GNSS技术发展应用1213

全球导航卫星系统（GNSS）技术发展与应用洪立波主要内容1、全球导航卫星系统概念2、全球导航卫星系统的构成3、全球导航卫星系统定位的优点4、全球导航卫星系统星座的发展5、GNSS测量定位方法的发展6、GNSS接收机的发展7、全球导航卫星系统技术的应用8、我国导航卫星系统发展展望1全球导航卫星系统的概念GNSS技术的出现与发展为测绘工作提供了一种崭新的技术方案和手段，给测绘工作带来了革命性的变革。1全球导航卫星系统的概念全球导航卫星系统（GlobalNavigationSatelliteSystem，缩写GNSS）的概念：GNSS是以人造卫星组网为基础的无线电导航定位系统。利用设置在地面或运动载体上的卫星接收机，接收卫星发射的无线电信号，经技术处理，实现导航定位。2全球导航卫星系统的构成GNSS由三部分组成：空间的卫星星座；地面的控制系统；•主控站的任务：收集数据，编写导航电文，诊断卫星状态，调度卫星。•注入站的任务：注入卫星导航电文。•监测站的任务：为主控站编写导航电文提供观测数据（卫星的伪距和距离差、气象要素等）。用户的接收机处理装置。3全球导航卫星系统定位的优点用于控制测量时，控制点间无需通视，选点方面、节省造标费用，减轻体力负担；不受气候影响，全天候测量，提高作业效率；同时获取测量点的三维坐标，改变过去平面、高程分别测量的状况，提高生产效率和效益；可用于快速的工程测量和地形测量。4全球导航卫星系统星座的发展GNSS系统全球系统区域系统增强系统COMPASSGPSGLONASSGalileoQZSSIRNSS4全球导航卫星系统星座的发展美国的GPS：是GNSS系统中应用最早、最广泛，也是效益最好的系统。该星座是1995年7月17日建成投入完全运行状态，共有24颗卫星（其中21颗工作卫星，3颗备用卫星），均匀分布在6个轨道平面内，轨道平面相对赤道平面的倾角为55º，各个轨道平面之间相差60º。3颗备用卫星分别位于第1、3、5号轨道平面内。4全球导航卫星系统星座的发展4全球导航卫星系统星座的发展卫星轨道的平均高度为20200km，卫星公转周期正好12小时，卫星寿命7.5年。GPS卫星以连续方式发射两个载波信号：L1为1575.42MKz（波长约为19cm），L2为1227.6MKz（波长约为24cm）。载波频率上调制有导航电文，有两种码，P码（精码），C/A码（粗码）。至2007年底共发射50多颗卫星，目前，有30颗卫星可使用。4全球导航卫星系统星座的发展地面监控系统：包括一个主控站，三个注入站和五个监测站，主控站设在美国本土科罗拉多的斯普林斯，三个注入站分别在大西洋、印度洋、太平洋的三个美军基地上；五个监测站分别在主控站、注入站处，还有一个在美国的夏威夷。4全球导航卫星系统星座的发展AS和SA技术由于GNSS是战略性基础设备，美国国防部曾发布声明：“国防部正在建立一个21颗卫星组成的GPS工作卫星，选择可用性和反电子欺骗（SA/AS），是任何时候都可能实行的系统能力。为了与国家政策相一致，目前的GPS星座从1990年3月25日以标准定位服务（SPS）的精度水平发播导航电位”。4全球导航卫星系统星座的发展SA技术（选择利用技术）即主要是增加C/A码信号的随机抖动和降低卫星钟的稳定性。使C/A码信号受到污染，精度从30m降低到100m。对用户影响很大，反映强烈。后来美国政府被迫宣布停止。AS技术（电子欺骗技术）即将P码换成更保密的Y码，防止未经批准的用户掌握精码。AS技术不是连续使用，只有在军事形势需要时才使用。4全球导航卫星系统星座的发展苏联/俄罗斯的GLONASS：为了对抗美国，前苏联于1996年1月18日也建成投入完全运行状态的GLONASS。该星座共有24颗卫星，均匀分布在3个轨道面上。其结构与美国GPS类似。4全球导航卫星系统星座的发展俄罗斯1995年建成的卫星导航定位系统24颗卫星分布在3个轨道平面卫星钟寿命3-5年采用频分多址技术军民两用系统受俄罗斯国防部控制4全球导航卫星系统星座的发展由于苏联解体，卫星维护不足，新星发射困难，有一段时间只有9颗有效卫星，影响了使用。普京上台后很关注该系统，投入大量的改造经费。目前已逐步恢复，有18颗卫星可提供使用，大概2011年能全部恢复。4全球导航卫星系统星座的发展欧盟的Galileo：欧盟是美国的盟友，也对美国不放心，要求独立建全球导航卫星系统，开始美国反对，经过艰难的谈判，由于欧盟的坚决态度，美国不得不同意欧盟的Galileo计划。4全球导航卫星系统星座的发展该星座是欧盟政府和大企业共建系统，政府出资1/3，大企业出资2/3，以民用为主要目标。该星座共有30颗卫星，分布在3个轨道面上，目前只发射了3颗试用卫星。4全球导航卫星系统星座的发展Galileo系统4全球导航卫星系统星座的发展由于预算经费不足，政府和企业意见分歧，进度缓慢，原计划2013年建成，估计要到2015年后才能建成。我国原计划加入Galileo计划，但欧盟有技术壁垒，不让我国参加核心技术研究，至今没有进展，促使中国发展自己的GNSS系统。4全球导航卫星系统星座的发展中国的北斗系统BD：由于美国的GPS的SA政策，欧盟Galileo的技术壁垒，以及为维护我国空间技术发展战略。我国决定建立独立自主的中国全球导航卫星系统。该计划分两步走：一期工程先发射3颗北斗卫星，属于区域性主动式导航卫星系统。4全球导航卫星系统星座的发展COMPASS（北斗）发展步骤1）北斗卫星导航试验系统（北斗一代）1994—2003(3颗GEO)2）北斗二代一期（区域定位系统）2004—2012(5颗IGSO、5颗GEO、4颗MEO)3）北斗二代二期（全球定位系统）2012—2020(30颗MEO、5颗GEO)具有导航、定位、授时及通信功能4全球导航卫星系统星座的发展2003年建成空间段:36,000km地球同步轨道卫星，两颗工作卫星（东经80o，140o）一颗备用卫星（东经110.5o）。中心站：北京功能：具有区域定位、授时、短报文通信功能经度区间70-145（E）；纬度区间5-55（N）中国的北斗系统BD：由于美国的GPS的SA政策，欧盟Galileo的技术壁垒，以及为维护我国空间技术发展战略。我国决定建立独立自主的中国全球导航卫星系统。该计划分两步走：一期工程先发射3颗北斗卫星，属于区域性主动式导航卫星系统。4全球导航卫星系统星座的发展2)北斗二代一期—2012年建成北斗二代系统空间段：5颗地球同步轨道卫星-GEO5颗倾斜地球同步轨道卫星-IGSO4颗中轨道卫星-MEO覆盖范围：同北斗一期区域导航、定位、授时、通信功能3)北斗二代二期—2020年建成空间段：5颗地球同步轨道卫星-GEO30颗中轨道卫星-MEO全球复盖，具有导航、定位、授时、通信功能5GNSS测量定位方法的发展静态定位：自从上世纪九十年代初GPS建成以来，一直采用此方法建立国家大地坐标系、CORS网站、控制网、监控网以及各类精密定位测量。快速静态定位：自从上世纪九十年代初到本世纪初，有采用此方法快速建立低等级的控制网。5GNSS测量定位方法的发展动态定位：本世纪初以来，随着GNSS动态定位技术的发展，动态定位受到青睐。广泛采用动态定位的RTK技术、网络RTK技术进行快速的、低精度的控制测量、工程测量和空间地理信息的数据采集。《卫星定位城市测量技术规范》CJJ/T73-2010规定：网络RTK测量可作一、二、三级、图根和碎部测量，RTK可作为图根和碎部测量。5GNSS测量定位方法的发展在高精度卫星定位技术上，从静态相对定位向载波相位实时动态定位（CORS）方向发展。由单基站RTK向网络RTK方向发展；网络RTK有虚拟参考站技术及主副站技术，利用GSM、GPRS、CDMA等无线通信网，用户只需一台卫星定位接收机即可实现长距离快速RTK定位，定位精度平面为1-2cm，高程为3-4cm，定位速度1-2分钟。6GNSS接收机的发展GNSS接收机的分类按照GNSS信号的不同用途，GNSS信号接收机可分为三大类：定位型、导航型和授时型。按照GNSS信号应用场合不同，GNSS接收机可分为背负式、车载式、船用式、机载式、弹载式等五种。按照GNSS载波频率分类：单频机和双频机。6GNSS接收机的发展GNSS接收机的发展GNSS接收机向多星座、多频接收机方向发展，上世纪九十年代末出现了GPS/GLONASS兼容双频接收机。本世纪初又出现了GPS/GLONASS/GALILEO三系统兼容三频接收机，共有72个通道的卫星接收机OEM板。多系统兼容接收机的研制成功，将提高定位速度、定位精度、定位可靠性及定位可用性。6GNSS接收机的发展GNSS接收机生产过去都是美国、瑞士、法国、加拿大、日本等国家所垄断。从上世纪九十年代末我国的一些仪器厂商已成功研制生产GNSS接收机以及北斗一号接收机。航天部704所还研制出GPS/GLONASS兼容接收机，我国利用进口卫星定位OEM板生产的双频高精度接收机已代替部分进口设备，并占领国内市场的一半。目前国内正在积极研制GPS和GALILEO兼容以及GPS与北斗二号兼容的单频、双频卫星定位高精度接收机。7全球导航卫星系统技术的应用1）建立国家大地控制网和坐标系统中应用：（1）国外应用的情况：中南美洲坐标系（SIRGAS）：南美洲11个国家开展GPS会战，建立58个GPS站；建立了与ITRS相一致的地心参考系；内部精度：站坐标分量均方根误差为4mm；外部检测精度：3cm左右。7全球导航卫星系统技术的应用欧洲坐标系（EUREF）欧洲参考系ETRS2000，ETRS固联于欧洲板块的稳定部分。EUREF分为三级：A级相对于ITRS89框架的精度达1cm；B级在给定历元的坐标精度达1cm；C级相对于ITRF89的精度达5cm。EUREF已融入ITRF。7全球导航卫星系统技术的应用苏联/俄罗斯坐标系：1942年建立的统一大地坐标系CK-42；1988年军方实施新的统一地心坐标系CK-90；民用方面：1995年改用CK-95新系统，有134个控制点，参考椭球为克拉索夫斯基椭球。俄国国防部：地心坐标系PZ—9。7全球导航卫星系统技术的应用日本坐标系（JGD2000）：建立与ITRS相一致的地心参考系，历元1997.0；大地控制网：由1200个GPS、CORS站和64000个一、二、三等经典大地点组成。新西兰坐标系（NZGD2000）：建立与ITRS相一致的地心参考系，历元2000.0。7全球导航卫星系统技术的应用澳大利亚坐标系（GDA1994.0）：由78个GPS框架点和澳洲永久GPS跟踪站组成；对应ITRF92框架；历元1994.0；坐标精度约为几个厘米。7全球导航卫星系统技术的应用韩国坐标系（KGD2000）:1998年推出坐标系；对应ITRF97框架;历元2000.0。马来西亚坐标系（MGRF2000）:框架ITRF97；历元2000.0；大地控制网：由数十个连续运行参考站和238个GPS点组成。7全球导航卫星系统技术的应用（2）国内应用的情况：国家测绘局于1991—1995年间建立国家GPSA、B级共832个点（其中A级网点30个），框架：ITRF93；历元1996.365；点位地心坐标精度为10-7量级。7全球导航卫星系统技术的应用框架：ITRF93历元：1996.365精度约为：10-7A、B级网7全球导航卫星系统技术的应用总参测绘局于1991—1997年间布设全国GPS一、二级网共553点（其中一级网点44个），框架：ITRF96；历元1997.0；点位地心坐标精度为10-8量级。7全球导航卫星系统技术的应用一、二级网框架：ITRF96历元：1997.0精度约为：3*10-87全球导航卫星系统技术的应用中国地壳运动GPS观测网络工程：该工程由国家地震