测绘学概论 第八讲 全球卫星定位导航技术数字地球1.ppt

全球卫星定位导航技术数字地球,定位与导航技术概述 全球卫星定位系统的工作原理和使用方法 GPS卫星定位导航系统的应用数字地球概述,目 录,定位与导航的概念,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。,定位与导航技术概述,定位需求与技术的发展过程,绝对定位方式与相对定位方式,绝对定位：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。相对定位：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。,绝对定位,相对定位,定位与导航的方法和技术,天文定位与导航技术 常规大地测量定位技术 惯性导航定位技术 无线电导航定位技术 卫星导航定位技术,全球卫星定位系统的工作原理和使用方法,全球卫星定位系统的工作原理和使用方法,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。,全球卫星定位系统的工作原理和使用方法,全球卫星定位系统的工作原理和使用方法,全球导航卫星系统,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导航卫星系统，英文全称为Global Navigation Satellite System，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。,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,全球卫星定位系统的工作原理和使用方法,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,全球卫星定位系统的工作原理和使用方法,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，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。,全球卫星定位系统的工作原理和使用方法,中国卫星定位导航系统:北斗-1,全球卫星定位系统的工作原理和使用方法,GNSS卫星定位的定位精度,用GPS技术可以同时实现三维定位与接收机时间的定时。利用C/A码进行实时绝对定位，各坐标分量精度在5-10m左右，三维综合精度在15-30m左右；利用军用P码进行实时绝对定位，各坐标分量精度在1-3m左右，三维综合精度在3-6m左右；利用相位观测值进行绝对定位技术比较复杂，目前其实时或准实时各坐标分量的精度在0.1-0.3m左右，事后24小时连续定位三维精度可达2-3cm左右。,GNSS卫星定位的主要误差来源,与卫星相关的误差 轨道误差、卫星误差、卫星几何中心与相位中心偏差 与接收机相关的误差 接收机安置误差、接收机钟差、接收机信道误差、多路径误差、观测量误差 与大气传输有关的误差 电离层误差、对流层误差,全球卫星定位系统的工作原理和使用方法,GNSS相对定位原理,GNSS卫星相对定位原理和方法,全球卫星定位系统的工作原理和使用方法,全球卫星定位系统的工作原理和使用方法,相对定位的方式,全球卫星定位系统的工作原理和使用方法,相对定位的方式,全球卫星定位系统的工作原理和使用方法,GPS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 广域差分GPS系统,全球卫星定位系统的工作原理和使用方法,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）。,GPS现代化,全球卫星定位系统的工作原理和使用方法,全球卫星定位系统的工作原理和使用方法,精密单点定位技术,Precise Point Positioning，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。,基于PANDA软件的全球性精密单点定位,GPS卫星固定为PANDA软件单天解的预报轨道，利用全球35个基准站获取精密钟差；实现全球任意一点的精密动态单点定位。如果能实时获取全球30-40个基准站的数据利用PANDA软件可以为全球任意位置提供水平10cm左右，垂直20cm左右的精密单点定位服务。,全球卫星定位系统的工作原理和使用方法,网络RTK定位技术,工作原理 网络RTK也叫多基准站RTK。网络RTK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GPS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。我国已经建成的深圳市连续运行卫星定位服务系统就是网络RTK技术的实现。,全球卫星定位系统的工作原理和使用方法,网络RTK定位技术,网络RTK,全球卫星定位系统的工作原理和使用方法,网络RTK定位技术,GPS RTK实时定位实例,全球卫星定位系统的工作原理和使用方法,高精密测量 控制测量：静态方式、动态方式 大比例尺测图 施工放样 GIS数据采集：后处理方式、实时方式,测绘类应用,广东省CORS,测站数 31 永久站 定位模式：Network RTK 精度 5cm in Horizontal 10cm in Vertical,深圳连续运行卫星定位服务系统,全球卫星定位系统的工作原理和使用方法,广域差分GPS系统,工作原理 对GPS观测量的误差源加以区分，并对每一个误差源分别加以“模型化”，然后将计算出来的每一个误差源的误差修正值（差分改正值），通过数据通讯链传输给用户，对用户GPS接收机的观测值误差加以改正，以达到削弱这些误差源影响，改善用户GPS定位精度的目的。增强广域差分系统 WAAS Wide Area Augment System 利用同步卫星,全球卫星定位系统的工作原理和使用方法,广域差分GPS系统,GPS卫星定位导航系统的应用,GPS卫星定位导航系统的应用,GPS定位技术在科学研究中的应用,GPS精密定时和时间同步的应用 在地球上不同区域相当远的距离（数千公里）的实验室上利用各种精密仪器设备对太空的天体、运动目标，如脉冲星、行星际飞行探测器等进行同步观测，以确定它们的太空位置、物理现象和状态的某些变化。GPS精密测时技术与其它空间定位和时间传递技术相结合，可以测定地球自转参数，包括自转轴的漂移，自转角速度的长期和季节不均匀性。测量引力对地方时间尺度的影响。,GPS卫星定位导航系统的应用,GPS精密定位在地球板块运动研究中的应用 测定各大板块的相互运动速率，确定全球板块运动模型，研究板块运动的现今短时间运动规律，分析研究地球板块边沿的受力应力和状态，预测地震灾害。,全球各大板块的运动速率图,中国地壳运动观测网络,“九五”国家重大科学工程。以监测地壳运动服务于地震预报为主要目标，同时兼顾大地测量、国防建设等多领域需求。建设：总投资1.35亿元，由中国地震局牵头、总参测绘局、中国科学院、国家测绘局联合共建。1997年4月开工，2000年12月提前一年建成，2001年12月正式运行。构成：基准网、基本网、区域网和数据传输与分析系统。手段：以GPS观测技术为主，辅之以甚长基线射电干涉测量（VLBI）和人卫激光测距（SLR）等空间对地观测技术，并结合精密水准测量和重力测量等传统技术。特点：覆盖我国大陆95%的国土，具有大范围、高精度、准实时、多用途和数据资源共享等特点。,中国大地震分布图(1900 现在),Beijing,Shanghai,Taipei,Hong Kong,Lhasa,5.0-5.96.0-6.97.0-7.9 8.0,Mongolia,Japan,India,中国大陆活动构造,中国大陆活动构造,Beijing,Shanghai,Hong Kong,Lhasa,Mongolia,India,Pacific Ocean,总长度 32,000 km,中国地壳运动观测网络(CMONOC),基本站.,区域站.,基准站,27551000,LEGEND,55个年度复测GPS观测站，辅之相对重力、水准主要功能：获取中国大陆各构造块体的整体运动图像,基 本 网,GPS卫星定位导航系统的应用,GPS精密定位在大气层气象参数确定和灾害天气预报中的应用 GPS气象学（GPS/MET eorology,简写为GPS/MET）：利用GPS理论和技术来遥感地球大气，进行气象学的理论和方法研究，如测定大气温度及水汽含量，监测气候变化等。,地基GPS大气探测,GPS卫星定位导航系统的应用,GPS定位技术在工程技术中的应用,全球和国家大地控制网的建设 工程施工测量、精密监测中的应用 在通信工程、电力工程中的应用（时间）在交通、监控、智能交通中的应用 在测绘中的应用 海陆空运动载体（车、船、飞机）导航,国家高精度GPS网,1,3,GPS1,GPS2,大坝外观变形GPS自动化监测系统,大坝安全监测,飞机导航,车辆监控系统,在测绘中的应用,GPS卫星定位导航系统的应用,GPS卫星定位导航系统的应用,大桥安全监测,高层建筑物“风动”和沉降监测,海底电缆铺设,GPS卫星定位导航系统的应用,GPS定位技术在军事技术中的应用,低空遥感卫星定轨 飞机、火箭的实时位置、轨迹确定 战场的精密武器时间同步协调指挥,火炮瞄准,卫星定轨,飞机、战车、火箭的定位导航,GPS卫星定位导航系统的应用,GPS定位技术在其它领域的应用,在娱乐消遣、体育运动中的应用 动物跟踪 GPS用于精细农业,GPS手表,动物跟踪,在农业中的应用,GPS用于精细农业,可乐罐型GPS手机,GPS导航仪,一般手提GPS接收器,一般手提GPS接收器,US$100-400定位精度7-30米,掌上电脑与GPS的结合,二十世纪后半叶影响人类发展的三大信息技术 计算机,互联网,全球卫星导航系统(GNSS)三大技术是实现制天权和制信息权的基础 GNSS是同时实现制天权和制信息权的关键 GNSS是国家空间信息的重要基础设施 GNSS为各种信息、目标和事件同时提供时间和空间属性 GNSS是推动产业发展和社会信息化的动力 GNSS是现代国家科技和军事核心竞争力的标志,室内定位技术,背景 GPS信号不能覆盖室内环境；人类的活动大部份在室内;很多应用需要精确的室内定位。,室内定位的需求,不间断的车载导航和车辆跟踪;公共安全与救援;物流、人员与物件管理；移动通信增值服务;大型精密设备的组装；自动生产线；定位精度要求：0.1mm 到10m。,室内定位技术方法,基于激光、红外和超声波的室内定位;基于导航卫星信号转发的室内定位;基于移动基站网络的室内定位;基于其他无线网络的室内定位 射频标签(RFID)技术,全球卫星导航定位技术已发展成多领域（陆地、海洋、航空航天）、多模式（静态、动态、RTK、广域差分等）、多用途（在途导航、精密定位、精确定时、卫星定轨、灾害监测、资源调查、工程建设、市政规划、海洋开发、交通管制等）、多机型（测地型、定时型、手持型、集成型、车载式、船载式、机载式、星载式、弹载式等）的高新技术国际性产业。全球卫星导航定位技术的应用领域，上至航空航天，下至捕鱼、导游和农业生产，已经无所不在了，正如人们所说的“GPS的应用，仅受人类想象力的制约”。,GNSS 总 结,作业题目,1、GNSS和GPS全中文和英文名称？并阐述二者区别和联系？GPS定位技术应用在那些方面？2、如何理解数字地球？国内发展现状？有何应用？,