徕卡GPS发展史、原理和应用
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大地控制测量与加密控制测量 地物与地形测量 工程施工定位与放样 桥梁、大坝、矿区沉陷和建筑物变形监测 库容与水下地形测量 GIS空间数据信息的采集……
03/05/99
GPS定位技术的应用 定位技术的应用
2. 科学研究领域
火山、地震和大陆板块漂移的监测 滑坡、岩崩、冰川、泥石流……状态监测 大气水汽监测与精密气象预报 电离层、地磁和太阳风暴的监测
RTK技术： 技术： 技术
正在全球广泛推广应用，并逐步取代传统的静态定位和其它测量技术 基于现代无线数据通信的综合性参考站网
网络GPS： ： 网络
实时测量的距离将逐步从目前的10-20km提高到50-100km 基线解算的精度将达到5mm+0.5ppm 数据传输主要依靠通信卫星、移动通信和因特网通信技术
参与621B项目(GPS全球定位系统的前身) 参与621B项目(GPS全球定位系统的前身) 621B项目(GPS全球定位系统的前身 参与美国海军Timation Timation卫星导航系统科研 参与美国海军Timation卫星导航系统科研 研制完成并生产出多种型号的第一阶段GPS GPS用户设备 研制完成并生产出多种型号的第一阶段GPS用户设备 推出了世界第一台商品性5通道T GPS接收机 推出了世界第一台商品性5通道T-Set GPS接收机 推出全球第一台便携型GPS接收机WM101/WM102 GPS接收机 推出全球第一台便携型GPS接收机WM101/WM102 推出世界上第一台6通道DGPS参考站及导航仪MX4818 DGPS参考站及导航仪 推出世界上第一台6通道DGPS参考站及导航仪MX4818 推出200 200测量系统和后处理软件包 推出200测量系统和后处理软件包 SKI 推出AROF(Ambiguity Fly)软件包 推出AROF(Ambiguity Resolution On the Fly)软件包 推出增强的GPS测量系统300 GPS测量系统 GPS测量系统 推出增强的GPS测量系统300 GPS测量系统 推出跨世纪的500系列GPS 500系列GPS测量系统 推出跨世纪的500系列GPS测量系统 推出具有“瞬时RTK”功能的新版SR530 RTK”功能的新版SR530测量系统 推出具有“瞬时RTK”功能的新版SR530测量系统 同加拿大诺瓦泰公司联盟, 共同开发GPS GPS新技术 同加拿大诺瓦泰公司联盟, 共同开发GPS新技术 推出性能卓越的1200 GPS测量系统 推出性能卓越的1200 GPS测量系统
03/05/99
伪距定位时点位坐标的 计算
• GPS 是一种距离测量系统 (D)。 • 卫星及接收机中包含有稳定的频率标准。 • 无线电信号发射的时间是已知的，它与接收瞬间的时钟偏 差可以被计算出来 (T)。 • 无线电的传播速度是已知的 (V)。 • 因此测站与卫星之间的距离可以按下式计算出来: D = V x T • 由于任意时刻卫星的坐标是已知的，因此只要有足够数量 的观测值，接收机天线的位置就可以计算出来。
尚未解出 0.10 整周未知数 已解出 0.01 静态测量 0 快速静态 0 测量
03/05/99
• 基线的长度
30 2 分钟) 时间 (分钟 分钟
80 5
• GPS 接收机的类型 • 作业模式 • 电离层与对流层的状况
误差来源
与卫星有关的误差来源 • 卫星轨道代表误差 • 卫星时钟模型误差 与接收机有关的误差源 • 接收机时钟误差 • 整周跳变 • 天线相位中心的迁移 同传输途径有关的误差 • 电离层/对流层传输延迟 同测站有关的误差 • 测站近似坐标的精度与作业方式 • 多路径误差
03/05/99
徕卡发展GPS定位技术的历史
• • • • • • • • • • • • •
03/05/99
1967年 1967年 1971年 1971年 1976年 1976年 1984年 1984年 1986年 1986年 1987年 1987年 1992年 1992年 1993年 1993年 1995年 1995年 1999年 1999年 2001年 2001年 2002年 2002年 2004年 2004年
椭球面
• • • • 严格的数学模型加以定义 简单的几何曲面 配合最佳的 用两个参数进行描述 参考椭球面 无法直接用常规仪器加以确定
大地水准 面差距N 面差距
大地水准面
• • • • 根据物理意义定义的曲面 曲面的形状极其复杂 需要无穷个参数才能进行确切描述 能够用常规仪器直接加以测定
大地 水准面
03/05/99
徕卡GPS发展史 发展史 徕卡
GPS测量原理及其应用 GPS测量原理及其应用
03/05/99
1 为什么要学GPS定位技术 2 徕卡GPS技术发展史 3 GPS定位与测量原理 4 GPS定位技术的应用 5 徕卡GPS产品的主要卖点
03/05/99
为什么要学习GPS定位技术？ 定位技术？
• 不需要彼此通视 • 测线长度不受限制 • 不分晴天、下雨、有雾、还是扬尘，全天候服务 • 不分白天黑夜，每天 24 小时都可以工作 • 全自动，无人差 • 高精度，优于大多数常规测量技术 • 装备轻，劳动强度大大降低 • 不受图形条件约束，没有明显的误差积累 • 高效率，低成本 • 现场、实时、动态、免除粗差返工 • 用途广泛，覆盖各行各业 • 统一的坐标系统
20Hz高速独立采样 能够在恶劣环境下取得合格成果 20ms时间延迟，高动态轨迹和目标监测 30km 30km以上厘米级RTK测量作业 RTK 不间断自检，提供99.9 - 99.99%可靠性 与所有品牌接收机信号格式兼容 支持所有的,并同时用两种数据通信手段 用户可以自编程运行接收机 与徕卡全站仪实现无缝对接
正高与大地高
h=H+N
大地水准面 参考 椭球面 地表地形
h: 椭球高程 H: 海拔高程 (正高) N: 大地水准面差距
03/05/99
WGS 84 坐标
系统
GPS 测量获得的是 WGS 84 坐标 系统中的点位及坐标差。 它们可以有两种表达方式：纬度、 经度与高程的地理坐标方式，或 者由 X, Y 和 Z 组成的地心坐标 方式。 以地心为中心的 WGS 84 椭球是全球范围内与大地水准面 拟合得最佳的参考椭球面。
噪声定位技术： 噪声定位技术：
广泛利用坐标精确已知的固定信号发射台，系统投资低廉 目前精度在30-50m左右，未来可望达到米级水平 可以在GPS信号盲区中进行定位
未来综合定位技术： 未来综合定位技术： 定位技术
综合利用GPS\GLONASS\GNSS\北斗等各种卫星和无线电信号源 瞬时定位精度为5mm-1cm 可广泛应用于城市等障碍物密集区
03/05/99
差分 GPS
S1 S4
A
B
个或更多个测站之间的相对定位。 差分 GPS 是 2 个或更多个测站之间的相对定位。 两点在同一时间区间内观测了相同的一组卫星， 如果 A 和 B 两点在同一时间区间内观测了相同的一组卫星， 是一个已知点， 点的位置就可以加以确定。 而且 A 是一个已知点，那么 B 点的位置就可以加以确定。 采用差分测量技术，可以: 消除观测值中的卫星与接收机时钟误差 消除观测值中的卫星星历误差 将大气折射的影响削弱到最低程度
03/05/99
观测星座的几何图形强 度
观测星座的几何图形强度 (GDOP) ： 它是一种衡量三维定位精度水平 的标志。
差的GDOP 差的GDOP
好的GDOP 好的
理想的 GDOP - 一颗卫星 位于天顶，与此同时，其 余卫星均匀分布在指定观 测高度角的地平圈上。
03/05/99
地球参考曲面的基本特征
GPS用
户设备
按用途进行分类： 按用途进行分类：
1. 测量型 测量型GPS接收机 接收机 2. 导航型 导航型GPS 接收机 3. GIS数据采集型 数据采集型 4. 室外作业机械自动引导型 5. 台站、监测、连续运行设备 台站、监测、 6. 室内GPS定位接收机
03/05/99
GPS用户 用户 设备
03/05/99
GPS用
户设备
按信号处理方式进行分类： 按信号处理方式进行分类：
1. L1/L2信号互相关方式跟踪方式接收
2. L1/L2信号独立跟踪方式接收 独立接收的技术优势 1. 精度较高 2. 可靠性较高 3. 系统升级换代容易
03/05/99
GPS 定位技术的缺点
GPS 需要良好的对天通视 接收天线的观测视野中不应该存在障碍物 实时GPS测量还受制于数据通信条件 卫星与无线电信号容易受外部噪声信号的干扰
03/05/99
GPS定位技术的应用 定位技术的应用
5. 大众消费领域
旅游、登山、探险、摄影 幼儿、智障和高龄人群的保护 陌生人的约会、寻址 ……信息社会的生活必需品！
03/05/99
徕卡1200 GPS新产品的主要卖点
轻便、灵活、完善、可靠、精密、高效、 轻便、灵活、完善、可靠、精密、高效、安全
03/05/99
测站至卫星距离的计算
测站至卫星的距离是采用卫星发射的码 信号进行测量的。接收机也同步生成相同的码。 通过相关分析，可以测出信号的传输时间，并根 据光速计算出距离。
卫星时钟
t 接收机时钟
03/05/99
初始整周未知数（模糊度 初始整周未知数（ ）
用于载波相位观测值数据处理的初始整 周未知数必须精确加以确定。 周未知数必须精确加以确定。
03/0Fra Baidu bibliotek/99
GPS定位技术的应用 定位技术的应用
1.传统测量定位领域 传统测量定位领域 2.科学研究领域 科学研究领域 3.生命安全保障系统 生命安全保障系统 4.新的技术应用领域 新的技术应用领域 5.大众消费领域 大众消费领域
03/05/99
GPS定位技术的应用 定位技术的应用
1.传统测量定位领域 传统测量定位领域
03/05/99
WGS 84 坐标系 统
全球通用的大地测量 系统 (WGS84)
原点在地球质心 X 轴和 Y轴在赤道平面内正交 X,Y轴构成右手坐标系 Z 轴和 X,Y轴构成右手坐标系 ，且指向 BIH 1984.0 定义的 协议地球北极（CTP） 协议地球北极（CTP）方向
03/05/99
GPS及其它无线电定位新技术
03/05/99
GPS定位技术的应用 定位技术的应用
3. 生命安全保障系统
空中民航交通管制与进近着落系统 水面交通工具的避撞自动识别系统 地面交通工具的避撞自动识别系统
03/05/99
GPS定位技术的应用 定位技术的应用
4. 新的技术应用领域
精密农业与节水农业 地面机械设备的自动引导 ………………
按信号接收方式进行分类： 按信号接收方式进行分类：
1. 多通道同步接收型 2. 单通道序贯接收型 3. 单通道多路复用型 4. 多通道混合接收型 WM101/WM102
03/05/99
GPS用
户设备
按接收信号性质进行分类： 按接收信号性质进行分类：
1. 单频伪距测量型 单频伪距测量型GPS接收机 接收机 2. 单频载波测量型GPS接收机 3. 单频伪距载波多功能测量型GPS接收机 接收机 单频伪距载波多功能测量型 4. 双频伪距测量型GPS接收机 5. 双频载波测量型GPS接收机 6. 双频伪距载波多功能测量型 双频伪距载波多功能测量型GPS接收机 接收机 7. 多种频率混合接收型接收机
时间 0
初始整周未知数 包含在一台接收机对 一个卫星重建的载波 采集的一组不间断观 初始整周未知数 测值中的所包含的未 知的整周数。 相位观测值
时间 1 接收机
初始整周未知数 整周计数 相位观测值
03/05/99
初始整周未知数的解算
初始整周未知数的解算效果如下图所示： 请注意：一旦初始整周未知数的值被解出，测 一旦初始整周未知数的值被解出， 一旦初始整周未知数的值被解出 量成果的精度将不再随着观测时间的增加而显著得到提 高。 精度(m) 精度 用于确定初始整周未知数 1.00 的观测时间长短取决于： 整周未知数
03/05/99
伪距定位原 理
• 基本的导航点位能够按后方交会的方式计算出来。 基本的导航点位能够按后方交会的方式计算出来。 • 卫星相当于处在运动“轨道上的控制点”。 卫星相当于处在运动“轨道上的控制点” • 采用与时间相关的至每颗卫星的码观测向量。 采用与时间相关的至每颗卫星的码观测向量。
至少观测 4 颗卫星，我 们就可以组成四个观测 方程，解算出 4 个未知 参数： 纬度、 测站的纬度 经度、 测站的纬度、经度、 高程及接收机的 及接收机的时钟 高程及接收机的时钟 偏差
03/05/99
GPS定位技术的应用 定位技术的应用
2. 科学研究领域
火山、地震和大陆板块漂移的监测 滑坡、岩崩、冰川、泥石流……状态监测 大气水汽监测与精密气象预报 电离层、地磁和太阳风暴的监测
RTK技术： 技术： 技术
正在全球广泛推广应用，并逐步取代传统的静态定位和其它测量技术 基于现代无线数据通信的综合性参考站网
网络GPS： ： 网络
实时测量的距离将逐步从目前的10-20km提高到50-100km 基线解算的精度将达到5mm+0.5ppm 数据传输主要依靠通信卫星、移动通信和因特网通信技术
参与621B项目(GPS全球定位系统的前身) 参与621B项目(GPS全球定位系统的前身) 621B项目(GPS全球定位系统的前身 参与美国海军Timation Timation卫星导航系统科研 参与美国海军Timation卫星导航系统科研 研制完成并生产出多种型号的第一阶段GPS GPS用户设备 研制完成并生产出多种型号的第一阶段GPS用户设备 推出了世界第一台商品性5通道T GPS接收机 推出了世界第一台商品性5通道T-Set GPS接收机 推出全球第一台便携型GPS接收机WM101/WM102 GPS接收机 推出全球第一台便携型GPS接收机WM101/WM102 推出世界上第一台6通道DGPS参考站及导航仪MX4818 DGPS参考站及导航仪 推出世界上第一台6通道DGPS参考站及导航仪MX4818 推出200 200测量系统和后处理软件包 推出200测量系统和后处理软件包 SKI 推出AROF(Ambiguity Fly)软件包 推出AROF(Ambiguity Resolution On the Fly)软件包 推出增强的GPS测量系统300 GPS测量系统 GPS测量系统 推出增强的GPS测量系统300 GPS测量系统 推出跨世纪的500系列GPS 500系列GPS测量系统 推出跨世纪的500系列GPS测量系统 推出具有“瞬时RTK”功能的新版SR530 RTK”功能的新版SR530测量系统 推出具有“瞬时RTK”功能的新版SR530测量系统 同加拿大诺瓦泰公司联盟, 共同开发GPS GPS新技术 同加拿大诺瓦泰公司联盟, 共同开发GPS新技术 推出性能卓越的1200 GPS测量系统 推出性能卓越的1200 GPS测量系统
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伪距定位时点位坐标的 计算
• GPS 是一种距离测量系统 (D)。 • 卫星及接收机中包含有稳定的频率标准。 • 无线电信号发射的时间是已知的，它与接收瞬间的时钟偏 差可以被计算出来 (T)。 • 无线电的传播速度是已知的 (V)。 • 因此测站与卫星之间的距离可以按下式计算出来: D = V x T • 由于任意时刻卫星的坐标是已知的，因此只要有足够数量 的观测值，接收机天线的位置就可以计算出来。
尚未解出 0.10 整周未知数 已解出 0.01 静态测量 0 快速静态 0 测量
03/05/99
• 基线的长度
30 2 分钟) 时间 (分钟 分钟
80 5
• GPS 接收机的类型 • 作业模式 • 电离层与对流层的状况
误差来源
与卫星有关的误差来源 • 卫星轨道代表误差 • 卫星时钟模型误差 与接收机有关的误差源 • 接收机时钟误差 • 整周跳变 • 天线相位中心的迁移 同传输途径有关的误差 • 电离层/对流层传输延迟 同测站有关的误差 • 测站近似坐标的精度与作业方式 • 多路径误差
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徕卡发展GPS定位技术的历史
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1967年 1967年 1971年 1971年 1976年 1976年 1984年 1984年 1986年 1986年 1987年 1987年 1992年 1992年 1993年 1993年 1995年 1995年 1999年 1999年 2001年 2001年 2002年 2002年 2004年 2004年
椭球面
• • • • 严格的数学模型加以定义 简单的几何曲面 配合最佳的 用两个参数进行描述 参考椭球面 无法直接用常规仪器加以确定
大地水准 面差距N 面差距
大地水准面
• • • • 根据物理意义定义的曲面 曲面的形状极其复杂 需要无穷个参数才能进行确切描述 能够用常规仪器直接加以测定
大地 水准面
03/05/99
徕卡GPS发展史 发展史 徕卡
GPS测量原理及其应用 GPS测量原理及其应用
03/05/99
1 为什么要学GPS定位技术 2 徕卡GPS技术发展史 3 GPS定位与测量原理 4 GPS定位技术的应用 5 徕卡GPS产品的主要卖点
03/05/99
为什么要学习GPS定位技术？ 定位技术？
• 不需要彼此通视 • 测线长度不受限制 • 不分晴天、下雨、有雾、还是扬尘，全天候服务 • 不分白天黑夜，每天 24 小时都可以工作 • 全自动，无人差 • 高精度，优于大多数常规测量技术 • 装备轻，劳动强度大大降低 • 不受图形条件约束，没有明显的误差积累 • 高效率，低成本 • 现场、实时、动态、免除粗差返工 • 用途广泛，覆盖各行各业 • 统一的坐标系统
20Hz高速独立采样 能够在恶劣环境下取得合格成果 20ms时间延迟，高动态轨迹和目标监测 30km 30km以上厘米级RTK测量作业 RTK 不间断自检，提供99.9 - 99.99%可靠性 与所有品牌接收机信号格式兼容 支持所有的,并同时用两种数据通信手段 用户可以自编程运行接收机 与徕卡全站仪实现无缝对接
正高与大地高
h=H+N
大地水准面 参考 椭球面 地表地形
h: 椭球高程 H: 海拔高程 (正高) N: 大地水准面差距
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WGS 84 坐标
系统
GPS 测量获得的是 WGS 84 坐标 系统中的点位及坐标差。 它们可以有两种表达方式：纬度、 经度与高程的地理坐标方式，或 者由 X, Y 和 Z 组成的地心坐标 方式。 以地心为中心的 WGS 84 椭球是全球范围内与大地水准面 拟合得最佳的参考椭球面。
噪声定位技术： 噪声定位技术：
广泛利用坐标精确已知的固定信号发射台，系统投资低廉 目前精度在30-50m左右，未来可望达到米级水平 可以在GPS信号盲区中进行定位
未来综合定位技术： 未来综合定位技术： 定位技术
综合利用GPS\GLONASS\GNSS\北斗等各种卫星和无线电信号源 瞬时定位精度为5mm-1cm 可广泛应用于城市等障碍物密集区
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差分 GPS
S1 S4
A
B
个或更多个测站之间的相对定位。 差分 GPS 是 2 个或更多个测站之间的相对定位。 两点在同一时间区间内观测了相同的一组卫星， 如果 A 和 B 两点在同一时间区间内观测了相同的一组卫星， 是一个已知点， 点的位置就可以加以确定。 而且 A 是一个已知点，那么 B 点的位置就可以加以确定。 采用差分测量技术，可以: 消除观测值中的卫星与接收机时钟误差 消除观测值中的卫星星历误差 将大气折射的影响削弱到最低程度
03/05/99
观测星座的几何图形强 度
观测星座的几何图形强度 (GDOP) ： 它是一种衡量三维定位精度水平 的标志。
差的GDOP 差的GDOP
好的GDOP 好的
理想的 GDOP - 一颗卫星 位于天顶，与此同时，其 余卫星均匀分布在指定观 测高度角的地平圈上。
03/05/99
地球参考曲面的基本特征
GPS用
户设备
按用途进行分类： 按用途进行分类：
1. 测量型 测量型GPS接收机 接收机 2. 导航型 导航型GPS 接收机 3. GIS数据采集型 数据采集型 4. 室外作业机械自动引导型 5. 台站、监测、连续运行设备 台站、监测、 6. 室内GPS定位接收机
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GPS用户 用户 设备
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GPS用
户设备
按信号处理方式进行分类： 按信号处理方式进行分类：
1. L1/L2信号互相关方式跟踪方式接收
2. L1/L2信号独立跟踪方式接收 独立接收的技术优势 1. 精度较高 2. 可靠性较高 3. 系统升级换代容易
03/05/99
GPS 定位技术的缺点
GPS 需要良好的对天通视 接收天线的观测视野中不应该存在障碍物 实时GPS测量还受制于数据通信条件 卫星与无线电信号容易受外部噪声信号的干扰
03/05/99
GPS定位技术的应用 定位技术的应用
5. 大众消费领域
旅游、登山、探险、摄影 幼儿、智障和高龄人群的保护 陌生人的约会、寻址 ……信息社会的生活必需品！
03/05/99
徕卡1200 GPS新产品的主要卖点
轻便、灵活、完善、可靠、精密、高效、 轻便、灵活、完善、可靠、精密、高效、安全
03/05/99
测站至卫星距离的计算
测站至卫星的距离是采用卫星发射的码 信号进行测量的。接收机也同步生成相同的码。 通过相关分析，可以测出信号的传输时间，并根 据光速计算出距离。
卫星时钟
t 接收机时钟
03/05/99
初始整周未知数（模糊度 初始整周未知数（ ）
用于载波相位观测值数据处理的初始整 周未知数必须精确加以确定。 周未知数必须精确加以确定。
03/0Fra Baidu bibliotek/99
GPS定位技术的应用 定位技术的应用
1.传统测量定位领域 传统测量定位领域 2.科学研究领域 科学研究领域 3.生命安全保障系统 生命安全保障系统 4.新的技术应用领域 新的技术应用领域 5.大众消费领域 大众消费领域
03/05/99
GPS定位技术的应用 定位技术的应用
1.传统测量定位领域 传统测量定位领域
03/05/99
WGS 84 坐标系 统
全球通用的大地测量 系统 (WGS84)
原点在地球质心 X 轴和 Y轴在赤道平面内正交 X,Y轴构成右手坐标系 Z 轴和 X,Y轴构成右手坐标系 ，且指向 BIH 1984.0 定义的 协议地球北极（CTP） 协议地球北极（CTP）方向
03/05/99
GPS及其它无线电定位新技术
03/05/99
GPS定位技术的应用 定位技术的应用
3. 生命安全保障系统
空中民航交通管制与进近着落系统 水面交通工具的避撞自动识别系统 地面交通工具的避撞自动识别系统
03/05/99
GPS定位技术的应用 定位技术的应用
4. 新的技术应用领域
精密农业与节水农业 地面机械设备的自动引导 ………………
按信号接收方式进行分类： 按信号接收方式进行分类：
1. 多通道同步接收型 2. 单通道序贯接收型 3. 单通道多路复用型 4. 多通道混合接收型 WM101/WM102
03/05/99
GPS用
户设备
按接收信号性质进行分类： 按接收信号性质进行分类：
1. 单频伪距测量型 单频伪距测量型GPS接收机 接收机 2. 单频载波测量型GPS接收机 3. 单频伪距载波多功能测量型GPS接收机 接收机 单频伪距载波多功能测量型 4. 双频伪距测量型GPS接收机 5. 双频载波测量型GPS接收机 6. 双频伪距载波多功能测量型 双频伪距载波多功能测量型GPS接收机 接收机 7. 多种频率混合接收型接收机
时间 0
初始整周未知数 包含在一台接收机对 一个卫星重建的载波 采集的一组不间断观 初始整周未知数 测值中的所包含的未 知的整周数。 相位观测值
时间 1 接收机
初始整周未知数 整周计数 相位观测值
03/05/99
初始整周未知数的解算
初始整周未知数的解算效果如下图所示： 请注意：一旦初始整周未知数的值被解出，测 一旦初始整周未知数的值被解出， 一旦初始整周未知数的值被解出 量成果的精度将不再随着观测时间的增加而显著得到提 高。 精度(m) 精度 用于确定初始整周未知数 1.00 的观测时间长短取决于： 整周未知数
03/05/99
伪距定位原 理
• 基本的导航点位能够按后方交会的方式计算出来。 基本的导航点位能够按后方交会的方式计算出来。 • 卫星相当于处在运动“轨道上的控制点”。 卫星相当于处在运动“轨道上的控制点” • 采用与时间相关的至每颗卫星的码观测向量。 采用与时间相关的至每颗卫星的码观测向量。
至少观测 4 颗卫星，我 们就可以组成四个观测 方程，解算出 4 个未知 参数： 纬度、 测站的纬度 经度、 测站的纬度、经度、 高程及接收机的 及接收机的时钟 高程及接收机的时钟 偏差