測量GNSS技術(shù)的發(fā)展與未來郭四清課件

GPS定位技術(shù)及應(yīng)用GNSS技術(shù)的最新進(jìn)展及2000坐標(biāo)系簡介

全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）定義具有全球?qū)Ш蕉ㄎ荒芰Φ男l(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)稱為全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，英文全稱為GlobalNavigationSatelliteSystem，簡稱為GNSS。實(shí)際系統(tǒng)美國的全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GPS）俄羅斯的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)GLONASS正在發(fā)展研究的有歐盟的GALILEO系統(tǒng)中國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航廣域增強(qiáng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)中國及其周邊海域的區(qū)域定位導(dǎo)航系統(tǒng)。GPS全球定位系統(tǒng)擁有者美國發(fā)展簡史全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GPS）計劃自1973年起步，1978年首次發(fā)射衛(wèi)星，1994年完成24顆中高度圓軌道（MEO）衛(wèi)星組網(wǎng)，共歷時16年、耗資120億美元。至今，已先后發(fā)展了三代衛(wèi)星。系統(tǒng)組成空間部分控制部分用戶部分伽利略（GALILEO）全球定位系統(tǒng)擁有者歐盟，中國參與發(fā)展簡史GALILEO系統(tǒng)是歐洲自主的、獨(dú)立的全球多模式衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)，提供高精度、高可靠性的定位服務(wù)，同時它實(shí)現(xiàn)完全非軍方控制、管理，可與美國的GPS和俄羅斯的GLONASS兼容，但比后兩者更安全、更準(zhǔn)確。計劃將于2008年完成，但從目前的情況來看，整個系統(tǒng)的建立還是遙遙無期

系統(tǒng)組成GALILEO系統(tǒng)由30顆衛(wèi)星組成，其中27顆工作星，3顆備份星。衛(wèi)星分布在3個中地球軌道（MEO）上，軌道高度為23616千米，軌道傾角56度。每個軌道上部署9顆工作星和1顆備份星。中國北斗定位系統(tǒng)

由三顆地球同步軌道衛(wèi)星組成，投資較少不具備全球覆蓋能力，只能以地區(qū)為主。先發(fā)射衛(wèi)星，再進(jìn)行終端設(shè)備研發(fā)，不像GPS是軍民應(yīng)用一起開發(fā)。北斗系統(tǒng)需要接收機(jī)的返回信息，不像GPS屬于被動系統(tǒng)?！倍倍穼?dǎo)航系統(tǒng)“計劃包括4顆靜止星、12顆中軌星和9顆高軌星。原定2006年開始組網(wǎng)，2010年實(shí)現(xiàn)全球精確覆蓋。目前時間推遲了，真正實(shí)現(xiàn)還沒有時間表。GPS現(xiàn)代化GPS現(xiàn)代化計劃GPS將使用BlockIIRGPS衛(wèi)星，今后將陸續(xù)更新12顆衛(wèi)星，增強(qiáng)了信號的功率和種類兩種新型軍用信號，增強(qiáng)了加密和抗干擾能力增加一種民用信號，提供不同頻率上的公開信號在使用位置上可以直接校正電離層干擾，實(shí)現(xiàn)GPS服務(wù)更加準(zhǔn)確、有效、完整、可靠。新信號概述除了IIR衛(wèi)星，2005年還要發(fā)射波音IIF衛(wèi)星ⅡF批次衛(wèi)星除發(fā)射增強(qiáng)的L1、L2民用信號和M碼外，將在1176.45兆赫增加第3個民用信號（L5），位于960-1215MHZL2載波上增加的第二個民用信號是L2C，能補(bǔ)償大氣傳輸不穩(wěn)定性，提高民用導(dǎo)航精度到3-10米M碼采用新型的調(diào)制方法，和新一代加密技術(shù)，軍用和民用碼分離PPP技術(shù)

優(yōu)點(diǎn)處理非差碼與相位觀測值，可利用的觀測值多且不相關(guān)可估計位置、鐘差及對流層延遲等參數(shù)支持靜態(tài)模式和動態(tài)模式作業(yè)只要有通訊鏈路支持，可在全球范圍內(nèi)應(yīng)用直接得到ITRF框架坐標(biāo)關(guān)鍵技術(shù)及難點(diǎn)精密衛(wèi)星軌道及精密衛(wèi)星鐘差估計非差模糊度求解問題相對于雙差定位模式，非差定位誤差處理更為復(fù)雜

精密單點(diǎn)定位（3P）SBAS介紹SBAS差分模式介紹SBAS即SpaceBasedAugmentationSystem，是利用地球靜止軌道衛(wèi)星建立的地區(qū)性廣域差分增強(qiáng)系統(tǒng)（星站差分），系統(tǒng)通過衛(wèi)星向外廣播差分信號，地面上的GPS在接收GPS衛(wèi)星信號的同時，還接收這些差分信號，從而提高單機(jī)定位精度。隨著SBAS測量系統(tǒng)的不斷完善和定位精度的逐步提高，SBAS差分測量應(yīng)用越來越廣泛。SBAS即地區(qū)性廣域差分增強(qiáng)系統(tǒng)，可以為地區(qū)的差分接收系統(tǒng)提供持續(xù)不斷的數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)之上，發(fā)展了以接收SBAS信號為差分輸入源的GPS接收機(jī)。SBAS系統(tǒng)工作特點(diǎn)1、通過地球靜止衛(wèi)星（GEO）發(fā)布包括GPS衛(wèi)星星歷誤差改正、衛(wèi)星鐘差改正和電離層改的信息；2、通過GEO衛(wèi)星發(fā)播GPS和GEO衛(wèi)星完整的數(shù)據(jù)；3、GEO衛(wèi)星的導(dǎo)航載荷發(fā)射GPSL1測距信號。網(wǎng)絡(luò)

CORS技術(shù)網(wǎng)絡(luò)CORS技術(shù)工作原理網(wǎng)絡(luò)CORS就是在一定區(qū)域內(nèi)建立多個（一般為三個或三個以上）坐標(biāo)為已知的GNSS基準(zhǔn)站，對該地區(qū)構(gòu)成網(wǎng)狀覆蓋，并以這些基準(zhǔn)站為基準(zhǔn)，計算和發(fā)播相位觀測值誤差改正信息，對該地區(qū)內(nèi)的衛(wèi)星定位用戶進(jìn)行實(shí)時改正的定位方式。特點(diǎn)覆蓋面廣，定位精度高，可靠性高，可實(shí)時提供厘米級定位。網(wǎng)絡(luò)CORS相對于傳統(tǒng)RTK的優(yōu)勢能兼顧不同層次的用戶對定位精度指標(biāo)要求，提供覆蓋米級、分米級、厘米級的數(shù)據(jù)；覆蓋范圍廣、作業(yè)效率高，一次投資長期受益的特點(diǎn)，成為城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)新方向；提供穩(wěn)定、統(tǒng)一的參考坐標(biāo)系給所有用戶共享，規(guī)范基礎(chǔ)測繪數(shù)據(jù)；網(wǎng)絡(luò)CORS相對于傳統(tǒng)RTK的優(yōu)勢提高作業(yè)區(qū)域的精度一致性，降低系統(tǒng)誤差、提高外業(yè)數(shù)據(jù)質(zhì)量；提高生產(chǎn)效率，單人測量系統(tǒng)成為GNSS主流作業(yè)模式解決了重復(fù)的參數(shù)求取提供了數(shù)據(jù)完整性監(jiān)控目前幾種網(wǎng)絡(luò)CORS的算法虛擬參考站技術(shù)(VRS)流動站將自身的概略位置（GGA）發(fā)送給數(shù)據(jù)處理中心，數(shù)據(jù)處理中心選擇用戶周圍的三個參考站，并根據(jù)改正模型在用戶附近虛擬一個基準(zhǔn)站，將虛擬基準(zhǔn)站的數(shù)據(jù)通過與常規(guī)RTK相同的方式發(fā)送給流動站VRS特點(diǎn)全網(wǎng)電離層，對流層，軌道誤差模型化；雙向數(shù)據(jù)通訊；用戶量受通訊能力的限制；易于監(jiān)控和管理流動站用戶權(quán)限、作業(yè)；使用NTrip協(xié)議可以很容易實(shí)現(xiàn)對用戶權(quán)限的管理發(fā)送內(nèi)容與傳統(tǒng)RTK相同F(xiàn)KP技術(shù)特點(diǎn)單向通訊（流動站不需要發(fā)送GGA）無法兼容傳統(tǒng)RTK流動站，要求流動站能處理RTCM59信息單向數(shù)據(jù)通訊，用戶只接收不發(fā)播，具有良好的隱蔽性；主輔站技術(shù)（MAX）數(shù)據(jù)處理中心廣播主站觀測值（與常規(guī)RTK相同），同時通過RTCM3.11014~1017消息發(fā)送一組輔站數(shù)據(jù)（只發(fā)送輔站改正數(shù)與主站改正數(shù)的差值，以及輔站坐標(biāo)與主站坐標(biāo)的差值，為了減低傳輸負(fù)擔(dān)）。流動站收到廣播消息后，計算自身位置的改正數(shù)，并加到觀測值中，進(jìn)行常規(guī)RTK定位MAX技術(shù)特點(diǎn)數(shù)據(jù)量大，需要發(fā)送主站及一系列輔站的改正數(shù)；單向數(shù)據(jù)通訊，用戶只接收不發(fā)播，具有良好的隱蔽性；無法兼容常規(guī)RTK流動站，需要流動站能處理RTCM3.11014~1017信息；用戶量沒有限制；不利于監(jiān)控和管理流動站用戶的作業(yè)和權(quán)限iMAX(IndividualMAX)增強(qiáng)了個人的應(yīng)用流動站發(fā)送GGA易于監(jiān)控和管理流動站用戶權(quán)限、作業(yè)；網(wǎng)絡(luò)參考站系統(tǒng)(NRS)NRS（NetReferenceStation）是南方公司在虛擬參考站技術(shù)的基礎(chǔ)上，吸收其他網(wǎng)絡(luò)CORS技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合中國實(shí)際進(jìn)一步發(fā)展和延伸的自主創(chuàng)新成果NRS系統(tǒng)特點(diǎn)特有的DEEP-NRS技術(shù)，使網(wǎng)的可用性大大提高數(shù)據(jù)加密技術(shù)支持NTrip協(xié)議，系統(tǒng)兼容國內(nèi)外各種型號的GPS支持多種差分格式RTCM2.x(含RTD)、CMRRTCA、RTCM30自定義圖形顯示GPS產(chǎn)品多樣、高端的GPS產(chǎn)品成為主流隨著電子信息終端技術(shù)的快速發(fā)展，GPS產(chǎn)品不斷向更輕、更小、更齊全功能方向發(fā)展，高端產(chǎn)品逐漸成為主線測量行業(yè)的RTK產(chǎn)品GIS個人手持定位系統(tǒng)進(jìn)口RTK廠商天寶（R8、R6）阿斯泰克（Z-X，Z-Max）加瓦特（凱旋-1和凱旋-4）拓普康（HiPerPro、GR-3）Novatel（最主要的OEM廠商）徠卡（GPS1220、GPS1230）Magellen（Thales）Hemisphere，Datagrid雙頻接收機(jī)由于用戶量小，專利壟斷等原因，生產(chǎn)的廠家較少，價格壟斷國產(chǎn)RTK廠商南方（S86、S82）中海達(dá)（V8）華測（X90、X91）目前都是OEM制造，沒有完全的自主制造技術(shù)國產(chǎn)的雙頻接收機(jī)技術(shù)近一兩年將會取得突破，這種突破會徹底使測量型GPS的市場重新洗牌手持GPS主要廠商Garmin麥哲倫最大的芯片廠家SiRF2000國家大地坐標(biāo)系簡介CGCS2000的定義

CGCS2000符合IERS（國際地球旋轉(zhuǎn)和參考系服務(wù)局）ITRS（國際地球參考系）的下列定義：原點(diǎn)在包括海洋和大氣的整個地球的質(zhì)量中心；長度單位為米（SI），這一尺度與地心局部框架的TCG（地心坐標(biāo)時）時間坐標(biāo)一致；定向在1984.0時與國際時間局（BIH）定向一致；定向隨時間的演變由整個地球水平構(gòu)造運(yùn)動無整體旋轉(zhuǎn)（no-net-rotation）的條件保證。CGCS2000的定義以上定義對應(yīng)一個右手地固直角坐標(biāo)系，它的原點(diǎn)和軸定義如下：

原點(diǎn)在地球質(zhì)量中心；

Z軸指向IERS參考極方向；

X軸為IERS參考子午面與通過原點(diǎn)且同z軸正交的赤道面的交線；

Y軸與Z、X軸構(gòu)成右手直角坐標(biāo)系。參考橢球的幾何中心與坐標(biāo)系的原點(diǎn)重合，其旋轉(zhuǎn)軸與坐標(biāo)系的Z軸重合。正常橢球與參考橢球一致。CGCS2000：參考橢球YXZ地球質(zhì)心IRM參考橢球IRPCGCS2000坐標(biāo)系定義CGCS2000：參考橢球CGCS2000參考橢球的定義常數(shù):赤道半徑：a=6378137m扁率:f=1:298.257222101地心引力常數(shù)：GM=3.986004418×1014m3s-2

旋轉(zhuǎn)速度：ω=7.292115×10-5rads-1CGCS2000：參考橢球常數(shù)

導(dǎo)出幾何常數(shù)值

b=6356752.3141m短半軸E=521854.00970025m線偏心率c=6399593.6259m極曲率半徑e2=0.290第一偏心率平方e=0.2816第一偏心率e′2=0.548第二偏心率平方e′=0.1917第二偏心率f=0.118扁率b/a=0.996647189319軸比b/aQ=10001965.7293m子午圈一象限弧長V=13.546km3橢球體積S=510065621.718km2橢球表面積R1=6371008.7714m算術(shù)平均半徑R2=6371007.1809m同面積之球的半徑R3=6371000.7900m同體積之球的半徑CGCS2000：參考橢球常數(shù)

導(dǎo)出物理常數(shù)值

U0=62636851.7149m2s-2橢球面正常位J2=0.18x10-22階帶諧系數(shù)J4=-0.2370911256141x10-54階帶諧系數(shù)J6=0.62x10-86階帶諧系數(shù)J8=-0.1426811009798x10-108階帶諧系數(shù)J10=0.1214393383343x10-1310階帶諧系數(shù)m=0.678m=ω2a2b/GM

γe=9.7803253361ms-2赤道正常重力

γp=9.8321849379ms-2極正常重力

γ’=9.7976432224ms-2平均正常重力fg=0.137重力扁率k=0.931k=bγp/aγe-1

M=5.97333196×1024kg地球質(zhì)量（包括大氣）CGCS2000的實(shí)現(xiàn)

CGCS2000通過2000國家GPS大地控制網(wǎng)的坐標(biāo)和速度具體實(shí)現(xiàn)。參考?xì)v元為2000.0。2000國家GPS大地控制網(wǎng)是在測繪、地震和科學(xué)院等部門布設(shè)的4個GPS網(wǎng)聯(lián)合平差的基礎(chǔ)上得到的一個全國規(guī)模的GPS大地控制網(wǎng)，共包括2518點(diǎn)。

坐標(biāo)平均中誤差：σx=0.90cm,σy=1.57cm,σz=1.06cmσB=0.37cm,σL=0.77cm,σh=1.92cm

位置平均中誤差：σP=2.13cmCGCS2000的實(shí)現(xiàn)2000國家GPS大地網(wǎng)CGCS2000與WGS84比較

CGCS2000橢球WGS84橢球差

a6378137m6378137m01/f298.257222101298.257223563-0.000001462GM3986004.418x1083986004.418x1080

ω7292115x10-117292115x10-110b6356752.3141m6356752.3142m-0.0001m

CGSC2000與WGS84比較橢球的扁率變化引起的大地緯度