东南大学交通基础设施检测技术课件定位系统.ppt

定位系统,GPS全球卫星定位导航系统(Global Positioning System-GPS)是美国从本世纪70年代开始研制，历时20年，耗资200亿美元，于1994年全面建成，具有在海、陆、空进行全方位实时三维导航与定位能力的新一代卫星导航与定位系统。 并成功地应用于大地测量、工程测量、航空摄影测量、运载工具导航和管制、地壳运动监测、工程变形监测、资源勘察、地球动力学等多种学科，从而给测绘领域带来一场深刻的技术革命。,无线电导航系统,罗兰-C：工作在100KHZ，由三个地面导航台组成，导航工作区域2000KM，一般精度200-300M。 Omega（奥米茄）：工作在十几千赫。由八个地面导航台组成，可覆盖全球。精度几英里。 多卜勒系统：利用多卜勒频移原理，通过测量其频移得到运动物参数（地速和偏流角），推算出飞行器位置，属自备式航位推算系统。误差随航程增加而累加。,GPS发展历程,第一阶段为方案论证和初步设计阶段。从1973年到1979年，共发射了4颗试验卫星。研制了地面接收机及建立地面跟踪网。 第二阶段为全面研制和试验阶段。从1979年到1984年，又陆续发射了7颗试验卫星，研制了各种用途接收机。实验表明，GPS定位精度远远超过设计标准。 第三阶段为实用组网阶段。1989年2月4日第一颗GPS工作卫星发射成功，表明GPS系统进入工程建设阶段。1993年底实用的GPS网即（21+3）GPS星座已经建成，今后将根据计划更换失效的卫星。,GPS系统的组成,空间部分：21颗工作卫星，3颗备用卫星。 地面支撑系统：1个主控站，3个注入站，5个监测站。 用户设备部分：接收GPS卫星发射信号，以获得必要的导航和定位信息，经数据处理，完成导航和定位工作。,GPS接收机（用户部分） GPS接收机由天线单元和接收单元（包括通道单元、计算与显示单元、存储单元、电源等） GPS接收机的主要功能为：1）选择卫星 2）搜捕和跟踪配选卫星信号 3）获取粗略伪距并进行修正 4）定位计算,天线前置放大器,信号处理器,微处理器导航计算机,数据存储器外部传输,振荡器,用户信息传输,电源,图1 GPS接收机体系结构,用户如何测量与卫星的距离呢？GPS采用的办法，是在卫星和用户机上各安装一个时钟，并在卫星发送的测距信号中包含发送时的时间信息。这样，用户机在接收到测距信号后，只要与自身时钟的时间对比，就可以获得发送时间与接收时间的时差，再乘以光速，就可以得到与卫星的距离了。但在实际应用中，这个做法仍有缺陷。由于用户机受空间和能源的限制，只能采用精度较差的石英钟，因此不可能做到与卫星时钟的完全同步，这样测量出来的时间差和由此所计算得出的距离必然会有较大的误差。为消除这一误差，GPS测距时同时接收4颗卫星的信号，从而把钟差也作为一个未知数，与坐标共同组成一个四元方程组，与坐标一齐解算出来，从而保证了相当高的定位精度。,GPS定位原理,5、GPS定位原理 （1）绝对定位原理 以GPS卫星和用户接收机天线之间距离（或距离差）的观测量为基础，并根据已知的卫星瞬时坐标来确定用户接收机天线所对应的电位，即观测站的位置。 问题：由于卫星时钟与用户接受机时钟难以保持严格同步，所以实际观测的观测站至卫星之间的距离均含有卫星钟和接收机时钟同步差的影响,故称之为伪距,GPS定位的基本原理是根据高速运动的卫星瞬间位置作为已知的起算数据，采用空间距离后方交会的方法，确定待测点的位置。如图所示，假设t时刻在地面待测点上安置GPS接收机，可以测定GPS信号到达接收机的时间t，再加上接收机所接收到的卫星星历等其它数据可以确定以下四个方程式：,为了实时求解4个未知参数(3个点位坐标分量x,y,z和1个钟差参数t),至少需要4个同步伪距观测值,即需要同时观测4颗卫星。,上述四个方程式中待测点坐标x、 y、 z 和Vto为未知参数，其中di=cti (i=1、2、3、4)。 di (i=1、2、3、4) 分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4到接收机之间的距离。 ti (i=1、2、3、4)分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4的信号到达接收机所经历的时间 c为GPS信号的传播速度（即光速）。 四个方程式中各个参数意义如下： x、y、z 为待测点坐标的空间直角坐标。 xi 、yi 、zi (i=1、2、3、4) 分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4在t时刻的空间直角坐标，可由卫星导航电文求得。 Vt i (i=1、2、3、4)分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4的卫星钟的钟差，由卫星星历提供。 Vto为接收机的钟差。 由以上四个方程即可解算出待测点的坐标x、y、z 和接收机的钟差Vto 。,GPS定位精度,目前GPS系统提供的定位精度是优于10米,GPS 定位的误差来源分析,GPS 测量是通过地面接收设备接收卫星传送来的信息，计算同一时刻地面接收设备到多颗卫星之间的伪距离，采用空间距离后方交会方法，来确定地面点的三维坐标。因此，对于GPS卫星、卫星信号传播过程和地面接收设备都会对GPS 测量产生误差。,与卫星有关的误差,（1）卫星星历误差 卫星星历误差是指卫星星历给出的卫星空间位置与卫星实际位置间的偏差,由于卫星空间位置是由地面监控系统根据卫星测轨结果计算求得的,所以又称为卫星轨道误差。它是一种起始数据误差,其大小取决于卫星跟踪站的数量及空间分布、观测值的数量及精度、轨道计算时所用的轨道模型及定轨软件的完善程度等。星历误差是GPS 测量的重要误差来源.,（2）卫星钟差 卫星钟差是指GPS卫星时钟与GPS标准时间的差别。为了保证时钟的精度，GPS卫星均采用高精度的原子钟，但它们与GPS标准时之间的偏差和漂移和漂移总量仍在1ms0.1ms以内，由此引起的等效误差将达到300km30km。这是一个系统误差必须加于修正。,（3）SA干扰误差 SA误差是美国军方为了限制非特许用户利用GPS进行高精度点定位而采用的降低系统精度的政策，简称SA政策，它包括降低广播星历精度的技术和在卫星基本频率上附加一随机抖动的技术。实施SA技术后，SA误差已经成为影响GPS定位误差的最主要因素。虽然美国在2000年5月1日取消了SA，但是战时或必要时，美国可能恢复或采用类似的干扰技术。 (SA技术其主要内容是:1.在广播星历中有意地加入误差,使定位中的已知点(卫星)的位置精度大为降低;2.有意地在卫星钟的钟频信号中加入误差,使钟的频率产生快慢变化,导致测距精度大卫降低.),与传播途径有关的误差,（1）电离层折射 在地球上空距地面50100 km 之间的电离层中,气体分子受到太阳等天体各种射线辐射产生强烈电离,形成大量的自由电子和正离子。当GPS 信号通过电离层时,与其他电磁波一样,信号的路径要发生弯曲,传播速度也会发生变化,从而使测量的距离发生偏差,这种影响称为电离层折射。对于电离层折射可用3 种方法来减弱它的影响: 利用双频观测值,利用不同频率的观测值组合来对电离层的延尺进行改正。利用电离层模型加以改正。利用同步观测值求差,这种方法对于短基线的效果尤为明显。,（2）对流层折射 对流层的高度为40km 以下的大气底层,其大气密度比电离层更大,大气状态也更复杂。对流层与地面接触并从地面得到辐射热能,其温度随高度的增加而降低。GPS 信号通过对流层时,也使传播的路径发生弯曲,从而使测量距离产生偏差,这种现象称为对流层折射。减弱对流层折射的影响主要有3 种措施: 采用对流层模型加以改正,其气象参数在测站直接测定。引入描述对流层影响的附加待估参数,在数据处理中一并求得。利用同步观测量求差。,3）多路径效应 测站周围的反射物所反射的卫星信号(反射波)进入接收机天线,将和直接来自卫星的信号(直接波) 产生干涉,从而使观测值偏离,产生所谓的“多路径误差”。这种由于多路径的信号传播所引起的干涉时延效应被称作多路径效应。减弱多路径误差的方法主要有: 选择合适的站址。测站不宜选择在山坡、山谷和盆地中,应离开高层建筑物。选择较好的接收机天线,在天线中设置径板,抑制极化特性不同的反射信号,与GPS 接收机有关的误差,（1）接收机钟差 GPS 接收机一般采用高精度的石英钟,接收机的钟面时与GPS 标准时之间的差异称为接收机钟差。把每个观测时刻的接收机钟差当作一个独立的未知数,并认为各观测时刻的接收机钟差间是相关的,在数据处理中与观测站的位置参数一并求解，可减弱接收机钟差的影响。,（）接收机天线相位中心偏差 在GPS 测量时,观测值都是以接收机天线的相位中心位置为准的,而天线的相位中心与其几何中心,在理论上应保持一致。但是观测时天线的相位中心随着信号输入的强度和方向不同而有所变化,这种差别叫天线相位中心的位置偏差。这种偏差的影响可达数毫米至厘米。而如何减少相位中心的偏移是天线设计中的一个重要问题。,差分GPS,为得到更高的定位精度，我们通常采用差分GPS技术：将一台GPS接收机安置在基准站上进行观测。根据基准站已知精密坐标，计算出基准站到卫星的距离改正数，并由基准站实时将这一数据发送出去。用户接收机在进行GPS观测的同时，也接收到基准站发出的改正数，并对其定位结果进行改正，从而提高定位精度。,位置差分原理,这是一种最简单的差分方法，任何一种GPS接收机均可改装和组成这种差分系统。 安装在基准站上的GPS接收机观测4颗卫星后便可进行三维定位，解算出基准站的坐标。由于存在着轨道误差、时钟误差、SA影响、大气影响、多径效应以及其他误差，解算出的坐标与基准站的已知坐标是不一样的， 存在误差。基准站利用数据链将此改正数发送出去，由用户站接收，并且对其解算的用户站坐标进行改正。 最后得到的改正后的用户坐标已消去了基准站和用户站的共同误差，例如卫星轨道误差、 SA影响、大气影响等，提高了定位精度。以上先决条件是基准站和用户站观测同一组卫星的情况。 位置差分法适用于用户与基准站间距离在100km以内的情况。,伪距差分原理,伪距差分是目前用途最广的一种技术。几乎所有的商用差分GPS接收机均采用这种技术。 在基准站上的接收机要求得它至可见卫星的距离，并将此计算出的距离与含有误差的测量值 加以比较。然后将所有卫星的测距误差传输 给用户，用户利用此测距误差来改正测量的伪距。最后，用户利用改正后的伪距来解出本身的位置， 就可消去公共误差，提高定位精度。 与位置差分相似，伪距差分能将两站公共误差抵消，但随着用户到基准站距离的增加又 出现了系统误差，这种误差用任何差分法都是不能消除的。用户和基准站之间的距离对精度有决定性影响。 精度可到米,相位差分法,将GPS信号的载波作为量测信号 理论上误差与载波周长和相位测量精度有关 精度可到,GLONASS系统,俄罗斯“格洛纳斯”系统（GLONASS）是GLObal NAvigation Satellite System的字头缩写，是前苏联国防部从20世纪80年代初开始建设的与美国GPS相抗衡的全球卫星导航系统，与GPS系统原理、功能十分类似，耗资30多亿美元，1995年投入使用，现在由俄罗斯联邦航天局管理。 。GLONASS系统单点定位精度水平方向为16米，垂直方向为25米。,欧洲“伽利略”卫星导航系统,数量：30颗中高度圆轨道卫星组成，27颗为工作卫星，3颗为候补； 轨道：高度为24126公里，位于3个倾角为56度的轨道平面内； 精度：最高精度小于1米； 用途：主要为民用； 进展：2005年12月28日首颗实验卫星已成功发射，预计2008年前可开通定位服务。 欧洲的“伽利略”（Galileo）导航卫星系统计划受到了全世界的关注。尽管遇到了许多障碍，“伽利略”系统最终还是得以实施。2002年3月26日，欧盟15国交通部长会议一致决定正式启动“伽利略”导航卫星系统计划。“伽利略”计划的发展对世界卫星导航技术、市场，甚至世界政治格局都将产生深远的影响。,北斗号与GPS比较,1、覆盖范围：北斗导航系统是覆盖中国本土的区域导航系统。覆盖范围东经约70一140，北纬5一55。GPS是覆盖全球的全天候导航系统。能够确保地球上任何地点、任何时间能同时观测到6-9颗卫星(实际上最多能观测到11颗)。,2、卫星数量和轨道特性：北斗导航系统是在地球赤道平面上设置2颗地球同步卫星颗卫星的赤道角距约60。GPS是在6个轨道平面上设置24颗卫星，轨道赤道倾角55，轨道面赤道角距60。航卫星为准同步轨道，绕地球一周11小时58分。,3、定位原理：北斗导航系统是主动式双向测距二维导航。地面中心控制系统解算，供用户三维定位数据。GPS是被动式伪码单向测距三维导航。由用户设备独立解算自己三维定位数据。“北斗一号“的这种工作原理带来两个方面的问题，一是用户定位的同时失去了无线电隐蔽性，这在军事上相当不利，另一方面由于设备必须包含发射机，因此在体积、重量上、价格和功耗方面处于不利的地位。,4、定位精度：北斗导航系统三维定位精度约几十米，授时精度约100ns。GPS三维定位精度P码目前己由16m提高到6m，C/A码目前己由25-100m提高到12m，授时精度日前约20ns。,5、用户容量：北斗导航系统由于是主动双向测距的询问-应答系统，用户设备与地球同步卫星之间不仅要接收地面中心控制系统的询问信号，还要求用户设备向同步卫星发射应答信号，这样，系统的用户容量取决于用户允许的信道阻塞率、询问信号速率和用户的响应频率。因此，北斗导航系统的用户设备容量是有限的。GPS 是单向测距系统，用户设备只要接收导航卫星发出的导航电文即可进行测距定位，因此GPS的用户设备容量是无限的。,6、生存能力：和所有导航定位卫星系统一样，“北斗一号“基于中心控制系统和卫星的工作，但是“北斗一号“对中心控制系统的依赖性明显要大很多，因为定位解算在那里而不是由用户设备完成的。为了弥补这种系统易损性，GPS正在发展星际横向数据链技术，使万一主控站被毁后GPS卫星可以独立运行。而“北斗一号“ 系统从原理上排除了这种可能性，一旦中心控制系统受损，系统就不能继续工作了。,7、实时性：“北斗一号“用户的定位申请要送回中心控制系统，中心控制系统解算出用户的三维位置数据之后再发回用户，其间要经过地球静止卫星走一个来回，再加上卫星转发，中心控制系统的处理，时间延迟就更长了，因此对于高速运动体，就加大了定位的误差。,“北斗”具有