GPS卫星测量概述.ppt

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1、GPS卫星测量原理,成都经纬,成都经纬,空间部分,D1070/30.PPT,数据上传与下载,用户部分,控制部分 主控站 监控站 注入站,一句话原理: 距离后方交会,GPS星轨道,GPS卫星测量原理,贵州大学,美国的GPS系统,建立时间:上世纪70年代初 构成:24颗卫星分布在6个近地轨道,轨道高度20183公里,轨道倾角55度,周期为11小时58分; 原理:码分多址(CDMA),有L1(1575.42MHz )和L2(1227.60MHz )，两个频段,调制C/A码和P码,以SA(已取消)和AS进行加密 目前设计精度:P码定位6米,C/A码定位12米 提供服务:标准定位服务 (SPS) 和精确

2、定位服务 (PPS) 使用椭球:WGS84 授时方式:UTC 现状:由于卫星设计寿命较长,故目前天上的卫星多于24颗(27) 计划:在II代卫星上增加军用测距码(M),在L2载波增加C/A码(至2010年完成,提高单点定位精度,并增加频率);于在2005后发射的II代卫星上增加L5频段(至2014年完成);加快对III代卫星的开发研制.,目前最为好用的全球卫星定位系统,其应用领域早已超出了导航/测绘等领域,成为世界一个新的应用研究方向,相信GPS的发展会给我们带来意想不到的东西.,其他应用:欧洲的EGNOS,美国的WASS,日本的MTSAS广义差分应用,贵州大学13595124056,1984

3、 国际大地坐标系统 (WGS84) 是地球表面的最佳拟合 A = 6,378,137.000 m 1/f = 298.2572236,南美洲,非洲,N,北美洲,欧洲,地形表面,WGS84介绍,贵州大学13595124056,原点位于地球的质量中心 X 与 Y 轴彼此垂直并位于赤道平面上 Z 轴垂直 X, Y 轴所在平面， 并与地球的自转轴相重合,WGS84介绍,贵州大学13595124056,“ 地图投影是将球面上的子午圈 (经圈)及平行圈(纬度圈)采用数学模型展开并表达在平面上。”,以地理坐标表达的每一个点都能够在平面上用一对东方向及北方向坐标来表示其位置。,地图投影介绍,高斯平面直角坐标,

4、我国高斯平面直角坐标的表示方法,（1）先将自然值的横坐标Y加上500000米； （2）再在新的横坐标Y之前标以2位数的带号。,国家高斯平面点P（2433586.693，38514366.157）所表示的意义: (1)表示点P在高斯平面上至赤道的距离; X=2433586.693m (2)其投影带的带号为38 、P点离38带的纵轴X轴的实际坐标Y=514366.157-500000= 14366.157m,GPS卫星测量原理,贵州大学,俄罗斯格拉斯系统GLONASS,建立时间:上世纪80年代初 构成:24颗卫星分布在3个近圆轨道,轨道高度19100公里,轨道倾角65度,周期为11小时15分; 原

5、理:频分多址(FDMA),也有L1(1,602+0.5625MHz)和L2(1,246+0.4375MHz)，两个频段,调制S码和P码,不进行加密 设计精度:平面16米,高程25米 提供服务:标准定位服务 (SPS) 和精确定位服务 (PPS) 使用椭球:SGS-E90 授时方式:UTC 现状:由于卫星寿命较短(5年),故发射了80余颗卫星,仅有8颗左右能正常工作,在低纬度地区,其卫星可见较差,单独使用无法定位 计划:用四年时间改造为GLONASS-M系统,应用状况: 除在高纬度地区外,GLONASS系统不具有实际用途,并不能对GPS系统大幅提高观测精度,也不能提高工作效率,贵州大学,欧盟的伽

6、利略系统GALILEO,GPS卫星测量原理,建立时间:21世纪初(2008年开始运营) 构成:30颗卫星分布在3个近地轨道,轨道高度23616公里,轨道倾角56度,周期为14小时04分; 原理:码分多址(CDMA),有四个发射频段(含SAR),工作信道达11个 设计精度:精度通常为 15-20m( 单频 ) 和 5-10m( 双频 ) 两种档次。公开特许服务有局域增强时能达到 1m ，商用服务有局域增强时为 10cm-1m 提供服务:公开服务 (OS) ，与 GPS 的 SPS 相类似，免费提供；生命安全服务 (SoLS) ；商业服务 (CS) ；公共特许服务 (PRS) ；以及搜救 (SAR

7、) 服务 使用椭球/授时方式:资料不详 现状:正在布署,伽利略定位系统是唯一一个民用系统,它的精度高,服务多,将会给GNSS带来诸多影响和发展,在未来伽利略系统一定会成为GNSS家庭中重要的一员,人们试目以待,贵州大学,中国的北斗系统,建立时间:上世纪80年代提出(2003年正式运营) 构成:2颗工作卫星一个备用卫星,均为同步卫星,两个轨道的交角为60度,工作频率：2491.75MHz ; 原理:主动式双向二维导航(上述其他系统均为被动式单向三维导航),可称为GEOSTAR快速双星导航. 设计精度:100米,设立标校站后可达20米 工作范围:北纬555， 东经70140之间的心脏地区，上大下小

8、，最宽处在北纬35左右 容量:每小时540000户 提供服务:定位,通讯 使用椭球/授时方式:资料不详 使用方法:用户发出定位信号给地面控制站,控制站经身份确认后,发信号给卫星,卫星再将结果发送至接收机,时延较大.,目前仍属军方使用,正逐步向民用开放,但由于其精度低,时延长,对于真正的民用而言,无实际使用价值,出于对国家战略安全和利益的考虑，越来越多的国家正在研制自己的卫星定位系统，如日本正在开发新的定位系统-准天顶系统。,贵州大学,1960年第一次提出卫星定位的概念 1964年美国海军Transit卫星定位系统开始投入运行 主要为核潜艇开发；5 颗极轨道卫星；只能测量Doppler频移 19

9、67-69年美国空军Timation卫星第一次利用星载精密时钟进行被动定位 1973年正式开始研发和布署 GPS 系统 1978年第一批4颗卫星发射成功 1983年第一次公开GPS系统（此前为军事机密） 1993年12月开始试运行阶段 1995年4月开始正式运行。系统总投资120亿美圆，年运行费约4亿美圆。 1999年公布GPS现代化计划,美国的GPS发展历程(从多普勒卫星发展而来),贵州大学,选择性服务政策 (SA): 美国军方人为地降低民用用户的点定位精度。SA政策是通过制造卫星时钟信号的抖动和降低卫星轨道参数的精度来实现的。2000年5月1日正式关闭。但军方有能力对于指定区域人为降低定位

10、精度。 防电子欺骗技术 (AS): 通过对 P 码加密，使民用用户无法利用P码进行定位和捕获L2载波相位。,2003年: 在之后发射的12颗Block IIR GPS卫星上加载新的军用测距码（M码），在L2载波上加载C/A码，并增加信号发射功率。至2010年完成。 2005年: 在之后发射的Block IIF GPS卫星上增加L5载波（1176.45MHz）。至2014年完成。 增加10亿美圆的投资，进行第三代GPS系统的研究和开发。,GPS的服务政策,GPS的最新计划,贵州大学,与天气状况无关 不要求点与点之间的彼此通视 高度均匀的定位精度 日夜均可作业 定位速度之快无与伦比 大大节省人力资

11、源 测线长度不受限制 统一的坐标系统生产成本低于常规测量技术定位精度高 GPS相对定位精度在50km以内可达10-6 ，100-500km可达10-7 ，1000km可达10-9 。在300-1500m工程精密定位中，1小时以上观测的解其平面其平面位置误差小1mm。 观测时间短 20KM以内快速静态相对定位，仅需15-20分钟；RTK测量时，当每个流动站与参考站相距在15KM以内时，流动站观测时间只需1-2分钟。,贵州大学,GPS 需要良好的对天通视 接收天线的观测视野中不应该存在障碍物,贵州大学,基本的导航点位能够按后方交会的方式计算出来。 卫星相当于处在运动“轨道上的控制点”。 采用与时间

12、相关的至每颗卫星的码观测向量。,至少观测 4 颗卫星，我们就可以解算出 4 个未知参数： 测站的纬度、 经度、高程 及接收机的 时钟偏差,GPS卫星测量原理,贵州大学,S 1,S 4,A,B,差分 GPS 是 2 个或更多个测站之间的相对定位。 如果 A 和 B 两点在同一时间区间内观测了相同的一组卫星 而且 A 是一个已知点，那么 B 点的位置就可以加以确定。,采用差分测量技术，可以: 消除观测值中的卫星与接收机时钟误差 消除观测值中的卫星星历误差 将大气折射的影响削弱到最低程度,贵州大学,GPS 是一种距离测量系统 (D)。 卫星及接收机中包含有稳定的频率标准。 无线电信号发射的时间是已知

13、的，它与接收瞬间的时钟偏差可以被计算出来 (T)。 无线电的传播速度是已知的 (V)。 因此测站与卫星之间的距离可以按下式计算出来: D = V x T 由于任意时刻卫星的坐标是已知的，因此只要有足够数量的观测值，接收机天线的位置就可以计算出来。,贵州大学,测站至卫星的距离是采用卫星发射的码信号进行测量的。接收机也同步生成相同的码。通过相关分析，可以测出信号的传输时间，并根据光速计算出距离。,贵州大学,用于载波相位观测值数据处理的初始整周未知数必须加以确定。,初始整周未知数 包含在一台接收机对 一个卫星重建的载波 采集的一组不间断观 测值中的所包含的未 知的整周数。,接收机,时间 0,时间 1

14、,初始整周未知数,初始整周未知数,相位观测值,相位观测值,整周计数,贵州大学,初始整周未知数的解算效果如下图所示： 请注意：一旦初始整周未知数的值被解出，测量成果的精度将不再随着观测时间的增加而显著得到提高。,用于确定初始整周未知数的观测时间长短取决于： 基线的长度 GPS 接收机的类型 作业模式 电离层与对流层的状况,贵州大学,与卫星有关的误差来源 卫星轨道代表误差 卫星时钟模型误差 与接收机有关的误差源 接收机时钟误差 整周跳变 天线相位中心的迁移 同传输途径有关的误差 电离层/对流层传输延迟 同测站有关的误差 测站近似坐标的精度与作业方式 多路径误差,贵州大学,观测星座的几何图形强度 (

15、GDOP) ： 它是一种衡量三维定位精度水平的标志,理想的 GDOP - 一颗卫星 位于天顶，与此同时，其 余卫星均匀分布在指定观 测高度角的地平圈上。,贵州大学,GPS 测量获得的是 WGS 84 坐标 系统中的点位及坐标差。 它们可以有两种表达方式：纬度、经度与高程的地理坐标方式，或者由 X, Y 和 Z 组成的地心坐标方式。,以地心为中心的 WGS 84 椭球是全球范围内与大地水准面拟合得最佳的参考椭球面。,需要通过坐标转换和地图投影转换为地方坐标,三种转换方式：一步法、两步法、经典法。视不同条件使用，可得到地方坐标系的最终成果。,贵州大学,静态测量,动态测量,台站应用,GPS技术的发展

16、:除硬件技术的发展外,主要是应用技术的拓展,贵州大学,相对于精度要求不是太高的单点定位而言,测量型GPS 都是在差分技术下实现的(差分的含义是:两个测站接收的公共卫星在各种参数上具有相关性,通过参考站产生的改正数,提高另一点的观测精度) 。也就是说基于基线测量,基线是从一个点 (参考站) 测至另一个点 (一个流动站)。 GPS测量采用以下两种方法之一来完成： 单机定位方法(静态) 野外直接采集记录来自卫星的原始数据,形成满足导航、指向等需要。 后处理方法(静态) 野外采集记录来自卫星的原始数据,并在内业用软件加以处理。 实时处理方法(动态) 数据处理是在外业过程中进行的，并且瞬时给出较为精确的

17、成果。,公共卫星,基线,参考站,流动站,贵州大学,这种传统的测量方法一般用于长基线并获取 3mm + 0.5ppm 的最高基线精度 ( rms)。 传统 GPS 基线测量方法，每条基线的观测时间至少在两小时以上。 观测时间的长度与基线长度成正比。 标准情况下，20 Km 以上的长边适合于采用这种测量方法。 应用领域 大面积的大地控制测量 国家或洲际控制网联测 板块运动的监测 通过网平差取得最佳的精度,准静态测量,成都经纬,以较短的观测时间测定边长 20 km 以内的基线。精度为 5 mm + 0.5 ppm 应用领域 控制测量 碎部地物测量， 取代导线测量和小三角加密测量， GIS 数据采集

18、以及各种成批密集点位的测量工作 优越性 容易，迅速，高效率 是短边测量的理想方法,快速静态测量,贵州大学,GPS的静态测量模式,外业观测 连接较为简单 无需数据连接,内业处理 基线处理(差分) 平差处理 坐标转换 成果,目前准静态和快速静态已无明显的界线(基线长度/观测时长),贵州大学,GPS的动态测量模式,RTK基于相位差分(厘米级),RTD/G基于测距码差分(分米级),架设在已知点上的参考站,差分改正信息通过电台或GSM进行广播,流动站通过电台或GSM接收差分信息,接收机通过内置在机内的软件进行处理,实时显现成果,贵州大学,具有静态测量时间间隔的动态测量模式 精度可达 10 mm + 1

19、ppm 静态测量模式部分 流动站开始测量前需要解算出整周未知数. 整周未知数可采用以下三种方法之一解算: 运动状态下进行初始化 静态初始化 在已知点上进行初始化,流动站 初始化,参考站,准动态测量,贵州大学,流动站 初始化,参考站,动态测量模式部分 一旦采集了足够解出整周未知数的数据, 用户就可以移动接收机了。,在整个测量过程中必须保持锁定 4 颗以上卫星 每一个访问的点位只需要观测一个历元的数据 如果卫星失锁了, 那么系统需要重新进行初始化,应用领域 开阔地区的碎部测量及工程测量,贵州大学,RS500/MC500系统,中心控制软件,服务于大地测量、工程测量、水文测量、地籍测量、地壳形变和地面

20、沉降监测、高精度导航、GIS数据采集、全天候大气水汽监测、电离层监测、以及地球动力学研究。,香港GPS台站网,GPS的广泛应用：区域性台站网,贵州大学,台站网:可简单的理解为基于网络技术的 固定参考站网,台站一号,台站二号,台站三号,UHF数据链,徠卡接收机,控制中心-台站控制软件,广播RTK改正數,GPS原始数据自动按时通过电话网下载到控制中心Spider软件内，管理员也可同时遥控各台站的运行,56K解调器,RTK改正数同時使用电话网作远程广播,流动站用户利用GSM手机连接到各台站以接收RTK数据作实時厘米级定位,静态测量用户可使用各台站的数据作基线处理,贵州大学,- 通讯 - 误差模拟 -

21、 数据筛选 - 改正数据生成 - RTCM 输出,原始数据,原始数据,RTK,贵州大学,贵州大学,中国地区 香港城市综合服务网(一期6个站) 青马大桥监测网（29个站） 澳门(一期1个站) 北京 与北京信息中心合作示范网（两个站） 武汉 - 与武汉大学合作示范网（一个站） 昆明 与昆明市勘察测绘研究院合作示范网(六个站) 重庆-与重庆市建委等部分合作数据城市网（五个站） 莫斯科 丹麦 美国福特公司,贵州大学,静态测量 快速静态测量 动态测量 无静态初始化的动态测量 实时测量 网络GPS测量,GPS的测量模式,GPS接收机的分类,单频接收机 双频接收机 RTK双频接收机 RTD单(双)频接收机

22、GIS接收机 手持式接收机,贵州大学,目前，GPS仪器有两大类型,一是：天线与接收机直接相连，称为一体化机,二是：天线与接收机通过电缆相连，称为分体式机,一体化机,终端,接收机,天线,分体式机,GNSS部分-GPS接收机介绍,贵州大学,一体化机与分体式机的简单比较,贵州大学,GPS技术的关键：后处理或机载的基线解算能力,是否能解算长基线，基线越长能力越强 是否便于分析、剔除有误差的星历 是否直观显示所有信息,贵州大学,未来的GPS将是： 多频系统、多星系统、台站系统 的有机结合,贵州大学,未来的GPS将是： 多种功能仪器配合使用 的有机结合,全站仪（激光测距） 陀螺仪 GPS,徕卡最新的 统站

23、仪/超站仪 SmartStation,贵州大学,徕卡于2004年3月推出了新一代的GPS产品GPS1200,GPS精度: 水 平:10mm + 1ppm, 动态 高 程:20mm + 2ppm,动态 水 平: 5mm + 0.5ppm, 快速静态 高 程:10mm + 1ppm, 快速静态 可信度:30公里达99.99%,基于与联合作业XFUNCTION理念 与TPS1200无缝连接 基于高可靠性理念 SmartCheck自检技术 基于高灵敏度接收理念 SmartTrack灵敏跟踪技术 基于系统兼容性理念 支持最多的第三方设备 基于系统扩展性理念 面向未来的设计 基于高精度测量理念 保持徕卡专

24、业特色,贵州大学,1、超大VGA显示屏，不仅支持中文显 示，更支持精细图形显示,2、新颖的按键灯，夜晚作业更加轻松,3、触摸屏设计，操作更加快捷简便,4、更多快捷键设置，查看更多信息， 便于实时监控作业质量,5、可自定义格式输入输出，方便快捷,贵州大学,6、全新的防水、防尘、防摔设计（镁合金机身）,达到军标： MIL-STD-810F 达到环境标准： ISO9022-10-08 防水等级：IP66, IP67,GNSS部分-leica的最新GPS产品,贵州大学,7、使用高效锂电供电 充电器向下兼容,GEB221容量3.8Ah,仅重195g 最新的GEB121容量4.2Ah,重375g,8、使用

25、CF卡存储数据 与全站仪共用DB数据库,贵州大学,9、准扼流圈天线 意想不到的功效,10、支持多种数据链,GSM 西门子 MC45, 爱立信 DM25 (TDMA) 电台 卫星 3AS, 太平洋 PDL 从蓝牙到第三方 GSM,贵州大学,11、SmartTrack技术 跟踪微弱信号能力大幅提高,12、SmartCheck技术 保证解算的正确性,重新锁定快于4秒钟,提高40% 连续重新解算,不出现误解 在 20 Hz 保持毫米级精度 支持0.1秒的刷新率,优秀的GPS测量技术,SMARTCHECK,优秀的长距离RTK技术,贵州大学,13、支持蓝牙技术 对第三方设备有最大的兼容性,条码器, 测深仪

26、, 地震仪等 对任意设备支持 ASCII 格式 使用具备蓝牙功能的新型DISTO测量隐蔽点,贵州大学,用户现在投资就意味着 获得长远投资回报,全面兼容L2C 和 L5 信号 完全兼容珈利略系统 积极开发于 GNSS系统 完全适用于WASS和EGNOS 完全兼容FTP和VRT参考站网数据,14、完全面向未来的设计,Leica Geo Office 集GPS、全站仪、水准仪数据处理于一体，可进行联合数据的平差,特点: 1.默认解算基线长度达80公里;2.更多的人工参数干预; 3.更优秀的解算能力(用3分钟的观测历元可解算出15公里的基线); ,15、功能强大的后处理软件,贵州大学,发展历程 196

27、7年 参与621B项目(GPS全球定位系统的前身) 1971年 参与美国海军Timation卫星导航系统科研 1976年 研制完成并生产出多种型号的第一阶段GPS用户设备 1984年 推出了世界第一台商品性5通道T-Set GPS接收机 1986年 推出全球第一台便携型GPS接收机WM101/WM102 1987年 推出世界上第一台6通道DGPS参考站及导航仪MX4818 1992年 推出200测量系统和后处理软件包 SKI 1993年 推出AROF(Ambiguity Resolution On the Fly)软件包 1995年 推出增强的GPS测量系统300 GPS测量系统 1999年

28、推出跨世纪的500系列GPS测量系统 2001年 推出具有“瞬时RTK”功能的新版SR530测量系统 2002年 同加拿大诺瓦泰公司联盟, 共同开发GPS新技术 2004年 推出性能卓越的GPS测量系统-GPS1200,贵州大学,GPS天线,支承台,基座,脚架,量高弯尺,天线电缆,电池,GPS接收机,操作终端,CF卡,仪器箱,贵州大学,贵州大学,GPS天线,1米对中杆上截,1米对中杆下截,把手,托架,终端,GPS天线1.2米,GPS天线1.6米,终端连接电缆,数据卡,0W电台,接收机,电台电缆,背包,伸缩杆,鞭状天线连接器,鞭状天线,电池,贵州大学,GPS天线,1米对中杆上截,把手,1米对中杆

29、下截,托架,GPS天线电缆,数据卡,0W电台,接收机,终端,电池,电台电缆,电台天线支架,鞭状天线连接器,鞭状天线,贵州大学,？,品牌越来越多，价格越来越丰富，如何选择最佳的GPS接收机,1、从测量工作的目的-应先考虑成果的正确性和可靠性,2、从测量工作的效率-应考虑接收机的初始化时间及长距离能力,3、从GPS测量的不确定性-应考虑接收机的可操作性和可控性,4、从参考站设备特性-应考虑接收机的可互换性和实用性,5、从返工的可避免性-应考虑后处理软件的解算能力,6、从未来的兼容性-应考虑接收机最大的第三方设备接受,7、从GPS的发展角度-应考虑接收机对数据链的最大支持,8、从降低劳动强度-应考虑整套设备重量的分理分配,影响GPS动态测量的两大因素： 数据链和公共卫星的状态（信噪比）,