测量GNSS技术的发展与未来郭四清课件

GPS定位技术及应用GNSS技术的最新进展及2000坐标系简介

全球导航卫星系统（GNSS）定义具有全球导航定位能力的卫星定位导航系统称为全球卫星导航系统，英文全称为GlobalNavigationSatelliteSystem，简称为GNSS。实际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GLONASS正在发展研究的有欧盟的GALILEO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。GPS全球定位系统拥有者美国发展简史全球卫星定位系统（GPS）计划自1973年起步，1978年首次发射卫星，1994年完成24颗中高度圆轨道（MEO）卫星组网，共历时16年、耗资120亿美元。至今，已先后发展了三代卫星。系统组成空间部分控制部分用户部分伽利略（GALILEO）全球定位系统拥有者欧盟，中国参与发展简史GALILEO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，同时它实现完全非军方控制、管理，可与美国的GPS和俄罗斯的GLONASS兼容，但比后两者更安全、更准确。计划将于2008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

系统组成GALILEO系统由30颗卫星组成，其中27颗工作星，3颗备份星。卫星分布在3个中地球轨道（MEO）上，轨道高度为23616千米，轨道倾角56度。每个轨道上部署9颗工作星和1颗备份星。中国北斗定位系统

由三颗地球同步轨道卫星组成，投资较少不具备全球覆盖能力，只能以地区为主。先发射卫星，再进行终端设备研发，不像GPS是军民应用一起开发。北斗系统需要接收机的返回信息，不像GPS属于被动系统。”二代北斗导航系统“计划包括4颗静止星、12颗中轨星和9颗高轨星。原定2006年开始组网，2010年实现全球精确覆盖。目前时间推迟了，真正实现还没有时间表。GPS现代化GPS现代化计划GPS将使用BlockIIRGPS卫星，今后将陆续更新12颗卫星，增强了信号的功率和种类两种新型军用信号，增强了加密和抗干扰能力增加一种民用信号，提供不同频率上的公开信号在使用位置上可以直接校正电离层干扰，实现GPS服务更加准确、有效、完整、可靠。新信号概述除了IIR卫星，2005年还要发射波音IIF卫星ⅡF批次卫星除发射增强的L1、L2民用信号和M码外，将在1176.45兆赫增加第3个民用信号（L5），位于960-1215MHZL2载波上增加的第二个民用信号是L2C，能补偿大气传输不稳定性，提高民用导航精度到3-10米M码采用新型的调制方法，和新一代加密技术，军用和民用码分离PPP技术

优点处理非差码与相位观测值，可利用的观测值多且不相关可估计位置、钟差及对流层延迟等参数支持静态模式和动态模式作业只要有通讯链路支持，可在全球范围内应用直接得到ITRF框架坐标关键技术及难点精密卫星轨道及精密卫星钟差估计非差模糊度求解问题相对于双差定位模式，非差定位误差处理更为复杂

精密单点定位（3P）SBAS介绍SBAS差分模式介绍SBAS即SpaceBasedAugmentationSystem，是利用地球静止轨道卫星建立的地区性广域差分增强系统（星站差分），系统通过卫星向外广播差分信号，地面上的GPS在接收GPS卫星信号的同时，还接收这些差分信号，从而提高单机定位精度。随着SBAS测量系统的不断完善和定位精度的逐步提高，SBAS差分测量应用越来越广泛。SBAS即地区性广域差分增强系统，可以为地区的差分接收系统提供持续不断的数据，在此基础之上，发展了以接收SBAS信号为差分输入源的GPS接收机。SBAS系统工作特点1、通过地球静止卫星（GEO）发布包括GPS卫星星历误差改正、卫星钟差改正和电离层改的信息；2、通过GEO卫星发播GPS和GEO卫星完整的数据；3、GEO卫星的导航载荷发射GPSL1测距信号。网络

CORS技术网络CORS技术工作原理网络CORS就是在一定区域内建立多个（一般为三个或三个以上）坐标为已知的GNSS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，对该地区内的卫星定位用户进行实时改正的定位方式。特点覆盖面广，定位精度高，可靠性高，可实时提供厘米级定位。网络CORS相对于传统RTK的优势能兼顾不同层次的用户对定位精度指标要求，提供覆盖米级、分米级、厘米级的数据；覆盖范围广、作业效率高，一次投资长期受益的特点，成为城市基础设施建设新方向；提供稳定、统一的参考坐标系给所有用户共享，规范基础测绘数据；网络CORS相对于传统RTK的优势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；提高生产效率，单人测量系统成为GNSS主流作业模式解决了重复的参数求取提供了数据完整性监控目前几种网络CORS的算法虚拟参考站技术(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VRS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FKP技术特点单向通讯（流动站不需要发送GGA）无法兼容传统RTK流动站，要求流动站能处理RTCM59信息单向数据通讯，用户只接收不发播，具有良好的隐蔽性；主辅站技术（MAX）数据处理中心广播主站观测值（与常规RTK相同），同时通过RTCM3.11014~1017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MAX技术特点数据量大，需要发送主站及一系列辅站的改正数；单向数据通讯，用户只接收不发播，具有良好的隐蔽性；无法兼容常规RTK流动站，需要流动站能处理RTCM3.11014~1017信息；用户量没有限制；不利于监控和管理流动站用户的作业和权限iMAX(IndividualMAX)增强了个人的应用流动站发送GGA易于监控和管理流动站用户权限、作业；网络参考站系统(NRS)NRS（NetReferenceStation）是南方公司在虚拟参考站技术的基础上，吸收其他网络CORS技术优点，结合中国实际进一步发展和延伸的自主创新成果NRS系统特点特有的DEEP-NRS技术，使网的可用性大大提高数据加密技术支持NTrip协议，系统兼容国内外各种型号的GPS支持多种差分格式RTCM2.x(含RTD)、CMRRTCA、RTCM30自定义图形显示GPS产品多样、高端的GPS产品成为主流随着电子信息终端技术的快速发展，GPS产品不断向更轻、更小、更齐全功能方向发展，高端产品逐渐成为主线测量行业的RTK产品GIS个人手持定位系统进口RTK厂商天宝（R8、R6）阿斯泰克（Z-X，Z-Max）加瓦特（凯旋-1和凯旋-4）拓普康（HiPerPro、GR-3）Novatel（最主要的OEM厂商）徕卡（GPS1220、GPS1230）Magellen（Thales）Hemisphere，Datagrid双频接收机由于用户量小，专利垄断等原因，生产的厂家较少，价格垄断国产RTK厂商南方（S86、S82）中海达（V8）华测（X90、X91）目前都是OEM制造，没有完全的自主制造技术国产的双频接收机技术近一两年将会取得突破，这种突破会彻底使测量型GPS的市场重新洗牌手持GPS主要厂商Garmin麦哲伦最大的芯片厂家SiRF2000国家大地坐标系简介CGCS2000的定义

CGCS2000符合IERS（国际地球旋转和参考系服务局）ITRS（国际地球参考系）的下列定义：原点在包括海洋和大气的整个地球的质量中心；长度单位为米（SI），这一尺度与地心局部框架的TCG（地心坐标时）时间坐标一致；定向在1984.0时与国际时间局（BIH）定向一致；定向随时间的演变由整个地球水平构造运动无整体旋转（no-net-rotation）的条件保证。CGCS2000的定义以上定义对应一个右手地固直角坐标系，它的原点和轴定义如下：

原点在地球质量中心；

Z轴指向IERS参考极方向；

X轴为IERS参考子午面与通过原点且同z轴正交的赤道面的交线；

Y轴与Z、X轴构成右手直角坐标系。参考椭球的几何中心与坐标系的原点重合，其旋转轴与坐标系的Z轴重合。正常椭球与参考椭球一致。CGCS2000：参考椭球YXZ地球质心IRM参考椭球IRPCGCS2000坐标系定义CGCS2000：参考椭球CGCS2000参考椭球的定义常数:赤道半径：a=6378137m扁率:f=1:298.257222101地心引力常数：GM=3.986004418×1014m3s-2

旋转速度：ω=7.292115×10-5rads-1CGCS2000：参考椭球常数

导出几何常数值

b=6356752.3141m短半轴E=521854.00970025m线偏心率c=6399593.6259m极曲率半径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轴比b/aQ=10001965.7293m子午圈一象限弧长V=13.546km3椭球体积S=510065621.718km2椭球表面积R1=6371008.7714m算术平均半径R2=6371007.1809m同面积之球的半径R3=6371000.7900m同体积之球的半径CGCS2000：参考椭球常数

导出物理常数值

U0=62636851.7149m2s-2椭球面正常位J2=0.18x10-22阶带谐系数J4=-0.2370911256141x10-54阶带谐系数J6=0.62x10-86阶带谐系数J8=-0.1426811009798x10-108阶带谐系数J10=0.1214393383343x10-1310阶带谐系数m=0.678m=ω2a2b/GM

γe=9.7803253361ms-2赤道正常重力

γp=9.8321849379ms-2极正常重力

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地球质量（包括大气）CGCS2000的实现

CGCS2000通过2000国家GPS大地控制网的坐标和速度具体实现。参考历元为2000.0。2000国家GPS大地控制网是在测绘、地震和科学院等部门布设的4个GPS网联合平差的基础上得到的一个全国规模的GPS大地控制网，共包括2518点。

坐标平均中误差：σx=0.90cm,σy=1.57cm,σz=1.06cmσB=0.37cm,σL=0.77cm,σh=1.92cm

位置平均中误差：σP=2.13cmCGCS2000的实现2000国家GPS大地网CGCS2000与WGS84比较

CGCS2000椭球WGS84椭球差

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

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

CGSC2000与WGS84比较椭球的扁率变化引起的大地纬度