GPS技术及其应用.pptx

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,2019/10/24,GPS技术与应用,#,卫星无线电导航系统,子午卫星导航系统（,TRANSIT,）,全球定位系统（,GPS,）,全球导航定位系统（,GLONASS,）,双星导航定位系统（北斗一号）,伽俐略系统（,GAILILEO,）,1957,年,10,月，世界上第一颗人造地球卫星由前苏联成功发射，是人类致力于现代科学技术发展的结晶，它使空间科学技术的发展，迅速地跨入了一个崭新的时代。,1,一、子午卫星导航系统（,TRANSIT,）,子午卫星导航系统，又称,多普勒卫星定位系统,，它是,58,年底由美国海军武器实验室开始研制，于,64,年建成的“海军导航卫星系统”（,Navy Navigation Satellite System,）。这是人类历史上诞生的第一代卫星导航系统。,1967,年,7,月该系统由军方解密供民间使用。此后用户数量迅速增长，最多达,9.5,万户，而军方用户最多时只有,650,个，不足总数的,1%,，可见因生产的需要民间用户远远大于军方。,2,系统组成,卫星星座,由六颗独立轨道的极轨卫星组成，轨道倾角,i=90,；卫星运行周期为,T=107m,；卫星高度约为,H=1075km,。,地面系统,地面设有,4,个卫星跟踪站；,1,个计算中心；,1,个控制中心；,2,个注入站；,1,个天文台（海军天文台）。,3,技术特点,定轨精度,广播星历所预报的卫星位置的切向误差,17m,；径向误差,26m,；法向误差,8m,。,精密星历所预报的卫星位置精度为,2m,。,卫星性能,星体直径约为,50,公分，卫星重量为,4573,公斤。,卫星信号,4.9996MHz,基准钟频信号，倍频,30,和,80,倍后，形成,149.988MHz,和,399.968MHz,的标准信号。,定位精度,利用广播星历的单点定位精度约为,10m,，观测,100,次卫星通过后的测量数据平差解算后，可获得精度为,35m,；利用精密星历观测,40,次卫星通过的测量数据平差解算后，可获得精度为,0.51m,；为了消除公共误差提高定位精度，相对定位的精度为,0.5m,。,4,不足之处,一次定位所需时间过长，无法满足高速用户的需要,一次定位一般需要连续观测一颗卫星通过的时间约为,15,18,分钟,卫星出现时间间隔过长，无法满足连续导航的需要。,没有采用频分、码分、时分等多路接收技术，确定了该系统不能成为连续导航系统。,子午卫星导航系统的定位精度偏低,卫星轨道低，信号频率较低受电离层影响大，卫星钟频不够稳定,5,二、全球导航定位系统（,GLONASS,）,该系统是,82,年底由前苏联开始承建，期间因苏联解体，几经周折最后由俄罗斯于,96,年建成全球导航定位系统（,Global Navigation Satellite System,GLONASS,）。该系统与美国的全球定位系统同属于第二代卫星定位系统。,6,系统组成,卫星星座,三个独立椭圆轨道，的,24,颗卫星组成（另加,1,颗备用卫星），每个轨道分布,8,颗卫星，各轨道升交点赤经相差,120,；轨道偏心率,e=0.01,；卫星轨道倾角,i=64.8,；卫星运行周期,T=11h15m,；卫星高度,H=19100km,；卫星设计使用寿命,4.5,年，直至,1995,年卫星星座布成，经过数据加载、调整和检验，已于,1996,年,1,月,18,日整个系统正式运转。,地面系统,1,个系统控制中心（在莫斯科区的,Golitsyno-2,），,1,个指令跟踪站（,CTS,），整个跟踪网络分布于俄罗斯境内。,7,技术特点,卫星信号,两种载波信号，,L1,载波信号,16021616MHz,，民用；,L2,载波信号,12461256MHz,，军用。卫星之间的识别方法采用频分多址（,FDMA,），,L1,频道间隔为,0.5625 MHz,，,L2,频道间隔为,0.4375 MHz,。测距粗码（,C/A,码）的码频,0.511MHz,码长为,511,比特，重复周期为,1ms,；精码,P,码，尽管前苏联严格保密，英国立茨大学,G.R.Lennen,博士成功破译。,定位精度,水平精度：,5070m,；垂直精度：,75m,；,测速精度：,15cm/s,；授时精度：,1s,。,8,三、双星导航定位系统（北斗一号）,我国已于,2000,年底（,10,月,31,日、,12,月,21,日）发射了两颗同步静止定位卫星，并完成了大量的测试工作。该系统的第三颗同步静止定位卫星，在,2003,年,5,月,25,日发射，于,6,月,3,日,5,时顺利定点，系统大功告成。,9,系统组成,卫星星座,由,3,颗同步静止卫星组成（其中,1,颗在轨备用）；轨道倾角,i=0,；公转周期,T=24h,恒星时；轨道高度,H=36000km,。,地面系统,一个中心站、定轨观测网、校准站、测高站,10,技术特点,服务区域：,70145E,；,555N,用户设备：,定位收发机的瞬间发射功率较大,定位精度：,平面精度,20m,；垂直精度,10m,11,定位原理,卫星,1,星下点,1,星下点,2,定位圆,1,定位圆,2,地面中心站,卫星,2,地面中心站通过,2,颗卫星传送测距问询信号，用户回复应答信号。地面中心站可根据用户的应答信号的时差计算出卫地距离，这样以两颗定位卫星为中心以两个卫地距离为半径可作出两个定位球。而两个定位球又和地面交出两个定位圆，用户必定位于两个定位圆相交的两个点上（这两个交点一定是以赤道为对称轴南北对称的）。地面中心站求出用户坐标后，再根据坐标在地面数字高程模型中读出用户高程，进而让卫星转告用户。,12,四、伽俐略系统（,GAILILEO,）,从,1994,年欧盟开始对伽利略（,GAILILEO,）系统方案实施论证以来，,2000,年欧盟已向世界无线电委员会申请并获准建立伽利略（,GAILILEO,）系统的,L,频段的频率资源。,2002,年,3,月欧盟,15,国交通部长一致同意伽利略（,GAILILEO,）系统的建设。该系统由欧盟各政府和私营企业共同投资（,36,亿欧元），是将来精度最高的全开放的新一代卫星定位系统。,13,系统组成,卫星星座,3,个独立的圆形轨道，,30,颗,GNSS,卫星（,27,颗工作卫星，,3,颗备用卫星）；轨道倾角,i=56,；公转周期,T=14h23m14s,；轨道高度,H=23616km,。,地面系统,在欧洲建立,2,个控制中心；在全球构建监控网。,定位精度,导航定位精度比目前任何系统都高,14,计划实施,1994,年开始进入方案论证阶段；,2003,年开始发射两颗试验卫星进入试验阶段；,2008,年整个伽利略（,GNSS,）系统建成并投入使用。,15,服务方式,按不同用户层次分为免费服务和有偿服务两种级别。免费服务包括：提供,L1,频率基本公共服务，与现有的,GPS,民用基本公共服务信号相似，预计定位精度为,10m,。有偿服务包括：提供附加的,L2,或,L5,信号，可为民航等用户提供高可靠性、完好性和高精度的信号服务。系统定义了三种类型的业务：,1.,开放接入业务（,OAS,）：向民用用户开放的免费业务,2.,一类控制接入业务（,CAS 1,）：为商业应用提供有偿服务。,3.,二类控制接入业务（,CAS 2,）：为安全和军事提供有偿服务。,所有这三类服务的精度都优于,10m,。,CAS 2,可实现水平,4m,、垂直,16m,的定位精度。,16,五、全球定位系统（,GPS,）,全球定位系统的全称是：,导航卫星测时测距,/,全球定位系统（,Navigation Satellite Timing and Ranging/Global Positioning System,），,简称,GPS,。,1973,年,12,月，美国国防部批准陆、海、空三军联合研制第二代的卫星导航系统,全球定位系统（,GPS,）。该系统是以卫星为基础的无线电导航系统，具有全能性（陆地、海洋、航空、航天）、全球性、全天候、连续性、实时性的导航、定位和定时等多种功能。能为各类静止或高速运动的用户迅速提供精密的瞬间三维空间坐标、速度矢量和精确授时等多种服务。,GPS,计划经历了方案论证（,1974,1978,年），系统论证（,1979,1987,年），试验生产（,1988,1993,年）三个阶段，总投资,300,亿美元。,17,GPS,系统组成,18,空间部分,24,颗卫星（,21,颗工作卫星,+3,颗备用卫星），,6,个近圆形轨道面，高度约,20200km,，轨道倾斜,55,，轨道平面升交点赤经相差,60,，周期约,11,小时,58,分,19,GPS,卫星发展历程,第一代：实验卫星,(Block I),1978-1985,共发射,11,颗，设计寿命,5,年，停止工作,第二代：,Block II,、,Block IIA,、,Block IIR,、,Block IIF,1988-1994,年共发射,28,颗,Block II,、,Block IIA,第三代：,Block I,下一代工作卫星,20,BLOCK I,BLOCK II/IIA,21,BLOCK IIF,BLOCK IIR,22,控制部分,1,个主控站、,5,个监测站、,3,个注入站,23,用户设备部分,用户设备主要是,GPS,接收机，它由天线前置放大器、信号处理、控制与显示、记录和供电单元组成。,24,GPS,系统的特点,定位精度高,观测时间短,测站间无需通视,可提供三维坐标,操作简便,全天候作业,功能多，应用广,25,美国对,GPS,用户的限制性政策,标准定位服务（,SPS,）和精密定位服务（,PPS,）,选择性可用（,SA,）政策,对（,SPS,）服务实施干扰,反电子欺骗技术,(A-S),对,P,码实施加密,26,标准定位服务和精密定位服务,Precise Positioning Service-PPS(P-code),Standard Positioning Service-SPS(C/A code),Accuracy in:,PPS(95%),SPS(95%),horizontal plane,22 meters,100 meters,vertical plane,27.7 meters,156 meters,time transfer,200 nanoseconds,340 nanoseconds,27,选择性可用政策（,Selective Availability,，,SA）,技术,将钟频信号加入高频抖动使,C/A,码波长不稳定,技术,将广播星历的卫星轨道参数加入人为误差，降低定位精度,SA,政策,1991,年,7,月,1,日实施，因影响美国商业利益，于,2000,年,5,月,2,日取消,SA,政策,28,单点定位,:2000,年五月以前,L1 C/A,码,有,SA,政策,25-100 m,29,单点定位,:,目前,L1 C/A,码,无,SA,政策,10-20 m,30,单点定位,:,到,2009,年,L1 C/A,码,L2 C/A,码,5-10 m,31,单点定位,:,到,2013,L1 C/A,码,L2 C/A,码,L5 P,码,1-5 m,更好的抗干扰特性,32,RTK,定位,:Today,L1,码和载波相位,L2,载波相位,数据链,10 km,2 cm,精度,33,RTK,定位,:,将来,L1,码和载波相位,L2,码和载波相位,L5,码和载波相位,数据链,100+km,信号失锁快速恢复能力,2 cm,精度,34,测绘,/,制图,/GIS,方面的应用,测量精度可达到,cm-mm,级精度,节省时间、成本、劳动力大约,100%-300%,自动制图,各种工程测量,石油、天然气、矿藏开发,各种等级的控制测量,变形监测：路基、桥梁和隧道的水平位移监测，滑坡和高边坡的变形监测,35,相对经典的测量技术，,GPS,技术主要特点如下：,1,、观测站之间无需通视。既要保持良好的通视条件，又要保障测量控制网的良好结构，这一直是经典测量技术在实践方面的困难问题之一。,GPS,测量不要求观测站之间相互通视，因而不再需要建造觇标，这一优点既可大大减少测量工作的经费和时间，同时也使点位的选择变得甚为灵活。,2,、定位精度高。现已完成的大量实验表明，目前在小于,50km,的基线上，其相对定位精度可达,1210,-6,，而在,100km500km,的基线上可达,10,-6,10,-7,。随着观测技术与数据处理方法的改善，可望在大于,1000km,的距离上，相对定位精度可达到或优于,10,-8,。,36,相对经典的测量技术，,GPS,技术主要特点如下：,3,、观测时间短。目前，利用经典的静态定位方法，完成一条基线的相对定位所需要的观测时间，根据要求的精度不同，一般约为,13,小时。为了进一步缩短观测时间，提高作业速度，近年来发展的短基线（例如不超过,20km,）快速相对定位法，其观测时间仅需数分钟。,4,、提供三维坐标。,GPS,测量，在精确测定观测站平面位置的同时，可以精确测定观测站的大地高程。,GPS,测量的这一特点，不仅为研究大地水准面的形状和确定地面点的高程开辟了新途径，同时也为其在航空物探，航空摄影测量及精度导航中的应用，提供了重要的高程数据。,5,、全天侯作业。,GPS,观测工作，可以在任何地点，任何时间连续地进行，一般也不受天气状况的影响。,37,