GNSS及GPS的基本原理与测量应用.ppt

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1、2022-7-3, Page 2主要内容主要内容二二三三GNSSGNSS简介简介GPSGPS的组成及基本原理的组成及基本原理 GPSGPS的测量应用的测量应用一一的综合星座系统。 静 地 卫 星 定 轨 观 测 网 国 际 卫 星 完 好 性 监 测网 广 域 差 分 观 测 网 空 间 部 分 地 面 监 测 控 制 系 统 导 航 地 面 地 球 站 用 户 2022-7-3, Page 5一、一、GNSS1973198219781985u类似于类似于GPS，是俄罗斯以空间为基础的无线电导，是俄罗斯以空间为基础的无线电导航系统；航系统；u其前身其前身CICADA与子午系统同期，于与子午系统

2、同期，于19651965年设计年设计，有，有1212颗卫星；颗卫星；u2020世纪世纪7070年代中期前苏联军方启动年代中期前苏联军方启动GLONASS计划计划u19821982年年1010月月1212日发射第一颗日发射第一颗GLONASS卫星卫星u19961996年年1 1月月1818日，完成日，完成2424颗卫星的布局，卫星具备颗卫星的布局，卫星具备完全工作能力完全工作能力u由于经济原因，现在天空上的由于经济原因，现在天空上的GLONASS卫星仅为卫星仅为8 8颗。颗。GPSGLONASS卫星星座21+321+3轨道平面6个轨道面3个轨道面轨道倾角55。64.8。轨道高度20,200km1

3、9,123km运行周期11小时 58 分钟11小时 15 分钟星历数据轨道开普勒根数地心直角坐标卫星寻址CDMA（码分多址）不同的卫星采用不同的PRN码加以区分FDMA（频分多址）（ L1 ） 1602+k?/16MHz（ L2 ） 1246+k?/16MHz载波频率L1 ：1575.42MHzL2 ： 1227.6MHz1602.5625MHz1615.5MHz1246.4375MHz1256.5MHz基准坐标系WGS-84PZ-90测距码伪随机噪声码伪随机噪声码码元数1023 bit511 bit码周期1 ms1 ms码频率1.023 MHz0.511 MHz时间基准GPS时统，与UTC保

4、持一定的差值，无跳秒GLONASS时统，经常调整与UTC保持一致，有跳秒导航电文37500 bits，持续750 秒7500 bits，持续150 秒u背景：背景：GLONASS在轨卫星缺失，在轨卫星缺失，GPS独霸市场独霸市场 GLONASS、GPS均由军方控制均由军方控制u欧盟：要建立国际欧盟：要建立国际民间控制民间控制的或的或欧盟自己的欧盟自己的民用导航系统民用导航系统u特点：共享的独立于特点：共享的独立于GPS的无增强条件下的适于海陆空的的无增强条件下的适于海陆空的 系统。参股共建，收费。系统。参股共建，收费。u阶段：阶段：（一）（一）2000年前，可行性评估或定义年前，可行性评估或定

5、义（二）（二）20012005，开发和检测，开发和检测（三）（三）20062007，部署，部署（四）（四）2008，商业运行，商业运行首先，打破美国在这方面的垄断地位，为欧盟赢得可观的市场份额首先，打破美国在这方面的垄断地位，为欧盟赢得可观的市场份额。 权威部门预计： 伽利略计划将为欧盟创造万个高技术含量的就业岗位；每年经济收益有亿欧元之多； 仅出售航空和航海终端设备一项就可在年至年将获得亿欧元收入第二，欧盟开发此项目可为欧盟现在极力提倡的第二，欧盟开发此项目可为欧盟现在极力提倡的欧洲共同安全防御欧洲共同安全防御政策服务。政策服务。第三，欧盟认为，没有科技上的领先地位，欧盟在将来许多事务中第三

6、，欧盟认为，没有科技上的领先地位，欧盟在将来许多事务中就没有就没有主导权主导权。 主要面临的困难主要面临的困难： 投资巨大：“伽利略系统”高达36亿欧元的造价 美国政府的极力反对：美国的干扰在一定程度上推迟了“伽利略”计划的通过各国的态度各国的态度: : 美国：美国说“伽利略”是个很坏的计划 法国：对美国的垄断感到不满 德国、荷兰、 英国：经济伽利略计划的资金预计为32亿到36亿欧元系统由30颗高轨道卫星组成，分布在轨道高度为2.4万千米、倾角为56度的3个轨道面上。基础设施包括天基和地基两部分。卫星将为用户提供精确的时间和误差不超过一米的全球精确定位服务，与美国GPS和俄罗斯的GLONASS

7、争夺市场。 且能满足更高要求的信号。其精度依次提高，最高精度比GPS高10倍。免费使用的信号精度预计为10米。目的：快速定位、实目的：快速定位、实时导航，简短通讯，时导航，简短通讯，精密授时精密授时 由两颗地球同步轨道由两颗地球同步轨道卫星组成星座，卫星卫星组成星座，卫星结构简单结构简单 地面数据处理中心可以：地面数据处理中心可以：利用北斗用户的实时运行轨迹和相关地图对动态用户进行导航和交通管制遥测北斗用户接收机的工作状态，报警用户收发机的故障，识别用户身份，控制用户使用响应并回复集团用户对下属用户的定位审查2022-7-3, Page 21二、二、GPSGPS的组成及基本原理的组成及基本原理

8、 2022-7-3, Page 22GPS系统组成系统组成地面控制部分：地面控制部分： 中心控制系统 实现时间同步 跟踪卫星进行定轨空间部分：空间部分： 提供星历和时间信息 发射伪距和载表信号 提供其它辅助信息用户设备部分：用户设备部分：接收卫星信号记录处理数据2022-7-3, Page 23GPS系统组成系统组成空间部分空间部分l24颗卫星（21+3）l6个轨道平面l55轨道倾角l20200km轨道高度（地面高度）l11小时58分轨道周期l5个多小时出现在地平线以上每天提前4分钟出现l在地球上任何地方可以同时观测到4-11颗高度角15以上的卫星。2022-7-3, Page 24GPS系统

9、组成系统组成地面控制部分地面控制部分Colorado springs5 55 5HawaiiAscencionDiego Garciakwajaleinl 1 1个主控站个主控站:Colorado springs(:Colorado springs(科罗拉多科罗拉多. .斯平士斯平士) )。l 3 3个注入站个注入站:Ascencion(:Ascencion(阿森松群岛阿森松群岛) )、 Diego Garcia(Diego Garcia(迭哥迭哥伽西亚伽西亚) )、kwajalein(kwajalein(卡瓦加兰卡瓦加兰) )。l 5 5个监控站：个监控站： 以上主控站、注入站及以上主控站、

10、注入站及Hawaii(Hawaii(夏威夷夏威夷) )。2022-7-3, Page 25GPS系统组成系统组成地面控制部分地面控制部分l 主控站:它的作用是根据各监控站对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。 l 3个注入站: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。l 5个监控站：接收卫星信号，监测卫星的接收卫星信号，监测卫星的工作状态 ，传送到主控站。2022-7-3, Page 26GPS系统组成系统组成用户设备部

11、分用户设备部分按照原理、用途、功能来分类 用途 载波频率 工作原理 导航型接收机 测地型接收机 平方型接收机 混合型接收机 干涉型接收机 单频接收机 双频接收机 通道种类 多通道接收机 序贯通道接收机 2022-7-3, Page 27GPS系统组成系统组成用户设备部分用户设备部分l手持导航型GPS机，精度5-15m2022-7-3, Page 28GPS系统组成系统组成用户设备部分用户设备部分l测量型GPS接收机，最高精度1mm+1ppm天天线线天天线线主机箱主机箱记记录录簿簿主机主机电电源源电台电台2022-7-3, Page 29GPS基本原理基本原理测距测距XllVlXllllllll

12、VVVll VlllXlXXllVlXllllllllVVVll VlllXlX距离距离 = 信号传输时间信号传输时间 x 光的速度光的速度与GPS卫星有关的误差与传播途径有关的误差 与GPS 接收机有关的误差 卫星星历误差 卫星钟差 SA干扰误差 电离层折射 对流层折射 多路径效应 接收机钟差 接收机的位置误差 接收机天线相位中心偏差 2022-7-3, Page 31GPS基本原理基本原理二维三边测量法二维三边测量法北京北京西安西安广州广州武汉武汉2022-7-3, Page 32GPS基本原理基本原理三维三边测量法三维三边测量法我们处在以我们处在以 RI 为半径的一个球面上为半径的一个球

13、面上R12 个球面相交得出一条曲线个球面相交得出一条曲线R23 个球面相交于一个点个球面相交于一个点3 个距离观测值可以解算出一个点的纬度、经度与高程个距离观测值可以解算出一个点的纬度、经度与高程R32022-7-3, Page 33GPS基本原理基本原理定位过程定位过程空 间 距 离 的空 间 距 离 的量 测 为量 测 为 定 位定 位的基本的基本1参数参数改正改正5观测卫星至观测卫星至地面点位的地面点位的距离距离2利用接收利用接收卫星卫星星历资料决定星历资料决定点位位置点位位置43观测观测4 4颗以上卫星颗以上卫星才能解算点位的才能解算点位的空间距离空间距离2022-7-3, Page

14、34GPS基本原理基本原理定位定位 卫星充当 “轨道控制站” 测量与时间相关的每一颗卫星的伪随机码 通常情况下，GPS接收机采用廉价的时钟。它们的精度远远低于卫星的机载时钟 无线电波以光速传播 (距离 = 速度 x 时间) 时钟误差与测距精度的关系：1/10 秒时钟误差 = 30,000 Km 测距误差1/1,000,000 秒时钟误差 = 300 m测距误差2022-7-3, Page 352022-7-3, Page 36GPS的测量应用的测量应用单点定位单点定位l单独一个观测站接受信号进行定位。从原理上类似于后方交会进行点的定位。采用虚拟距离观测量精度较差，仅能消除接收机时钟误差2022

15、-7-3, Page 37GPS的测量应用的测量应用单点定位精度单点定位精度l理论上说，利用 C/A 码进行单点定位精度可以达到 10 - 30ml在 SA 条件下进行单点定位：平面位置的精度为 +/- 100 m 高程的精度则为 +/- 160 m2022-7-3, Page 38单点定位的应用单点定位的应用自然资源调查自然资源调查城市规划城市规划环境调查环境调查2022-7-3, Page 39GPS的测量应用的测量应用相对定位相对定位l确定同步跟踪相同的GPS卫星信号的若干台接收机之间的相对位置的定位方法。至少一台接收机置于已知坐标点上，称为主站，置于未知点上的称为待测站或移动站。精度较

16、高2022-7-3, Page 40GPS的测量应用的测量应用静态相对定位静态相对定位l方法：利用两套及以上的GPS接收机，分别安置在每条基线的端点上，同步观测四颗以上的卫星0.51小时，基线的长度在20公里以内。各基线构成网状的封闭图形，事后经过整体平差处理。l用途：是精度最高的作业模式。主要用于大地测量、控制测量、变形测量、工程测量。l精度：可达到5mm+1ppm2022-7-3, Page 41静态相对定位静态相对定位基线测量基线测量B基准站移动站2022-7-3, Page 42GPSGPS的测量应用的测量应用即时动态测量（即时动态测量（RTKRTK） 常规的GPS测量方法，如静态、快

17、速静态、动态测量都需要事后进行解算才能获得厘米级的精度，而RTK是能够在野外实时得到厘米级定位精度的测量方法，它采用了载波相位动态实时差分方法，极大地提高了外业作业效率。 2022-7-3, Page 43GPSGPS的测量应用的测量应用即时动态测量（即时动态测量（RTKRTK）定位精度定位精度为厘米级为厘米级RTK 基基准准站站即时传递改正值移动移动站站2022-7-3, Page 44GPS的测量应用的测量应用即时动态测量（即时动态测量（RTK）2022-7-3, Page 45GPS相对定位的后处理测量方法相对定位的后处理测量方法静态相对定位模式静态相对定位模式流动站流动站动态相对定位模

18、式动态相对定位模式基准站基准站2022-7-3, Page 46VRSVRS测量技术测量技术GPS实时差分定位RTK技术的缺点：l用户需要架设本地参考站l误差随距离的增加而增长l误差增长使流动站和参考站的距离受到限制，一般 小于15公里l精度为10mm+1ppm，可靠性随距离增大而降低 2022-7-3, Page 47VRSVRS测量技术测量技术虚拟参考站方案中虚拟参考站方案中VRSVRS的特点与技术优势：的特点与技术优势： 虚拟参考站方案中，VRS的实施将使一个地区的测绘工作成为一个有机的整体，这改变了以往GPS作业“单打独斗”的局面，同时它使GPS技术的应用更为广泛，使其精度和可靠性得到

19、进一步提高，最重要的是建立GPS网络的成本降低了很多。我国深圳市第一个建成了VRS技术卫星定位服务系统 2022-7-3, Page 48何谓何谓VRSVRS测量技术测量技术？l移动站并非接受某个实际基准站的实际观测资料，而是经过定位误差修正的虚拟观测数据，也就是RTK主站，并不是实际存在的实体主站，而是在移动站附近产生一个经过人为加工的虚拟化主站，这种网络化的定位技术称为虚拟参考站动态定位技术，简称+GPS卫星定位技术卫星定位技术Mobile Phone 行行动式数据传输技术动式数据传输技术+宽频网络数据宽频网络数据通讯技术通讯技术2022-7-3, Page 49VRSVRS测量技术测量技

20、术控制中心固定站用户部分整个系统的核心 固定参考站是固定的GPS接收系统，分布在整个网络中，一个VRS网络可包括无数个站 用户部分就是用户的接收机，加上无线通讯的调制解调器。 系系统统构构成成 GPS设备上网模块 无线上网设备及上网账号 VRS的接入账号 2022-7-3, Page 50VRSVRS测量技术测量技术原理与流程原理与流程GPS基准站基准站GPS基准基准站站GPS基准基准站站BS1BS2BS4BS3超短基超短基线线 VRS-RTK 解算解算RoverVRS虚拟基准虚拟基准站站GPS基准基准站站GPS基准基准站站BS5BS6基基准站间距准站间距約約 50公里公里基基准准站站间间距距

21、約約 50公公里里控控制制及及计计算算中中心心GSM/GPRS & NTRIP 通讯协通讯协定定 ADSLADSL待待测点测点位位 GPS 原始观测资料原始观测资料GPS 原始原始观测资料观测资料 计计算算区区域域改改正正參參数数內內插插计计算算組組成成虚虚拟拟观观测测量量控控制制及及计计 算算中中心心GPS基准站基准站2022-7-3, Page 51VRS测量技术优势测量技术优势 VRSVRS覆盖范围：覆盖范围： VRS网络可以有多个站，但最少需要3个 VRSVRS的主要优势的主要优势 费用将大幅度降低相对传统RTK，提高了精度，精度始终在12cm。提高可靠性2022-7-3, Page 52谢谢谢谢! !