四大GNSS及GPS的基本原理與測量應(yīng)用課件

1、 四大GNSS及GPS的基本原理與測量應(yīng)用主要內(nèi)容二三四大GNSS簡介GPS的組成及基本原理 GPS的測量應(yīng)用一一、四大GNSSGPS(Global Positioning Systems)美國國防部開發(fā)的第二代空間定位系統(tǒng)特點(diǎn)由21+3顆衛(wèi)星組成分布在6個(gè)軌道平面上軌道高度20200Km運(yùn)行周期11小時(shí)58分民用定位精度為10m左右導(dǎo)航精度10 - 20 m 坐標(biāo)系統(tǒng)為WGS-84全球、全天候工作 ，定位精度高 ，功能多，應(yīng)用廣GPS現(xiàn)狀完成時(shí)間： 1994年最新進(jìn)展：2010年5月13日，美國發(fā)射了首顆改進(jìn)型GPS二代導(dǎo)航衛(wèi)星GPS-2F，其后還將在本年度再發(fā)射兩顆。GPS-2F衛(wèi)星具有更

2、強(qiáng)的抗干擾和抗打擊能力，壽命也延長到15年。與此同時(shí)，為滿足未來30年系統(tǒng)技術(shù)擴(kuò)展和用戶需求而制定的第三代GPS計(jì)劃也有提前部署的可能。格洛納斯（GLONASS）由24顆衛(wèi)星組成，分布在3個(gè)軌道平面上，每個(gè)軌道面有8 顆衛(wèi)星軌道高度19100Km，運(yùn)行周期11小時(shí)15分定位精度可達(dá)1米，速度誤差僅為15厘米/秒前蘇聯(lián)地心坐標(biāo)系（PE-90）衛(wèi)星平均在軌壽命較短,沒有開發(fā)民用市場格洛納斯現(xiàn)狀完成時(shí)間： 1996年最新進(jìn)展：截至2010年2月，共有18顆衛(wèi)星處于在軌運(yùn)行狀態(tài)。由于GLONASS衛(wèi)星壽命短，組網(wǎng)后因?yàn)榉N種原因不能及時(shí)替代，從1999年起處于癱瘓狀態(tài)，不能單獨(dú)提供全球?qū)Ш叫l(wèi)星服務(wù)。俄羅

3、斯計(jì)劃2010年將分3次發(fā)射共9顆格洛納斯衛(wèi)星，使這一系統(tǒng)恢復(fù)正常。伽利略（GALILEO）由30顆衛(wèi)星組成，分布在3個(gè)軌道，軌道高度24126Km 與GPS相比：覆蓋面積將是GPS系統(tǒng)的兩倍地面定位誤差不超過1米，GPS只能找到街道，而伽利略系統(tǒng)則能找到車庫門伽利略系統(tǒng)使用多種頻段工作，在民用領(lǐng)域比GPS更經(jīng)濟(jì)、更透明、更開放伽利略現(xiàn)狀完成時(shí)間：最初預(yù)計(jì)2012年完成全球覆蓋最新進(jìn)展：2002年啟動的歐洲伽利略系統(tǒng)一直不夠順利，計(jì)劃超支和成員國之間利益分配問題導(dǎo)致該計(jì)劃滯后于原計(jì)劃近6年。今年11月，聯(lián)盟火箭計(jì)劃發(fā)射兩顆伽利略在軌實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星。北斗（COMPASS）顆靜止軌道衛(wèi)星+顆非靜止軌道衛(wèi)

4、星采用中國2000大地坐標(biāo)系（CGS2000）開放服務(wù)：定位精度: 10 m測速精度: 0.2 m/s授時(shí)精度: 20 ns北斗現(xiàn)狀完成時(shí)間： 預(yù)計(jì)2012年實(shí)現(xiàn)亞太地區(qū)覆蓋，2020年完成全球覆蓋最新進(jìn)展：北京時(shí)間11月1號0時(shí)26分，我國在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心成功將第6顆北斗導(dǎo)航衛(wèi)星送入太空，這是我國今年連續(xù)發(fā)射的第4顆北斗衛(wèi)星。北斗介紹GPS的組成空間星座部分地面控制部分用戶設(shè)備部分基本原理測距定位二、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 提供其它輔助信息用戶設(shè)備部分：接收衛(wèi)星信號

5、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55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)出現(xiàn)在地平線以上每天提前4分鐘出現(xiàn)在地球上任何地方可以同時(shí)觀測到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 springs55HawaiiAscencionDiego Garciakwajalein1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(卡瓦加蘭)。5個(gè)監(jiān)控站： 以上主控站、注入站及Ha

6、waii(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GPS的觀測數(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)通過注入站注入到衛(wèi)星中去 ；同時(shí)，它還對衛(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，監(jiān)測衛(wèi)星的接收衛(wèi)星信號，監(jiān)測衛(wèi)星的工作狀態(tài) ，傳送到主控站。GPS系統(tǒng)組成用戶設(shè)備部分按照原理、用途、功能來分類 用途 載波頻率 工作原理 導(dǎo)航型接收機(jī) 測地型接收機(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

7、收機(jī) 通道種類 多通道接收機(jī) 序貫通道接收機(jī) GPS系統(tǒng)組成用戶設(shè)備部分手持導(dǎo)航型GPS機(jī)，精度5-15mGPS系統(tǒng)組成用戶設(shè)備部分測量型GPS接收機(jī)，最高精度1mm+1ppm天線天線主機(jī)箱記錄簿主機(jī)電源電臺GPS基本原理測距XllVlXllllllllVVVllVlllXlXXllVlXllllllllVVVllVlllXlX距離 = 信號傳輸時(shí)間 x 光的速度GPS基本原理二維三邊測量法北京西安廣州武漢GPS基本原理三維三邊測量法我們處在以 RI 為半徑的一個(gè)球面上R12 個(gè)球面相交得出一條曲線R23 個(gè)球面相交于一個(gè)點(diǎn)3 個(gè)距離觀測值可以解算出一個(gè)點(diǎn)的緯度、經(jīng)度與高程R3GPS基本原理定

8、位過程空間距離的量測為定位的基本1參數(shù)改正5觀測衛(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43觀測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)鐘無線電波以光速傳播 (距離 = 速度 x 時(shí)間)時(shí)鐘誤差與測距精度的關(guān)系：1/10 秒時(shí)鐘誤差 = 30,000 Km 測距誤差1/1,000,000 秒時(shí)鐘誤差 = 300 m測距誤差三、GPS的測量應(yīng)用單點(diǎn)定位相對定位VRS技術(shù)GPS的測量應(yīng)用單點(diǎn)定位單獨(dú)一個(gè)觀測站接受信號進(jìn)行定位。從原理上類似于后方

9、交會進(jìn)行點(diǎn)的定位。采用虛擬距離觀測量精度較差，僅能消除接收機(jī)時(shí)鐘誤差GPS的測量應(yīng)用單點(diǎn)定位精度理論上說，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的測量應(yīng)用相對定位確定同步跟蹤相同的GPS衛(wèi)星信號的若干臺接收機(jī)之間的相對位置的定位方法。至少一臺接收機(jī)置于已知坐標(biāo)點(diǎn)上，稱為主站，置于未知點(diǎn)上的稱為待測站或移動站。精度較高GPS的測量應(yīng)用相對定位的種類動態(tài)（kinematic）DGPS-codeKGPS-phase靜態(tài)（static

10、）靜態(tài)快速靜態(tài)SRDGPS單基站差分GPSLADGPS區(qū)域差分GPSWADGPS廣域差分GPSWAAS廣域增強(qiáng)系統(tǒng)LAAS區(qū)域增強(qiáng)系統(tǒng)Pseudo-Kinematic虛擬動態(tài)測量Semi-Kinematic半動態(tài)測量Real Time Kinematic即時(shí)動態(tài)測量GPS的測量應(yīng)用靜態(tài)相對定位方法：利用兩套及以上的GPS接收機(jī)，分別安置在每條基線的端點(diǎn)上，同步觀測四顆以上的衛(wèi)星0.51小時(shí)，基線的長度在20公里以內(nèi)。各基線構(gòu)成網(wǎng)狀的封閉圖形，事后經(jīng)過整體平差處理。用途：是精度最高的作業(yè)模式。主要用于大地測量、控制測量、變形測量、工程測量。精度：可達(dá)到5mm+1ppm靜態(tài)相對定位基線測量基線向量

11、BA（dx、dy、dz)基準(zhǔn)站移動站GPS的測量應(yīng)用即時(shí)動態(tài)測量（RTK） 常規(guī)的GPS測量方法，如靜態(tài)、快速靜態(tài)、動態(tài)測量都需要事后進(jìn)行解算才能獲得厘米級的精度，而RTK是能夠在野外實(shí)時(shí)得到厘米級定位精度的測量方法，它采用了載波相位動態(tài)實(shí)時(shí)差分方法，極大地提高了外業(yè)作業(yè)效率。 GPS的測量應(yīng)用即時(shí)動態(tài)測量（RTK）定位精度為厘米級RTK 基準(zhǔn)站即時(shí)傳遞改正值移動站GPS的測量應(yīng)用即時(shí)動態(tài)測量（RTK）GPS相對定位的后處理測量方法靜態(tài)相對定位模式流動站動態(tài)相對定位模式基準(zhǔn)站GPS定位誤差分類與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

12、擾誤差 電離層折射 對流層折射 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)天線相位中心偏差 VRS測量技術(shù)GPS實(shí)時(shí)差分定位RTK技術(shù)的缺點(diǎn)：用戶需要架設(shè)本地參考站誤差隨距離的增加而增長誤差增長使流動站和參考站的距離受到限制，一般 小于15公里精度為10mm+1ppm，可靠性隨距離增大而降低 VRS測量技術(shù)虛擬參考站方案中VRS的特點(diǎn)與技術(shù)優(yōu)勢： 虛擬參考站方案中，VRS的實(shí)施將使一個(gè)地區(qū)的測繪工作成為一個(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。我國深圳市第一個(gè)建成了

13、VRS技術(shù)衛(wèi)星定位服務(wù)系統(tǒng) 何謂VRS測量技術(shù)？移動站并非接受某個(gè)實(shí)際基準(zhǔn)站的實(shí)際觀測資料，而是經(jīng)過定位誤差修正的虛擬觀測數(shù)據(jù)，也就是RTK主站，并不是實(shí)際存在的實(shí)體主站，而是在移動站附近產(chǎn)生一個(gè)經(jīng)過人為加工的虛擬化主站，這種網(wǎng)絡(luò)化的定位技術(shù)稱為虛擬參考站動態(tài)定位技術(shù)，簡稱VRS-RTK+GPS衛(wèi)星定位技術(shù)Mobile Phone 行動式數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)+寬頻網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通訊技術(shù)VRS測量技術(shù)控制中心固定站用戶部分整個(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)可包括無數(shù)個(gè)站 用戶部分就是用戶的接收機(jī)，加上無線通訊的調(diào)制解調(diào)器。 系統(tǒng)構(gòu)成 GPS設(shè)備上網(wǎng)模塊 無線上網(wǎng)設(shè)備及上網(wǎng)賬號 VRS的接入賬號 VRS測量技術(shù)原理與流程GPS基準(zhǔn)站GPS基準(zhǔn)站GPS基準(zhǔn)站BS1BS2BS4BS3超短基線 VRS-RTK 解算RoverVRS虛擬基準(zhǔn)站GPS基準(zhǔn)站GPS基準(zhǔn)站BS5BS6基準(zhǔn)站間距約 50公里基準(zhǔn)站間距約 50公里控