测绘学概论-第八讲-全球卫星定位导航技术数字地球课件(1).ppt

1、全球卫星定位导航技术全球卫星定位导航技术数字地球数字地球 v 定位与导航技术概述定位与导航技术概述 v 全球卫星定位系统的工作原理和使用方法全球卫星定位系统的工作原理和使用方法 v GPS卫星定位导航系统的应用卫星定位导航系统的应用v 数字地球概述数字地球概述 目目 录录定位与导航的概念定位与导航的概念q定位定位 从测绘的意义上说，定位就是测量和表达某一地表特征、从测绘的意义上说，定位就是测量和表达某一地表特征、事件或目标发生在什么空间位置的理论和技术。事件或目标发生在什么空间位置的理论和技术。从广义和现代意义上来说，定位就是测量和表达信息、从广义和现代意义上来说，定位就是测量和表达信息、事件

2、或目标发生在什么时间、什么相关的空间位置的理事件或目标发生在什么时间、什么相关的空间位置的理论方法与技术。论方法与技术。我们这里的定位含义，仍然是讨论中观和宏观世界里有我们这里的定位含义，仍然是讨论中观和宏观世界里有关信息、事件和目标的发生时间和空间位置的确定。关信息、事件和目标的发生时间和空间位置的确定。q导航导航 指运动目标，通常是指运载工具如飞船、飞机、船舶、指运动目标，通常是指运载工具如飞船、飞机、船舶、汽车、运载武器等的实时动态定位即三维位置、速度和汽车、运载武器等的实时动态定位即三维位置、速度和包括航向偏转、纵向摇摆、横向摇摆三个角度的姿态的包括航向偏转、纵向摇摆、横向摇摆三个角度

3、的姿态的确定。确定。定位与导航技术概述定位与导航技术概述 定位需求与技术的发展过程定位需求与技术的发展过程绝对定位方式与相对定位方式绝对定位方式与相对定位方式 q绝对定位：直接确定信息、事件和目标相对于参考坐标系统绝对定位：直接确定信息、事件和目标相对于参考坐标系统的坐标位置测量。的坐标位置测量。q相对定位：确定信息、事件和目标相对于坐标系统内另一已相对定位：确定信息、事件和目标相对于坐标系统内另一已知或相关的信息、事件和目标的坐标位置关系。知或相关的信息、事件和目标的坐标位置关系。DXYZ(X1,Y1,Z1)(X2,Y2,Z2)RadarZYX(X0,Y0,Z0)212121cos sinc

4、os cossinxxyyDzz 相相对对定定位位的的例例子子：目目标标的的雷雷达达定定位位 绝对定位绝对定位相对定位相对定位定位与导航的方法和技术定位与导航的方法和技术 q天文定位与导航技术天文定位与导航技术 q常规大地测量定位技术常规大地测量定位技术 q惯性导航定位技术惯性导航定位技术 q无线电导航定位技术无线电导航定位技术 q卫星导航定位技术卫星导航定位技术 全球卫星定位系统的工作原理全球卫星定位系统的工作原理和使用方法和使用方法全球卫星定位系统的工作原理和使用方法全球卫星定位系统的工作原理和使用方法工作原理及系统组成工作原理及系统组成q工作原理工作原理 卫星定位系统都是利用在空间飞行的

5、卫星不断向地面广卫星定位系统都是利用在空间飞行的卫星不断向地面广播发送某种频率并加载了某些特殊定位信息的无线电信播发送某种频率并加载了某些特殊定位信息的无线电信号来实现定位测量的定位系统。号来实现定位测量的定位系统。q系统组成系统组成 空间运行的卫星星座：发送某种时间信号、测距信号和空间运行的卫星星座：发送某种时间信号、测距信号和卫星的瞬时坐标位置信号。卫星的瞬时坐标位置信号。地面控制部分：精确测定卫星的轨道坐标、时钟差异，地面控制部分：精确测定卫星的轨道坐标、时钟差异，确定系统运行状态，并向卫星注入新的卫星轨道坐标，确定系统运行状态，并向卫星注入新的卫星轨道坐标，进行必要的卫星轨道纠正等。进

6、行必要的卫星轨道纠正等。用户部分：接收卫星广播发送的多种信号并进行处理计用户部分：接收卫星广播发送的多种信号并进行处理计算确定用户的最终位置。算确定用户的最终位置。全球卫星定位系统的工作原理和使用方法全球卫星定位系统的工作原理和使用方法卫星定位系统的三大部分卫星定位系统的三大部分 空间飞行的空间飞行的 GPS 卫星卫星 全球卫星定位系统的工作原理和使用方法全球卫星定位系统的工作原理和使用方法全球导航卫星系统全球导航卫星系统q定义定义 具有全球导航定位能力的卫星定位导航系统称为具有全球导航定位能力的卫星定位导航系统称为全球导航卫星系统，英文全称为全球导航卫星系统，英文全称为Global Navi

7、gation Satellite System，简称为，简称为GNSS。q实际系统实际系统 美国的全球卫星定位系统（美国的全球卫星定位系统（GPS）俄罗斯的全球卫星导航系统俄罗斯的全球卫星导航系统GLONASS 因经济问题，星座中卫星缺失太多，暂时不能连续实时因经济问题，星座中卫星缺失太多，暂时不能连续实时定位。定位。正在发展研究的有欧盟的正在发展研究的有欧盟的GALILEO系统系统 中国北斗卫星导航广域增强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。实现中国及其周边海域的区域定位导航系统。各种类型的各种类型的 GPS 用户接收机用户接收机 GPS全球定位系统全球

8、定位系统q拥有者拥有者 美国美国 q发展简史发展简史 全球卫星定位系统（全球卫星定位系统（GPS）计）计划自划自1973年起步，年起步，1978年首年首次发射卫星，次发射卫星，1994年完成年完成24颗中高度圆轨道（颗中高度圆轨道（MEO）卫星）卫星组网，共历时组网，共历时16年、耗资年、耗资120亿美元。至今，已先后发展了亿美元。至今，已先后发展了三代卫星。三代卫星。q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 全球卫星定位系统的工作原理和使用方法全球卫星定位系统的工作原理和使用方法GLONASS全球定位系统全球定位系统q拥有者拥有者 俄罗斯俄罗斯 q发展简史发展

9、简史 由前苏联从由前苏联从80年代初开始建设的与美国年代初开始建设的与美国GPS系统相类似系统相类似的卫星定位系统，现在由俄罗斯空间局管理。的卫星定位系统，现在由俄罗斯空间局管理。GLONASS的整体结构类似于的整体结构类似于GPS系统，其主要不同之处在于星座设系统，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。计和信号载波频率和卫星识别方法的设计不同。q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 用户设备用户设备全球卫星定位系统的工作原理和使用方法全球卫星定位系统的工作原理和使用方法Galileo 系统星座系统星座 伽利略（伽利略（GALILEO）全

10、球定位系统）全球定位系统q拥有者拥有者 欧盟欧盟 q发展简史发展简史 GALILEO系统是欧洲自主的、独立的全球多模式卫星定系统是欧洲自主的、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，计划将于实现完全非军方控制、管理，计划将于2008年完成。可与年完成。可与美国的美国的GPS和俄罗斯的和俄罗斯的GLONASS兼容，但比后两者更安兼容，但比后两者更安全、更准确，全、更准确，q系统组成系统组成 GALILEO系统由系统由30颗卫星组成，其中颗卫星组成，其中27颗工作星，颗工作星，3颗备颗备份星

11、。卫星分布在份星。卫星分布在3个中地球轨道（个中地球轨道（MEO）上，轨道高度）上，轨道高度为为23616千米，轨道倾角千米，轨道倾角56度。每个轨道上部署度。每个轨道上部署9颗工作星颗工作星和和1颗备份星颗备份星。全球卫星定位系统的工作原理和使用方法全球卫星定位系统的工作原理和使用方法全球卫星定位系统的工作原理和使用方法全球卫星定位系统的工作原理和使用方法GNSS卫星定位的定位精度卫星定位的定位精度q用用GPS技术可以同时实现三维定位与接收机时间的定时。技术可以同时实现三维定位与接收机时间的定时。q利用利用C/A码进行实时绝对定位，各坐标分量精度在码进行实时绝对定位，各坐标分量精度在5-10

12、m左右，三维综合精度在左右，三维综合精度在15-30m左右；左右；q利用军用利用军用P码进行实时绝对定位，各坐标分量精度在码进行实时绝对定位，各坐标分量精度在1-3m左右，三维综合精度在左右，三维综合精度在3-6m左右；左右；q利用相位观测值进行绝对定位技术比较复杂，目前其实利用相位观测值进行绝对定位技术比较复杂，目前其实时或准实时各坐标分量的精度在时或准实时各坐标分量的精度在0.1-0.3m左右，事后左右，事后24小时连续定位三维精度可达小时连续定位三维精度可达2-3cm左右。左右。GNSS卫星定位的主要误差来源卫星定位的主要误差来源 q与卫星相关的误差与卫星相关的误差 轨道误差、卫星误差、

13、卫星几何中心与相位轨道误差、卫星误差、卫星几何中心与相位中心偏差中心偏差 q与接收机相关的误差与接收机相关的误差 接收机安置误差、接收机钟差、接收机信道接收机安置误差、接收机钟差、接收机信道误差、多路径误差、观测量误差误差、多路径误差、观测量误差 q与大气传输有关的误差与大气传输有关的误差 电离层误差、对流层误差电离层误差、对流层误差全球卫星定位系统的工作原理和使用方法全球卫星定位系统的工作原理和使用方法GNSS相对定位原理相对定位原理 GNSS卫星相对定位原理和方法卫星相对定位原理和方法全球卫星定位系统的工作原理和使用方法全球卫星定位系统的工作原理和使用方法全球卫星定位系统的工作原理和使用方

14、法全球卫星定位系统的工作原理和使用方法相对定位的方式相对定位的方式全球卫星定位系统的工作原理和使用方法全球卫星定位系统的工作原理和使用方法相对定位的方式相对定位的方式全球卫星定位系统的工作原理和使用方法全球卫星定位系统的工作原理和使用方法GPS技术的最新进展技术的最新进展 qGPS现代化计划现代化计划 q精密单点定位技术精密单点定位技术 q网络网络 RTK定位技术定位技术 q广域差分广域差分GPS系统系统全球卫星定位系统的工作原理和使用方法全球卫星定位系统的工作原理和使用方法GPS现代化计划现代化计划q保护保护 采用一系列措施保护采用一系列措施保护GPS系统不受敌方和黑客的干扰，系统不受敌方和

15、黑客的干扰，增加增加GPS军用信号的抗干扰能力，其中包括增加军用信号的抗干扰能力，其中包括增加GPS的军的军用无线电信号的强度。用无线电信号的强度。q阻止阻止 阻止敌方利用阻止敌方利用GPS的军用信号。设计新的的军用信号。设计新的GPS卫星型号卫星型号（F），设计新的），设计新的GPS信号结构，增加频道，将民用频信号结构，增加频道，将民用频道道L1、L2、L5(1.17645GHz)和军用频道和军用频道L3、L4分开。分开。q改善改善 改善改善GPS定位和导航的精度，在定位和导航的精度，在GPSF卫星中增加两个卫星中增加两个新的民用频道，即在新的民用频道，即在L2中增加中增加CA码（码（200

16、5年），另增年），另增L5民用频道（民用频道（2007年）。年）。Block IIRBlock II/IIAGPS现代化现代化全球卫星定位系统的工作原理和使用方法全球卫星定位系统的工作原理和使用方法全球卫星定位系统的工作原理和使用方法全球卫星定位系统的工作原理和使用方法精密单点定位技术精密单点定位技术qPrecise Point Positioning，简称为，简称为PPP。q原理原理 利用这种预报的利用这种预报的GPS卫星的精密星历或事后的精密星历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密卫

17、星钟差来替代用户GPS定位观测值方程中的卫星钟定位观测值方程中的卫星钟差参数；用户利用单台差参数；用户利用单台GPS双频双码接收机的观测数据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级的精度进行实时动态定位或以2-4cm级的精度进级的精度进行较快速的静态定位行较快速的静态定位 q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，也是关键技术，也是GPS定位方面的前沿研究方向。定位方面的前沿研究方向。基于基于PANDAPAND

18、A软件的全球性精密单点定位软件的全球性精密单点定位作为流动站实现PPP定位作为基准站获取钟差HARBHARBWUHNWUHNKELYKELYALBHALBHKARRKARRGPS卫星固定为卫星固定为PANDA软件单天解的预报轨道，利用全球软件单天解的预报轨道，利用全球35个基准个基准站获取精密钟差；实现全球任意一点的精密动态单点定位。站获取精密钟差；实现全球任意一点的精密动态单点定位。如果能实如果能实时获取全球时获取全球30-40个基准站的数据利用个基准站的数据利用PANDA软件可以为全球任意位置提供软件可以为全球任意位置提供水平水平10cm左右，垂直左右，垂直20cm左右左右的精密单点定位服

19、务。的精密单点定位服务。全球卫星定位系统的工作原理和使用方法全球卫星定位系统的工作原理和使用方法网络网络 RTK定位技术定位技术q工作原理工作原理 网络网络RTK也叫多基准站也叫多基准站RTK。网络。网络RTK就是在一定区就是在一定区域内建立多个（一般为三个或三个以上）坐标为已知域内建立多个（一般为三个或三个以上）坐标为已知的的GPS基准站，对该地区构成网状覆盖，并以这些基基准站，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，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。对该地区内的卫星定位用户进行实时改正的定位方

20、式。q特点特点 覆盖面广，定位精度高，可靠性高，可实时提供厘米覆盖面广，定位精度高，可靠性高，可实时提供厘米级定位。级定位。q我国已经建成的深圳市连续运行卫星定位服务系统就是网我国已经建成的深圳市连续运行卫星定位服务系统就是网络络RTK技术的实现。技术的实现。全球卫星定位系统的工作原理和使用方法全球卫星定位系统的工作原理和使用方法网络网络 RTK定位技术定位技术 网络网络RTK 全球卫星定位系统的工作原理和使用方法全球卫星定位系统的工作原理和使用方法网络网络 RTK定位技术定位技术GPS RTK实时定位实例实时定位实例全球卫星定位系统的工作原理和使用方法全球卫星定位系统的工作原理和使用方法高精

21、密测量高精密测量 控制测量：静态方式、动态方式控制测量：静态方式、动态方式 大比例尺测图大比例尺测图 施工放样施工放样 GIS数据采集：后处理方式、实时方式数据采集：后处理方式、实时方式测绘类应用测绘类应用普通型基准站基岩型基准站可选站系统管理中心汕头汕尾阳江茂名湛江徐闻罗定云浮肇庆韶关从化增城麻涌番禺顺德南沙惠州石排海丰陆丰梅州潮州揭阳普宁惠来南澳饶平三水惠阳杨村龙川开平金湾北兴珠海中山江门斗门花都佛山高明连州清远东莞长安珠江三角洲18个惠东塘厦河源广东省广东省CORSq测站数测站数 q31 永久站永久站 q定位模式：定位模式：Network RTK q精度精度 q 5cm in Horiz

22、ontal q 8.0 MongoliaJapanIndia中国大陆活动构造中国大陆活动构造BeijingShanghaiHong KongLhasaMongoliaIndiaPacific Ocean中国地壳运动观测网络(CMONOC)基本站.区域站.基准站 LEGEND l5555个年度复测个年度复测GPSGPS观测站，辅之相对观测站，辅之相对重力、水准重力、水准l主要功能：主要功能：l获取中国大陆各构获取中国大陆各构造块体的整体运动造块体的整体运动图像图像GPS卫星定位导航系统的应用卫星定位导航系统的应用 qGPS精密定位在大气层气象参数确定精密定位在大气层气象参数确定和灾害天气预报中的

23、应用和灾害天气预报中的应用 GPS气象学（气象学（GPS/MET eorology,简写为简写为GPS/MET）：利用）：利用GPS理理论和技术来遥感地球大气，进行论和技术来遥感地球大气，进行气象学的理论和方法研究，如测气象学的理论和方法研究，如测定大气温度及水汽含量，监测气定大气温度及水汽含量，监测气候变化等。候变化等。地基地基GPSGPS大气探测大气探测GPS卫星定位导航系统的应用卫星定位导航系统的应用 GPS定位技术在工程技术中的应用定位技术在工程技术中的应用q全球和国家大地控制网的建设全球和国家大地控制网的建设 q工程施工测量、精密监测中的应用工程施工测量、精密监测中的应用 q在通信工

24、程、电力工程中的应用（时间）在通信工程、电力工程中的应用（时间）q在交通、监控、智能交通中的应用在交通、监控、智能交通中的应用 q在测绘中的应用在测绘中的应用 q海陆空运动载体（车、船、飞机）导航海陆空运动载体（车、船、飞机）导航 国家高精度GPS网 国家高精度GPS网13GPS1GPS2GPS3GPS7大坝外观变形大坝外观变形GPSGPS自动化监测系统自动化监测系统飞机导航飞机导航 车辆监控系统车辆监控系统 在测绘中的应用在测绘中的应用GPS卫星定位导航系统的应用卫星定位导航系统的应用 GPS卫星定位导航系统的应用卫星定位导航系统的应用 大桥安全监测大桥安全监测高层建筑物高层建筑物“风动风动

25、”和沉降监测和沉降监测海底电缆铺设海底电缆铺设GPS卫星定位导航系统的应用卫星定位导航系统的应用 GPS定位技术在军事技术中的应用定位技术在军事技术中的应用 q低空遥感卫星定轨低空遥感卫星定轨 q飞机、火箭的实时位置、轨迹确定飞机、火箭的实时位置、轨迹确定 q战场的精密武器时间同步协调指挥战场的精密武器时间同步协调指挥火炮瞄准火炮瞄准 卫星定轨卫星定轨 飞机、战车、火箭的定位导航飞机、战车、火箭的定位导航 GPS卫星定位导航系统的应用卫星定位导航系统的应用 GPS定位技术在其它领域的应用定位技术在其它领域的应用q在娱乐消遣、体育运动中的应用在娱乐消遣、体育运动中的应用 q动物跟踪动物跟踪 qG

26、PS用于精细农业用于精细农业 GPS手表手表 动物跟踪动物跟踪 农业农业GPS用于精细农业用于精细农业可可乐乐罐型罐型GPSGPS手手机机GPSGPS导航仪导航仪一般手提GPS接收器一般手提GPS接收器 US$100-400 定位精度7-30米掌上电脑与GPS的结合二十世纪后半叶影响人类发展的三大信息技术二十世纪后半叶影响人类发展的三大信息技术 计算机计算机,互联网互联网,全球卫星导航系统全球卫星导航系统(GNSS)三大技术是实现制天权和制信息权的基础三大技术是实现制天权和制信息权的基础 GNSS是同时实现制天权和制信息权的关键是同时实现制天权和制信息权的关键 GNSS是国家空间信息的重要基础

27、设施是国家空间信息的重要基础设施 GNSS为各种信息、目标和事件同时提供时间和空间属性为各种信息、目标和事件同时提供时间和空间属性 GNSS是推动产业发展和社会信息化的动力是推动产业发展和社会信息化的动力 GNSS是现代国家科技和军事核心竞争力的标志是现代国家科技和军事核心竞争力的标志 室内定位技术室内定位技术背景背景 qGPS信号不能覆盖室内环境；信号不能覆盖室内环境；q人类的活动大部份在室内人类的活动大部份在室内;q很多应用需要精确的室内定位。很多应用需要精确的室内定位。室内定位的需求室内定位的需求q不间断的车载导航和车辆跟踪不间断的车载导航和车辆跟踪;q公共安全与救援公共安全与救援;q物

28、流、人员与物件管理；物流、人员与物件管理；q移动通信增值服务移动通信增值服务;q大型精密设备的组装；自动生产线；大型精密设备的组装；自动生产线；q定位精度要求：定位精度要求：0.1mm 到到10m。室内定位技术方法室内定位技术方法 q基于激光、红外和超声波的室内定位基于激光、红外和超声波的室内定位;q基于导航卫星信号转发的室内定位基于导航卫星信号转发的室内定位;q基于移动基站网络的室内定位基于移动基站网络的室内定位;q基于其他无线网络的室内定位基于其他无线网络的室内定位 q射频标签射频标签(RFID)技术技术 全球卫星导航定位技术已发展成多领域（陆地、全球卫星导航定位技术已发展成多领域（陆地、

29、海洋、航空航天）、多模式（静态、动态、海洋、航空航天）、多模式（静态、动态、RTKRTK、广、广域差分等）、多用途（在途导航、精密定位、精确定域差分等）、多用途（在途导航、精密定位、精确定时、卫星定轨、时、卫星定轨、灾害监测、资源调查、工程建设、灾害监测、资源调查、工程建设、市政规划、海洋开发、交通管制等）、多机型（测地市政规划、海洋开发、交通管制等）、多机型（测地型、定时型、手持型、集成型、车载式、船载式、机型、定时型、手持型、集成型、车载式、船载式、机载式、星载式、弹载式等）的高新技术国际性产业。载式、星载式、弹载式等）的高新技术国际性产业。全球卫星导航定位技术的应用领域，上至航空航天，全球卫星导航定位技术的应用领域，上至航空航天，下至捕鱼、导游和农业生产，已经无所不在了，正如下至捕鱼、导游和农业生产，已经无所不在了，正如人们所说的人们所说的“GPSGPS的应用，仅受人类想象力的制约的应用，仅受人类想象力的制约”。GNSS 总 结作业题目作业题目1、GNSS和和GPS全中文和英文名全中文和英文名称？并阐述二者区别和联系？称？并阐述二者区别和联系？GPS定位技术应用在那些方面？定位技术应用在那些方面？2、如何理解数字地球？国内发展、如何理解数字地球？国内发展现状？有何应用？现状？有何应用？