GNSS定位測量技術（第二版）課件：GNSS定位技術的發(fā)展

GNSS定位測量技術

（第二版）

GNSS定位技術的發(fā)展任務一衛(wèi)星定位技術發(fā)展概況常規(guī)（地面）定位方法：

采用的儀器設備尺：鋼尺光學儀器：經(jīng)緯儀，水準儀電磁波或激光儀器：測距儀綜合多種技術的儀器：全站儀

觀測值高差測量角度或方向觀測距離觀測天文觀測方常規(guī)定位方法的局限性需要事先布設大量的地面控制點/地面站無法同時精確確定點的三維坐標觀測受氣候、環(huán)境條件限制觀測點之間需要保證通視1)需要修建覘標/架設高大的天線2)邊長受到限制3)觀測難度大4)效率低：無用的中間過渡點受系統(tǒng)誤差影響大，如地球旁折光難以確定地心坐標

隨著我們第一顆人造地球衛(wèi)星的成功發(fā)射，人們就進入了空間科學技術的研究和應用，衛(wèi)星定位技術將我們的大地測量帶入到了一個嶄新的時代。早期的衛(wèi)星定位技術1、實質就是利用人造地球衛(wèi)星進行點位測量的技術2、原理

（1）攝影測量：測站點至衛(wèi)星的方向—衛(wèi)星三角網(wǎng)（2）激光技術：測站至衛(wèi)星的方向—衛(wèi)星測距三角網(wǎng)后期還出現(xiàn)了無線電技術，即利用衛(wèi)星發(fā)射的無線電波進行距離測量3、優(yōu)點：遠距離定位不足：使用條件受限（受天氣和衛(wèi)星可見條件影響）；耗時大；定位精度不高（±5m的點位精度）；不能獲得地心坐標

很快就被淘汰了，由子午衛(wèi)星系統(tǒng)所取代。第一代衛(wèi)星導航系統(tǒng)—NNSS系統(tǒng)系統(tǒng)簡介NNSS–NavyNavigationSatelliteSystem（海軍導航衛(wèi)星系統(tǒng)），由于其衛(wèi)星軌道為極地軌道，故也稱為Transit（子午衛(wèi)星系統(tǒng)）采用利用多普勒效應進行導航定位，也被稱為多普勒定位系統(tǒng)美國研制、建立1964年1月建成1967年7月解密供民用子午衛(wèi)星子午衛(wèi)星星座第一代衛(wèi)星導航系統(tǒng)—NNSS系統(tǒng)系統(tǒng)組成空間部分衛(wèi)星：發(fā)送導航定位信號（信號：4.9996MHz

30=149.988MHz；4.9996MHz

80=399.968MHz；星歷）衛(wèi)星星座–

由6顆衛(wèi)星構成，6軌道面，軌道高度1075km地面控制部分包括：跟蹤站、計算中心、注入站、控制中心和海軍天文臺用戶部分多普勒接收機大地測量多普勒接收機-1（MX1502）大地測量多普勒接收機-2（CMA751）第一代衛(wèi)星導航系統(tǒng)—NNSS系統(tǒng)應用領域海上船舶的定位大地測量精度單點定位：15次合格衛(wèi)星通過（兩次通過之間的時間間隔為0.8h~1.6h），精度約為10m聯(lián)測定位：各站共同觀測17次合格衛(wèi)星通過，精度約為0.5m多普勒聯(lián)測定位多普勒單點定位第一代衛(wèi)星導航系統(tǒng)—NNSS系統(tǒng)NNSS系統(tǒng)優(yōu)點不受天氣和時間限制可獲得三維地心坐標經(jīng)濟快速精度提高遠距離觀測NNSS系統(tǒng)缺陷衛(wèi)星少，觀測時間和間隔時間長，無法進行全球性的實時連續(xù)導航定位衛(wèi)星軌道低，難以精密定軌衛(wèi)星信號頻率低，不利于消除電離層效應導航定位精度低

為什么子午衛(wèi)星系統(tǒng)很快被取代，而不是修改該系統(tǒng)？？11導航衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GNSS）導航衛(wèi)星定位系統(tǒng)

GPS（美國）

GLONASS系統(tǒng)（蘇聯(lián)） 北斗雙星導航定位系統(tǒng)（中國）

NAVSAT衛(wèi)星導航系統(tǒng)（歐空局） 伽利略全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)（歐盟）GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)建立國家：美國海陸空三軍聯(lián)合研制，投資300億美元。初期目的：為軍方提供實時、連續(xù)、全天候、全球性的導航服務，情報收集、核爆監(jiān)測及應急通訊等軍事目的。開始籌建時間：1973年完全建成時間：1995年服務方式：通過由多顆衛(wèi)星所組成的衛(wèi)星星座提供導航定位服務定位原理：空間距離后方交會測距原理：被動式電磁波測距特點：以衛(wèi)星為基礎的無線電導航定位系統(tǒng)，具有全能性（能為各類用戶（陸地，海洋，航空，航天）提供精密的三維坐標，速度和時間），全球性，全天候，連續(xù)性和實時性的導航，定位和定時的功能。應用：各種運載工具導航、高精度大地測量、精密工程測量、地殼形變測量等。GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)GPS系統(tǒng)構成空間部分GPS衛(wèi)星星座用戶部分GPS信號接收機控制部分地面監(jiān)控系統(tǒng)GPS的發(fā)展簡史

——方案論證階段1973年12月，美國國防部批準研制GPS。1978年2月22日，第1顆GPS試驗衛(wèi)星發(fā)射成功。從1973年到1979年，共發(fā)射了4顆試驗衛(wèi)星。研制了地面接收機及建立地面跟蹤從1979年到1987年，又陸續(xù)發(fā)射了7顆試驗衛(wèi)星，研制了各種用途接收機。實驗表明，GPS定位精度遠遠超過設計標準。GPS的發(fā)展簡史

——實用組網(wǎng)階段1989年2月14日，第1顆GPS工作衛(wèi)星發(fā)射成功。1991年，在海灣戰(zhàn)爭中，GPS首次大規(guī)模用于實戰(zhàn)。1993年底實用的GPS網(wǎng)即（21+3）GPS星座已經(jīng)建成，今后將根據(jù)計劃更換失效的衛(wèi)星。

1995年7月17日，GPS達到FOC–完全運行能力（FullOperationalCapability）。其他全球定位系統(tǒng)GLONASS－GlobalNavigationSatelliteSystem（全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)）開發(fā)者俄羅斯（前蘇聯(lián)）設計：軍用；民用免費建設時間：1982~1996系統(tǒng)構成衛(wèi)星星座地面控制部分用戶設備GLONASSsatelliteGLONASS衛(wèi)星發(fā)射現(xiàn)場其它衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)—GLONASS問題：從理論上有24顆衛(wèi)星，但由于衛(wèi)星使用壽命和資金緊張等問題，實際上目前只有8顆。民用精度：單點定位精度水平方向為16m，垂直方向為25m。其它衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)—GLONASS

恐怕很少有人知道，GLONASS的正式組網(wǎng)比GPS還早，這也是美國加快GPS建設的重要原因之一。不過蘇聯(lián)的解體讓GLONASS受到很大影響，正常運行衛(wèi)星數(shù)量大減，甚至無法為為俄羅斯本土提供全面導航服務，更不要說和GPS競爭。到了21世紀初隨著俄羅斯經(jīng)濟的好轉，GLONASS也開始恢復元氣，推出了GLONASS-M和更現(xiàn)代化的GLONASS-K衛(wèi)星更新星座。其它衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)—GLONASS衛(wèi)星運行狀況從1982年10月12日發(fā)射第一顆GLONASS衛(wèi)星起，至1995年12月14日共發(fā)射了73顆衛(wèi)星。由于衛(wèi)星壽命過短，加之俄羅斯前一段時間經(jīng)濟狀況欠佳，無法及時補充新衛(wèi)星，故該系統(tǒng)不能維持正常工作。到2006年3月20日為止,GLONASS系統(tǒng)共有17顆衛(wèi)星在軌。其中有11顆衛(wèi)星處于工作狀態(tài)，2顆備用，4顆已過期而停止使用。俄羅斯計劃到2007年使GLONASS系統(tǒng)的工作衛(wèi)星數(shù)量至少達到18顆，開始發(fā)揮導航定位功能。其它衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)—GLONASS目前該系統(tǒng)在軌衛(wèi)星總數(shù)為26顆，其中20顆正常工作，4顆正接受技術維護，另有2顆處于“預備役”狀態(tài)。2013年7月2日上午，在哈薩克斯坦拜科努爾航天發(fā)射場，俄羅斯“質子M”運載火箭搭載三顆俄國“GLONASS”導航衛(wèi)星發(fā)射升空后，火箭離地不久即發(fā)生故障，箭體大角度偏離航線并空中解體，最后墜地爆炸。GLONASS與GPS的比較參數(shù)GLONASSNAVSTARGPS系統(tǒng)中的衛(wèi)星數(shù)21＋321＋3衛(wèi)星設計壽命6~7年（實際3年）8年（實際超過8年）軌道傾角64.8°55°軌道高度19100km20180km軌道周期（恒星時）11h15min12h衛(wèi)星信號的區(qū)分FDMA（頻分多址）CDMA（碼分多址）L1頻率1602~1615MHz頻道間隔0.5625MHz1575MHzL2頻率1246~1256MHz頻道間隔0.4375MHz1228MHz

技術難點1．目前GLONASS工作不穩(wěn)定，衛(wèi)星工作壽命短，前景不明2．GLONASS用戶設備發(fā)展緩慢，生產(chǎn)廠家少，設備體積大而笨重；3．由于GLONASS采用的是FDMA，所以用戶接收機中頻率綜合器復雜；4．對GPS/GLONASS兼容接收機，需解決兩系統(tǒng)的時間和坐標系統(tǒng)問題其它衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)——Galileo2002年3月24日歐盟決定研制組建自己的民用衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)——Galileo系統(tǒng)。特點：共享的獨立于GPS的適于海陸空的系統(tǒng)。參股共建，收費。參數(shù)：Galileo衛(wèi)星星座將由27顆工作衛(wèi)星和3顆備用衛(wèi)星組成，這30顆衛(wèi)星將均勻分布在3個軌道平面上，衛(wèi)星高度為23616km，軌道傾角為56°。功能：具有公開服務、安全服務、商業(yè)服務和政府服務等功能，（前兩種服務是自由公開的，后兩種服務則需經(jīng)過批準后才能使用）。其它衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)——GalileotheGalileosatelliteconstellation

其它衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)——Galileo2005年12月28日第一顆Galileo試驗衛(wèi)星（GalileoIn-OrbitValidationElements--GlOVE-A）成功進入高度為2.3萬Km的預定軌道。2006年1月12日，GlOVE-A已開始向地面發(fā)送信號。這標志著總投資為34億歐元（約合41億美元）的計劃已進入實施階段。到2010年歐洲將發(fā)射30顆服役期約為20年的正式衛(wèi)星，完成伽利略衛(wèi)星星座的部署工作。伽利略系統(tǒng)建成后，美歐兩大相互兼容的導航定位系統(tǒng)將大大有助于提供導航定位的精度和可靠性。其它衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)——GalileoGalileo的主要目標:

頻率信號測試；驗證一些關鍵技術（比如銣原子鐘、氫原子鐘）；軌道環(huán)境特征測試；并行2或3通道信號傳輸測試。GIOVEAGIOVEB其它衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)——Galileo精度：為用戶提供精確的時間和誤差不超過一米的全球精確定位服務主要困難：投資巨大：高達36億歐元的造價美國政府的極力反對：美國的干擾在一定程度上推遲了“伽利略”計劃的通過。

Galileo系統(tǒng)的典型功能是信號中繼，即向用戶接收機的數(shù)據(jù)傳輸可以通過一種特殊的聯(lián)系方式或其他系統(tǒng)的中繼來實現(xiàn)，例如通過移動通信網(wǎng)來實現(xiàn)?！百だ浴苯邮諜C不僅可以接受本系統(tǒng)信號，而且可以接受GPS、“GLONASS”這兩大系統(tǒng)的信號，并且具有導航功能與移動電話功能相結合、與其他導航系統(tǒng)相結合的優(yōu)越性能。由于種種原因，伽利略衛(wèi)星系統(tǒng)發(fā)展并不理想。2012年10月12日再發(fā)射2顆IOV在軌驗證衛(wèi)星，可使衛(wèi)星數(shù)量增加到4顆，可滿足導航定位的最低要求，包括測量經(jīng)、緯度和高度等，可用來進行地面系統(tǒng)的性能評估。其它衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)——Galileo

伽利略系統(tǒng)確定地面位置或近地空間位置要比GPS精確10倍。其水平定位精度優(yōu)于10米，時間信號精度達到100ns。必要時，免費使用的信號精確度可達6米，如與GPS合作甚至能精確至4米。一位電子工程師舉例說明了這個區(qū)別：“如今的GPS只能找到街道，而‘伽利略’系統(tǒng)則能找到車庫門?！辟だ韵到y(tǒng)與GPS系統(tǒng)的主要區(qū)別

導航衛(wèi)星定位系統(tǒng)全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)軌道參數(shù)對比衛(wèi)星定位系統(tǒng)子午NNSSGPSGLONASSGNSS衛(wèi)星數(shù)621+321+327+3軌道面6633軌道傾角905564.856平均軌道高度(km)1100202001910023616周期(min)10771867586333其它衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)——北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)我國的“北斗”導航衛(wèi)星定位系統(tǒng)北斗雙星導航定位系統(tǒng)第一顆衛(wèi)星：2000年11月1日凌晨第二顆衛(wèi)星：2000年12月22日凌晨備用衛(wèi)星：2003年5月25日繼美國、俄羅斯后，第三個自主建立導航系統(tǒng)的國家其它衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)——北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)北斗導航衛(wèi)星定位系統(tǒng)服務區(qū)域東經(jīng)70°~145°；北緯5°~55°覆蓋我國和周邊國家及地區(qū)功能快速定位、精密授時、短報文通訊定位精度平面±20m，高程±10m；優(yōu)點系統(tǒng)簡單，投資少其它衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)

——北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)

我國自行研制的兩顆北斗導航試驗衛(wèi)星分別于2000年10月31日和12月20日從西昌衛(wèi)星發(fā)射中心升空并準確進入預定的地球同步軌道（東經(jīng)80o和140o的赤道上空），此外另一顆備用衛(wèi)星也被送入預定軌道（東經(jīng)110.5o的赤道上空），標志著我國擁有了自己的第一代衛(wèi)星導航系統(tǒng)——BD–1。其它衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)——北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)BD–2

為了使我國的衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)的性能有實質性的提高，中央已決定研制組建第二代北斗衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)（BD–2）。從導航體制、測距方法、衛(wèi)星星座、信號結構及接收機等方面進行全面改進。衛(wèi)星星座計劃由GEO衛(wèi)星，IGSO衛(wèi)星和MEO衛(wèi)星組成。此項工作將成為”十一五”期間的一項重要工作。其它衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)——北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)由兩顆地球同步軌道衛(wèi)星組成星座，結構簡單其它衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)——北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)空間球面交會原理1、計算用戶到兩顆衛(wèi)星的距離；2、由中心站的數(shù)字地圖計算用戶到地心的距離；3、由衛(wèi)星和地心坐標，計算出三維位置。4、高程由數(shù)字地面高程模型。衛(wèi)星1☆星下點1星下點2☆

定位圓1定位圓2地面中心站衛(wèi)星2其它衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)——北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)北斗二號全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)

2004年國務院標準建設衛(wèi)星星座：5顆靜止軌道衛(wèi)星30顆非靜止軌道衛(wèi)星27顆中圓軌道3顆傾斜同步軌道設計精度：開放服務10m，廣域差分定位精度1m。截止2012年10月25日，已有16顆衛(wèi)星在軌其它衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)——北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)2011年12月27日起，開始向中國及周邊地區(qū)提供連續(xù)的導航定位和授時服務。2012年12月27日起，向亞太大部分地區(qū)正式提供連續(xù)無源定位、導航、授時等服務；民用服務與GPS一樣免費。北斗衛(wèi)星系統(tǒng)已經(jīng)對東南亞實現(xiàn)全覆蓋。中國科技部2013年4月份表示，老撾和文萊將通過研究與合作協(xié)議初步采用該導航系統(tǒng)。3月底，泰國和中國簽署了類似協(xié)議，泰國成為中國國產(chǎn)導航系統(tǒng)的首個海外顧客。

北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)致力于向全球用戶提供高質量的定位，導航和授時服務，包括開放服務和授權服務兩種方式。

開放服務是向全球免費提供定位、測速和授時服務，定位精度10米，測速精度0.2米/秒，授時精度10ns。

授權服務是為有高精度、高可靠衛(wèi)星導航需求的用戶，提供定位、測速、授時和通信服務以及系統(tǒng)完好性信息。

導航精度上不遜于歐美之外，北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)解決了何人、何時、何地的問題，這就是北斗的特色服務，靠北斗一個終端你就可以走遍天下。其它衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)——北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)其它衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)

—北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)用戶終端分為定位通信終端集團用戶管理站終端差分終端校時終端等

北斗導航終端與GPS、“伽利略”和GLONASS相比，優(yōu)勢在于短信服務和導航結合，增加了通訊功能；全天候快速定位，極少的通信盲區(qū)，精度與GPS相當。向全世界提供的服務都是免費的，在提供無源定位導航和授時等服務時，用戶數(shù)量沒有限制，且與GPS兼容；特別適合集團用戶大范圍監(jiān)控與管理，以及無依托地區(qū)數(shù)據(jù)采集用戶數(shù)據(jù)傳輸應用；獨特的中心節(jié)點式定位處理和指揮型用戶機設計，可同時解決“我在哪？”和“你在哪？”的問題；自主系統(tǒng)，高強度加密設計，安全、可靠、穩(wěn)定，適合關鍵部門應用。但北斗導航也存在著明顯的不足和差距，如用戶隱蔽性差；無測高和測速功能；用戶數(shù)量受限制；用戶的設備體積大、重量重、能耗大等。其它衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)——北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)任務二GPS測量的特點GPS系統(tǒng)是目前在導航定位領域應用最為廣泛的系統(tǒng)，以全球性、高精度、全天候、高效率、多功能、易操作等特點著稱，更具優(yōu)勢。46任務二GPS測量的特點功能多導航定位測速授時47任務二GPS測量的特點GPS定位精度高靜態(tài)定位：厘米級至毫米級動態(tài)定位：亞米級至厘米級能滿足各種工程測量的要求速度測量：亞米級至厘米級時間測量：毫微秒級48任務二GPS測量的特點實時導航觀測時間短測站無需通視操作簡便全球統(tǒng)一的三維地心坐標全球全天候作業(yè)任務三GPS測量技術應用GPS在軍事中的應用GPS導航的艦載飛彈

配備GPS的士兵

美國海軍核潛艇

GPS在交通運輸業(yè)中的應用航運、航空搜索陸路交通（車輛導航、監(jiān)控）船舶遠洋導航和進港引水GPS在測量中的應用1、建立和維持全球性的參考框架2、板塊運動和監(jiān)測GPS測量定位技術精品課程3、建立各級國家平面控制網(wǎng)4、布設城市控制網(wǎng)、工程測量控制網(wǎng)，進行各種工程測量GPS測量定位技術精品課程5、在航空攝影測量、地籍測量、海洋測量中的應用GPS在其他領域中的應用精細農(nóng)業(yè)遙感衛(wèi)星定軌資源勘探個人旅游及野外探險電力、廣播、電視、

通訊等網(wǎng)絡的時間同步、

時間傳遞….任務四美國政府的GPS政策1、SPS與PPSSPS–

標準定位服務使用C/A碼，民用2DRMS水平=100m2DRMS垂直=150-170m2DRMS時間=340nsPPS–

精密定位服務