GNSS高精度定位技术及其应用

1/47,GNSS高精度定位技术及其应用,第一部分 GNSS简介,第二部分 GNSS组成,第三部分 GNSS特点及用途,目录,发展历史 1958年12月，美国为给北极星核潜艇提供全球性导航而研制卫星多普勒定位系统。 1959年9月，发射了第一颗试验性卫星。 1961年11月，共发射了9颗试验性导航卫星。 1963年12月起，陆续发射6颗工作卫星，组成子午卫星星座使得地球表面上任何一个测站上，平均每隔2小时便可观测到其中一颗卫星。 1967年7月29日，美国政府宣布解密子午卫星的部分电文供民间使用。,卫星多普勒定位技术,70年代中期，我国开始引进卫星多普勒接收机。 系统组成：子午卫星、地面跟踪网和用户接收机。 地 组成：跟踪站、计算中心、注入站、海军天文台和控制中心。 任务：测定各颗卫星的轨道参数，并定时将轨道参数和时间信号注入到相应卫星内，以便卫星按时向地面播发。 接收机：用来接收卫星发射的信号，测量多普勒频移，译出卫星的轨道参数，以测定接收机所在位置的设备。,子午卫星系统及其局限性,系统简介 NNSS Navy Navigation Satellite System（海军导航卫星系统），由于其卫星轨道为极地轨道，故也称为Transit（子午卫星系统） 采用利用多普勒效应进行导航定位，也被称为多普勒定位系统 美国研制、建立 1964年1月建成 1967年7月解密供民用,子午卫星系统及其局限性,系统组成 空间部分 卫星：发送导航定位信号（信号：4.9996MHz 30 = 149.988MHz；4.9996MHz 80 = 399.968MHz；星历） 卫星星座 由6颗卫星构成，6轨道面，轨道高度1075km 地面控制部分 包括：跟踪站、计算中心、注入站、控制中心和海军天文台 用户部分 多普勒接收机,子午卫星系统及其局限性,应用领域 海上船舶的定位 大地测量 精度 单点定位：15次合格卫星通过（两次通过之间的时间间隔为0.8h 1.6h），精度约为10m 联测定位： 各站共同观测17次合格卫星通过，精度约为0.5m,子午卫星系统及其局限性,系统缺陷 卫星少，观测时间和间隔时间长，无法提供实时导航定位服务 导航定位精度低 卫星信号频率低，不利于补偿电离层折射效应的影响 卫星轨道低，难以进行精密定轨,发展历史 1973年12月，美国开始研制新一代 卫星导航系统导航卫星定时测距 全球定位系统（Navigation Satellite Timing And Ranging Global Positioning System ），简称GPS系统。（如图所示） 1978年2月22日，第一颗GPS试验卫星发射成功； ,3、GPS全球定位系统,GPS定位系统的发展历史,1989年2月14日，第一颗GPS工作卫星发射成功，宣告GPS系统进入了生产作业阶段； 1994年全部完成24颗工作卫星（含3颗备用卫星）的发射工作。 用途： 向全球用户连续提供高精度的全天候三维坐标、三维速度以及时间信息。 广泛应用于飞机船舶和各种载运工具的导航、高精度的大地测量、精密工程测量、地壳形变监测、地球物理测量、海空救援、水文测量、近海资源勘探、航天发射及卫星回收等技术领域。,GPS全球定位系统,GPS与NNSS的主要特征的比较,GNSS简介GPS,GPS现代化 控制部分现代化目标减少运行费用并增强系统性能：对GPS监测站设备更新；在Vandenberg建立备用主控站；在Block IIR-M等卫星上增加控制和命令的能力。卫星星座现代化：2015年Block II R-M达到完全运行状态，带有L2C码和M码；增加L5频率；美国国会2000年批准了GPSIII计划，可能对GPS系统重新设计，即与GLONASS、GLALILEO类似的三个平面的星座，共计27-33颗卫星。,GLONASS constellation,GLONASS satellite,P24,其它卫星导航定位系统GLONASS,GNSS简介GLONASS,GLONASS历史 20世纪70年代中期，前苏联开始研制 GLONASS目标是能够在全球或近地空间的空中、水域等用户提供全天候三维定位、速度测量和授时等服务 从1982年10月12日发射第一颗GLONASS卫星起，至1995年12月14日共发射了73颗卫星。由于卫星寿命过短，加之俄罗斯一段时间内经济状况欠佳，无法及时补充新卫星，故该系统在一段时间内不能维持正常工作 由军方负责，军用。1995年，俄罗斯发布命令向国内外民用用户提供服务，并且开始补发卫星，1996年1月，24颗卫星组网成功,其它卫星导航定位系统GLONASS,卫星运行状况 从1982年10月12日发射第一颗GLONASS卫星起，至1995年12月14日共发射了73颗卫星。 由于卫星寿命过短，加之俄罗斯前一段时间经济状况欠佳，无法及时补充新卫星，故该系统不能维持正常工作。 到目前为止（2006年3月20日）,GLONASS系统共有17颗卫星在轨。其中有11颗卫星处于工作状态，2颗备用，4颗已过期而停止使用。俄罗斯计划到2007年使GLONASS系统的工作卫星数量至少达到18颗，开始发挥导航定位功能。,GLONASS与GPS的比较,GNSS简介GLONASS,GLONASS现代化 卫星星座现代化：开发GLONASS-M与GLONASS-K卫星，卫星钟稳定性更高，寿命更长；提高导航电文质量；加入第二个民用信号G2；提供第三个频率信号G3并加载差分信息，提高移动用户实时定位精度 控制部分现代化：控制中心位于莫斯科西南约70km的Krasnoznamensk太空中心，将来计划扩充监测站，包括与国际GNSS服务组织合作,GNSS简介GALILEO,GALILEO历史回顾 1994年，欧洲理事会要求欧盟（EU）在卫星导航技术方面必须主动 欧洲设想了一个两步方案：（1）建立GPS/GLONASS增强系统EGNOS；（2）设计和组织管理一个民用全球卫星导航系统 1999年，EU将卫星导航系统命名为GALILEO； GALILEO包括四个阶段：定义阶段，开发及在轨验证阶段，系统部署阶段，系统运营阶段 1999年5月，欧空局（ESA）批准了GALILEO的定义阶段 2005年12月28日，第一颗试验卫星发射,GALILEO设计包括27颗工作卫星与3颗备用卫星，分布在3个近圆的中轨（MEO）上 加强对高纬度地区的覆盖，包括挪威、瑞典等地区 地面部分包括2个控制中心，5个遥测、跟踪与控制站，40个地面跟踪站 提供的服务：公开服务、商业服务、生命安全服务公共安全服务、搜索与救援服务,GNSS简介GALILEO,伽利略卫星定位系统电脑模拟图,四、美国的SA政策,the Galileo satellite constellation,其它卫星导航定位系统Galileo,the GIOVE Satellite,其它卫星导航定位系统Galileo,GIOVE的主要目标:频率信号测试；验证一些关键技术（比如铷原子钟、氢原子钟）；轨道环境特征测试；并行2或3通道信号传输测试。,发展路线图,GNSS简介北斗,25/41,GNSS简介北斗,我国自行研制的两颗北斗导航试验卫星分别于2000年10月31日和12月20日从西昌卫星发射中心升空并准确进入预定的地球同步轨道（东经80和140的赤道上空），此外另一颗备用卫星也被送入预定轨道（东经110.5的赤道上空），标志着我国拥有了自己的第一代卫星导航系统BD1,北斗1代卫星导航系统组成图,其它卫星导航定位系统北斗卫星导航系统,“北斗卫星导航系统”系统是由空间卫星、地面控制中心站和北斗用户终端三部分构成。 空间部分包括两颗地球同步轨道卫星（GEO）组成。卫星上带有信号转发装置，完成地面控制中心站和用户终端之间的双向无线电信号的中继任务。,其它卫星导航定位系统北斗卫星导航系统,用户终端分为定位通信终端 集团用户管理站终端 差分终端 校时终端等,与GPS系统不同，所有用户终端位置的计算都是在地面控制中心站完成。因此，控制中心可以保留全部北斗终端用户机的位置及时间信息。同时，地面控制中心站还负责整个系统的监控管理 与GPS、GLONASS、Galileo等国外的卫星导航系统相比，BD1有自己的优点。如投资少，组建快；具有通信功能；捕获信号快等。但也存在着明显的不足和差距，如用户隐蔽性差；无测高和测速功能；用户数量受限制；用户的设备体积大、重量重、能耗大等,GNSS简介北斗,北斗二代系统,系统组成：空间段：由5颗GEO卫星和30颗Non-GEO卫星组成 （27颗中圆轨道卫星（GEO）与3颗倾斜轨道卫星（IGSO）,Non-GEO 卫星,GEO 卫星,星座,GNSS简介北斗,GNSS简介北斗,2012年12月27日，北斗办公室正式公布了北斗二代导航卫星系统的ICD协议 截止到2012年底，共有5颗地球静止轨道卫星（GEO）、4颗中圆地球轨道卫星（MEO）、5颗倾斜地球轨道卫星（IGSO） 北斗系统采用的是2000中国大地坐标系 目前，卫星播发三个频率的信号B1、B2/B3 与GPS定位原理类似 目前覆盖亚太地区,其它卫星导航定位系统北斗卫星导航系统,GNSS简介其它,欧空局接收卫星导航系统(EGNOS)，覆盖欧洲大陆 美国的DGPS(Differential GPS)，美国雷声公司的广域增强系统(WAAS)，覆盖美洲大陆 日本的多功能卫星增强系统（MSAS），覆盖亚洲大陆 印度的GPS辅助型静地轨道增强导航（GAGAN 四者具有完全兼容的互操作性 通过地球静止卫星（GEO）发布包括GPS卫星星历误差改正、卫星钟差改正和电离层改的信息 通过GEO卫星发播GPS和GEO卫星完整的数据 GEO卫星的导航载荷发射GPS L1测距信号,第一部分 GNSS简介,第二部分 GNSS组成,第三部分 GNSS特点及用途,目录,GNSS 的组成,空间星座部分,地面监控部分,用户设备部分,GNSS 的组成,卫星分布情况： 组成： 21颗工作卫星； 3颗备用卫星。 分布： 6个轨道，都均匀分布4颗卫星。 轨道平均高度约为20200km。 各轨道平面升交点的赤经相差60 卫星轨道平面相对地球赤道面的倾角均为55 相邻轨道上，卫星的升交距角相差30 周期：11小时58分。,GPS卫星构造： 主体呈圆柱形； 直径约15m； 重约774kg； 星体两侧各伸展出一块由四叶 拼成的太阳能电池翼板，其面积 为72m2，能自动对准太阳，以保证卫星正常工作用电； 卫星姿态调整采用三轴稳定方式，使螺旋天线阵列所幅射的波速对准卫星的可见地面,GPS卫星的核心部件：高精度的时钟、导航电文存储器、双频发射、接收机、微处理机,GPS卫星的作用： 向广大用户连续发送定位信息； 接收和储存监控站发来的卫星导航电文等信息，并适时地发送给广大用户； 接收并执行监控站发来的控制指令，适时地改正运行偏差或启用备用卫星等； 通过星载的高精度铷钟和铯钟，提供精密的时间标准。,GPS 的组成,39,GPS地面控制站,一个主控站：科罗拉多斯必灵司 三个注入站：阿松森(Ascencion)大西洋迭哥伽西亚(Diego Garcia)印度洋卡瓦加兰(kwajalein)太平洋 17个监测站 = 8美国本土+9个美国以外,（2）监测站在主控站控制下的数据自动采集中心。全球共17个监测站，分布在美国本土和三大洋的美军基地上。主要任务：为主控站提供卫星的观测数据。,（3）注入站将主控站发来的导航电文注入到相应卫星的存储器，每天34次。自动向主控站发射信号，每分钟报告一次自己的工作状态。全球共3个地面天线站，分别与3个监测站重合。,41,GPS 的组成,主要任务： 监视卫星的运行； 确定GPS时间系统； 跟踪并预报卫星星历和卫星钟状态； 向每颗卫星的数据存贮器注入卫星导航数据。 组成部分： 主控站（1个） 注入站（3个） 监测站（5个）,GPS 的组成,（1）主控站设在美国本土科罗拉多州斯本斯空间联合执行中心。 主要任务： 管理和协调整个地面监控系统的工作； 根据本站和其它监测站的所有跟踪观测数据； 计算各卫星的轨道参数、钟差参数及大气层的修正参数，编制成导航电文并传送至各注入站； 调整偏离轨道的卫星，使之沿预定轨道运行，必要时启用备用卫星以代替失效的工作卫星。,主要组成部分： GPS接收机 天线 微处理器 终端设备 电源,45,用户设备部分,用户设备是指用户GPS接收机。其主要任务是捕获卫星信号，跟踪并锁定卫星信号。对接收的卫星信号进行处理，测量出GPS信号从卫星到接收机天线间传播时间能译出GPS卫星发射的导航电文，实时计算接收机天线的三维位置、速度和时间。,46,GPS天线部分 将微弱的卫星电磁波信号转变为电信号,并放大,GPS主机部分 1.变频器 2.信号通道 3.微处理器 4.存储器 5.显示器,GPS电源部分,8. GNSS接收机构造和工作原理,47,GNSS接收机,导航型GNSS接收机一般情况下无数据输出的记录存储设备(手持机),48,8.4.1 GNSS接收机构造和工作原理 跟踪、接收、放大、处理卫星信号，测量出信号从卫星到天线的传播时间。 解译导航电文，实时解算测站三维位置。,（3）按系统类型分类： 单系统接收机 多系统接收机,（1）按用途分： 导航型 授时型 测地型,（2）按接收机通道数分类： 多通道GPS接收机 序贯通道接收机 多路复用通道接收机,49,50,GPS 的组成,天线单元： 组成：接收天线、前置放大器。 大多采用全向天线，可接收来自任何方向的GPS信号，并将电磁波能量转化为变化规律相同的电流。前置放大器可将极微弱的GPS信号电流予以放大。 接收单元： 核心部件：信号波道、微处理机。 信号波道：主要有平方型和相关型。 利用多个波道同时对多个卫星进行观测，实现快速定位。,GPS接收机,数据记录器：记录接收机所采集的定位数据。接收机的电池：采用机内机外两种直流电源。视屏监视器：包括一个显示窗和一个操作键盘，均在接收单元的面板上，观测者可从显示窗上读取数据和文字。GPS软件：包括内软件和外部软件,GPS 的组成,接收机的主要功能： 迅速捕获按一定卫星截止高度角所选择的待测卫星信号，并跟踪这些卫星； 对所接收到的卫星信号进行变换、放大和处理，以便测定出GPS信号从卫星到接收天线的传播时间； 解译出GPS卫星所发送的导航电文； 实时地计算出测站的三维坐标、三维速度和时间等所需数据。,主要组成部分： GPS接收机 天线 微处理器 终端设备 电源,天线单元： 组成：接收天线、前置放大器。 大多采用全向天线，可接收来自任何方向的GPS信号，并将电磁波能量转化为变化规律相同的电流。前置放大器可将极微弱的GPS信号电流予以放大。 接收单元： 核心部件：信号波道、微处理机。 信号波道：主要有平方型和相关型。 利用多个波道同时对多个卫星进行观测，实现快速定位。,GPS接收机,数据记录器：记录接收机所采集的定位数据。接收机的电池：采用机内机外两种直流电源。视屏监视器：包括一个显示窗和一个操作键盘，均在接收单元的面板上，观测者可从显示窗上读取数据和文字。GPS软件：包括内软件和外部软件,接收机的主要功能： 迅速捕获按一定卫星截止高度角所选择的待测卫星信号，并跟踪这些卫星； 对所接收到的卫星信号进行变换、放大和处理，以便测定出GPS信号从卫星到接收天线的传播时间； 解译出GPS卫星所发送的导航电文； 实时地计算出测站的三维坐标、三维速度和时间等所需数据。,第一部分 GNSS简介,第二部分 GNSS组成,第三部分 GNSS的特点及用途,目录,GPS相对于经典测量技术的特点 定位精度高 观测时间短 观测站之间无需通视 操作简便 全天候作业 提供三维坐标 应用广泛,GPS在我国的应用和发展,80年代初期，我国一些院校和科研单位开始研究GPS技术。 80年代中期，开始引进GPS接收机，并应用于各个领域。同时着手研究建立我国自己的卫星导航系统（北斗双星定位系统）。 从80年代末到现在，实施了一系列重大的GPS卫星测量工程和项目。 大地测量：利用GPS技术开展国际联测，建立全球或全国性大地控制网，提供高精度的地心坐标，测定和精化大地水准面。,工程测量：应用GPS静态相对定位技术，布设精密工程控制网，用于桥梁工程、隧道与管道工程、海峡与地铁贯通工程以及精密设备安装工程等。 航空摄影测量：我国测绘工作者应用GPS技术进行航测外业像片控制测量、航摄飞行导航、机载GPS航测等航测成图的各个阶段。 地球动力学：由于高精度的GPS定位技术可以精确提供有关板块运动的四维信息，因而被用于监测全球板块运动和区域性板块运动以及板块内的地壳变形。,此外，在军事部门、能源交通部门、国土资源部门、城市建设与管理部门及农业气象等部门和行业，航空航天、测时授时、物理探矿、姿态测定等领域，也都开展了GPS技术的研究和应用。 我国GPS卫星定轨跟踪网及GPS精密星历服务工作已取得显著进展。,美国的SA政策,S A 政策 选择可用性(Selective Availability)政策，即人为施加误差以降低GPS卫星的星历精度和卫星钟频率精度。 精度约20m30m，将降低至约100m（水平）和150m（垂直）。AS政策（反欺骗anti-swindle） 为防止P码被窃取，改为Y码。,（1）建立独立的GPS卫星测轨系统 利用GPS卫星，建立区域性或全球性的跟踪系统，以精密地测定卫星的轨道。 （2）建立独立的卫星导航与定位系统 前苏联的全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System-GLONASS) NAVSAT卫星定位系统：欧洲空间局以前也在发展的一种以民用为主的卫星定位系统，但由于经济原因而遭到终止。,用户摆脱SA政策的措施,65/39,思考题,何谓GNSS，包括哪些系统？ GNSS的组成部分？ GNSS的应用有哪些？,66/39,感谢聆听！,