GPS技术定位技术原理ppt课件.ppt

GPS定位原理及其在测量中的应用现状,目录,一.概述 二.GPS定位概述 三.GPS定位及GNSS定位 四. CGSC2000国家坐标系介绍,1.近、现代的常规（地面）定位方法,采用的仪器设备尺：铟钢尺光学仪器：经纬仪，水准仪激光和红外仪器：测距仪综合多种技术的仪器：全站仪无线电、微波仪器：Loran-C，雷达观测方法角度或方向观测距离观测距离差观测,一.概述,2. 常规（地面）定位方法的局限性,观测点之间需要保证通视需要事先布设大量的地面控制点/地面站无法同时精确确定点的三维坐标难以确定地心坐标平面、高程控制网破坏严重、很多点位难以寻找观测受气候、环境条件限制控制网存在误差积累、精度不高控制网点位分布不均匀平面点多在山顶并远离测区平面与高程控制分离、没有统一的控制系统,一.概述,一.概述,3.GPS 技术的广泛应用。,全球定位系统( Global Positioning System GPS)是全方位实时三维导航与定位能力的新一代卫星导航与定位系统。 在通信行业 ，交通、运输部门，地理信息系统 ，电子商务领域，电脑制造商、通信设备商 均有长足的应用 被誉为即通讯、互联网之后的第三个信息技术增长点。,GPS优点：测站间无需通视数学模型简单，且能同时确定点的三维坐标易于实现全天候观测在长距离上仍能获得高精度的定位结果 目前GPS应用现状：绝大部分的控制测量用GPS实现RTK测量技术全面普及高智能亚米级手持GPS应用展开 前景：高精度、智能化、小巧化、网络化。,4.GPS定位技术的优点和应用,一.概述,什么是全球定位系统全球定位系统 GPS 的英文全称是 NAVigation Satellite Timing And Ranging Global Position System（导航星测时与测距全球定位系统），简称 GPS 有时也被称作NAVSTAR GPS。根据Wooden 1985年所给出的定义：NAVSTAR全球定位系统（GPS）是一个空基全天侯导航系统，它由美国国防部开发，用以满足军方在地面或近地空间内获取在一个通用参照系中的位置、速度和时间信息的要求。,1. GPS定位系统的概述,二.GPS定位概述,2.GPS发展简史1957年10月4日 第一颗人造卫星 Sputnik I （苏）发射成功。1958年12月开始设计 NNSS(Navy Navigation Satellite System) TRANSIT，即子午卫星系统。1964年1月该系统正式运行。1967年7月系统解密以供民用。1973年12月，美国国防部（DOD）批准研制GPS。1978年2月22日，第1颗GPS试验卫星发射成功。1989年2月14日，第1颗GPS工作卫星发射成功。1991年，在海湾战争中，GPS首次大规模用于实战。1993年，IGS成立。1995年7月17日，GPS达到FOC 完全运行能力（Full Operational Capability）。1999年1月25日，美国副总统戈尔宣布，将斥资40亿美圆，进行GPS现代化。1999年8月21/22日子夜，GPS发生GPS周结束翻转(EOW)问题。2000年1月1日，Y2K问题。2000年5月1日，美国总统克林顿宣布，GPS停止实施SA。（实际停止实施SA是5月2日）,二.GPS定位概述,3.GPS的系统组成 由空间部分、地面部分和用户部分等组成,二.GPS定位概述,3.1 空间部分 （Space Segment）GPS卫星星座设计星座：21+3 21颗正式的工作卫星+3颗活动的备用卫星 6个轨道面，平均轨道高度20200km，轨道倾角55，周期11h 58min（顾及地球自转，地球-卫星的几何关系每天提前4min重复一次） 保证在24小时，在高度角15以上，能够同时观测到4至8颗卫星当前星座：28颗,二.GPS定位概述,GPS卫星 作用：接收、存储导航电文生成用于导航定位的信号（测距码、载波）发送用于导航定位的信号（采用双向调制法调制在载波上的测距码和导航电文）接受地面指令，进行相应操作其他特殊用途，如通讯、监测核暴等。 主要设备太阳能电池板原子钟（2台铯钟、2台铷钟）信号生成与发射装置,二.GPS定位概述,GPS卫星类型试验卫星：Block 工作卫星：Block Block ：存储星历能力为14天，具有SA和ASBlock A （Advanced）：卫星间可相互通讯，存储星历能力为180天，SV35和SV36带有激光反Block R （Replacement/Replenishment）：卫星间可相互跟踪相互通讯Block F（Follow On）：新一代的GPS卫星,增设第三民用频率,Block IIA,Block IIR,Block IIA,Block IIF,二.GPS定位概述,3.2 地面监控部分 （Ground Segment）主控站：1个监测站：5个注入站：3个通讯与辅助系统,二.GPS定位概述,主控站： 协调和管理地面监控系统: 1）根据观测资料，推算编制各卫星的星历、卫星钟差和大气修正参数，并将数据传送到注入站。 2）提供全球定位系统的时间基准。 3）调整偏离轨道的卫星，使之沿预定轨道运行。 4）启用备用卫星代替失效工作卫星监测站：观测资料由计算机进行初步处理，存储并传输到主控站，以确定卫星轨道。 1）对卫星进行跟踪观测 2）记录气象数据 3）将数据传送到主控站注入站：主要任务是在主控站的控制下，将主控站推算和编制的卫星星历、钟差、导航电文和其它控制指令等，注入到相应卫星的存储系统，并监测注入信息的正确性。,二.GPS定位概述,二.GPS定位概述,3.3 用户部分 （User Segment）组成用户接收设备接收GPS发射的无线电信号，获得必要的定位i信息和观测量，经数据处理完成定位工作。GPS接收机和数据处理软件、微处理机和终端设备组成。,。,二.GPS定位概述,1.GPS的定位原理 卫星不间断地发送自身地星历参数和时间信息，用户接收到这些信息后，经过计算求出接收机地三维位置、三维方向以及运动速度和时间信息。GPS测量定位方法分类定位模式绝对定位（单点定位）相对定位差分定位定位时接收机天线的运动状态静态定位天线相对于地固坐标系静止动态定位天线相对于地固坐标系运动获得定位结果的时效事后定位实时定位观测值类型伪距测量载波相位测量,。,三.GPS定位原理,测距码测距原理,距离测定的基本思路信号（测距码）传播时间的测定,信号传播时间的测定,三.GPS定位原理,双程测距(主动测距)用于电磁波测距仪,单程测距用于GPS（被动测距）,测距码测距的观测方程,三.GPS定位原理,2.单点定位,绝对定位也叫单点定位，通常是指在WGS84坐标系中，直接确定观测站相对于坐标系原点绝对坐标地一种定位方法。相应接收机为手持GPS。,三.GPS定位原理,2.GPS载波相位测量的基本原理,理想情况,实际情况,三.GPS定位原理,基于载波相位的定位特点：精度高（毫米或厘米级）需要求解模糊度不可瞬间定位（即不可实时定位）作用范围有限（相对模式，PPP不在此列）,3.相对定位,概述定义：确定进行同步观测的接收机之间相对位置的定位方法，称为相对定位。定位结果 与所用星历同属一坐标系的基线向量（坐标差）采用广播星历时属WGS-84采用IGS International GPS Service精密星历时为ITRF International Terrestrial Reference Frames特点优点：精度高缺点：多台接收共同作业，作业复杂应用：高精度测量定位,三.GPS定位原理,相对定位原理,相对定位的最基本情况，是两台GPS接收机，分别安置在基线的两端，并同步观测相同的GPS卫星，以确定基线端点，在协议地球坐标系中的相对位置或基线向量。因为在两个观测站或多个观测站，同步观测相同卫星的情况下，卫星的轨道误差，卫星钟差，接收机钟差以及电离层和对流层的折射误差等，对观测量的影响具有一定的相关性，所以利用这些观测量的不同组合，进行相对定位，便可有效地消除或者减弱上述误差的影响，从而提高相对定位的精度。,三.GPS定位原理,载波相位测量相对定位的应用,1.GPS静态测量：静态相对定位，一般采用载波相位观测值（或测相伪距）为基本观测量。这一定位方法是当前GPS定位中精度最高的一种方法，在精度要求较高的测量工作中，均采用这种方法。在载波相位观测的数据处理中，为了可靠地确定载波相位的整周未知数，静态相对定位一般需要较长的观测时间（1小时到3小时不等），此种方法一般也被称为经典静态相对定位法。2.利用起始基线向量确定初始整周未知数或称初始化，之后，一台接收机在参考点（基准站）上固定不动，并对所有可见卫星进行连续观测；而另一台接收机在其周围的观测站上流动，并在每一流动站上静止进行观测，确定流动站与基准站之间的相对位置。通常称为准动态相对定位，在一些文献中称走走停停（Stop and Go）定位法。,三.GPS定位原理,3.（1）测码伪距动态相对定位法 目前进行实时定位的精度可达米级，是以相对定位原理为基础的实时差分GPS，由于可以有效地减弱卫星轨道误差，钟差，大气折射误差以及SA政策的影响，其定位精度，远较测码伪距动态绝对定位的精度要高，所以这一方法获得了迅速的发展。 （2）测相动态相对定位法 测相动态相对定位法，是以预先初始化或动态解算载波相位整周未知数为基础的一种高精度动态相对定位法。目前在较小的范围内（例如20km），获得了成功的应用，其定位精度可达12厘米。流动站和基准站之间，必须实时地传输观测数据或观测量的修正数据。,三.GPS定位原理,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Block IIR GPS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）,Precise Point Positioning，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Space Based Augmentation System，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(Differential GPS)，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GPS L1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,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 空间的GPS也在大塞车，满天星星的时代到来 价格下降，是不可扭转的大趋势，价格和时间相关,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 = 6378137 m 扁率: f = 1:298.257222101 地心引力常数：GM = 3.9860044181014m3s-2 旋转速度： =7.29211510-5rad s-1,CGCS2000：参考椭球常数导出几何常数值,b = 6356752.3141 m 短半轴 E = 521854.00970025 m 线偏心率 c = 6399593.6259 m 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/a Q = 10001965.7293 m 子午圈一象限弧长 V = 1083207319783.546 km3 椭球体积 S = 510065621.718 km2 椭球表面积 R1 = 6371008.7714 m 算术平均半径 R2 = 6371007.1809 m 同面积之球的半径 R3 = 6371000.7900 m 同体积之球的半径,CGCS2000：参考椭球常数导出物理常数值,U0= 62636851.7149 m2s-2 椭球面正常位 J2= 0.1082629832258x10-2 2阶带谐系数 J4= -0.2370911256141x10-5 4阶带谐系数 J6= 0.6083465258892x10-8 6阶带谐系数 J8= -0.1426811009798x10-10 8阶带谐系数 J10 = 0.1214393383343x10-13 10阶带谐系数 m = 0.00344978650678 m=2a2b/GM e = 9.7803253361 ms-2 赤道正常重力 p = 9.8321849379 ms-2 极正常重力 = 9.7976432224 ms-2 平均正常重力 fg = 0.00530244174137 重力扁率 k = 0.00193185261931 k=bp/ae-1 M = 5.973331961024 kg 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,2 0 0 0 国 家 G P S 大 地 网,CGCS2000与WGS84比较,CGCS2000椭球 WGS84 椭球 差 a 6378137m 6378137m 0 1/f 298.257222101 298.257223563 -0.000001462 GM 3986004.418x108 3986004.418x108 0 7292115x10-11 7292115x10-11 0 b 6356752.3141m 6356752.3142m -0.0001m,CGSC2000与WGS84比较,CGCS2000-WGS84的扁率差df= 1.64348410-11引起的大地纬度B、大地高 H 和椭球面上正常重力的变化：a) 大地经度没有变化；b) 大地纬度的变化范围为0（在赤道和两极）0.105mm（在B=45）；c) 大地高的变化范围为0（在赤道）0.105mm（在两极）；d) 椭球面上正常重力的变化范围为0（在两极）0.016Gal（在赤道）。,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,CGCS2000与WGS84的比较,CGCS200是通过2000国家GPS大地控制网的ITRF97坐标（和速度）实现的，每一坐标分量的实现精度约1cm。 WGS84通过GPS监测站坐标实现，监测站坐标用来计算GPS的精密星历。最近（2002）一次用17个GPS监测站实现的框架是WGS84（G1150），其实现精度是：每个监测站的每一坐标分量的精度为1cm量级（1） 可以认为，CGCS2000和WGS84（G1150）的实现精度是一致的。,CGSC2000坐标系带来的,基本上可以认为是和WGS84椭球是非常近似的当我们的控制坐标系，资料等都转移到CGSC后，无疑给我们利用GPS进行测量带来非常大的利好消息任何国家坐标系和WGS84之间的转换参数都是保密的，是不能告诉用户的，可以帮用户转换，但不能告诉参数；但WGS84到某个地方坐标系的参数是可以的卫星导航测量的前景会越来越宽阔，会非常快的占领每个外业小组,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，Virtual Reference Station）区域改正参数（FKP，Flchen-Korrektur-Parameter） 主辅站技术（MAX，Master-Auxiliary Corrections ）-网络参考站系统（NRS，NET Reference Station ）,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RTCM3.1 10141017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RTCM3.1 10141017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(Individual MAX),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（Net Reference Station ）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)、 CMR RTCA 、RTCM30自定义图形显示,谢 谢,