gnss及gps的基本原理與測(cè)量應(yīng)用

1、,GNSS及GPS的基本原理與測(cè)量應(yīng)用,主要內(nèi)容,GNSS簡(jiǎn)介,GPS的組成及基本原理,GPS的測(cè)量應(yīng)用,一、GNSS的概念,GNSS是Global Navigation Satellite System的縮寫(xiě)，應(yīng)譯為“全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)”，而不宜譯成“全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)”?！叭?qū)Ш健笔窍鄬?duì)于陸基區(qū)域性導(dǎo)航而言，以此體現(xiàn)衛(wèi)星導(dǎo)航的優(yōu)越性。目前很多人將GNSS與GPS等系統(tǒng)并列而論，而GPS廠(chǎng)商卻推出GNSS接收機(jī)。這就存在一個(gè)問(wèn)題：

2、GNSS究竟是一個(gè)單一系統(tǒng)，還是一個(gè)綜合系統(tǒng)？,GNSS從它問(wèn)世開(kāi)始，就不是一個(gè)單一星座系統(tǒng)，而是一個(gè)包括GPS、GLONASS在內(nèi)的綜合星座系統(tǒng)。,早在20世紀(jì)90年代中期開(kāi)始，歐盟一直在致力于一個(gè)雄心勃勃的民用全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)計(jì)劃，稱(chēng)之為Global Navigation Satellite System。該計(jì)劃分兩步實(shí)施：第一步是建立一個(gè)綜合利用美國(guó)的GPS系統(tǒng)和俄羅斯的GLONASS系統(tǒng)的第一代全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(當(dāng)時(shí)稱(chēng)為GNSS

3、-1，即后來(lái)建成的如圖所示的EGNOS系統(tǒng))；第二步是建立一個(gè)完全獨(dú)立于美國(guó)的GPS系統(tǒng)和俄羅斯的GLONASS系統(tǒng)之外的第二代全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)，即正在建設(shè)中的Galileo衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)。,,,一、GNSS,北 斗,GPS,伽利略,格洛納斯,1973,1982,1978,1985,1、GLONASS,類(lèi)似于GPS，是俄羅斯以空間為基礎(chǔ)的無(wú)線(xiàn)電導(dǎo)航系統(tǒng)；其前身CICADA與子午系統(tǒng)同期，于1965年設(shè)計(jì)，有12顆衛(wèi)星；20世紀(jì)70

4、年代中期前蘇聯(lián)軍方啟動(dòng)GLONASS計(jì)劃1982年10月12日發(fā)射第一顆GLONASS衛(wèi)星1996年1月18日，完成24顆衛(wèi)星的布局，衛(wèi)星具備完全工作能力由于經(jīng)濟(jì)原因，現(xiàn)在天空上的GLONASS衛(wèi)星僅為8顆。,GLONASS,GPS/GLONASS系統(tǒng)參數(shù)比較,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,2、Galileo,背景：GLONASS在軌衛(wèi)星缺失，GPS獨(dú)霸市場(chǎng)

5、 GLONASS、GPS均由軍方控制歐盟：要建立國(guó)際民間控制的或歐盟自己的民用導(dǎo)航系統(tǒng)特點(diǎn)：共享的獨(dú)立于GPS的無(wú)增強(qiáng)條件下的適于海陸空的 系統(tǒng)。參股共建，收費(fèi)。階段：（一）2000年前，可行性評(píng)估或定義（二）2001~2005，開(kāi)發(fā)和檢測(cè)（三）2006~2007，部署（四）2008，商業(yè)運(yùn)行,歐盟為何重視伽利略計(jì)劃,首先，打破美國(guó)在這方面的壟斷地位，為歐盟贏得可觀(guān)的市場(chǎng)份額。 權(quán)威部門(mén)

6、預(yù)計(jì)： 伽利略計(jì)劃將為歐盟創(chuàng)造１５萬(wàn)個(gè)高技術(shù)含量的就業(yè)崗位；每年經(jīng)濟(jì)收益有１００億歐元之多； 僅出售航空和航海終端設(shè)備一項(xiàng)就可在２００８年至２０２０年將獲得１５０億歐元收入第二，歐盟開(kāi)發(fā)此項(xiàng)目可為歐盟現(xiàn)在極力提倡的歐洲共同安全防御政策服務(wù)。第三，歐盟認(rèn)為，沒(méi)有科技上的領(lǐng)先地位，歐盟在將來(lái)許多事務(wù)中就沒(méi)有主導(dǎo)權(quán)。,Galileo計(jì)劃的歷程,主要面臨的困難： 投資巨大：“伽利略系統(tǒng)”高達(dá)36億歐元的造價(jià)

7、 美國(guó)政府的極力反對(duì)：美國(guó)的干擾在一定程度上推遲了“伽利略”計(jì)劃的通過(guò)各國(guó)的態(tài)度: 美國(guó)：美國(guó)說(shuō)“伽利略”是個(gè)很壞的計(jì)劃 法國(guó)：對(duì)美國(guó)的壟斷感到不滿(mǎn) 德國(guó)、荷蘭、 英國(guó)：經(jīng)濟(jì),Galileo計(jì)劃概況,,伽利略計(jì)劃的資金預(yù)計(jì)為32億到36億歐元系統(tǒng)由30顆高軌道衛(wèi)星組成，分布在軌道高度為2.4萬(wàn)千米、傾角為56度的3個(gè)軌道面上?；A(chǔ)設(shè)施包括天基和地基兩部分。衛(wèi)星將為用戶(hù)提供精確的時(shí)間和誤差不超過(guò)一米的全球精

8、確定位服務(wù)，與美國(guó)GPS和俄羅斯的GLONASS爭(zhēng)奪市場(chǎng)。,Galileo系統(tǒng)的特性,相比GPS和GLONASS，Galileo系統(tǒng)起點(diǎn)較高，吸收了很多GPS和GLONASS的經(jīng)驗(yàn)，具有很多優(yōu)點(diǎn)。從設(shè)計(jì)目標(biāo)來(lái)看， Galileo系統(tǒng)的定位精度優(yōu)于GPS。如果說(shuō)GPS只能找到街道， Galileo系統(tǒng)則可找到車(chē)庫(kù)門(mén)。 Galileo系統(tǒng)為地面用戶(hù)提供3種信號(hào)：免費(fèi)使用的信號(hào)、加密且需交費(fèi)使用的信號(hào)、加密且能滿(mǎn)足更高要求的信號(hào)。其精

9、度依次提高，最高精度比GPS高10倍。免費(fèi)使用的信號(hào)精度預(yù)計(jì)為10米。,,Galileo系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是多頻率、多服務(wù)、多用戶(hù)。它除了具有定位導(dǎo)航功能外，還具有全球搜尋救援功能。為此每顆Galileo衛(wèi)星還裝備一種援救收發(fā)器，接收來(lái)自遇險(xiǎn)用戶(hù)的求援信號(hào)，并將它轉(zhuǎn)發(fā)給地面救援協(xié)調(diào)中心，后者組織對(duì)遇險(xiǎn)用戶(hù)的援救。與此同時(shí)，Galileo系統(tǒng)還向遇險(xiǎn)用戶(hù)發(fā)送援救安排通報(bào)，以便遇險(xiǎn)用戶(hù)等待救援。Galileo系統(tǒng)的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)在于：它能夠與G

10、PS、GLONASS實(shí)現(xiàn)多系統(tǒng)內(nèi)的相互兼容。 Galileo接收機(jī)可以采集各個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)或者通過(guò)各個(gè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的組合來(lái)進(jìn)行定位導(dǎo)航。,Galileo系統(tǒng)提供的服務(wù),Galileo系統(tǒng)提供兩種類(lèi)型的服務(wù)，即免費(fèi)服務(wù)和有償服務(wù)。具體分為六類(lèi)：公開(kāi)服務(wù)（Open Service）：該服務(wù)免費(fèi)提供給全球用戶(hù)。商業(yè)服務(wù)（Commercial Service）：這種服務(wù)主要提供公開(kāi)服務(wù)中額外的服務(wù)，比如在公開(kāi)服務(wù)中添加加密的數(shù)據(jù)，通過(guò)Galile

11、o系統(tǒng)和無(wú)線(xiàn)通訊網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合實(shí)現(xiàn)航空通信等。生命安全服務(wù)（Safe-of-Life Service）：這種服務(wù)一般只用于交通運(yùn)輸、船只入港、鐵路運(yùn)輸管制和航空管制等。,,公共規(guī)范服務(wù)（Public Regular Service）：這種服務(wù)只提供給歐盟成員國(guó)。提供與歐洲密切相關(guān)的軍事、工業(yè)和經(jīng)濟(jì)服務(wù)，比如：國(guó)家安全、緊急救援、治安、警戒以及緊急的能源、交通和通訊等。地區(qū)性組織提供的導(dǎo)航定位服務(wù)（Navigation Services

12、 to be provided by Local components）：這種加強(qiáng)的導(dǎo)航定位服務(wù)根據(jù)用戶(hù)的特殊要求，通過(guò)區(qū)域性增強(qiáng)系統(tǒng)向用戶(hù)提供。該服務(wù)可以提供更精確的定位和授時(shí)服務(wù)。搜尋與救援服務(wù)（Search and Rescue Service）,3、北斗系統(tǒng),目的：快速定位、實(shí)時(shí)導(dǎo)航，簡(jiǎn)短通訊，精密授時(shí) 由兩顆地球同步軌道衛(wèi)星組成星座，衛(wèi)星結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)三步走戰(zhàn)略：第一步，1994年啟動(dòng)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航試驗(yàn)系

13、統(tǒng)建設(shè)，2000年形成區(qū)域有源服務(wù)能力；第二步，建設(shè)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，2012年左右形成覆蓋亞太大部分地區(qū)的服務(wù)能力。第三步，2020年左右，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)形成全球覆蓋能力。,P.S：“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航試驗(yàn)系統(tǒng)（也稱(chēng)“雙星定位導(dǎo)航系統(tǒng)”），工程代號(hào)：“北斗一號(hào)”2000年以來(lái)，中國(guó)成功發(fā)射了4顆“北斗導(dǎo)航試驗(yàn)衛(wèi)星”，建成“北斗一號(hào)”。這個(gè)系統(tǒng)具備在中國(guó)及其周邊地區(qū)范圍內(nèi)的定位、授時(shí)、報(bào)文和GPS廣域差分功能，并在測(cè)繪、電

14、信、水利、交通運(yùn)輸、漁業(yè)、勘探、森林防火和國(guó)家安全等諸多領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。 2012年12月27日，北斗系統(tǒng)空間信號(hào)接口控制文件正式版正式公布，北斗導(dǎo)航業(yè)務(wù)正式對(duì)亞太地區(qū)提供無(wú)源定位、導(dǎo)航、授時(shí)服務(wù)。,集團(tuán)用戶(hù)解決方案,地面數(shù)據(jù)處理中心可以：利用北斗用戶(hù)的實(shí)時(shí)運(yùn)行軌跡和相關(guān)地圖對(duì)動(dòng)態(tài)用戶(hù)進(jìn)行導(dǎo)航和交通管制遙測(cè)北斗用戶(hù)接收機(jī)的工作狀態(tài)，報(bào)警用戶(hù)收發(fā)機(jī)的故障，識(shí)別用戶(hù)身份，控制用戶(hù)使用響應(yīng)并回復(fù)集團(tuán)用戶(hù)對(duì)下屬用戶(hù)的定位審查,,二、

15、GPS的組成及基本原理,GPS系統(tǒng)組成,,,,,,地面控制部分： 中心控制系統(tǒng) 實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步 跟蹤衛(wèi)星進(jìn)行定軌,,空間部分： 提供星歷和時(shí)間信息 發(fā)射偽距和載表信號(hào) 提供其它輔助信息,,,用戶(hù)設(shè)備部分：接收衛(wèi)星信號(hào)記錄處理數(shù)據(jù),GPS系統(tǒng)組成——空間部分,24顆衛(wèi)星（21+3）6個(gè)軌道平面55º軌道傾角20200km軌道高度（地面高度）11小時(shí)58分軌道周期5個(gè)多小時(shí)

16、出現(xiàn)在地平線(xiàn)以上每天提前4分鐘出現(xiàn)在地球上任何地方可以同時(shí)觀(guān)測(cè)到4-11顆高度角15?以上的衛(wèi)星。,,,GPS系統(tǒng)組成——地面控制部分,,Colorado springs,,,,,,Hawaii,Ascencion,Diego Garcia,kwajalein,1個(gè)主控站:Colorado springs(科羅拉多.斯平士)。3個(gè)注入站:Ascencion(阿森松群島)、 Diego Garcia(迭哥伽西亞)、kwajalein(

17、卡瓦加蘭)。5個(gè)監(jiān)控站： 以上主控站、注入站及Hawaii(夏威夷)。,GPS系統(tǒng)組成——地面控制部分,主控站:它的作用是根據(jù)各監(jiān)控站對(duì)GPS的觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)，計(jì)算出衛(wèi)星的星歷和衛(wèi)星鐘的改正參數(shù)等，并將這些數(shù)據(jù)通過(guò)注入站注入到衛(wèi)星中去 ；同時(shí)，它還對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行控制，向衛(wèi)星發(fā)布指令，當(dāng)工作衛(wèi)星出現(xiàn)故障時(shí)，調(diào)度備用衛(wèi)星替代失效的工作衛(wèi)星工作。 3個(gè)注入站:將主控站計(jì)算出的衛(wèi)星星歷和衛(wèi)星鐘的改正數(shù)等注入到衛(wèi)星中去。5個(gè)監(jiān)控站：接收衛(wèi)星信號(hào)，監(jiān)測(cè)

18、衛(wèi)星的接收衛(wèi)星信號(hào)，監(jiān)測(cè)衛(wèi)星的工作狀態(tài) ，傳送到主控站。,GPS系統(tǒng)組成——用戶(hù)設(shè)備部分,按照原理、用途、功能來(lái)分類(lèi),用途,載波頻率,工作原理,,導(dǎo)航型接收機(jī),測(cè)地型接收機(jī),,平方型接收機(jī),混合型接收機(jī),干涉型接收機(jī),,單頻接收機(jī),雙頻接收機(jī),通道種類(lèi),多通道接收機(jī),序貫通道接收機(jī),,GPS系統(tǒng)組成——用戶(hù)設(shè)備部分,手持導(dǎo)航型GPS機(jī)，精度5-15m,GPS系統(tǒng)組成——用戶(hù)設(shè)備部分,測(cè)量型GPS接收機(jī)，最高精度1mm+1ppm,GPS基

19、本原理——測(cè)距,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,GPS定位誤差分類(lèi),與GPS衛(wèi)星有關(guān)的誤差,,與傳播途徑有關(guān)的誤差,與GPS 接收機(jī)有關(guān)的誤差,,衛(wèi)星星歷誤差,衛(wèi)星鐘差,SA干擾誤差,電離層折射,對(duì)流層折射,多路徑效應(yīng),,接收機(jī)鐘差,接收機(jī)的位置誤差,接收機(jī)天線(xiàn)相位中心偏差,,GPS基本原理——二維三邊測(cè)量法,,,,北京,西安,廣州,,,武漢,,GPS基本原理——三維三邊測(cè)量法,我們處在以 RI 為半徑的一個(gè)球面上,,,,,,

20、,,,,,,,,,,,R1,GPS基本原理——定位過(guò)程,,,,,,空間距離的量測(cè)為定位的基本,1,參數(shù)改正,5,,觀(guān)測(cè)衛(wèi)星至地面點(diǎn)位的距離,2,,利用接收衛(wèi)星星歷資料決定點(diǎn)位位置,4,3,觀(guān)測(cè)4顆以上衛(wèi)星才能解算點(diǎn)位的空間距離,GPS基本原理——定位,衛(wèi)星充當(dāng) “軌道控制站”測(cè)量與時(shí)間相關(guān)的每一顆衛(wèi)星的偽隨機(jī)碼通常情況下，GPS接收機(jī)采用廉價(jià)的時(shí)鐘。它們的精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于衛(wèi)星的機(jī)載時(shí)鐘無(wú)線(xiàn)電波以光速傳播 (距離 = 速度 x 時(shí)

21、間)時(shí)鐘誤差與測(cè)距精度的關(guān)系：1/10 秒時(shí)鐘誤差 = 30,000 Km 測(cè)距誤差1/1,000,000 秒時(shí)鐘誤差 = 300 m測(cè)距誤差,,,GPS的測(cè)量應(yīng)用——單點(diǎn)定位,單獨(dú)一個(gè)觀(guān)測(cè)站接受信號(hào)進(jìn)行定位。從原理上類(lèi)似于后方交會(huì)進(jìn)行點(diǎn)的定位。采用虛擬距離觀(guān)測(cè)量精度較差，僅能消除接收機(jī)時(shí)鐘誤差,,GPS的測(cè)量應(yīng)用——單點(diǎn)定位精度,理論上說(shuō)，利用 C/A 碼進(jìn)行單點(diǎn)定位精度可以達(dá)到 10 - 30m在 SA 條件下進(jìn)行單

22、點(diǎn)定位：平面位置的精度為 +/- 100 m 高程的精度則為 +/- 160 m,,單點(diǎn)定位的應(yīng)用,自然資源調(diào)查,城市規(guī)劃,環(huán)境調(diào)查,GPS的測(cè)量應(yīng)用——相對(duì)定位,確定同步跟蹤相同的GPS衛(wèi)星信號(hào)的若干臺(tái)接收機(jī)之間的相對(duì)位置的定位方法。至少一臺(tái)接收機(jī)置于已知坐標(biāo)點(diǎn)上，稱(chēng)為主站，置于未知點(diǎn)上的稱(chēng)為待測(cè)站或移動(dòng)站。精度較高,GPS的測(cè)量應(yīng)用——靜態(tài)相對(duì)定位,方法：利用兩套及以上的GPS接收機(jī)，分別安置在每條基線(xiàn)的端點(diǎn)上，同步觀(guān)測(cè)四顆

23、以上的衛(wèi)星0.5～1小時(shí)，基線(xiàn)的長(zhǎng)度在20公里以?xún)?nèi)。各基線(xiàn)構(gòu)成網(wǎng)狀的封閉圖形，事后經(jīng)過(guò)整體平差處理。用途：是精度最高的作業(yè)模式。主要用于大地測(cè)量、控制測(cè)量、變形測(cè)量、工程測(cè)量。精度：可達(dá)到5mm+1ppm,靜態(tài)相對(duì)定位——基線(xiàn)測(cè)量,（dx、dy、dz),基準(zhǔn)站,移動(dòng)站,GPS的測(cè)量應(yīng)用——即時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量（RTK）,常規(guī)的GPS測(cè)量方法，如靜態(tài)、快速靜態(tài)、動(dòng)態(tài)測(cè)量都需要事后進(jìn)行解算才能獲得厘米級(jí)的精度，而RTK是能夠在野外實(shí)時(shí)得到厘米級(jí)

24、定位精度的測(cè)量方法，它采用了載波相位動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)差分方法，極大地提高了外業(yè)作業(yè)效率。,GPS的測(cè)量應(yīng)用——即時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量（RTK）,GPS的測(cè)量應(yīng)用——即時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量（RTK）,,GPS相對(duì)定位的后處理測(cè)量方法,,,靜態(tài)相對(duì)定位模式,動(dòng)態(tài)相對(duì)定位模式,VRS測(cè)量技術(shù),GPS實(shí)時(shí)差分定位RTK技術(shù)的缺點(diǎn)：用戶(hù)需要架設(shè)本地參考站誤差隨距離的增加而增長(zhǎng)誤差增長(zhǎng)使流動(dòng)站和參考站的距離受到限制，一般 小于15公里精度為10mm+1ppm，

25、可靠性隨距離增大而降低,VRS測(cè)量技術(shù),虛擬參考站方案中VRS的特點(diǎn)與技術(shù)優(yōu)勢(shì)： 虛擬參考站方案中，VRS的實(shí)施將使一個(gè)地區(qū)的測(cè)繪工作成為一個(gè)有機(jī)的整體，這改變了以往GPS作業(yè)“單打獨(dú)斗”的局面，同時(shí)它使GPS技術(shù)的應(yīng)用更為廣泛，使其精度和可靠性得到進(jìn)一步提高，最重要的是建立GPS網(wǎng)絡(luò)的成本降低了很多。,我國(guó)深圳市第一個(gè)建成了VRS技術(shù)衛(wèi)星定位服務(wù)系統(tǒng),何謂VRS測(cè)量技術(shù)？,移動(dòng)站并非接受某個(gè)實(shí)際基準(zhǔn)站的實(shí)際觀(guān)測(cè)資料，而是經(jīng)過(guò)

26、定位誤差修正的虛擬觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)，也就是RTK主站，并不是實(shí)際存在的實(shí)體主站，而是在移動(dòng)站附近產(chǎn)生一個(gè)經(jīng)過(guò)人為加工的虛擬化主站，這種網(wǎng)絡(luò)化的定位技術(shù)稱(chēng)為虛擬參考站動(dòng)態(tài)定位技術(shù)，簡(jiǎn)稱(chēng)VRS-RTK,+,GPS衛(wèi)星定位技術(shù),Mobile Phone 行動(dòng)式數(shù)據(jù)傳輸技術(shù),+,寬頻網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通訊技術(shù),VRS測(cè)量技術(shù),控制中心,,固定站,用戶(hù)部分,整個(gè)系統(tǒng)的核心,固定參考站是固定的GPS接收系統(tǒng)，分布在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，一個(gè)VRS網(wǎng)絡(luò)可包括無(wú)數(shù)個(gè)站,用戶(hù)

27、部分就是用戶(hù)的接收機(jī)，加上無(wú)線(xiàn)通訊的調(diào)制解調(diào)器。,系統(tǒng)構(gòu)成,GPS設(shè)備上網(wǎng)模塊,無(wú)線(xiàn)上網(wǎng)設(shè)備及上網(wǎng)賬號(hào),VRS的接入賬號(hào),,VRS測(cè)量技術(shù)原理與流程,BS1,BS2,BS4,BS3,超短基線(xiàn) VRS-RTK 解算,Rover,,VRS,,虛擬基準(zhǔn)站,,BS5,BS6,基準(zhǔn)站間距約 50公里,基準(zhǔn)站間距約 50公里,,控制及計(jì)算中心,,,,,,,,,GSM/GPRS & NTRIP 通訊協(xié)定,,ADSL,A

28、DSL,,待測(cè)點(diǎn)位,,,GPS 單點(diǎn)定位坐標(biāo)(NMEA),,虛擬觀(guān)測(cè)資料(RTCM),,,GPS 原始觀(guān)測(cè)資料→,GPS 原始觀(guān)測(cè)資料 →,計(jì)算區(qū)域改正參數(shù),內(nèi)插計(jì)算,組成虛擬觀(guān)測(cè)量,控制及計(jì) 算中心,GPS基準(zhǔn)站,VRS測(cè)量技術(shù)優(yōu)勢(shì),VRS覆蓋范圍： VRS網(wǎng)絡(luò)可以有多個(gè)站，但最少需要3個(gè),VRS的主要優(yōu)勢(shì),費(fèi)用將大幅度降低,相對(duì)傳