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测量GNSS技术的发展和未来-郭四清

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空间定位技术及应用 GPS定位技术及应用 GNSS技术的最新进展及2000坐 标系简介 空间定位技术及应用 全球导航卫星系统(GNSS) • 定义 –具有全球导航定位能力的卫星定位导航系统称为全球 卫星导航系统,英文全称为Global Navigation Satellite System,简称为GNSS。 • 实际系统 –美国的全球卫星定位系统(GPS) –俄罗斯的全球卫星导航系统GLONASS –正在发展研究的有欧盟的GALILEO系统 –中国北斗卫星导航广域增强系统 •实现中国及其周边海域的区域定位导航系统。 空间定位技术及应用 GPS全球定位系统 • 拥有者 –美国 • 发展简史 –全球卫星定位系统(GPS)计划自1973年起步,1978年首 次发射卫星,1994年完成24颗中高度圆轨道(MEO)卫星组 网,共历时16年、耗资120亿美元。至今,已先后发展了三 代卫星。 • 系统组成 –空间部分 –控制部分 –用户部分 空间定位技术及应用 GLONASS全球定位系统 •拥有者 – 俄罗斯 •发展简史 – 由前苏联从80年代初开始建设的与美国GPS系统相类似的卫星 定位系统,现在由俄罗斯空间局管理。GLONASS的整体结构类似 于GPS系统,其主要不同之处在于星座设计和信号载波频率和卫 星识别方法的设计不同。目前因经济问题,星座中卫星缺失太多 ,暂时不能连续实时定位。 •系统组成 – 卫星星座 – 地面监测控制站 – 用户设备 空间定位技术及应用 伽利略(GALILEO)全球定位系统 •拥有者 – 欧盟,中国参与 •发展简史 – GALILEO系统是欧洲自主的、独立的全球多模式卫星定位导航系 统,提供高精度、高可靠性的定位服务,同时它实现完全非军方控 制、管理,可与美国的GPS和俄罗斯的GLONASS兼容,但比后两者更 安全、更准确。计划将于2008年完成,但从目前的情况来看,整个 系统的建立还是遥遥无期 •系统组成 – GALILEO系统由30颗卫星组成,其中27颗工作星,3颗备份星。卫 星分布在3个中地球轨道(MEO)上,轨道高度为23616千米,轨道 倾角56度。每个轨道上部署9颗工作星和1颗备份星。 空间定位技术及应用 中国北斗定位系统 • 由三颗地球同步轨道卫星组成,投资较少不具备全 球覆盖能力,只能以地区为主。 • 先发射卫星,再进行终端设备研发,不像GPS是军 民应用一起开发。 • 北斗系统需要接收机的返回信息,不像GPS属于被 动系统。 • ”二代北斗导航系统“计划包括4颗静止星、12颗中轨 星和9颗高轨星。原定2006年开始组网,2010年实现全 球精确覆盖。目前时间推迟了,真正实现还没有时间 表。 空间定位技术及应用 GPS现代化 空间定位技术及应用 GPS现代化计划 • 保护 –采用一系列措施保护GPS系统不受敌方和黑客 的干扰,增加GPS军用信号的抗干扰能力,其中 包括增加GPS的军用无线电信号的强度。 • 阻止 –阻止敌方利用GPS的军用信号。设计新的GPS 卫星型号(ⅡF),设计新的GPS信号结构,增加 频道,将民用频道L1、L2、L5(1.17645GHz)和军 用频道L3、L4分开。 空间定位技术及应用 GPS现代化计划 •GPS将使用Block IIR GPS卫星,今后将陆续更新12颗卫 星, •增强了信号的功率和种类 •两种新型军用信号,增强了加密和抗干扰能力 •增加一种民用信号,提供不同频率上的公开信号 •在使用位置上可以直接校正电离层干扰, •实现GPS服务更加准确、有效、完整、可靠。 空间定位技术及应用 新信号概述 •除了IIR卫星,2005年还要发射波音IIF卫星 •ⅡF批次卫星除发射增强的L1、L2民用信号和M码外,将在 1176.45兆赫增加第3个民用信号(L5),位于960-1215MHZ •L2载波上增加的第二个民用信号是L2C,能补偿大气传输不 稳定性,提高民用导航精度到3-10米 •M码采用新型的调制方法,和新一代加密技术,军用和民用 码分离 空间定位技术及应用 PPP技术 空间定位技术及应用 精密单点定位技术(3P) •Precise Point Positioning,简称为PPP。 •原理 – 利用预报的GPS卫星的精密星历或事后的精密星历作为已知坐 标起算数据;同时利用某种方式得到的精密卫星钟差来替代用户 GPS定位观测值方程中的卫星钟差参数;用户利用单台GPS双频双 码接收机的观测数据在数千万平方公里乃至全球范围内的任意位 置都可以2-4dm级的精度进行实时动态定位或以2-4cm级的精度进 行较快速的静态定位 •精密单点定位技术是实现全球精密实时动态定位与导航的关键技 术,也是GPS定位方面的前沿研究方向。 空间定位技术及应用 优点 •处理非差码与相位观测值,可利用的观测值多且不相关 •可估计位置、钟差及对流层延迟等参数 •支持静态模式和动态模式作业 •只要有通讯链路支持,可在全球范围内应用 •直接得到ITRF框架坐标 关键技术及难点 •精密卫星轨道及精密卫星钟差估计 •非差模糊度求解问题 •相对于双差定位模式,非差定位误差处理更为复杂 精密单点定位(3P) 空间定位技术及应用 SBAS介绍 空间定位技术及应用 SBAS差分模式介绍 •SBAS 即Space Based Augmentation System,是利用地球静止轨 道卫星建立的地区性广域差分增强系统(星站差分),系统通过卫 星向外广播差分信号,地面上的GPS在接收GPS卫星信号的同时,还 接收这些差分信号,从而提高单机定位精度。 •随着SBAS测量系统的不断完善和定位精度的逐步提高,SBAS差分 测量应用越来越广泛。 •SBAS即地区性广域差分增强系统,可以为地区的差分接收系统提 供持续不断的数据,在此基础之上,发展了以接收SBAS信号为差分 输入源的GPS接收机。 空间定位技术及应用 目前全球发展的SBAS系统有: •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 (MAAS),覆盖亚洲大陆 •还有印度即将投入使用的 GAGAN系统,可以覆盖东南亚 大部 MAAS卫星的差分覆盖范围 空间定位技术及应用 SBAS系统工作特点 • 1、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; • 2、通过GEO卫星发播GPS和GEO卫星完整的数 据; • 3、GEO卫星的导航载荷发射GPS L1测距信号 。 空间定位技术及应用 网络 CORS技术 空间定位技术及应用 网络CORS技术 •工作原理 – 网络CORS就是在一定区域内建立多个(一般为三 个或三个以上)坐标为已知的GNSS基准站,对该地 区构成网状覆盖,并以这些基准站为基准,计算和发 播相位观测值误差改正信息,对该地区内的卫星定位 用户进行实时改正的定位方式。 •特点 – 覆盖面广,定位精度高,可靠性高,可实时提供厘 米级定位。 空间定位技术及应用 网络CORS相对于传统RTK的优势 • 具有跨行业特性,可面向不同类型的用户,不再局限 于测绘领域及设站的单位与部门; • 可同时满足不同需求的用户在实时性方面的差异,能 同时提供RTK、DGPS、静态或动态后处理、及现场高精度 准实时定位的数据服务; • 参考站网的建立可部分取代常规测量布控 空间定位技术及应用 网络CORS相对于传统RTK的优势 • 能兼顾不同层次的用户对定位精度指标要求,提供覆 盖米级、分米级、厘米级的数据; • 覆盖范围广、作业效率高,一次投资长期受益的特点 ,成为城市基础设施建设新方向; • 提供稳定、统一的参考坐标系给所有用户共享, 规范 基础测绘数据; 空间定位技术及应用 网络CORS相对于传统RTK的优势 • 提高作业区域的精度一致性,降低系统误差、提高外 业数据质量; • 提高生产效率,单人测量系统成为GNSS主流作业模式 • 解决了重复的参数求取 • 提供了数据完整性监控 空间定位技术及应用 目前几种网络CORS的算法 空间定位技术及应用 现有的网络CORS技术 • 根据发送网络信息(改正模型)方法的不同,现有 的网络CORS技术可以分为 – 虚拟参考站(VRS,Virtual Reference Station) – 区域改正参数(FKP,Flächen-Korrektur-Parameter) – 主辅站技术(MAX,Master-Auxiliary Corrections ) -网络参考站系统(NRS,NET Reference Station ) 空间定位技术及应用 虚拟参考站技术(VRS) • 流动站将自身的概略位置(GGA)发送给数据 处理中心,数据处理中心选择用户周围的三个参 考站,并根据改正模型在用户附近虚拟一个基准 站,将虚拟基准站的数据通过与常规RTK相同的 方式发送给流动站 空间定位技术及应用 VRS特点 • 全网电离层,对流层,轨道误差模型化; • 双向数据通讯; • 用户量受通讯能力的限制; • 易于监控和管理流动站用户权限、作业; – 使用NTrip协议可以很容易实现对用户权限的管理 • 发送内容与传统RTK相同 空间定位技术及应用 区域改正参数技术( FKP) • FKP是指利用GPS 基准站观测数据(相位观测值 和伪距观测值等) 及基准站已知坐标等信息,计算 得到基准网范围内与时间或空间相关的误差改正 数模型,然后利用测量点的近似坐标内插出测量点 的误差改正数,将它应用到观测值中,从而消除各种 与时间和空间有关的误差,获得高精度的定位结果 。 空间定位技术及应用 区域改正参数技术(FKP) • 数据处理中心广播主站的观测值(与常规RTK 相同),同时通过RTCM59广播一组模型参数。 流动站根据自身位置和主站位置,以及与距离有 关的模型参数计算改正值,并用计算除的改正值 改正观测值,从而进行RTK定位。 空间定位技术及应用 FKP技术特点 • 单向通讯(流动站不需要发送GGA) • 无法兼容传统RTK流动站,要求流动站能处理 RTCM59信息 • 单向数据通讯,用户只接收不发播,具有良好 的隐蔽性; 空间定位技术及应用 主辅站技术(MAX) • 数据处理中心广播主站观测值(与常规RTK相 同),同时通过RTCM3.1 1014~1017消息发送一 组辅站数据(只发送辅站改正数与主站改正数的 差值,以及辅站坐标与主站坐标的差值,为了减 低传输负担)。流动站收到广播消息后,计算自 身位置的改正数,并加到观测值中,进行常规 RTK定位 空间定位技术及应用 MAX技术特点 • 数据量大,需要发送主站及一系列辅站的改正 数; • 单向数据通讯,用户只接收不发播,具有良好 的隐蔽性; • 无法兼容常规RTK流动站,需要流动站能处理 RTCM3.1 1014~1017信息; • 用户量没有限制; • 不利于监控和管理流动站用户的作业和权限 空间定位技术及应用 iMAX(Individual MAX) • 增强了个人的应用 – 流动站发送GGA – 易于监控和管理流动站用户权限、作业; 空间定位技术及应用 网络参考站系统(NRS) • NRS(Net Reference Station )是南方公司 在虚拟参考站技术的基础上,吸收其他网络 CORS技术优点,结合中国实际进一步发展和延 伸的自主创新成果 空间定位技术及应用 NRS系统特点 • 特有的DEEP-NRS技术,使网的可用性大大提高 • 数据加密技术 • 支持NTrip协议,系统兼容国内外各种型号的 GPS • 支持多种差分格式 RTCM2.x(含RTD)、 CMR RTCA 、RTCM30 • 自定义图形显示 空间定位技术及应用 GPS产品 空间定位技术及应用 多样、高端的GPS产品成为主流 随着电子信息终端技术的快速发展,GPS产 品不断向更轻、更小、更齐全功能方向发展,高端 产品逐渐成为主线 • 测量行业的RTK产品 • GIS个人手持定位系统 空间定位技术及应用 进口RTK厂商 • 天宝(R8、R6) • 阿斯泰克(Z-X,Z-Max) • 加瓦特( 凯旋-1和凯旋-4) • 拓普康(HiPer Pro、GR-3 ) • Novatel (最主要的OEM厂商) • 徕卡(GPS1220 、GPS1230 ) • Magellen(Thales) • Hemisphere, Datagrid • 双频接收机由于用户量小,专利垄断等原因, 生产的厂家较少,价格垄断 空间定位技术及应用 国产RTK厂商 • 南方(S86、S82) • 中海达(V8) • 华测(X90、X91) • 目前都是OEM制造,没有完全的自主制造技术 • 国产的双频接收机技术近一两年将会取得突破 ,这种突破会彻底使测量型GPS的市场重新洗牌 空间定位技术及应用 手持GPS主要厂商 • Garmin • 麦哲伦 • 最大的芯片厂家SiRF 空间定位技术及应用 2000国家大地坐标系简介 空间定位技术及应用 CGCS2000的定义 CGCS2000符合IERS(国际地球旋转和参考系服 务局)ITRS(国际地球参考系)的下列定义: 原点在包括海洋和大气的整个地球的质量中心; 长度单位为米(SI),这一尺度与地心局部框架 的TCG(地心坐标时)时间坐标一致; 定向在1984.0时与国际时间局(BIH)定向一致; 定向随时间的演变由整个地球水平构造运动无整 体旋转(no-net-rotation)的条件保证。 空间定位技术及应用 CGCS2000的定义 • 以上定义对应一个右手地固直角坐标系,它的原点和轴定义 如下: 原点在地球质量中心; Z轴指向IERS参考极方向; X轴为IERS参考子午面与通过原点且同z轴正交的赤道面的 交线; Y轴与Z、 X轴构成右手直角坐标系。 • 参考椭球的几何中心与坐标系的原点重合,其旋转轴与坐标 系的Z轴重合。 • 正常椭球与参考椭球一致。 空间定位技术及应用 CGCS2000:参考椭球 Y X Z 地球质心 IRM 参考椭球 IRP CGCS2000 坐标系定义 空间定位技术及应用 CGCS2000:参考椭球 CGCS2000参考椭球的定义常数: • 赤道半径: a = 6378137 m • 扁率: f = 1:298.257222101 • 地心引力常数:GM = 3.986004418×1014m3s-2 • 旋转速度: ω=7.292115×10-5rad s-1 空间定位技术及应用 CGCS2000:参考椭球常数 导出几何常数值 b = 6356752.3141 m 短半轴 E = 521854.00970025 m 线偏心率 c = 6399593.6259 m 极曲率半径 e²= 0.00669438002290 第一偏心率平方 e = 0.081819191042816 第一偏心率 e´²= 0.00673949677548 第二偏心率平方 e´= 0.082094438151917 第二偏心率 f = 0.00335281068118 扁率 b/a= 0.996647189319 轴比 b/a Q = 10001965.7293 m 子午圈一象限弧长 V = 1083207319783.546 km3 椭球体积 S = 510065621.718 km2 椭球表面积 R1 = 6371008.7714 m 算术平均半径 R2 = 6371007.1809 m 同面积之球的半径 R3 = 6371000.7900 m 同体积之球的半径 空间定位技术及应用 CGCS2000:参考椭球常数 导出物理常数值 U0= 62636851.7149 m2s-2 椭球面正常位 J2= 0.1082629832258x10-2 2阶带谐系数 J4= -0.2370911256141x10-5 4阶带谐系数 J6= 0.6083465258892x10-8 6阶带谐系数 J8= -0.1426811009798x10-10 8阶带谐系数 J10 = 0.1214393383343x10-13 10阶带谐系数 m = 0.00344978650678 m=ω2a2b/GM γe = 9.7803253361 ms-2 赤道正常重力 γp = 9.8321849379 ms-2 极正常重力 γ’ = 9.7976432224 ms-2 平均正常重力 fg = 0.00530244174137 重力扁率 k = 0.00193185261931 k=bγp/aγe-1 M = 5.97333196×1024 kg 地球质量(包括大气) 空间定位技术及应用 CGCS2000的实现 CGCS2000通过2000国家GPS大地控制网的坐标 和速度具体实现。参考历元为2000.0。 2000国家GPS大地控制网是在测绘、地震和科学 院等部门布设的4个GPS网联合平差的基础上得到的一 个全国规模的GPS大地控制网, 共包括2518点 。 坐标平均中误差: σx=0.90cm,σy=1.57cm,σz=1.06cm σB=0.37cm,σL=0.77cm,σh=1.92cm 位置平均中误差:σP= 2.13cm 空间定位技术及应用 CGCS2000的实现 2 0 0 0 国 家 G P S 大 地 网 空间定位技术及应用 CGCS2000与WGS84比较 CGCS2000椭球 WGS84 椭球 差 a 6378137m 6378137m 0 1/f 298.257222101 298.257223563 - 0.000001462 GM 3986004.418x108 3986004.418x108 0 ω 7292115x10-11 7292115x10-11 0 b 6356752.3141m 6356752.3142m -0.0001m 空间定位技术及应用 CGSC2000与WGS84比较 椭椭球的扁率变变化引起的大地纬纬度、大地高和椭椭球面上正常重力的变变化 空间定位技术及应用 CGSC2000与WGS84比较 CGCS2000-WGS84的扁率差df= 1.643484х10-11引起的大 地纬度B、大地高 H 和椭球面上正常重力γ的变化: a) 大地经度没有变化; b) 大地纬度的变化范围为0(在赤道和两极)~ 0.105mm(在B=45°); c) 大地高的变化范围为0(在赤道)~0.105mm( 在两极); d) 椭球面上正常重力的变化范围为0(在两极)~ 0.016μGal(在赤道)。 空间定位技术及应用 CGCS2000与WGS84的比较 CGCS200是通过2000国家GPS大地控制网的ITRF97 坐标(和速度)实现的,每一坐标分量的实现精度约 1cm。 WGS84通过GPS监测站坐标实现,监测站坐标 用来计算GPS的精密星历。最近(2002)一次用17个 GPS监测站实现的框架是WGS84(G1150),其实现精 度是:每个监测站的每一坐标分量的精度为1cm量级( 1σ) 可以认为,CGCS2000和WGS84(G1150)的实现精 度是一致的。 空间定位技术及应用 CGSC2000坐标系带来的 • 基本上可以认为是和WGS84椭球是非常近似的 • 当我们的控制坐标系,资料等都转移到CGSC 后,无疑给我们利用GPS进行测量带来非常大的 利好消息 • 任何国家坐标系和WGS84之间的转换参数都是 保密的,是不能告诉用户的,可以帮用户转换, 但不能告诉参数;但WGS84到某个地方坐标系的 参数是可以的 • 卫星导航测量的前景会越来越宽阔,会非常快 的占领每个外业小组
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