GPS实时动态定位技术的发展与应用.ppt
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1、GPS实时动态定位技术的发展与应用,四川省地震局,廖华2007年10月,GPS概述,什么是全球定位系统(GPS),全球定位系统(Global Positioning System-GPS)是美国从上世纪70年代开始研制,历时20年,耗资200亿美元,于1994年全面建成,具有在海、陆、空进行全方位实时三维导航、定位与授时能力的新一代卫星导航与定位系统。GPS以全天候、高精度、自动化、高效益等显著特点,成功地应用于大地测量、工程测量、航空摄影测量、运载工具导航和管制、地壳运动监测、工程变形监测、资源勘察、地球动力学等多种学科,从而给测绘领域带来一场深刻的技术革命。,GPS 系统的组成,GPS由三
2、个独立的部分组成:空间部分 地面支撑系统 用户设备部分,32颗卫星6个成55角的循环轨道面每个轨道面有56颗卫星高空轨道 高度为2万公里一个近似回归的轨道面周期为12小时精确的轨道面适应能力强覆盖范围广,空间部分的说明,地面支撑系统说明,地面支撑系统1个主控站5个监控站3个注入站主控站 即卫星操控中心,位于科罗拉多斯普林斯的佛肯空军基地,任务是收集各监控站送来的数据,计算卫星轨道和钟差参数并发送到各注入站监控站 共5个,除了主控站外,分别位于美国的夏威夷、北太平洋的卡瓦加兰岛、印度洋的迭哥加西亚岛、大西洋的阿松森岛。主作用要是监测和跟踪卫星。注入站 共3个,与三大洋的监控站并置。主要作用是将主
3、控站送来的卫星星历和钟差信息每天一次注入卫星的存储器中。,用户设备部分说明,主要是接收机。作用是接收GPS卫星发射信号,以获得必要的导航和定位信息,经数据处理,完成导航和定位工作。GPS接收机硬件一般由主机、天线和电源组成。,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
4、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)。,有多少全球卫星导航定位系统?,目前,世界上正在运行的全球卫星导航定位系统主要有两大系统:一是美国的GPS系统,二是俄罗斯的GLONASS系统。近年来,欧洲也提出了有自己特色的GALILEO全球卫星定位计划。未来在太空中的全球卫星定位系统将形成美、俄、欧操纵的GPS、GLONASS、GALILEO三大系统,该三大系统被统称为GNSS系统(Global Navigation Satellite System)。,GLONASS定位系统,GLONASS是GLObal NAvigation Satellite Sys
5、tem(全球导航卫星系统)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。卫星分布轨道面数:3每轨道卫星个数:8卫星总数 24颗轨道倾斜角:64.8轨道高度:19100 km运行周期:11小时15分,伽利略(GALILEO)定位系统,独立于美国,由欧共体共建,计划投资3236亿欧元,2008建成;卫星分布轨道面数:3每轨道卫星个数:10卫星总数 30颗轨道倾斜角:56度轨道高度:23616km运行周期:14小时4分,GPS是如何定位的?,GPS是如何定位的?,GPS不间断的发布自身的时间信
6、息和位置等信息,GPS接收机通过对码的量测或和对载波相位的测量就可得到卫星到接收机的距离,得到至少4颗卫星的观测距离,就可交会出GPS接收机的位置,GPS信号,GPS卫星基本观测值,码观测(距离,C/A:3m,P码:0.3m),相位观测(距离/有模糊值,L1,L2 载波,12mm),GPS的定位方式,按定位方式,GPS定位分为:单点定位相对定位(差分定位),单点定位就是根据一台接收机的观测数据来确定接收机位置的方式,分为常规单点定位和精密单点定位。,常规单点定位采用一台GPS接收机,接收GPS卫星信号(C/A码),独立计算出当前所处位置。优点:距离无限制通讯无需通讯操作简单方便缺点精度:10米
7、,精度低,精密单点定位,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。,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
8、态模式和动态模式作业只要通讯链路支持,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,相对定位(差分定位)是根据两台以上接收机的观测数据来确定观测点之间的相对位置的方法。它既可采用伪距观测量也可采用相位观测量。,相对定位(差分定位)采用一台GPS接收机作基准站,另一台GPS接收机作流动站,流动站通过接收基准站发布的差分改正数据,以此来修正并计算出当前所处位置。差分又分为伪距差分(RTD)和载波相位差分(RTK)。伪距差分的精度可达到3米级(C/A码)和50厘米(C/A码+L1)两种,而载波相位
9、差分(L1,L2)的精度可达到3厘米。,差分GPS卫星定位,差分的目的,T1,T2,S1,站间一次差分,星际站间二次差分,消除了多项误差影响:卫星轨道,大气延迟,时钟等的误差影响,在定位观测时,若接收机相对于地球表面运动,则称为动态定位,如用于车船等概略导航定位的精度为10米的伪距单点定位,或用于城市车辆导航定位的米级精度的伪距差分定位,或用于测量放样等的厘米级的相位差分定位(RTK),实时差分定位需要数据链将 两个或多个站的观测数据实时传输到一起计算。在定位观测时,若接收机相对于地球表面静止,则称为静态定位,在进行控制网观测时,一般均采用这种 方式由几台接收机同时观测,它能最太限度地发挥GP
10、S的定位精度,专用于这种目的的接收机被称为大地型接 收机,是接收机中性能最好的一类。目前,GPS已经能 够达到地壳形变观测的精度要求,IGS的常年观测台站已 经能构成毫米级的全球坐标框架。,网络GPS定位技术的兴起,GPS定位技术的几个阶段第一阶段,目前,民用GPS接受的是C/A码信号,采用伪距的方法来确定位置(以下简称伪距GPS),它能为GPS用户提供10米精度的实时动态定位服务。在测码基础上,人们通过长时间(数小时以上)测相(L1、L2),并利用事后获得的精密星历进行解算而获得两点间距达110-7以上的精密测量结果,在上世纪八十年代末九十年代初,人们发展了单基站GPS实时差分技术,该技术能
11、够很好去除GPS信号在大气中的传播延迟、去除卫星轨道误差、钟差、减弱多路径效应,极大地提高观测精度。单基站GPS差分技术的应用推动了GPS应用爆发性增长,这一技术是GPS技术应用的重大里程碑。,GPS定位技术的几个阶段第二阶段,常规RTK是建立在相对定位中流动站与参考站之间误差强相关假设基础之上的。即:通过同步观测值进行差分,消除流动站与参考站共有的系统误差影响,包括:卫星钟差、接收机钟差,卫星轨道误差、以及电离层和对流层的延迟误差等的影响。当流动站与参考站间距离较近时,如以参考站为中心15km范围内,上述系统误差强相关性假设成立。但是,随着距离的增大,系统误差相关性减弱甚至消失,双差观测值中
12、的系统误差残差迅速增大,导致难以正确确定整周未知数,无法取得固定解,定位精度迅速下降。为了解决常规RTK技术存在的缺陷,实现区域范围内厘米级、精度均匀的实时动态定位,网络RTK技术应运而生。,网络GPS,上世纪九十年代中期,人们提出了网络实时动态差分的概念,称之为网络RTK(涵盖了网络DGPS),并在本世纪初产生了网络RTK系统处理商业软件,实时动态差分技术也从单基站的RTK迅速向由多基站构成的网络RTK发展。由多基站构成的网络GPS系统成为了GPS技术应用发展的最新趋势,这一技术的应用在GPS实时动态定位领域产生了革命性的进步。,GPS定位技术的几个阶段第三阶段,网络RTK定位技术,网络RT
13、K,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。,网络GPS的技术优势,提高了系统的可靠性、缩短了初始化时间 在网络GPS系统下,用参考站网络代替了单参考站,从而可以对一个地区的系统误差进行模型化,更好地削弱误差的影响,增强了系统的可靠性,减少了初始化的时间,并使得RTK精度在网内始终均匀一致;作用距离大幅度提高 在
14、常规RTK作业中,流动用户与基准站的距离受到严格限制,在通讯良好的情况下最多不超过10千米,在城市中作业常常不能超过5千米,且作业精度随距离的增长而下降。而在网络GPS下,RTK作用距离只受网络大小的限制,而与基站距离无关,同时采用公用网络(GSM/GPRS/CDMA)作为通讯平台,从而作用距离大幅度提高,消除了作业盲区,实现了跨区域测量。节约了投资、提高了工作效率 用户不再架设自己的基准站,不再需要一个工作组而一个人即可开展测量工作,节约了用户的硬件设备投资和基准站工作费用,并消除了基准站坐标不准确带来的系统误差,从而节约了投资、减少了工作量、提高了工作效率。,下图给出一个具有同样定位精度的
15、单机站RTK系统和网络RTK系统的覆盖对比。为了有效覆盖100km100km的区域,单机站RTK系统需要建设25个参考站,而网络RTK系统只需要建设4个参考站。因此为了达到同样的覆盖效果(精度和范围),单机站RTK需要的参考站建设成本远远高于网络RTK。,网络GPS的概念及组成,关于网络GPS卫星定位服务系统概念,网络GPS卫星定位服务系统(以下简称网络GPS)是以VRS、FKP或主辅站等网络实时差分技术为核心的、由满足一定间距要求的多个地面连续运行GPS基准站构成的、具有为网络覆盖范围内的GPS用户提供以RTK和DGPS等服务功能为主的综合卫星定位服务系统。它主要由连续运行的GPS基准站网络
16、系统、数据传输与通信系统、以及数据处理与服务系统等构成。,构成:一个由多个连续运行地面GPS基准站构成的基准站网数量:3间距:50km70km,构成:一个运行网络RTK系统软件的数控中心网络GPS系统软件:GPSNetSPIDERVRSNET,构成:稳定可靠的数据传输通道:SDHDDNADSL,优点:扩大了作业范围,提高了生产效率显著地降低系统误差,减少了初始化时间,提 高了精度 所有用户在统一建立的坐标系框架中个人测量系统,不需要当地参考站,网络GPS国内外发展现状,网络GPS国外发展速度很快,大多是在以往稀松的CORS间增设新站,以满足RTK的要求,很多地区已经建立起实验性的多参考站网络,
17、有些已经投入运行。网络RTK以VRS和FKP这两种解决方案最具代表性,目前VRS(VRS,Virtual Reference Station)技术应用更多、更为成熟一些。VRS是基于多参考站网络环境下的GPS实时动态定位技术,通常把VRS技术归为网络RTK技术的一种,它是在常规RTK技术基础之上发展起来,与常规RTK技术相比有着巨大的优势。VRS技术对电离层、对流层等改正考虑较好、定位可靠性和精度较高、作用范围较大、精度分布均匀,最大程度上保护了用户的设备投入和节约了人员成本,极大地提高了工作效率。由于该技术的显著优点,逐渐成为世界上应用最广泛、最成功的网络RTK技术之一。,从2000年起,我
18、国深圳、香港、成都、昆明、上海、天津、武汉、北京、重庆、东皖、广州、江苏等各大省市采用网络RTK技术,相继建立了本地的城市综合卫星定位服务系统。鉴于网络GPS技术的广泛应用前景,目前许多省市也正在积极地筹备之中。2000年,以刘经南院士为首的小组承担了深圳CORS的建设,2002年建成运行。深圳CORS是我国第一个基于VRS技术的实验性城市综合卫星定位服务系统,由于各方面的影响,造成该系统在设计上、运行上还存在一些问题,尽管如此,该系统的建立依然为我国今后建立类似系统起到了极为重要的示范作用。2002年底,四川省地震局在成都启动了“四川网络GPS卫星定位服务系统”的建设,2004年7月初步建成
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- GPS 实时 动态 定位 技术 发展 应用
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