GNSS北斗卫星定位)发展概况与测绘行业应用演讲稿.ppt

浅谈浅谈GNSS（全球导航卫星系统）（全球导航卫星系统）的发展概况与测绘行业应用的发展概况与测绘行业应用报告人：北京华辰北斗信息技术有限公司 2010年11月20日 1目录 GNSS（全球导航卫星系统）发展概况 GNSS形成前 GNSS形成和完善（重点COMPASS）GNSS未来发展趋势 GNSS在测绘行业的应用2 一 GNSS发展概况3组成组成GNSS(Global Navigation Satellite System 即全球导航卫星系统)美国美国GPS欧盟伽利略欧盟伽利略俄罗斯俄罗斯GLONASSGLONASS中国北斗中国北斗4 GNSSGNSS形成前形成前 （初级）（初级）卫星三角网：卫星三角网：以人造地球卫星作为空间观测目标，由地面观测站对其进行摄影测量，测定测站至卫星的方向，来确定地面点的位置的三角网。卫星测距网：卫星测距网：用激光技术测定测站至卫星的距离作为观测值。美国20世纪6070年代，建立了一个共45个点的全球卫星三角网，点位精度5米。子午卫星导航（多普勒定位）系统子午卫星导航（多普勒定位）系统：1960年4月，美国发射了世界第一颗子午导航卫星 5 GNSSGNSS形成前形成前 （初级）（初级）特点：速度快、（1.5小时）精度均匀、不受天气和时间的限制、缺点：卫星轨道低 无法满足高速用户的需要 定位精度偏低 无法满足军方需求 由于上述种种原因，纵使子午卫星导航系统刚服役不久，就迫使美国国防部不得不着手研究第二代的卫星导航系统全球定位系统（GPS）6GNSSGNSS形成和完善形成和完善 GPS GPS全球定位系统全球定位系统(GPS):(GPS):是是2020世纪世纪7070年代由美国陆海空三年代由美国陆海空三军联合研制的新一代空间卫星导航定位系统军联合研制的新一代空间卫星导航定位系统 。其主。其主要目的是为陆、海、空三大领域提供实时、要目的是为陆、海、空三大领域提供实时、全天候全天候和全球性的导航服务，并用于情报收集、核爆监测和和全球性的导航服务，并用于情报收集、核爆监测和应急通讯等一些军事目的，是美国独霸全球战略的重应急通讯等一些军事目的，是美国独霸全球战略的重要组成。经过要组成。经过2020余年的研究实验，耗资余年的研究实验，耗资300300亿美元，亿美元，到到19941994年年3 3月，全球覆盖率高达月，全球覆盖率高达98%98%的的2424颗颗GPSGPS卫星星卫星星座己布设完成。座己布设完成。国家：美国国家：美国系统组成系统组成空间部分空间部分控制部分控制部分用户部分用户部分7GPSGPS全球定位系统全球定位系统拥有者拥有者美国美国发展简史发展简史全球卫星定位系统（全球卫星定位系统（GPSGPS）计划自）计划自19731973年起步，年起步，19781978年首次发年首次发射卫星，射卫星，19941994年完成年完成2424颗中高度圆轨道（颗中高度圆轨道（MEOMEO）卫星组网，共）卫星组网，共历时历时1616年、耗资年、耗资120120亿美元。至今，已先后发展了三代卫星。亿美元。至今，已先后发展了三代卫星。系统组成系统组成空间部分空间部分GPS星座；星座；地面控制部分地面控制部分地面监控系统；地面监控系统；用户设备部分用户设备部分GPS 信号接收机。信号接收机。8GPSGPS全球定位系统全球定位系统 系统组成系统组成空间部分GPS星座 卫星组成：24颗（21+3）距地表距离：20 200km 9GPSGPS全球定位系统全球定位系统 系统组成系统组成地面控制部分地面控制部分地面监控系统地面监控系统 1 个主控站（科罗拉多个主控站（科罗拉多斯平士）斯平士）5 个监测站个监测站 3 个注入站个注入站 10GPSGPS全球定位系统全球定位系统 系统组成系统组成用户设备部分用户设备部分GPS 信号接收机信号接收机 进口：天宝、徕卡、拓普康进口：天宝、徕卡、拓普康 中国：南方、华测、中海达中国：南方、华测、中海达11 1999 年1 月25 日美国副总统以文告形式发表了GPS 现代化的政策。随后美国军方和波音公司（GPS 系统主要制造者）发表的文章都阐明了GPS 现代化的内涵：一是保护（protection），即GPS 现代化是为了更好的保护美方及其友好方的使用，其主要措施是发展军码和强化军码的保密性能、加强抗干扰能力；二是阻止（prevention），即阻扰敌对方使用、施加干扰（SA，AS）等；三是保持（preservation）12GLONASSGLONASS全球定位系统全球定位系统拥有者拥有者俄罗斯俄罗斯发展简史发展简史由前苏联从由前苏联从8080年代初开始建设现在由俄罗斯空间年代初开始建设现在由俄罗斯空间局管理。目前因经济问题，星座中卫星缺失太多，局管理。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。暂时不能连续实时定位。系统组成系统组成卫星星座卫星星座地面监测控制站地面监测控制站用户设备用户设备 重点解析数字：重点解析数字：22 16 18 2422 16 18 2413伽利略（伽利略（GALILEOGALILEO）全球定位系统）全球定位系统拥有者拥有者欧盟，中国参与欧盟，中国参与发展简史发展简史GALILEOGALILEO系统是欧洲自主的、计划将于系统是欧洲自主的、计划将于20082008年完成，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 系统组成系统组成GALILEOGALILEO系统由系统由3030颗卫星组成，其中颗卫星组成，其中2727颗工作星，颗工作星，3 3颗备份星。卫星分布在颗备份星。卫星分布在3 3个中地球轨道（个中地球轨道（MEOMEO）上，轨）上，轨道高度为道高度为2361623616千米，轨道倾角千米，轨道倾角5656度。每个轨道上部度。每个轨道上部署署9 9颗工作星和颗工作星和1 1颗备份星。颗备份星。重点：重点：27 2 27 2 14中国北斗定位系统（中国北斗定位系统（COMPASS）北斗卫星导航系统概念北斗卫星导航系统发展蓝图北斗卫星导航系统发展现状15中国北斗定位系统（中国北斗定位系统（COMPASS）拥有者中国发展简史 北斗一代：2000年10月31日，2000年12月21日，2003年5月25日分别发射了卫星（3颗）北斗二代：2007年4月14日，2009年4月15日，2010年1月17日，2010年6月02日，2010年8月1日 发射了5颗中国的（5颗）系统组成“北斗二代”卫星导航系统空间段由5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星组成。16中国北斗定位系统（COMPASS17 发展路线图发展路线图北斗卫星导航系统按照三步走的总体规划分步实施：第一步，1994年启动北斗卫星导航试验系统建设，2000年形成区域有源服务能力；第二步，2004年启动北斗卫星导航系统建设，2012年形成区域无源服务能力；第三步，2020年北斗卫星导航系统形成全球无源服务能力。18发展路线图发展路线图19发展中发展中需完成的三大任务:关键技术攻关与试验工程建设应用推广与产业化20发展中发展中需完成的三大任务:关键技术攻关与试验主要任务：主要任务：满足工程建设与应用产业化需求；深化基础研究与前沿技术研究，带动相关原材料、元器件等基础工业生产能力的整体提高，推动航空、通信、电子、测绘、地质、水文、天文等科技领域的持续发展。21发展中发展中需完成的三大任务:关键技术攻关与试验主要内容：探索卫星导航领域前沿理论、方法和体制，突破星座设计、信号体制、精密定轨与时间同步、时间频率体系、系统安全、差分与系统完好性、星间链路与自主导航、系统过渡与替换、长寿命与高可靠、星地一体系统控制与管理、导航卫星专用平台、一箭多星发射组网、关键元器件部件国产化等多项关键技术，开展地面和星地综合试验，全面突破核心关键技术。22发展中发展中需完成的三大任务:工程建设主要任务：主要任务：研制生产5颗GEO卫星和30颗Non-GEO卫星，在西昌卫星发射中心用CZ-3A系列运载火箭发射共35颗卫星，西安卫星测控中心提供卫星发射组网与运行测控支持。2012年形成区域无源服务能力 2020年形成全球无源服务能力23发展中发展中需完成的三大任务:工程建设系统组成：空间段：由5颗GEO卫星和30颗Non-GEO卫星组成Non-GEO 卫星GEO 卫星星座星座24系统组成：地面段：由由主控站主控站、上上行注入站行注入站和和监测站监测站组成组成发展中发展中需完成的三大任务:工程建设北斗系统地面段25系统组成：用户段：由北斗用户终端以及与其它由北斗用户终端以及与其它GNSS兼容的终端兼容的终端组成组成发展中发展中需完成的三大任务:工程建设北斗系统的用户终端26 信号特征 工作频段 B1:1559.0521591.788MHz B2:1166.221217.37MHz B3:1250.6181286.423MHz时间星座 信号（实际发射）2012年5GEO+5IGSO+4MEO区域服务2020年5GEO+3IGSO+27MEO全球服务发展中发展中需完成的三大任务:工程建设27信号特征 服务信号：区域服务信号信号中心频点(MHz)码速率(cps)带宽(MHz)调制方式服务类型B1(I)1561.0982.0464.092QPSK开放B1(Q)2.046授权B2(I)1207.142.04624QPSK开放B2(Q)10.23授权B31268.5210.2324QPSK授权发展中发展中需完成的三大任务:工程建设28信号中心频点(MHz)码速率(cps)数据/符号速率(bps/sps)调制方式服务类型B1-CD1575.421.02350/100MBOC(6,1,1/11)开放B1-CPNoB1-A2.04650/100BOC（14，2）授权NoB2aD1191.79510.2325/50AltBOC(15,10)开放B2aPNoB2bD50/100B2bPNoB31268.5210.23500bpsQPSK(10)授权B3-AD2.557550/100BOC(15,2.5)授权B3-APNo信号特征 服务信号：全球服务信号发展中发展中需完成的三大任务:工程建设29坐标系统：北斗系统采用中国2000大地坐标系（CGS2000）。CGS2000与国际地球参考框架ITRF的一致性约为5个厘米。发展中发展中需完成的三大任务:工程建设30发展中发展中需完成的三大任务:工程建设服务和性能：全球服务 开放服务：定位精度:10 m测速精度:0.2 m/s授时精度:20 ns 授权服务 区域服务 广域差分服务定位精度:1 m 短报文通信服务31发展中发展中需完成的三大任务:应用推广与产业化主要任务：主要任务：促进应用开发和北斗产业化，为实现北斗卫星导航产业发展提供支撑。2020年，实现卫星导航年产值4000亿元的目标。32发展中发展中需完成的三大任务:组织实施：国家有关部门联合成立了中国第二代卫星导航系统专项管理办公室，按照“坚持效益目标、坚持自主创新、坚持质量至上、坚持科学决策”的原则，对北斗卫星导航系统建设、应用推广与产业化实施专项管理；成立了以孙家栋院士为主任的专家委员会，充分发挥专家作用，实现科学民主决策。33北斗卫星导航系统发展现状北斗卫星导航系统发展现状1关键技术2系统建设3应用推广4国际合作341 1、关键技术、关键技术 经过艰苦攻关，已初步突破星载原子钟、高精度伪距测量、精密定轨与时间同步等一系列卫星导航系统核心关键技术。35建成北斗卫星导航试验系统北斗卫星导航系统进入星座组网阶段2 2、系统建设、系统建设36 2000年分别发射北斗卫星导航试验系统第一颗、第二颗卫星，2003年发射第三颗卫星，建成区域有源卫星导航系统，使我国成为世界上第三个拥有自主卫星导航系统的国家。该系统可为我国及周边地区的中低动态用户提供快速定位、短报文通信和授时服务。建成北斗卫星导航试验系统2 2、系统建设、系统建设372000年10月31日140E2000年12月21日80E2003年5月25日110.5E建成北斗卫星导航试验系统2 2、系统建设、系统建设38建成北斗卫星导航系统2 2、系统建设、系统建设394041 2004年，启动北斗卫星导航系统建设工作。目前，工程建设已进入星座组网阶段，已成 功发射5颗卫星。北斗卫星导航系统进入星座组网阶段2 2、系统建设、系统建设42 2003年北斗卫星导航试验系统正式提供服务以来，在交通、渔业、水文、气象、林业、通信、电力、救援等诸多领域得到广泛应用，注册用户已达6万，产生了显著的社会效益和经济效益。（主要是海南等地的渔业和军事）3 3、应用推广、应用推广43交通运输交通运输 基于北斗系统的“新疆公众交通卫星监控系统”、“公路基础设施安全监控系统”、“港口高精度实时定位调度监控系统”高铁等应用推广工作，取得了良好的示范效果。3 3、应用推广、应用推广44海洋渔业海洋渔业 基于北斗系统的海洋渔业综合信息服务平台，实现了向渔业管理部门提供船位监控、紧急救援、信息发布、渔船出入港管理等服务。3 3、应用推广、应用推广基于北斗系统的海洋渔业综合信息服务网络海洋渔业应用分布 45水利水利 基于北斗系统的水文监测系统，实现了多山地域水文测报信息的实时传输，大大提高了灾情预报的准确性，为制定防洪抗旱调度方案提供重要的保障。3 3、应用推广、应用推广46气象气象 研制成功了一系列气象测报型北斗终端设备，提出了实用可行的系统应用解决方案，解决了国家气象局和各地气象中心气象站的数字报文自动传输和可视化问题。3 3、应用推广、应用推广基于北斗的高原地区气象监测站 基于北斗的珠峰气象监测站47林业林业 基于北斗的森林防火系统已成功用于实战，目前已经配备700多台套。3 3、应用推广、应用推广48通信 成功开展了北斗/GPS双模授时应用示范，突破了光纤拉远、抗干扰螺旋天线等关键技术，研发了一体化卫星授时系统。3 3、应用推广、应用推广TD-SCDMATD-SCDMA抗干扰螺旋天线抗干扰螺旋天线北斗/GPS光纤拉远授时示意图49电力 成功开展了基于北斗系统的电力时间同步应用示范，为电力事故分析、电力预警系统、保护系统等高精度时间应用创造了条件。3 3、应用推广、应用推广北斗/GPS高精度电力授时服务器50救援 基于北斗系统的导航定位、短报文通信以及位置报告功能，提供全国范围的实时救灾指挥调度、应急通信、灾情信息快速上报与共享等服务，极大地提高了灾害应急救援的快速反应能力和决策能力。3 3、应用推广、应用推广减灾中心工作人员在玉树现场利用北斗用户机报告灾情汶川地震救灾现场51北斗的仪器52 广泛开展国际交流与合作，积极参加ICG（全球导航卫星系统国际委员会）、ITU（国际电联）、中欧伽利略合作、国际卫星导航领域会议等，推动频率协调、兼容与互操作等有关工作，目前，北斗卫星导航系统已成为ICG认可的四大核心供应商之一，跻身于卫星导航国际舞台。4 4、国际合作、国际合作534 4、国际合作、国际合作54北斗卫星战略示意图55GNSS未来发展趋势向多系统组合式导航方向发展与惯性导航、无线电导航技术相结合 向差分导航方向发展 20202020年年GPSGPS3636颗颗GLONASSGLONASS3030颗颗北斗北斗3535颗颗GALILEOGALILEO3030颗颗56 二 GNSS在测绘行业中的应用57GNSSGNSS应用的领域应用的领域 军事、测绘、国土、航空航天、军事、测绘、国土、航空航天、科研、地质、林业、农业、科研、地质、林业、农业、电力、水利、交通、环保、电力、水利、交通、环保、气象、地震、石油、物探、气象、地震、石油、物探、通讯、海洋、城建、医疗、通讯、海洋、城建、医疗、消防、教育、煤炭、邮电、消防、教育、煤炭、邮电、58GNSSGNSS应用于测绘行业应用于测绘行业 意义与优势意义与优势 GNSS技术给测绘界带来了一场革命。利用载波相位差分技术（RTK），在实时处理两个观测站的载波相位的基础上，可以达到厘米级的精度。优势优势:测量精度高;操作简便，仪器体积小，便于携带;全天候操作;观测点之间无须通视;测量结果统一在WGS84坐标下，信息自动接收 存储，减少繁琐的中间处理环节。59GNSSGNSS应用于测绘行业应用于测绘行业 涉及的测绘范围涉及的测绘范围各种等级的大地测量控制测量道路和各种线路放样地籍测量水下地形测量遥感实时全天候地壳形变测量，大坝和大型建筑物变形监测60GNSSGNSS应用于测绘行业应用于测绘行业 常规常规RTKRTK模式模式RTK（Real-time kinematic）是一种基于高精度载波相位观测值的实时动态差分定位技术GNSS ：现在有双星系统61GNSS应用于测绘行业 RTK模式62常规常规RTKRTK模式模式 优点：！缺点：！重点：50km（李征航老师）63GNSSGNSS应用于测绘行业应用于测绘行业 网络网络RTKRTK模式模式 概念：网络RTK又名“连续运行参考站系统（CORS）”是利GNSS 卫星导航定位、计算机、数据通信和互联网络（LAN/WAN）等技术，在一个城市、一个地区或一个国家根据需求按一定距离建立长年连续运行的若干个固定GNSS 基准站组成的网络系统64网络网络CORSCORS相对于传统相对于传统RTKRTK的优势的优势提高作业区域的精度一致性，降低系统误差、提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；高外业数据质量；提高生产效率，单人测量系统成为提高生产效率，单人测量系统成为GNSSGNSS主流作业主流作业模式模式解决了重复的参数求取解决了重复的参数求取提供了数据完整性监控提供了数据完整性监控65GNSSGNSS应用于测绘行业应用于测绘行业 网络网络RTKRTK模式模式组成：1、基准站网（一个基准站网可以包括若干个基准站，每个基准站上配备有双频全波长GNSS接收机、数据通讯设备和气象仪器等）2、数据处理中心 3、数据通信链路 4、用户部分组成。66网络RTK系统图67GNSSGNSS应用于测绘行业应用于测绘行业 网络网络RTKRTK模式模式在国内的建设情况：1）国家测绘局从1993 年开始着手建立国内永久性 GPS 跟踪站2）中国地壳运动观测网络3）香港地政署在香港建立13 个GPS 永久跟踪站，4）深圳连续运行卫星定位服务系统。5）北京市 上海市 武汉市 兰州市 南京市 广州市 河北省 ！等68现有的网络现有的网络CORSCORS技术技术 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（虚拟参考站（VRSVRS，Virtual Reference Virtual Reference StationStation）区域改正参数（区域改正参数（FKPFKP，Flchen-Korrektur-Flchen-Korrektur-ParameterParameter）主辅站技术（主辅站技术（MAXMAX，Master-Auxiliary Master-Auxiliary Corrections Corrections）-网络参考站系统（网络参考站系统（NRSNRS，NET Reference Station NET Reference Station）69虚拟参考站技术虚拟参考站技术(VRS)(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70VRSVRS特点特点全网电离层，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 71区域改正参数技术（区域改正参数技术（FKPFKP）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。72区域改正参数技术（区域改正参数技术（FKPFKP）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。73主辅站技术（主辅站技术（MAXMAX）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 10141017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74GNSS GNSS 测绘产品制造商测绘产品制造商美国天宝集团（兼并了德国蔡司、瑞典捷创力，日本美国天宝集团（兼并了德国蔡司、瑞典捷创力，日本尼康测量部尼康测量部）海克斯康集团（加拿大诺瓦泰与瑞士徕卡）海克斯康集团（加拿大诺瓦泰与瑞士徕卡）日本东芝集团日本东芝集团 （日本拓普康、索佳、美国加瓦特）（日本拓普康、索佳、美国加瓦特）美国麦哲伦（兼并了美国阿士泰克和法国塞色尔）美国麦哲伦（兼并了美国阿士泰克和法国塞色尔）上海华测导航技术有限公司上海华测导航技术有限公司广州南方测绘仪器有限公司广州南方测绘仪器有限公司广州中海达导航有限公司广州中海达导航有限公司 75 推荐几本书和电影书：细节决定成败 世界是平的 不找任何借口 把信送给加西亚 电影：当幸福来敲门 美丽心灵 辛德勒的名单76 谢谢！水平有限难免有错误，望批评指正！77