GNSS测量原理教程ppt课件.ppt

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1、GPS原理概述,广州中海达卫星导航技术股份有限公司,概述,GPS是英文Global Positioning System的缩写,意为全球卫星定位系统。它是美国国防部为满足军事部门对海上、陆地和空中设施进行高精度导航和定位的需要而建立的。该系统于1973年开始设计、研究，历时20年，耗资约200亿美元，于1993年6月系统建成并投入使用。它从根本上解决了人类在地球上的导航和定位问题，在军事和工农业等领域得到了广泛的应用。给导航和定位技术带来了巨大的变化。,GPS系统的特点,1、全球性，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

2、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,GPS系统构成,整个系统有三部分构成：GPS星座地面监控站用户接收机,GPS星座,由均匀分布在6个轨道平面上的24颗卫星组成(第二代卫星升空后现在是28颗左右增加了L5频段,L2频段加载C/A码)，轨道间交角60其中两个与赤道面交角55卫星距地面20200km,绕圆轨道一周需11小时58分，所以人们每天提前4分钟见到同一颗卫星。,GPS卫星的作用,向用户连续不断地发送导航定位信号，并用导航电文报告自己的位置以及其它在轨

3、卫星的位置接收地面注入站发送到卫星的导航电文和其它信息，并通过GPS信号发送给用户接收地面主控站发送到卫星的调度指令。,地面监控站,一个主控站： 位于科罗拉多三个注入站： 大西洋的阿松森、印度洋的迭戈伽西 亚、太平洋的卡瓦加兰五个监控站： 除以上四个，还有在夏威夷一个,地面监控站的作用,收集数据：气象、卫星时钟、卫星工作状态编算导航电文：计算卫星星历、时钟改正、状态数据、信号传播改正诊断状态：监测地面系统、检验导航电文调度卫星：轨道改正、启用备用卫星,GPS 的控制部分由分布在全球的由若干个跟踪站所组成的监控系统。根据其作用的不同这些跟踪站又被分为主控站、监控站和注入站。主控站有一个位于美国克

4、罗拉多Colorado 的法尔孔Falcon 空军基地。它的作用是根据各监控站根据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；另外主控站也具有监控站的功能。监控站有五个除了主控站外还有四个分别位于夏威夷(Hawaii)、阿松森群岛(Ascencion)、 迭哥伽西亚(Diego Garcia)、 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。它们分别位于阿松森群岛、迭哥伽西亚、卡瓦加兰。 注入站的作

5、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。,用户接收机部分,基本部分：GPS接收机、GPS天线,辅助部分：电源,固定和对中装置（即角架、基座）等,GPS接收机,捕获、跟踪卫星，接收GPS信号并将它变换、放大和处理，测量信号传播时间进以计算三维坐标、速度、时间,接收机不仅需要机内软件，还需要GPS数据后处理软件包才完整按接收的载波频率类别多少，分为单频（L1）和双频（L1、L2）,GPS信号,载波信号：调制有导航电文和伪随机码，有两种：L1（19cm，1575.42MHz）；L2（24cm，1227.60MHz）伪随机码：是一个“开”、“关”脉冲的序列，由卫星产生并发送至用户

6、接收机，调制导航电文形成组合码，C/A码和P码两种导航电文：关于卫星轨道、时钟改正和其它系统状态信息的低频信号,GPS发展历程,无线电导航系统罗兰-C Omega（奥米茄）多普勒系统 卫星定位系统NNSS子午仪系统GPS GLONASS系统双星导航定位系统（北斗一号） 加俐略系统,广州中海达卫星导航技术股份有限公司,GNSS系统,目前能使用的全球导航卫星系统,美国 GPS 28颗卫星俄罗斯 GLONASS 24颗卫星欧盟 伽利略 30颗卫星中国 北斗导航系统 35颗卫星,GLONASS系统,GLONASS是GLObal NAvigation Satellite System(全球导航卫星系统)

7、的字头缩写，是前苏联从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，也由卫星星座、地面监测控制站和用户设备三部分组成。现在由俄罗斯空间局管理。GLONASS系统的卫星星座由24颗卫星组成，均匀分布在3个近圆形的轨道平面上，每个轨道面8颗卫星，轨道高度19100公里，运行周期11小时15分，轨道倾角64.8。GLONASS卫星的载波上也调制了两种伪随机噪声码：S码和P码。该系统系统单点定位精度水平方向为16m，垂直方向为25m。俄罗斯航天系统公司副经理斯图帕克2012年11月13日说，未来2-3年内，GLONASS卫星数量将增加至30颗 到2020年格洛纳斯精度将达到0.6米。,加俐

8、略(Galileo)系统,是将来精度最高的全开放的新一代定位系统伽利略系统曾经是中国摆脱依赖GPS的希望,参股5%,美国控股迫使中国走向自主研发系统组成：卫星星座：由3个独立的圆形轨道，30颗卫星组成（27颗工作卫星，3颗备用卫星） 。卫星的轨道倾角i =56；卫星的公转周期T=14h23m14S恒星时；轨道高度H=23616km 。地面系统：在欧洲建立2个控制中心；在全球构建监控网。定位原理：与GPS相同。定位精度：导航定位精度比目前任何系统都高。计划实施： 1994年开始进入方案论证阶段； 2003年开始发射两颗试验卫星进入试验阶段； 预计2008年整个伽利略系统建成并投入使用；但由于多种

9、原因一直在推迟2012年10月12日用“联盟”火箭成功发射2颗伽利略系统卫星伽利略计划遇到的最大问题是缺钱。该计划提出之初，欧盟和欧洲空间局的设想是，该项目的三分之二资金由私人投资者提供，其余三分之一由欧盟和欧洲空间局分担。但私人投资迟迟不到位，而项目预算则从最初的77亿欧元飙升到200多亿欧元。,北斗卫星导航系统,预计35颗星 5颗定轨卫星 30颗动态卫星 包含通讯 定位 军事等应用功能北斗卫星导航系统是我国自行研制开发的区域性有源三维卫星定位与通讯系统（CNSS），是除美国的（GPS）、俄罗斯的GLONASS之后第三个成熟的卫星导航系统。可在全球范围内全天候、全天时为各类用户提供高精度、高

10、可靠的定位、导航、授时服务，并兼具短报文通信能力。第八颗和第九颗北斗卫星于2011年被长征三号运载火箭送入太空预定转移轨道。2011年12月2日发射第十颗导航卫星，北斗卫星导航系统新闻发言人冉承其表示，北斗卫星导航系统将在2020年形成全球覆盖能力。2012年10月25日发射了第十六颗北斗导航卫星现在公布北斗卫星系统的精度是25米，明年可达到10米，定位精度越高，应用的范围就越广泛。我们现在发射了15颗卫星。如果希望实现2020年覆盖全球能力的卫星导航系统，至少需要发射30颗卫星。卫星发射越多，对精度贡献越大。,北斗与GPS主要区别,覆盖范围：北斗导航系统同步卫星是覆盖中国本土的区域短报文通信

11、：北斗系统用户终端具有双向报文通信功能，用户可以一次传送40-60个汉字的短报文信息。双向定位：知道你在哪里和我在哪里。系统容纳的最大用户数：每小时540000户。,GPS坐标系,WGS-84：a=6378137m，f=1/298.257223563,WGS-84 坐标系,WGS-84 坐标系是目前GPS 所采用的坐标系统，GPS 所发布的星历参数和历书参数等都是基于此坐标系统的。WGS-84 坐标系统的全称是 World Geodical System-84 (世界大地坐标系-84), 它是一个地心地固坐标系统。WGS-84 坐标系统由美国国防部制图局建立，于1987 年取代了当时GPS 所

12、采用的坐标系统WGS-72 坐标系统而成为现在GPS所使用的坐标系统。,1954 年北京坐标系,我国目前广泛采用的大地测量坐标系。该坐标系源自于原苏联采用过的1942 年普尔科夫坐标系。原点在原苏联的普尔科夫，该坐标系采用的参考椭球是克拉索夫斯基椭球。,1980 年西安大地坐标系,1978 年我国决定重新对全国天文大地网施行整体平差，并且建立新的国家大地坐标系统。原点在陕西省泾阳县永乐镇北洪流村。整体平差在新大地坐标系统中进行，这个坐标系统就是1980 年西安大地坐标系统。1980 年西安大地坐标系统所采用的地球椭球参数的四个几何和物理参数采用了IAG 1975 年的推荐值,2000国家大地坐

13、标系,经国务院批准，根据中华人民共和国测绘法，我国自2008年7月1日起启用2000国家大地坐标系。 2008年3月，由国土资源部正式上报国务院关于我国采用2000国家大地坐标系的请示，并于2008年4月获得国务院批准。自2008年7月1日起，我国将全面启用2000国家大地坐标系，国家测绘局受权组织实施。在我国建立、使用2000国家大地坐标系，需要将现有的参心坐标系下成果转换到2000国家大地坐标系中。2000国家大地坐标系与现行国家大地坐标系转换、衔接的过渡期为8年至10年。若现在仍采用现行的二维、非地心的坐标系，不仅制约了地理空间信息的精确表达和各种先进的空间技术的广泛应用，无法全面满足当

14、今气象、地震、水利、交通等部门对高精度测绘地理信息服务的要求，而且也不利于与国际上民航与海图的有效衔接，因此采用地心坐标系已势在必行。,GPS高程和海拔高,h = 正常高H = 椭球高(大地高)N = 大地水准面高(正高),大地高系统,大地高系统是以参考椭球面为基准面的高程系统，某点的大地高是该点到通过该点的参考椭球的法线与参考椭球面的交点间的距离。大地高也称为椭球高。大地高一般用符号H 表示。大地高是一个纯几何量，不具有物理意义，同一个点在不同的基准下具有不同的大地高。,正高系统,正高系统是以大地水准面为基准的高程系统，某点的正高是该点到通过该点的铅垂线与大地水准面的交点之间的距离。（大地水

15、准面到参考椭球面的距离称为大地水准面差距）,正常高系统,正常高系统是以似大地水准面为基准的高程系统，某点的正常高是该点到通过该点的铅垂线与似大地水准面的交点之间的距离。（似大地水准面到参考椭球面的距离称为高程异常）常见的是56黄海高程系统和85国家高程系统,GPS测距原理,五个逻辑步骤：三角测量测量距离精确定时卫星监控误差剔除,第一步：三角测量,卫星位置已知，我们的位置未知。 我们接收机位于以卫星为中心，以我们离卫星的距离为半径的球面上。,两个卫星球面相交成一个圆，我们就在这个圆上。 如果又测得了第三颗卫星的距离，那我们的位置范围就缩小到了两个点上。 由于技术原因，还需要测第四颗卫星，这样就知

16、道我们的位置了！,第二步 距离测量,卫星和我们接收机的距离怎么得来的呢？很简单，卫星信号传播的速度可以光速计，那么,速度x时间=距离 .关键是时间怎么测量,信号传播时间怎么来？,假设卫星和接收机同时产生同样的伪随机码对比这两个码得出GPS信号传播的延迟就是传播历经的时间（通常很短）再用这个时间乘以光速得出距离,第三步 精确定时,时间测量的精确与否关系重大，误差千分之一秒，距离误差可达200m！原子钟:(100万年差0.1秒)原子钟不是依靠原子能工作的，之所以得名是因为它们使用一种特殊原子的振动作为它们的节拍器。这种定时形式比人们开发出来的时钟更稳定、更精确。 这么高精度的东西价值4050万元！

17、不可能作为民用接收机的配件！,第四步 卫星监控,卫星的确切位置DOD(美国国防部)事先已经确定好了，坐标系也是确定的，这样就能定出我们接收机的位置,DOD还会连续不断地监控卫星轨道的误差，并把这些误差传到接收机里，我们不用担心卫星方面的问题！,第五步 误差剔除,GPS误差源：,优点：全天侯使用、无需通视、作用范围广、精度高、操作方便缺点：受环境影响较大、不能有遮挡,GNSS产品应用的优缺点,测绘产品事业部及GNSS产品介绍,GPS定位模式,单点定位和相对定位： 独立确定待定点在坐标系中的位置称为单点定位；确定同步跟踪相同GPS卫星信号的若干台接收机之间相对位置的方法称为相对定位。动态定位和静态

18、定位： 一般，待定点相对周围固定点没有可察觉的运动称为静态定位；否则，动态。,单点定位,建立在WGS84坐标系下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）消除SA影响以后，水平精度10m，垂直精度15m,差分GPS,差分GPS属于相对定位，需要至少两台接收机进行合作，一台固定，另一台在移动中进行定位测量。固定的接收机很关键，它汇集所有测得的卫星信息，作为固定的本地参考站。,广州中海达卫星导航技术股份有限公司 2012.1.1,RTK产品使用,广州中海达卫星导航技术股份有限公司 2012.1.1,RTK产品使用,RTK测量的概念,基准站实时地将测量

19、的载波相位观测值、伪距观测值、基准站坐标等用无线电传送给运动中的流动站，流动站接收后将载波相位观测值实时进行差分处理得到两站相对坐标；加上基准站坐标得出流动站WGS84坐标通过转换参数求出当地坐标系下的三维坐标,RTK点位选择,基准站上空开阔，以保证对卫星的连续跟踪和卫星信号的质量基准站周围200m内无大功率无线电发射设施、高压输电线，减少电磁波对卫星信号的干扰基准站远离高层建筑、大片水域等，减少多路径影响基准站应该交通便利、易于保存,GPS 的参数转换,投影概念,地图投影是将地球面上的经纬网描述到平面上的数学方法，使用地图投影，可以将地球表面完整的表示在平面上，但是是通过对投影范围内某一区域

20、的均匀拉伸和对另外一区域内的均匀缩小实现的。 投影正算 投影反算B L H -平面上 xyh 平面上xyh -B L H,常见投影（一）,按变形性质分类等角投影角度变形不大的投影等距离投影面积变形不大的投影等面积投影,角度变形增大的趋向,面积变形增大趋向,常见投影（二）,平面投影 圆锥投影 圆柱投影,常见投影（三）,TM投影-横轴莫卡托投影 (等角横切圆柱投影) 高斯投影高斯投影三度带 3*N举例：哈尔滨中央子午线126，沈阳123，中间分界就是124度30分高斯投影六度带 6*N-3自定义高斯投影 自定义 UTM 通用横轴莫卡托投影 墨卡托投影（等角正切圆柱投影）墨卡托投影没有角度变形,保持

21、了方向和相互位置关系的正确。常用作航海图和航空图,高斯-克吕格(Gauss-Kruger)投影（一）,是一种“等角横切圆柱投影”。德国数学家、物理学家、天文学家高斯（Carl Friedrich auss，1777一 1855）于十九世纪二十年代拟定，后经德国大地测量学家克吕格（Johannes Kruger，18571928）于 1912年对投影公式加以补充，故名高斯-克吕格投影。设想用一个圆柱横切于球面上投影带的中央经线，按照投影带中央经线投影为直线且长度不变和赤道投影为直线的条件，将中央经线两侧一定经差范围内的球面正形投影于圆柱面。然后将圆柱面沿过南北极的母线剪开展平，即获高斯一克吕格投

22、影平面。,高斯-克吕格(Gauss-Kruger)投影（二）,高斯一克吕格投影后，除中央经线和赤道为直线外，其他经线均为对称于中央经线的曲线。高斯-克吕格投影没有角度变形，在长度和面积上变形也很小，中央经线无变形，自中央经线向投影带边缘，变形逐渐增加，变形最大处在投影带内赤道的两端。由于其投影精度高，变形小，而且计算简便（各投影带坐标一致，只要算出一个带的数据，其他各带都能应用），因此在大比例尺地形图中应用，可以满足军事上各种需要，并能在图上进行精确的量测计算。,高斯-克吕格(Gauss-Kruger)投影（三）,高斯-克吕格投影坐标 高斯-克吕格投影是按分带方法各自进行投影，故各带坐标成独立

23、系统。以中央经线投影为纵轴(x),赤道投影为横轴(y),两轴交点即为各带的坐标原点。纵坐标以赤道为零起算，赤道以北为正，以南为负。我国位于北半球，纵坐标均为正值。横坐标如以中央经线为零起算，中央经线以东为正，以西为负，横坐标出现负值，使用不便，故规定将坐标纵轴西移500公里当作起始轴，凡是带内的横坐标值均加500公里。由于高斯-克吕格投影每一个投影带的坐标都是对本带坐标原点的相对值，所以各带的坐标完全相同，为了区别某一坐标系统属于哪一带，在横轴坐标前加上带号，如(4231898m,21655933m)，其中21即为带号。,平面坐标转换,平面坐标转换至少需要 两个已知点四个参数X0平移Y0平移坐

24、标轴旋转K 尺度 正常情况下为0.999x或1.000 x,四参转换步骤,基准转换 定义投影 水平平差旋转平移缩放 垂直平差,水平平差,旋转,平移,缩放,水平残差,高程拟合方法,参数拟合法 a. 常数拟合 （少于3个已知点） b.平面拟合 (大于等于3个且分布较均匀的已知点） c.曲面拟合 (大于等于6个且分布较均匀的已知点）网格拟合法 EGM96模型 似大地水准面精化成果,椭球转换,不同椭球(坐标系)的转换多应用于WGS84 坐标与北京54， 国家80，当地坐标 之间的转换 三参数（莫洛登斯基三参数）只有一个点就可以X0平移 Y0平移 Z0平移七个参数X0平移 Y0平移 Z0平移Xw旋转 Y

25、w旋转 Zw旋转K 尺度 计算方法：3个以上公共坐标(BLH或者XYZ),三参数和七参数,三参数,平移 适合小范围,七参数,平移、缩放、旋转 适合大范围工程,平面坐标系统,不同(椭球)坐标系的转换流程,空间直角坐标(X,Y,Z),空间直角坐标(X,Y,Z),大地坐标(B,L,H),平面直角坐标(x,y,h),当地平面坐标(x,y),大地坐标(B,L,H),平面直角坐标(x,y,h),当地平面坐标(x,y),投影反算,投影正算,平面转换,平面转换,椭球转换,不同(椭球)坐标系的转换流程,几种椭球转换模型的特点：1.三参数法： 七参数方法的简化，只取X平移，Y平移，Z平移。只能适用于坐标轴旋转很小

26、的两椭球间。大多运用于使用信标，SBAS差分等精度要求不高的工程。2.布尔莎七参数法： 标准的七参数方法，使用X，Y，Z平移，X，Y，Z旋转，K尺度。作用范围较大和距离较远，通常用于RTK模式或者RTD模式的WGS84到北京54和国家80的转换，已知点要三个或三个以上。3.一步法 参数形式和标准七参数一样， X，Y，Z平移，X，Y，Z旋转，K尺度 。可以一步完成WGS84到当地地方坐标系统的转换工作。也是要三个或三个以上已知点。 4.四参数 使用x,y平移，a旋转，k尺度，也是RTK常用的一种作业模式，只转换平面坐标，需两个或两个以上平面已知点。若需高程，则还要提供水准点高程进行高程拟合。 注

27、意：各参数单位的不同，尤其是k值的不同。,广州中海达卫星导航技术股份有限公司 2012.1.1,RTK应用,数据采集,坐标放样,广州中海达卫星导航技术股份有限公司 2012.1.1,RTK应用,1、测图根点、 地形测图、 工程放样 一人操作 精度均匀 工作效率高 实时显示 位置信息 导航信息,广州中海达卫星导航技术股份有限公司 2012.1.1,RTK应用,2、水上测量 水下地形测量随着RTK技术的出现，使得水上测量采用GPS无验潮测量方式工作成为可能。采用此种方式不仅可以避免定位系统和测深系统之间的延迟误差，而且由于无验潮，使得内业处理更简单、方便 。,广州中海达卫星导航技术股份有限公司 2

28、012.1.1,RTK应用,3、道路方面的应用 可进行复杂的线路测量、放样、只需要输入线路要素即可生成复杂的道路曲线,广泛运用于高速公路，高速铁路修建。,广州中海达卫星导航技术股份有限公司 2012.1.1,RTK应用,4、电力方面应用 应用于电力部门，电力勘测，塔杆放样,广州中海达卫星导航技术股份有限公司 2012.1.1,RTK应用,5、管线测量燃气管道、下水道自来水管理等,静态测量的概念,多台接收机在不同测站进行静止同步观测，时间由几分钟、几小时、甚至数十小时不等接收机接收伪距、载波相位等信号观测值必须下载观测值到计算机进行后处理主要应用于各等级大地测量跟踪网、基准网、工程控制网、变形监

29、测网等,静态测量的过程,三个过程：测前工作实施测量数据处理,静态测前工作,测前的准备工作：测区位置及其范围用途和精度等级点位分布及点的数量提交成果的内容时限和经费交通及通讯条件,静态测量的实施,星历预报选点、埋石布网点连式边连式混连式测量数据处理,布网的方法,点连式,所谓点连式就是在观测作业时，相邻的同步图形间只通过一个公共点相连。这样，当有m台仪器共同作业时，每观测一个时段，就可以测得 m-1个新点，当这些仪器观测观测s个时段后，就可以测得1+s(m-1)个点。 特点 :点连式观测作业方式的优点是作业效率高，图形扩展迅速；它的缺点是图形强度低，如果连接点发生问题，将影响到后面的同步图形。,边

30、连式,所谓边连式就是在观测作业时，相邻的同步图形间有一条边（即两个公共点）相连。这样，当有 m台仪器共同同作业时，每观测一个时段，就可以测得m-2个新点，当这些仪器观测观测了s个时段后，就可以测得2+s(m-2)个点。特点: 边连式观测作业方式具有较好的图形强度和较高的作业效率。,混连式,在实际的GPS作业中，一般并不是单独采用上面所介绍的某一种观测作业模式，而是根据具体情况，有选择地灵活采用这几种方式作业，这样一种观测作业方式就是所谓的混连式。 特点:混连式观测作业方式是我们实际作业中最常用的作业方式，它实际上是点连式、边连式和网连式的一个结合体。,图形设计的原则,GPS网应尽量采用独立观测

31、边构成闭合图形，如三角形、多边形或附合线路，这样来增加检核条件以提高网的可靠性。观测站点网点应尽量与原有的地面控制网点相重合，重合点一般不应少于3个（不足时应联测），且在网中应分布均匀，以利于可靠地确定GPS网与地面网的之间的转换系数。同时亦应考虑与水准点相重合，而非重合点应根据要求以水准测量方法（或相当精度的方法）进行联测，或在网中布设一定密度的水准联测点，以提高高程测量的精度。观测站点一般应设在视野开阔和交通便利的地方以利于观测及水准联测，同时为了便于与经典方法联测或扩展，必须考虑在GPS网点附近布设一些通视良好的方位点，以建立联测方向。方位点与观测站的距离，一般应大于300m,静态数据后处理,基线处理同步观测的两个点之间能构成基线网平差无约束平差约束平差二维约束三维约束,谢谢!,