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1、GPS卫星星座(6轨道4颗=24颗)第1页/共62页GPS卫星第2页/共62页GPS卫星第3页/共62页GPS卫星第4页/共62页美国最新型GPS卫星洛马公司GPS-III卫星 2010年6月发射入轨，定位精度提高2倍。第5页/共62页美国最新型GPS卫星波音公司GPS-IIF卫星 2010年5月发射入轨，定位精度提高2倍。第6页/共62页2)GLONASSGLONASS始建于1976年，2004年投入运营设计使用24颗卫星均匀分布在3个相对于赤道的倾角为64.8o的近似圆形轨道上每个轨道上有8颗卫星运行它们距地球表面的平均高度19061km运行周期11h16min。第7页/共62页GLONA
2、SS卫星星座(3轨道8颗=24颗)第8页/共62页GLONASS卫星第9页/共62页GLONASS卫星第10页/共62页GLONASS-M卫星模型第11页/共62页3)Compass(北斗)5颗静止轨道卫星，30颗非静止轨道卫星组成提供两种服务开放服务和授权服务开放服务服务区免费提供定位,测速和授时服务定位精度10m，授时精度50ns测速精度0.2m/s2012年12月27日开始正式为亚太区域提供导航服务预计2020年左右具备覆盖全球的服务能力。第12页/共62页Compass卫星运行轨道第13页/共62页Compass卫星第14页/共62页Compass卫星第15页/共62页西昌卫星发射中心
3、“长征三乙”运载火箭发射第16颗北斗导航卫星(2012年10月25日23时33分)第16页/共62页第17页/共62页4)欧盟Galileo系统2002年3月24日欧盟决定研制组建自己的民用卫星导航定位系统 Galileo系统Galileo卫星27颗工作卫星+3颗备用卫星30颗卫星均匀分布在3个轨道面,运行周期12h卫星高度23616km,轨道倾角56o,总投资34亿欧元2005年12月28日第一颗Galileo试验卫星进入轨道2006年1月12日,卫星开始向地面发送信号。Galileo系统是一种多功能的卫星导航定位系统有公开服务,安全服务,商业服务,政府服务功能只有前两种服务是自由公开的后两
4、种服务需要经过批准后才能使用。第18页/共62页Galileo卫星运行轨道第19页/共62页欧盟Galileo卫星第20页/共62页欧盟Galileo卫星第21页/共62页欧盟Galileo卫星第22页/共62页8.1 GPS概述GPS定位原理空间测距交会P点安置GPS接收机，接收卫星发射的测距码信号在接收机时钟控制下解出测距码从卫星接收机的时间t乘光速c、加卫星时钟与接收机时钟不同步改正算出卫星接收机的空间距离vt卫星钟差，vT接收机钟差GPS测距方式单程测距接收机接收到的测距信号不再返回卫星接收机直接解算传播时间t并算出卫星接收机的距离。第23页/共62页要求卫星和接收机时钟严格同步卫星在
5、严格同步时钟控制下发射测距信号实际卫星钟与接收机钟不严格同步钟误差两个时钟不同步对测距结果的影响c(vTvt)卫星广播星历含卫星钟差vt已知接收机钟差vT未知观测方程解算卫星接收机的空间距离未考虑大气电离层，对流层折射误差影响不是卫星接收机的几何距离伪距第24页/共62页测距时刻ti接收卫星Si广播星历解算出Si在WGS-84坐标系的三维坐标xi，yi，zi则Si卫星P点的空间距离伪距观测方程4个未知数xP，yP，zP，vT应同时锁定4颗卫星观测，解算。第25页/共62页第26页/共62页观测A，B，C，D四颗卫星的伪距方程解方程算出P点坐标xP，yP，zP第27页/共62页8.2 GPS的组
6、成工作卫星，地面监控系统，用户设备。1)地面监控系统卫星广播星历包含描述卫星运动及其轨道的参数每颗卫星广播星历由地面监控系统提供地面监控系统1个主控站,3个注入站,5个监测站第28页/共62页(1)监测站主控站控制的数据自动采集中心设备双频GPS接收机、高精度原子钟气象参数测试仪、计算机功能对GPS卫星信号连续观测搜集当地气象数据，观测数据经处理后传送到主控站(2)主控站协调和管理所有地面监控系统工作 根据观测数据，推算编制卫星星历、卫星钟差大气层修正参数，数据传送到注入站 提供时间基准。各监测站和GPS卫星原子钟应与主控站原子钟同步，或测量出其间钟差将钟差信息编入导航电文，送到注入站 调整偏
7、离轨道的卫星，使之沿预定的轨道运行 启动备用卫星，以代替失效的工作卫星第29页/共62页(3)注入站主控站控制下将主控站推算和编制的卫星星历、钟差、导航电文控制指令注入卫星存储器，监测注入信息的正确性除主控站外，整个地面监控系统无人值守。2)用户设备GPS接收机和相应的数据处理软件GPS接收机包括接收天线、主机、电源。第30页/共62页GPS接收机任务捕获卫星信号，跟踪并锁定卫星信号处理接收到的信号测量测距信号从卫星传播到接收机天线的时间间隔译出卫星广播的导航电文实时计算接收机天线三维坐标、速度和时间按用途分类导航型，测地型，授时型载波频率单频接收机(用1个载波频率)双频接收机(用2个载波频率
8、)第31页/共62页南方测绘NGS9600测地型单频静态GPS接收机 第32页/共62页8.3 GPS定位的基本原理 测距原理伪距，载波相位测量，GPS差分定位待定点位运动状态静态定位，动态定位。卫星信号载波,测距码(C/A码P码),数据码(导航电文或称D码)同一原子钟频率f0=10.23MHz下产生。第33页/共62页1)载波信号频率用无线电波段两种不同频率电磁波L1载波：f1=154f0=1575.42MHz，1=19.03cmL2载波：f2=120f0=1227.60MHz，2=24.42cm载波L1调制有C/A码、P码、数据码载波L2调制有P码、数据码测距码由0，1组成的二进制编码一位
9、二进制数比特(bit)每秒钟传输比特数称为数码率卫星的两种测距码C/A码和P码属于伪随机码具有良好自相关特性和周期性，容易复制第34页/共62页第35页/共62页测距码卫星时钟控制发射某结构测距码经t时间传播后到达GPS接收机接收机产生同结构测距码复制码复制码延迟时间后与接收的卫星测距码比较调整延迟时间使两个测距码完全对齐复制码延迟时间=tC/A码码元宽度对应距离293.1m卫星与接收机测距码对齐精度1/100,测距精度2.9mP码码元宽度对应距离29.3m卫星与接收机测距码对齐精度1/100,测距精度0.29mP码测距精度高于C/A码10倍C/A码粗码，P码精码P码受美国军方控制，一般用户只
10、能用C/A码测距。第36页/共62页2)数据码导航电文D码含卫星星历，卫星工作状态，时间系统，卫星时钟运行状态，轨道摄动改正，大气折射改正由C/A码捕获P码信息导航电文二进制码依规定格式按帧发射每 帧 电 文 长 度 1500bit，播 送 速 率 50bit/s第37页/共62页伪距定位1)单点定位GPS接收机安置于测点，锁定4颗以上卫星将收到的卫星测距码与接收机产生的复制码对齐测量与锁定卫星测距码到接收机传播时间ti求出卫星至接收机的伪距从锁定卫星广播星历获取卫星空间坐标距离交会原理解算天线点三维坐标伪距观测方程有4个未知数锁定4颗卫星时方程有唯一解没考虑大气电离层和对流层折射误差、星历误
11、差影响，单点定位精度不高C/A码定位精度25m，P码定位精度10m第38页/共62页2)多点定位多台GPS接收机(23台)安置在不同测点同时锁定相同卫星进行伪距测量大气电离层和对流层折射误差、星历误差影响基本相同计算各测点间坐标差x,y,z可消除上述误差影响测点之间的点位相对精度大大提高。第39页/共62页载波相位定位载波L1，L2频率比测距码(C/A码和P码)频率高波长比测距码短1=19.03cm,2=24.42cm使用载波L1，L2作测距信号将卫星传播到接收机天线的正弦载波信号与接收机基准信号比相求出相位延迟计算伪距可获得很高测距精度测量L1载波相位移误差1/100伪距测量精度19.03c
12、m/100=1.9mm第40页/共62页1)载波相位绝对定位相位测量只能测出不足一整周期相位移存在整周数N0不确定问题，N0整周模糊度t0时刻(历元t0)，某卫星发射载波信号到接收机相位移2N0+该卫星接收机距离载波波长对卫星连续跟踪观测，接收机内有多普勒计数器只要卫星信号不失锁，N0不变故在tk时刻，该卫星发射载波信号到接收机相位移变成2N0+int()+int()接收机内多普勒计数器自动累计求出第41页/共62页第42页/共62页考虑钟差改正c(vTvt)大气电离层折射改正ion大气对流层折射改正trop的载波相位观测方程虽然对锁定卫星进行连续跟踪观测可修正ion和trop但整周模糊度N0
13、始终未知能否准确求出N0成为载波相位定位的关键。第43页/共62页(2)载波相位相对定位两台GPS接收机分别安置在两测点两测点连线基线同步接收卫星信号相同卫星相位观测值线性组合解算基线向量在WGS-84坐标系增量x,y,z确定它们的相对位置一个测点坐标已知，可推算出另一个测点坐标按相位观测的线性组合形式载波相位相对定位单差法、双差法、三差法只介绍前两种。第44页/共62页第45页/共62页(1)单差法基线两端点安置两台GPS接收机对同一颗卫星同步观测方程设基线两端的大气电离层改正ion大气对流层改正trop相等得单差观测方程单差方程消除了卫星Si的钟差改正数第46页/共62页(2)双差法安置在
14、基线端点上的两台GPS接收机同时对Si与Sj两颗卫星进行同步观测观测Sj卫星的单差观测方程求差双差观测方程消除基线两端接收机相对钟差改正数vT1vT2差分法可减少计算中的未知数数量消除或减弱测站共同误差影响，提高定位精度。第47页/共62页第48页/共62页将 化算为基线端点坐标增量(x12,y12,z12)的函数有3个坐标增量未知数如两台GPS接收机同步观测了n颗卫星则有n1个整周模糊度，未知数总数3+n1对每颗卫星观测m个历元时就有m(n1)个双差方程为求出3+n1个未知数要求双差方程数未知数个数第49页/共62页m(n1)3+n1一般取m=2，也即每颗卫星观测2个历元即可。为提高相对定位
15、精度，同步观测的时间应比较长具体时间与基线长、所用接收机类型(单频/双频)和解算方法有关在15km短基线上使用双频机观测用快速处理软件野外每个测点同步观测时间只需1015分钟即可使测量基线精度达到5mm+1ppm第50页/共62页实时差分定位已知点安置一台GPS接收机基准站已知坐标和卫星星历算出观测值的校正值通过无线电台(数传电台)数据链将校正值发送给运动中的GPS接收机移动站移动站用收到的校正值对自身GPS观测值进行改正消除卫星钟差、接收机钟差、大气电离层和对流层折射误差应用带实时差分功能的GPS接收机才能进行。第51页/共62页第52页/共62页8.4 GNSS控制测量的实施方案设计、外业
16、观测、内业数据处理工程测量规范1)精度指标载波相位静态相对定位法两台或两台以上GNSS接收机同时对一组卫星进行同步观测控制网精度指标是以网中基线观测误差定义mD=a+b10-6Da固定误差，b比例误差，D基线长第53页/共62页第54页/共62页2)观测要求同步观测，测站从开始接收卫星信号到停止数据记录观测时段卫星与接收机天线连线与水平面夹角卫星高度角点位图形强度因子PDOP一组卫星与测站构成的几何图形形状与定位精度关系数PDOP与观测卫星高度角及观测卫星空间分布有关观测卫星高度角越小,分布范围越大PDOP越小卫星高度角设为15o，点位PDOP值6GNSS接收机锁定一组卫星后自动计算出PDOP
17、值并显示于屏幕上。第55页/共62页第56页/共62页NGS-9600 GNSS单频机第57页/共62页第58页/共62页3)网形要求GNSS接收机观测，不要求各站点间相互通视网形设计，根据控制网用途、现有GNSS接收机台数三种观测方案两台接收机同步观测多台接收机同步观测，多台接收机异步观测。介绍两台接收机同步观测方案(1)静态定位两台接收机轮流安置在各基线端点同步观测4颗卫星1h左右或同步观测5颗卫星20min用于精度要求较高的控制网如桥梁控制网或隧道控制网第59页/共62页(2)快速静态定位测区中部选一测点为基准站安置一台接收机连续跟踪观测5颗以上卫星另一台接收机依次到其余各点流动设站观测不必保持对所测卫星连续跟踪每点观测12min控制网加密，一般工程测量控制点天空视野开阔,交通便利,远离高压线,变电所及微波辐射干扰源的地点第60页/共62页WGS-84坐标系与测区坐标系的坐标转换至少有2个及以上GNSS控制网点与测区坐标系已知控制网点重合坐标转换计算由GNSS附带数据软件自动完成。第61页/共62页感谢您的观看。第62页/共62页