统2.2卫星导航定位系统2.3GPS绝对定位原理基本原理：绝对定位是以地球质心为参考点，确定接收机天线在WGS-84坐标系中的绝对位置。由于定位作业仅需一台接收机工作，因此又称为单点定位。以GPS卫星和用户接收机天线之间的距离观测量为基准，根据已知的卫星瞬时坐标，来确定用户接收天线所对应的位置。绝对定位方法的实质是空间距离后方交会。如图

图6-2GPS绝对定位原理

GPS绝对定位根据用户接收机天线所处的状态不同，又可分为动态绝对定位和静态绝对定位。动态绝对定位：用户接收设备安置在运动的载体上，确定载体瞬时绝对位置的定位方法，称为动态绝对定位。静态绝对定位：用户接收设备安置在静止的载体上，确定载体瞬时绝对位置的定位方法，称为静止绝对定位。2.4GPS静态相对定位原理将接收机安置在基线的端点上，其位置静止不动，同步观测相同的4颗以上GPS卫星，确定基线两个端点在协议地球坐标系中的相对位置，这种定位模式称为相对定位。根据接收机的数目的不同可分为：两站、多站GPS相对定位。如图(6-3)、(6-4)

图6-3GPS静态相对定位（两站）图6-4GPS静态相对定位（多站）静态相对定位采用载波相位观测量为基本观测量，利用载波相位进行测量，就其本身来讲，测量精度可达0.5～2.0mm，但是，GPS测量受到多种误差的影响，如卫星轨道误差、卫星钟差、接收机钟差以及电离层和对流层的折射误差的影响。因此在GPS相对定位中，通常采用单差双差三差的组合方式来有效地消除或减弱误差影响。2.5局域差分GPS（LDGPS）定位原理局域差分GPS按照基准站的不同，又可分为：单站差分多站差分按信息的发送方式又可分为：伪距差分相位差分位置差分单站差分单基准站差分GPS是根据一个基准站所提供的差分改正信息对用户站进行改正的差分GPS系统。该系统由基准站、无线电数据通信链、用户站三部分组成。单站差分GPS系统的优点是结构和算法都较为简单。但是该方法的前提是要求用户站误差和基准站误差具有较强的相关性，因此，定位精度将随着用户站与基准站之间的距离增加而迅速降低。

多站差分

在一个较大的区域布设多个基准站，以构成基准站网，其中常包含一个或数个监控站，位于该区域中的用户根据多个基准站所提供的改正信息经平差计算后求得用户站定位改正数，这种差分GPS定位系统称为具有多个基准站的局部区域差分GPS系统。DGPS技术实时差分实时差分GPS技术原理：在测区附近已知位置点设建立无线电台和GPS接收机需测坐标点设立GPS接收机和无线电接收机定位卫星产生的定位误差基本一样改正值修正精度更高的位置信息单基站技术实例：导航信标台作用距离：300km定位精度：1-5m工作频率：283.5-325.0kHz覆盖范围：我国大陆沿岸海域播发数据：RTCMSC-104使用方式：免费使用区域差分GPS提供改正量主要有以下两种方法：

(1)各基准站以标准化的格式发射各自改正信息，而用户接收机接收各基准站的改正量，并取其加权平均，作为用户站的改正数。其中改正数的权，可根据用户站与基准站的相对位置来确定。

(2)根据各基准站的分布，预先在网中构成以用户站与基准站的相对位置为函数的改正数的加权平均值模型，并将其统一发送给用户。2.6广域差分GPS（WADGPS）

定位原理

广域差分GPS定位是针对局域差分GPS定位中存在的间题，将观测误差按误差的不同来源划分成星历误差、卫星钟差及大气折射误差来进行改正，以提高差分定位的精度和可靠性。广域差分GPS定位的基本思想是在一个相当大的区域中用相对较少的基准站组成差分GPS网，各基准站将求得的距离改正数发送给数据处理中心，由数据处理中心统一处理，将各种GPS观测误差源加以区分，然后再传送给用户。这种系统称为广域差分GPS系统。图6-8广域差分GPS的系统组成WADGPS的工作流程WADGPS系统一般有一个主控制站、若干个GPS卫星跟踪站（又称基准站或参考站）、一个差分信号播发站、若干个监测站、相应的数据通讯网络和若干个用户站组成。系统的工作流程可以分为五个步骤：

(1)在已知精确地心坐标的若干个GPS卫星跟踪站上，跟踪接收GPS卫星的广播星历、伪距和载波相位信息等；

(2)跟踪站所获得的这些信息，通过数据通讯