数字地球导论 数字地球中的空间定位技术.docx
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数字地球导论数字地球中的空间定位技术
第三章数字地球中的空间定位技术
数字地球中的“3S”技术:
数字地球的核心是地球空间信息科学,地球空间信息科学的技术体系中最基础和基本的技术核心是“3S”技术及其集成。
所谓“3S”是全球定位系统(GPS)、地理信息系统(GIS)和遥感(RS)的统称。
没有“3S”技术的发展,现实变化中的地球是不可能以数字的方式进入计算机网络系统的。
全球卫星定位系统自1970年开始自今仍持续不断地发展建置,目前分别有美国国防部发展的NAVSTARGPS、前苏俄研发的GLONASS,以及欧盟预计2008年运行的GALILEO和中国积极发展中的北斗导航系统。
目前最为广泛使用的定位系统是美国的GPS系统。
第一节GPS概述
全球定位系统(GlobalPositioningSystem-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。
经近10年我国测绘等部门的使用表明,GPS以全天候、高精度、自动化、高效益等显著特点,赢得广大测绘工作者的信赖,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。
随着全球定位系统的不断改进,硬、软件的不断完善,应用领域正在不断地开拓,目前已遍及国民经济各种部门,并开始逐步深入人们的日常生活。
GPS系统包括三大部分:
空间部分—GPS卫星星座;地面控制部分—地面监控系统;用户设备部分—GPS信号接收机。
1、空间部分
由21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成GPS卫星星座,记作(21+3)GPS星座。
24颗卫星均匀分布在6个轨道平面内,轨道倾角为55度,各个轨道平面之间相距60度,即轨道的升交点赤经各相差60度。
每个轨道平面内各颗卫星之间的升交角距相差90度,一轨道平面上的卫星比西边相邻轨道平面上的相应卫星超前30度。
在两万公里高空的GPS卫星,当地球对恒星来说自转一周时,它们绕地球运行二周,即绕地球一周的时间为12恒星时。
这样,对于地面观测者来说,每天将提前4分钟见到同一颗GPS卫星。
位于地平线以上的卫星颗数随着时间和地点的不同而不同,最少可见到4颗,最多可见到11颗。
在用GPS信号导航定位时,为了结算测站的三维坐标,必须观测4颗GPS卫星,称为定位星座。
这4颗卫星在观测过程中的几何位置分布对定位精度有一定的影响。
对于某地某时,甚至不能测得精确的点位坐标,这种时间段叫做“间隙段”。
但这种时间间隙段是很短暂的,并不影响全球绝大多数地方的全天候、高精度、连续实时的导航定位测量。
GPS工作卫星的编号和试验卫星基本相同。
ThefirstGPSsatellitewaslaunchedin1978.Afullconstellationof24satelliteswasachievedin1994.Eachsatelliteisbuilttolastabout10years.Replacementsareconstantlybeingbuiltandlaunchedintoorbit.AGPSsatelliteweighsapproximately2,000poundsandisabout17feetacrosswiththesolarpanelsextended.Transmitterpowerisonly50wattsorless.
2、地面控制部分
对于导航定位来说,GPS卫星是一动态已知点。
星的位置是依据卫星发射的星历—描述卫星运动及其轨道的的参数算得的。
每颗GPS卫星所播发的星历,是由地面监控系统提供的。
卫星上的各种设备是否正常工作,以及卫星是否一直沿着预定轨道运行,都要由地面设备进行监测和控制。
地面监控系统另一重要作用是保持各颗卫星处于同一时间标准—GPS时间系统。
这就需要地面站监测各颗卫星的时间,求出钟差。
然后由地面注入站发给卫星,卫星再由导航电文发给用户设备。
GPS工作卫星的地面监控系统包括一个主控站、三个注入站和五个监测站。
一个主控站:
科罗拉多•斯必灵司
三个注入站:
阿松(Ascencion)、迭哥•伽西亚(DiegoGarcia)、卡瓦加兰kwajalein)
五个监测站=1个主控站+3个注入站+夏威夷(Hawaii)
地面监控系统分布
3、用户部分
(1)GPS信号接收机
GPS信号接收机的任务是:
能够捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星的信号,并跟踪这些卫星的运行,对所接收到的GPS信号进行变换、放大和处理,以便测量出GPS信号从卫星到接收机天线的传播时间,解译出GPS卫星所发送的导航电文,实时地计算出测站的三维位置,位置,甚至三维速度和时间。
静态定位中,GPS接收机在捕获和跟踪GPS卫星的过程中固定不变,接收机高精度地测量GPS信号的传播时间,利用GPS卫星在轨的已知位置,解算出接收机天线所在位置的三维坐标。
而动态定位则是用GPS接收机测定一个运动物体的运行轨迹。
GPS信号接收机所位于的运动物体叫做载体(如航行中的船舰,空中的飞机,行走的车辆等)。
载体上的GPS接收机天线在跟踪GPS卫星的过程中相对地球而运动,接收机用GPS信号实时地测得运动载体的状态参数(瞬间三维位置和三维速度)。
接收机硬件和机内软件以及GPS数据的后处理软件包,构成完整的GPS用户设备。
GPS接收机的结构分为天线单元和接收单元两大部分。
对于测地型接收机来说,两个单元一般分成两个独立的部件,观测时将天线单元安置在测站上,接收单元置于测站附近的适当地方,用电缆线将两者连接成一个整机。
也有的将天线单元和接收单元制作成一个整体,观测时将其安置在测站点上。
GPS接收机一般用蓄电池做电源。
同时采用机内机外两种直流电源。
设置机内电池的目的在于更换外电池时不中断连续观测。
在用机外电池的过程中,机内电池自动充电。
关机后,机内电池为RAM存储器供电,以防止丢失数据。
近几年,国内引进了许多种类型的GPS测地型接收机。
各种类型的GPS测地型接收机用于精密相对定位时,其双频接收机精度可达5mm+1PPM.D,单频接收机在一定距离内精度可达10mm+2PPM.D。
用于差分定位其精度可达亚米级至厘米级。
目前,各种类型的GPS接收机体积越来越小,重量越来越轻,便于野外观测。
GPS和GLONASS兼容的全球导航定位系统接收机已经问世。
(2)GPS接收机的分类
GPS卫星发送的导航定位信号,是一种可供无数用户共享的信息资源。
对于陆地、海洋和空间的广大用户,只要用户拥有能够接收、跟踪、变换和测量GPS信号的接收设备,即GPS信号接收机。
可以在任何时候用GPS信号进行导航定位测量。
根据使用目的的不同,用户要求的GPS信号接收机也各有差异。
目前世界上已有几十家工厂生产GPS接收机,产品也有几百种。
这些产品可以按照原理、用途、功能等来分类。
A.按接收机的用途分类
●导航型接收机
此类型接收机主要用于运动载体的导航,它可以实时给出载体的位置和速度。
这类接收机一般采用C/A码伪距测量,单点实时定位精度较低,一般为±25mm,有SA影响时为±100mm。
这类接收机价格便宜,应用广泛。
根据应用领域的不同,此类接收机还可以进一步分为:
车载型——用于车辆导航定位;
航海型——用于船舶导航定位;
航空型——用于飞机导航定位。
由于飞机运行速度快,因此,在航空上用的接收机要求能适应高速运动。
星载型——用于卫星的导航定位。
由于卫星的速度高达7km/s以上,因此对接收机的要求更高。
●测地型接收机
测地型接收机主要用于精密大地测量和精密工程测量。
这类仪器主要采用载波相位观测值进行相对定位,定位精度高。
仪器结构复杂,价格较贵。
授时型接收机
这类接收机主要利用GPS卫星提供的高精度时间标准进行授时,常用于天文台及无线电通讯中时间同步。
B.按接收机的载波频率分类
●单频接收机
单频接收机只能接收L1载波信号,测定载波相位观测值进行定位。
由于不能有效消除电离层延迟影响,单频接收机只适用于短基线(<15km)的精密定位。
●双频接收机
双频接收机可以同时接收L1,L2载波信号。
利用双频对电离层延迟的不一样,可以消除电离层对电磁波信号的延迟的影响,因此双频接收机可用于长达几千公里的精密定位。
C.按接收机通道数分类
GPS接收机能同时接收多颗GPS卫星的信号,为了分离接收到的不同卫星的信号,以实现对卫星信号的跟踪、处理和量测,具有这样功能的器件称为天线信号通道。
根据接收机所具有的通道种类可分为:
●多通道接收机
●序贯通道接收机
●多路多用通道接收机
D.按接收机工作原理分类
●码相关型接收机:
码相关型接收机是利用码相关技术得到伪距观测值。
●平方型接收机:
平方型接收机是利用载波信号的平方技术去掉调制信号,来恢复完整的载波信号通过相位计测定接收机内产生的载波信号与接收到的载波信号之间的相位差,测定伪距观测值。
●混合型接收机:
这种仪器是综合上述两种接收机的优点,既可以得到码相位伪距,也可以得到载波相位观测值。
●干涉型接收机:
这种接收机是将GPS卫星作为射电源,采用干涉测量方法,测定两个测站间距离。
第二节GPS定位原理
GPS接收机可接收到可用于授时的准确至纳秒级的时间信息;用于预报未来几个月内卫星所处概略位置的预报星历;用于计算定位时所需卫星坐标的广播星历,精度为几米至几十米(各个卫星不同,随时变化);以及GPS系统信息,如卫星状况等。
GPS接收机对码的量测就可得到卫星到接收机的距离,由于含有接收机卫星钟的误差及大气传播误差,故称为伪距。
对0A码测得的伪距称为UA码伪距,精度约为20米左右,对P码测得的伪距称为P码伪距,精度约为2米左右。
GPS接收机对收到的卫星信号,进行解码或采用其它技术,将调制在载波上的信息去掉后,就可以恢复载波。
严格而言,载波相位应被称为载波拍频相位,它是收到的受多普勒频移影响的卫星信号载波相位与接收机本机振荡产生信号相位之差。
一般在接收机钟确定的历元时刻量测,保持对卫星信号的跟踪,就可记录下相位的变化值,但开始观测时的接收机和卫星振荡器的相位初值是不知道的,起始历元的相位整数也是不知道的,即整周模糊度,只能在数据处理中作为参数解算。
相位观测值的精度高至毫米,但前提是解出整周模糊度,因此只有在相对定位、并有一段连续观测值时才能使用相位观测值,而要达到优于米级的定位精度也只能采用相位观测值。
按定位方式,GPS定位分为单点定位和相对定位(差分定位)。
单点定位就是根据一台接收机的观测数据来确定接收机位置的方式,它只能采用伪距观测量,可用于车船等的概略导航定位。
相对定位(差分定位)是根据两台以上接收机的观测数据来确定观测点之间的相对位置的方法,它既可采用伪距观测量也可采用相位观测量,大地测量或工程测量均应采用相位观测值进行相对定位。
在GPS观测量中包含了卫星和接收机的钟差、大气传播延迟、多路径效应等误差,在定位计算时还要受到卫星广播星历误差的影响,在进行相对定位时大部分公共误差被抵消或削弱,因此定位精度将大大提高,双频接收机可以根据两个频率的观测量抵消大气中电离层误差的主要部分,在精度要求高,接收机间距离较远时(大气有明显差别),应选用双频接收机。
在定位观测时,若接收机相对于地球表面运动,则称为动态定位,如用于车船等概略导航定位的精度为30一100米的伪距单点定位,或用于城市车辆导航定位的米级精度的伪距差分定位,或用于测量放样等的厘米级的相位差分定位(RTK),实时差分定位需要数据链将两个或多个站的观测数据实时传输到一起计算。
在定位观测时,若接收机相对于地球表面静止,则称为静态定位,在进行控制网观测时,一般均采用这种方式由几台接收机同时观测,它能最太限度地发挥GPS的定位精度,专用于这种目的的接收机被称为大地型接收机,是接收机中性能最好的一类。
目前,GPS已经能够达到地壳形变观测的精度要求,IGS的常年观测台站已经能构成毫米级的全球坐标框架。
GPS是一种高精度卫星定位导航系统,它是利用一组卫星的伪距、星历、卫星发射时间等观测量以及用户钟差来进行定位的。
由于伪距的引入,要获得地面点的三维坐标,必须对4颗卫星进行测量。
由于卫星的位置精确可知,在GPS观测中,我们可得到卫星到接收机的距离,利用三维坐标中的距离公式,利用3颗卫星,就可以组成3个方程式,解出观测点的位置(X,Y,Z)。
考虑到卫星的时钟与接收机时钟之间的误差,实际上有4个未知数,X、Y、Z和钟差,因而需要引入第4颗卫星,形成4个方程式进行求解,从而得到观测点的经纬度和高程。
一、坐标系统
1、地球表面
2、地球椭球参数
3、坐标系、基准和坐标系统
测量的基本任务就是确定物体在空间中的位置、姿态及其运动轨迹。
而对这些特征的描述都是建立在某一个特定的空间框架和时间框架之上的。
空间框架就是我们常说的坐标系统;时间框架就是我们常说的时间系统。
4、坐标系的分类
正如前面所提及的,所谓坐标系指的是描述空间位置的表达形式,即采用什么方法来表示空间位置。
人们为了描述空间位置,采用了多种方法,从而也产生了不同的坐标系,如直角坐标系、极坐标系等。
在测量中,常用的坐标系有以下几种:
(1)空间直角坐标系
空间直角坐标系的坐标系原点位于参考椭球的中心,Z轴指向参考椭球的北极,X轴指向起始子午面与赤道的交点,Y轴位于赤道面上,且按右手系与X轴呈90°夹角。
某点在空间中的坐标可用该点在此坐标系的各个坐标轴上的投影来表示。
(2)空间大地坐标系
空间大地坐标系是采用大地经、纬度和大地高来描述空间位置的。
纬度是空间的点与参考椭球面的法线与赤道面的夹角,经度是空间中的点与参考椭球的自转轴所在的面与参考椭球的起始子午面的夹角,大地高是空间点沿参考椭球的法线方向到参考椭球面的距离。
(3)地理坐标系统(GeographyCoordinateSystem)
(4)平面直角坐标系
平面直角坐标系是利用投影变换,将空间坐标(空间直角坐标或空间大地坐标)通过某种数学变换映射到平面上,这种变换又称为投影变换。
投影变换的方法有很,如UTM投影、Lambuda投影等,在我国采用的是高斯-克吕格投影,也称为高斯投影。
(5)基准
所谓基准是指为描述空间位置而定义的点、线、面,在大地测量中,在大地测量中,基准是指用以描述地球形状的参考椭球的参数,如参考椭球的长短半轴,以及参考椭球在空间中的定位及定向,还有在描述这些位置时所采用的单位长度的定义。
二、GPS测量中常用的坐标系统
WGS-84坐标系是目前GPS所采用的坐标系统,GPS所发布的星历参数就是基于此坐标系统的。
WGS-84坐标系的坐标原点位于地球的质心,Z轴指向BIH1984.0定义的协议地球极方向,X轴指向BIH1984.0的启始子午面和赤道的交点,Y轴与X轴和Z轴构成右手系。
1、1954年北京坐标系
1954年北京坐标系是我国目前广泛采用的大地测量坐标系,采用的参考椭球是克拉索夫斯基椭球,遗憾的是,该椭球并未依据当时我国的天文观测资料进行重新定位,而是由前苏联西伯利亚地区的一等锁,经我国的东北地区传算过来的,该坐标系的高程异常是以前苏联1955年大地水准面重新平差的结果为起算值,按我国天文水准路线推算出来的,而高程又是以1956年青岛验潮站的黄海平均海水面为基准。
2、1980年西安大地坐标系
1978年,我国决定重新对全国天文大地网施行整体平差,并且建立新的国家大地坐标系统,整体平差在新大地坐标系统中进行,这个坐标系统就是1980年西安大地坐标系统。
1980年西安大地坐标系统所采用的地球椭球参数的四个几何和物理参数采用了IAG1975年的推荐值,椭球的短轴平行于地球的自转轴(由地球质心指向1968.0JYD地极原点方向),起始子午面平行于格林尼治平均天文子午面,椭球面同似大地水准面在我国境内符合最好,高程系统以1956年黄海平均海水面为高程起算基准。
3、WGS84坐标系统
GPS成果(坐标)属WGS-84坐标系
WGS84坐标系统
三、GPS时间系统
在GPS卫星定位中,时间系统的重要性表现在:
GPS卫星作为高空观测目标,位置不断变化,在给出卫星运行位置同时,必须给出相应的瞬间时刻。
例如当要求GPS卫星的位置误差小于1cm,则相应的时刻误差应小于2.610-6s。
准确地测定观测站至卫星的距离,必须精密地测定信号的传播时间。
若要距离误差小于1cm,则信号传播时间的测定误差应小于310-11s
四、GPS卫星信号
信号:
包括载波信号、测距码、和数据码(D码)等。
测距码包括P码(Y码)和C/A码。
P码,也称精码,精度高,保密,美军方和特许用户使用;C/A码,也称粗码,精度低,码结构公开,民用。
载波信号:
L1和L2
L1:
频率1575.42MHz,波长19.03cm,其上调制P码、C/A码和D码;
L2:
频率1227.60MHz,波长24.42cm,其上只调制P码和D码。
每颗卫星都发射一系列无线电信号(基准频率ƒ),两种载波(L1和L2),两种码信号(C/A码和P码),一组导航电文(信息码,D码)。
五、接收机基本观测量
目前GPS系统提供的定位精度是优于10米,而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。
第三节DGPS原理
差分技术很早就被人们所应用。
它实际上是在一个测站对两个目标的观测量、两个测站对一个目标的观测量或一个测站对一个目标的两次观测量之间进行求差。
其目的在于消除公共项,包括公共误差和公共参数。
在以前的无线电定位系统中已被广泛地应用。
GPS是一种高精度卫星定位导航系统。
在实验期间,它能给出高精度的定位结果。
这时尽管有人提出利用差分技术来进一步提高定位精度,但由于用户要求还不迫切,所以这一技术发展较慢。
随着GPS技术的发展和完善,应用领域的进一步开拓,人们越来越重视利用差分GPS技术来改善定位性能。
它使用一台GPS基准接收机和一台用户接收机,利用实时或事后处理技术,就可以使用户测量时消去公共的误差源—电离层和对流层效应。
特别提出的是,当GPS工作卫星升空时,美国政府实行了SA政策。
使卫星的轨道参数增加了很大的误差,致使一些对定位精度要求稍高的用户得不到满足。
因此,现在发展差分GPS技术就显得越来越重要。
GPS定位是利用一组卫星的伪距、星历、卫星发射时间等观测量来实现的,同时还必须知道用户钟差。
因此,要获得地面点的三维坐标,必须对4颗卫星进行测量。
在这一定位过程中,存在着三部分误差。
一部分是对每一个用户接收机所公有的,例如,卫星钟误差、星历误差、电离层误差、对流层误差等;第二部分为不能由用户测量或由校正模型来计算的传播延迟误差;第三部分为各用户接收机所固有的误差,例如内部噪声、通道延迟、多径效应等。
利用差分技术,第一部分误差完全可以消除,第二部分误差大部分可以消除,其主要取决于基准接收机和用户接收机的距离,第三部分误差则无法消除。
除此以外,美国政府实施了SA政策,其结果使卫星钟差和星历误差显著增加,使原来的实时定位精度从15m降至100m。
在这种情况下,利用差分技术能消除这一部分误差,更显示出差分GPS的优越性。
差分GPS(DifferentialGPS,DGPS)。
措施:
两台接收机同时工作,一台放置在基准站,另一台随用户工作。
用基准站接收机计算出的调整偏差校正用户位置。
根据差分GPS基准站发送的信息方式可将差分GPS定位分为三类,即:
位置差分、伪距差分和相位差分。
这三类差分方式的工作原理是相同的,即都是由基准站发送改正数,由用户站接收并对其测量结果进行改正,以获得精确的定位结果。
所不同的是,发送改正数的具体内容不一样,其差分定位精度也不同。
一、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。
二.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。
国际海事无线电委员会推荐的RTCMSC-104也采用了这种技术。
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。
利用一个α-β滤波器将此差值滤波并求出其偏差。
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。
3.载波相位差分原理
测地型接收机利用GPS卫星载波相位进行的静态基线测量获得了很高的精度(10-6~10-8)。
但为了可靠地求解出相位模糊度,要求静止观测一两个小时或更长时间。
这样就限制了在工程作业中的应用。
于是探求快速测量的方法应运而生。
例如,采用整周模糊度快速逼近技术(FARA)使基线观测时间缩短到5分钟,采用准动态(stopandgo),往返重复设站(re-occupation)和动态(kinematic)来提高GPS作业效率。
这些技术的应用对推动精密GPS测量起了促进作用。
但是,上述这些作业方式都是事后进行数据处理,不能实时提交成果和实时评定成果质量,很难避免出现事后检查不合格造成的返工现象。
差分GPS的出现,能实时给定载体的位置,精度为米级,满足了引航、水下测量等工程的要求。
位置差分、伪距差分、伪距差分相位平滑等技术已成功地用于各种作业中。
随之而来的是更加精密的测量技术—载波相位差分技术。
载波相位差分技术又称为RTK技术(realtimekinematic),是建立在实时处理两个测站的载波相位基础上的。
它能实时提供观测点的三维坐标,并达到厘米级的高精度。
与伪距差分原理相同,由基准站通过数据链实时将其载波观测量及站坐标信息一同传送给用户站。
用户站接收GPS卫星的载波相位与来自基准站的载波相位,并组成相位差分观测值进行实时处理,能实时给出厘米级的定位结果。
实现载波相位差分GPS的方法分为两类:
修正法和差分法。
前者与伪距差分相同,基准站将载波相位修正量发送给用户站,以改正其载波相位,然后求解坐标。
后者将基准站采集的载波相位发送给用户台进行求差解算坐标。
前者为准RTK技术,后者为真正的RTK技术。
第四节GPS特点
1、
- 配套讲稿:
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- 数字地球导论 数字地球中的空间定位技术 数字 地球 导论 中的 空间 定位 技术