1、,四大GNSS及GPS的 基本原理与测量应用,主要内容,四大GNSS简介,GPS的组成及基本原理,GPS的测量应用,一、四大GNSS,北 斗,GPS,伽利略,格洛纳斯,GPS(Global Positioning Systems),美国国防部开发的第二代空间定位系统 特点 由21+3颗卫星组成 分布在6个轨道平面上 轨道高度20200Km 运行周期11小时58分 民用定位精度为10m左右 导航精度10 - 20 m 坐标系统为WGS-84 全球、全天候工作 ，定位精度高 ，功能多，应用广,GPS现状,完成时间： 1994年 最新进展：2010年5月13日，美国发射了首颗改进型GPS二代导航卫星
2、GPS-2F，其后还将在本年度再发射两颗。GPS-2F卫星具有更强的抗干扰和抗打击能力，寿命也延长到15年。与此同时，为满足未来30年系统技术扩展和用户需求而制定的第三代GPS计划也有提前部署的可能。,格洛纳斯（GLONASS）,由24颗卫星组成，分布在3个轨道平面上，每个轨道面有8 颗卫星轨道高度19100Km，运行周期11小时15分定位精度可达1米，速度误差仅为15厘米/秒前苏联地心坐标系（PE-90）卫星平均在轨寿命较短,没有开发民用市场,格洛纳斯现状,完成时间： 1996年 最新进展：截至2010年2月，共有18颗卫星处于在轨运行状态。由于GLONASS卫星寿命短，组网后因为种种原因不
3、能及时替代，从1999年起处于瘫痪状态，不能单独提供全球导航卫星服务。俄罗斯计划2010年将分3次发射共9颗格洛纳斯卫星，使这一系统恢复正常。,伽利略（GALILEO）,由30颗卫星组成，分布在3个轨道，轨道高度24126Km与GPS相比： 覆盖面积将是GPS系统的两倍 地面定位误差不超过1米，GPS只能找到街道，而伽利略系统则能找到车库门 伽利略系统使用多种频段工作，在民用领域比GPS更经济、更透明、更开放,伽利略现状,完成时间：最初预计2012年完成全球覆盖 最新进展：2002年启动的欧洲伽利略系统一直不够顺利，计划超支和成员国之间利益分配问题导致该计划滞后于原计划近6年。今年11月，联盟
4、火箭计划发射两颗伽利略在轨实验卫星。,北斗（COMPASS）,颗静止轨道卫星+颗非静止轨道卫星 采用中国2000大地坐标系（CGS2000） 开放服务： 定位精度: 10 m 测速精度: 0.2 m/s 授时精度: 20 ns,北斗现状,完成时间： 预计2012年实现亚太地区覆盖，2020年完成全球覆盖 最新进展：北京时间11月1号0时26分，我国在西昌卫星发射中心成功将第6颗北斗导航卫星送入太空，这是我国今年连续发射的第4颗北斗卫星。,北斗介绍,二、GPS的组成及基本原理,GPS系统组成,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：提供星历和时间信息发射伪距和载表信号提
5、供其它辅助信息,用户设备部分： 接收卫星信号 记录处理数据,GPS系统组成空间部分,24颗卫星（21+3） 6个轨道平面 55轨道倾角 20200km轨道高度（地面高度） 11小时58分轨道周期 5个多小时出现在地平线以上每天提前4分钟出现 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。,GPS系统组成地面控制部分,Colorado springs,Hawaii,Ascencion,Diego Garcia,kwajalein,1个主控站:Colorado springs(科罗拉多.斯平士)。 3个注入站:Ascencion(阿森松群岛)、 Diego Garcia(迭哥伽西亚
6、)、kwajalein(卡瓦加兰)。 5个监控站： 以上主控站、注入站及Hawaii(夏威夷)。,GPS系统组成地面控制部分,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。 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。 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。,GPS系统组成用户设备部分,按照原理、用途、功能来分类,用途,载波频率,工作原理,导
7、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,GPS系统组成用户设备部分,手持导航型GPS机，精度5-15m,GPS系统组成用户设备部分,测量型GPS接收机，最高精度1mm+1ppm,GPS基本原理测距,GPS基本原理二维三边测量法,北京,西安,广州,武汉,GPS基本原理三维三边测量法,我们处在以 RI 为半径的一个球面上,R1,GPS基本原理定位过程,空间距离的量测为定位的基本,1,参数改正,5,观测卫星至地面点位的距离,2,利用接收卫星星历资料决定点位位置,4,3,观测4颗以上卫星才能解算点位的空间距离,
8、GPS基本原理定位,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,GPS的测量应用单点定位,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,GPS的测量应用单点定位精度,理论上说，利用 C/A 码进行单点定位精度可以达到 10 - 30m 在 S
9、A 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 m,单点定位的应用,自然资源调查,城市规划,环境调查,GPS的测量应用相对定位,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。 精度较高,GPS的测量应用相对定位的种类,GPS的测量应用静态相对定位,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。 用途：是精度最高的作业模
10、式。主要用于大地测量、控制测量、变形测量、工程测量。 精度：可达到5mm+1ppm,静态相对定位基线测量,（dx、dy、dz),基准站,移动站,GPS的测量应用即时动态测量（RTK）,常规的GPS测量方法，如静态、快速静态、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。,GPS的测量应用即时动态测量（RTK）,GPS的测量应用即时动态测量（RTK）,GPS相对定位的后处理测量方法,静态相对定位模式,动态相对定位模式,GPS定位误差分类,与GPS卫星有关的误差,与传播途径有关的误差
11、,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,VRS测量技术,GPS实时差分定位RTK技术的缺点： 用户需要架设本地参考站 误差随距离的增加而增长 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 精度为10mm+1ppm，可靠性随距离增大而降低,VRS测量技术,虚拟参考站方案中VRS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进一步
12、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,何谓VRS测量技术？,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VRS-RTK,+,GPS卫星定位技术,Mobile Phone行动式数据传输技术,+,宽频网络数据通讯技术,VRS测量技术,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,
13、用户部分就是用户的接收机，加上无线通讯的调制解调器。,系统构成,GPS设备上网模块,无线上网设备及上网账号,VRS的接入账号,VRS测量技术原理与流程,BS1,BS2,BS4,BS3,超短基线 VRS-RTK 解算,Rover,VRS,虚拟基准站,BS5,BS6,基准站间距約 50公里,基准站间距約 50公里,控制及计算中心,GSM/GPRS & NTRIP 通讯协定,ADSL,ADSL,待测点位,GPS 单点定位坐标(NMEA),虚拟观测资料(RTCM),GPS 原始观测资料,GPS 原始观测资料 ,计算区域改正參数,內插计算,組 成虚拟观测量,控制及计 算中心,GPS基准站,VRS测量技术优势,VRS覆盖范围： VRS网络可以有多个站，但最少需要3个,VRS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,谢谢!,
