1 卫星定位技术与方法 第十五讲 袁林果 Email: lgyuan@home.swjtu.edu.cn 西南交通大学土木工程学院测量工程系 2005-6-3 2 讲授内容 一． GPS现代化 二． GPS增强系统 三． GPS的应用 四． GPS高程问题 2 2005-6-3 3 民用 GPS主要事件总结 ? 1978 –首颗 GPS卫星发射 ? 1983 –里根总统宣布 GPS C/A民用信号对世界免费使用 ? 1993 – GPS 标准定位服务可以获得 ? 1994 – FAA 批准 GPS用于领空系统 ? 1996 – 总统决议，首个国家 GPS政策出台 ? 1998 – 两个新的民用信号 (L2 和 L5)宣布 ? 1999 – 第三民用信号 (L5) 的频率宣布（ 1176.45 MHz ） ? 2000 – 国会批准 GPS现代化纳入 DoD财政预算 ? 2000 – SA政策取消 ? 2000 – GPS JPO开始修正 IIR-M 和 IIF 卫星 ? 2000 – JPO 与 Boeing 和 Lockheed Martin 签订制造 GPS III 条约 2005-6-3 4 GPS IIA/IIR GPS III GPS IIR-M, IIF IIR-M: 改进改进 IIA 性能性能 、增加、增加 ? 在在 L2增加第二民用码增加第二民用码 ? 新的新的 L1 & L2 M-码码 IIF: 拥有拥有 IIR-M 性能性能 和和 : ? 在在 L5上增加第三民用码上增加第三民用码 ? 标准定位服务标准定位服务 (~100 m) ? 精密定位服务精密定位服务 (~16 m) ? 两个码信号两个码信号 L1: 民用民用 (C/A) & 精码精码 (P) L2: P-码码 GPS-III: ? 改进改进 Anti-jam (+20dB) ? 提高精度提高精度 ? 保证可用性保证可用性 ? 完整性监测完整性监测 ? 系统自主导航能力系统自主导航能力 其它需求其它需求 : ? 摄动力跟踪摄动力跟踪 ? 导航有关信息导航有关信息 ? 响应性选择响应性选择 原有原有 GPS L2C 码、码、 M-码码 NAVWAR 功能功能 全民用频率全民用频率 增加抗干扰能力增加抗干扰能力第民用频率第民用频率 – L5 一、 GPS现代化结构体系 增强系统性能增强系统性能 满足民用满足民用 /军用增长需求军用增长需求 取消取消 SA 3 2005-6-3 5 民用 GPS现代化 ? 第一步终止 SA 政策 ? 当前民用只能使用 GPS L1 信号 – 在 1575.42 MHz载波频率上的粗码 (C/A) – 低功率信号，标准定位服务 ? 增加第二民用频率 (L2C) – 在 1227.60 MHz 载波频率上增加 C/A-码 – 低功率信号，标准定位服务 ? 增加第三民用频率 (L5) – 在 1176.45 MHz载波频率上增加 P-码 – 高功率信号，精密定位服务 2005-6-3 6 GPS现代化民用受益方面 ? 更健壮的 GPS服务 – 提高抗干扰性能 – 一般不可能同时影响 L1, L2 和 L5 ? 全球双频精密导航定位 – 双频 (L1, L5) 允许占线电离层延迟改正 – 对于空基增强系统等，参考站数目更少 (e.g. WAAS) ? 对于科学 & 测绘等应用 提供 mm级精度服务 4 2005-6-3 7 P(Y) C/A 现代化 GPS信号结构改进 C/A P(Y) P(Y) P(Y) M L2C M 目前信号目前信号 Block II/IIA/IIR 2 nd 民用民用 ; M-码码 Block IIR-M 3 rd 民用民用 Block IIF C/A P(Y) M P(Y) L2C M 1176 MHz (L5) 1227 MHz (L2) 1575 MHz (L1) 2005-6-3 8 计划 2004年开始发射 (Block IIR-M) 到 2012年全部 GPS在轨卫星拥有 L2C能力 第二民用频率 (L2C) ? 更健壮的民用服务 – 民用用户当前只能使用无码 /半无码技术获取 L2上 P(Y) 码 – 当 L1 失锁时，提供 L2信号，增强导航连续性 ? 精度提高 – 码双频电离层误差改正 – 双频观测值组合对精密相对 GPS定位服务 ? 改进的信号结构 – 比 C/A 码更好的互相关特性 – 更健壮有效的信号跟踪 5 2005-6-3 9 计划 2005年开始发射 (Block IIF) 到 2015全部 GPS在轨卫星拥有 L5 第三民用频率 (L5) ? 经一步改进健壮性和精度 – 当 L1 或 L2 信号失锁时， L5信号增强连续性 – 三频电离层误差改正 – 三频观测值组合提供超高精度相对 GPS定位服务 ? 信号结构 – 更高功率 (~6 dB) 和抗干扰能力 – 拥有全 24 MHz 波段（带宽） – ICD-GPS-705中有关于 L5的说明 ? 受保护的航空无线电导航频谱 – 为双频用户提供生命安全导航、拥有生命搜救功能 2005-6-3 10 第二民用信号第二民用信号 第三民用信号第三民用信号 1 ON 3 menu 2 Rockwell 4 5 6 7WPT 8POS 9NAV CLRMARK 0OFF NUMLOCK FIX FOM 1 N 42* 01” 46.12” W 091* 38’ 54.36” EL + 00862 ft ZEROIZE ? 整个 GPS体系结构满足 : – 长期 GPS执行性能目标 – 减少长期总的投资成本 ? 保证 GPS兼容于 – 军用 /民用需求 – 各种增强系统 ? 建立未来 30年最优化的 GPS系统 ? 整个整个 体系结构满足体系结构满足 : – 长期长期 执行性能目标执行性能目标 – 减少长期总的投资成本减少长期总的投资成本 ? 保证保证 兼容于兼容于 – 军用军用 /民用需求民用需求 – 各种增强系统各种增强系统 ? 建立未来建立未来 30年最优化的年最优化的 S系统系统 GPS III 6 2005-6-3 11 GPS III Civil Goals ? 系统精度的显著提高 ? 保证和改进独立完整性监测水平 ? 提高精度的可用性 ? 为已存在的接收机提供向后兼容性 ? 从 GPS Block II 到 Block III平稳过渡 ? 对军用 /民用需求具有较大的灵活性 2005-6-3 12 限差限差 目标目标精度精度 (95%) 水平方向水平方向 垂直方向垂直方向 授时授时 2.5 m 0.5 m 4.5 m 1.1 m 5.7 nsec 1.3 nsec GPS III 预期精度标准 ? 包括接收机的影响 – 限差 = 低成本 /手持接收机 – 目标 = 高成本 /大地型接收机 7 2005-6-3 13 单点定位 : 2000年五月以前 ? L1 C/A 码 ? 有 SA政策 25-100 m 2005-6-3 14 单点定位 : 目前 ? L1 C/A码 ? 无 SA政策 10-20 m 8 2005-6-3 15 单点定位 : 到 2009年 ? L1 C/A码 ? L2 C/A码 5-10 m 2005-6-3 16 单点定位 : 到 2013 ? L1 C/A 码 ? L2 C/A 码 ? L5 P 码 1-5 m 更好的抗更好的抗 干扰特性干扰特性 9 2005-6-3 17 RTK定位 : Today ? L1 码和载波相位 ? L2 载波相位 ? 数据链 10 km 2 cm 精度精度 2005-6-3 18 RTK定位 : 将来 ? L1 码和载波相位 ? L2 码和载波相位 ? L5 码和载波相位 ? 数据链 100+ km 信号失锁快信号失锁快 速恢复能力速恢复能力 2 cm 精度精度 10 2005-6-3 19 二、 GPS增强系统 ? 陆基增强系统 – 以地面伪卫星平台传送类 GPS信号、误差改正、完整 性监测等信息，如局域增强系统（ LAAS） ? 空基增强系统 – 以静地卫星为平台传送类 GPS信号、误差改正、完整 性监测等信息，如广域增强系统（ WAAS） ? Internet增强系统 – 以 Internet技术传送误差改正、完整性监测等信息， 如 JPL的网络全球差分系统（ IGDG）。 2005-6-3 20 广域增强系统 (WAAS) 11 2005-6-3 21 LAAS Reference Station (Integrity Accuracy Availability) Processor GPS Receiver VHF Transmitter Pseudolite Pseudolite Pseudolite L1 Differential Broadcast Capability VHF Data Link 局域增强系统 (LAAS) 2005-6-3 22 IGDG (Internet-based Global Differential GPS) 12 2005-6-3 23 三、 GPS技术应用方面 ? 定位 –m级 -mm级范围精度的各种定位服务 ? 测速 –ms -1 级 -ms -1 级 ? 授时 –ns级、亚 ns级授时服务 2005-6-3 24 车辆导航 ? 交通管理 ? 道路辅助系统 ? 防盗系统 ? 智能交通系统 13 2005-6-3 25 消费 /娱乐 ? 旅行、狩猎等娱乐消费 ? 高尔夫球场、滑雪场等娱 乐设施 ? GPS和手机集成 2005-6-3 26 测绘 /制图 /GIS ? cm-mm级精度 ? 节省时间、成本、劳动力大约 100%-300% ? 自动制图 ? 各种工程测量 ? 石油、天然气、矿藏开发 ? 各种等级的控制测量 ? 变形监测 14 2005-6-3 27 跟踪 /机械控制 ? 货物运输 ? 公共安全服务 ? DGPS/RTK 可满足应用 领域 2005-6-3 28 Timing ? GPS提供廉价、高精度授时服务 ? 电讯网络同步 & 管理 – 电话 , 寻呼 , 无线网络 – LANs, WANs, Internet 15 2005-6-3 29 公共服务 ? 交通运输基础设施 – 路径规划网 (ROBIN) – 公共汽车引导系统 ? 紧急响应机制 – 减灾防灾 – 生命搜救 – 公安 2005-6-3 30 航空 16 2005-6-3 31 海事导航 2005-6-3 32 军事 17 2005-6-3 33 科学研究 ? 监测地质变化 – 冰山、地壳运动、地震、 火山 ? 野生动物行为研究 ? 大气监测 – 可降水汽总量 – 电子总量 ? 海洋研究 – 潮汐 – 海水表面制图 ? 时间传递 ? 地球自转运动监测 2005-6-3 34 环境监测 ? 林学 ? 土壤管理 ? 自然资源管理 ? 野生动物、植物保护 ? 环境污染监测 18 2005-6-3 35 露天采矿 ? 增强资产、设备的管理 ? 实时进度跟踪 ? 节省时间、燃料消耗、预防 事故 ? 快速测量 ? 更小、更有效率的劳动空间 2005-6-3 36 空间应用 ? 国际太空站、低轨卫星等轨道 和姿态确定 ? 对地观测卫星使用 GPS进行高 分辨率雷达制图 19 2005-6-3 37 四、 GPS高程 ?GPS测量成果在解决高程问题方面的应用，包 括两个方面 – 利用水准测量和重力测量资料，确定大地水准面的高 程 – 利用大地水准面资料确定点的高程 2005-6-3 38 高程系统 ? 在测量中常用的高程系统有大地高系统、正高系统和正常 高系统。 一．大地高系统 ：大地高系统是以参考椭球面为基准面的高 程系统。某点的大地高是该点到通过该点的参考椭球的 法线与参考椭球面的交点间的距离。大地高也称为椭球 高，大地高一般用符号 H表示。大地高是一个纯几何量 ，不具有物理意义，同一个点，在不同的基准下，具有 不同的大地高。 二．正高系统 ：正高系统是以大地水准面为基准面的高程系 统。某点的正高是该点到通过该点的铅垂线与大地水准 面的交点之间的距离，正高用符号 H g 表示。 三．正常高 ：正常高系统是以似大地水准面为基准的高程系 统。某点的正常高是该点到通过该点的铅垂线与似大地 水准面的交点之间的距离，正常高用 H r 表示。 20 2005-6-3 39 高程系统之间的转换关系 ? 大地水准面到参考椭球面的距离，称为 大地水准面差距 ， 记为 h g 。 ? 似大地水准面到参考椭球面的距离，称为 高程异常 ，记为 ζ 。 ? 大地高与正高之间的关系可 以表示为： ? 大地高与正常高之间的关系 可以表示为： gg hHH += ζ+= r HH 2005-6-3 40 高程异常的确定方法 ? 天文大地水准与天文重力水准 ? 重力场模型法 ? 司托克斯重力大地水准面模型法 ?GPS水准法 – 综合利用 GPS测量和水准观测资料确定高程异常的方 法 21 2005-6-3 41 高程异常值内插 ? 等值线图法 – 根据上述求解的已知点的高程异常值，绘出测区高程 异常的等值线图，然后利用内插方法确定未知点的高 程异常。 ? 解析法 – 采用某种规律的数学面，来拟合测区的似大地水准面 ，然后根据网点的位置参数，计算测区似大地水准面 的拟合程度。 2005-6-3 42 高程异常拟合法 基本原理 ：所谓高程异常拟合法就是利用在范围不大的区 域中，高程异常具有一定的几何相关性这一原理，采用数学 方法，求解正高、正常高或高程异常。 将高程异常表示为下面多项式的形式： 零次多项式： 一次多项式： 二次多项式： 其中：n为GPS网的点数。 22 2005-6-3 43 ? 利用公共点上 GPS测定的大地高和水准测量测定的正常高计算出该点上 的高程异常 ζ，存在一个这样的公共点，就可以依据上式列出一个方程： 若共存在 m个这样的公共点，则可列出 m个方程。 …… dLdBadLadBadLadBaa mmmmmm ?+++++= 5 2 4 2 3210 ζ 2005-6-3 44 从而组成误差方程 通过最小二乘法可以求解出多项式的系数： P为权阵，它可以根据水准高程和 GPS所测得的大地高 的精度来加以确定。 23 2005-6-3 45 注意事项 ? 适用范围： – 上面介绍的高程拟合的方法，是一种纯几何的方法，因此，一 般仅适用于高程异常变化较为平缓的地区（如平原地区），其 拟合的准确度可达到厘米级。对于高程异常变化剧烈的地区（ 如山区），这种方法的准确度有限，这主要是因为在这些地区 ，高程异常的已知点很难将高程异常的特征表示出来。 ? 选择合适的高程异常已知点 – 所谓高程异常的已知点的高程异常值一般是通过水准测量测定 正常高、通过 GPS测量测定大地高后获得的。在实际工作中， 一般采用在水准点上布设 GPS点或对 GPS点进行水准联测的方 法来实现，为了获得好的拟合结果要求采用数量尽量多的已知 点，它们应均匀分布，并且最好能够将整个 GPS网包围起来。 2005-6-3 46 ? 高程异常已知点的数量 – 若要用零次多项式进行高程拟合时，要确定 1个参数，因此，需要 1个以上 的已知点；若要采用一次多项式进行高程拟合，要确定 3个参数，需要 3个 以上的已知点；若要采用二次多项式进行高程拟合，要确定 6个参数，则需 要 6个以上的已知点。 ? 分区拟合法 – 若拟合区域较大，可采用分区拟合的方法，即将整个 GPS网划分为若干区 域，利用位于各个区域中的已知点分别拟合出该区域中的各点的高程异常值 ，从而确定出它们的正常高。下图是一个分区拟合的示意图，拟合分两个区 域进行，以虚线为界，位于虚线上的已知点两个区域都采用。 24 2005-6-3 47 作业 ? 简述 GPS现代化信号结构改进有哪些方面？有 何优点？ ?GPS陆基和空基增强系统的基本原理 ? 名词解释：大地高、正高、正常高、高程异常