建筑工程測量教案8章_GNSS測量

1、第8章 GNSS測量的原理與方法 GNSSGlobal Navigation Satellite System 全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)縮寫 GNSS美國GPS、俄羅斯GLONASS 中國Compass(北斗)、歐盟Galileo(伽利略) 已投入商業(yè)運行的衛(wèi)星定位測量系統(tǒng) 美國GPS、俄羅斯GLONASS。 2012年10月25日,我國發(fā)射第16顆北斗衛(wèi)星(5+30) “北斗”系統(tǒng)將于2012年前具備亞太地區(qū)服務能力 2020年左右具備覆蓋全球的服務能力。 1) GPS GPS始建于1973年，1994年投入運營 24顆衛(wèi)星均勻分布在6個相對于赤道傾角為 55o的近似圓形軌道上，每個軌道有4顆衛(wèi)星運

2、行 衛(wèi)星距地球表面的平均高度20181km 運行速度3800m/s，運行周期11h58min2s 每顆衛(wèi)星可覆蓋全球38的面積 衛(wèi)星的分布，可保證在地球上任意地點、任何時刻 高度15o以上的天空能同時觀測到4顆以上衛(wèi)星。 GPS衛(wèi)星星座(6軌道4顆=24顆) GPS衛(wèi)星 GPS衛(wèi)星 GPS衛(wèi)星 美國最新型GPS衛(wèi)星洛馬公司GPS-III衛(wèi)星 2010年6月發(fā)射入軌，定位精度提高2倍。 美國最新型GPS衛(wèi)星波音公司GPS-IIF衛(wèi)星 2010年5月發(fā)射入軌，定位精度提高2倍。 2) GLONASS GLONASS始建于1976年，2004年投入運營 設(shè)計使用24顆衛(wèi)星均勻分布在3個相對于赤道的

3、傾角為64.8o的近似圓形軌道上 每個軌道上有8顆衛(wèi)星運行 它們距地球表面的平均高度19061km 運行周期11h16min。 GLONASS衛(wèi)星星座(3軌道8顆=24顆) GLONASS衛(wèi)星 GLONASS衛(wèi)星 GLONASS-M衛(wèi)星模型 3) Compass(北斗) 5顆靜止軌道衛(wèi)星，30顆非靜止軌道衛(wèi)星組成 提供兩種服務開放服務和授權(quán)服務 開放服務服務區(qū)免費提供定位,測速和授時服務 定位精度10m，授時精度50ns 測速精度0.2m/s 2012年12月27日開始正式為亞太區(qū)域提供導航服務 預計2020年左右具備覆蓋全球的服務能力。 Compass衛(wèi)星運行軌道 Compass衛(wèi)星 Com

4、pass衛(wèi)星 西昌衛(wèi)星發(fā)射中心“長征三乙”運載火箭發(fā)射 第16顆北斗導航衛(wèi)星(2012年10月25日23時33分) 4) 歐盟Galileo系統(tǒng) 2002年3月24日歐盟決定研制組建自己的 民用衛(wèi)星導航定位系統(tǒng) Galileo系統(tǒng) Galileo衛(wèi)星27顆工作衛(wèi)星+3顆備用衛(wèi)星 30顆衛(wèi)星均勻分布在3個軌道面,運行周期12h 衛(wèi)星高度23616km,軌道傾角56o,總投資34億歐元 2005年12月28日第一顆Galileo試驗衛(wèi)星進入軌道 2006年1月12日,衛(wèi)星開始向地面發(fā)送信號。 Galileo系統(tǒng)是一種多功能的衛(wèi)星導航定位系統(tǒng) 有公開服務、安全服務、商業(yè)服務、政府服務功能 只有前兩種

5、服務是自由公開的 后兩種服務需要經(jīng)過批準后才能使用。 Galileo衛(wèi)星運行軌道altitude 23616 kmSMA 29993.707 kminclination 56 degrees period 14 hours 4 min ground track repeat about 10 daysG G G GALI LEOALI LEOALI LEOALI LEOD ATAD ATAD ATAD ATA27 + 3 satellites in three Medium Earth Orbits (MEO)Walker 27/3/1Constellation 歐盟Galileo衛(wèi)星 歐盟G

6、alileo衛(wèi)星 歐盟Galileo衛(wèi)星 8.1 GPS概述 GPS定位原理空間測距交會 P點安置GPS接收機，接收衛(wèi)星發(fā)射的測距碼信號 在接收機時鐘控制下 解出測距碼從衛(wèi)星接收機的時間t 乘光速c、加衛(wèi)星時鐘與接收機時鐘不同步改正 算出衛(wèi)星接收機的空間距離 vt衛(wèi)星鐘差，vT接收機鐘差 GPS測距方式單程測距 接收機接收到的測距信號不再返回衛(wèi)星 接收機直接解算傳播時間t 并算出衛(wèi)星接收機的距離。)(tTvvctc 要求衛(wèi)星和接收機時鐘嚴格同步 衛(wèi)星在嚴格同步時鐘控制下發(fā)射測距信號 實際衛(wèi)星鐘與接收機鐘不嚴格同步鐘誤差 兩個時鐘不同步對測距結(jié)果的影響c(vTvt) 衛(wèi)星廣播星歷含衛(wèi)星鐘差vt已

7、知 接收機鐘差vT未知觀測方程解算 衛(wèi)星接收機的空間距離 未考慮大氣電離層，對流層折射誤差影響 不是衛(wèi)星接收機的幾何距離偽距)(tTvvctc 測距時刻ti 接收衛(wèi)星Si廣播星歷解算出 Si在WGS-84坐標系的三維坐標xi，yi，zi 則Si衛(wèi)星P點的空間距離 偽距觀測方程 4個未知數(shù)xP，yP，zP，vT 應同時鎖定4顆衛(wèi)星觀測，解算。222)()()(iPiPiPiPzzyyxxR222)()()()(iPiPiPiPTitiPiPzzyyxxRvvctc 觀測A，B，C，D四顆衛(wèi)星的偽距方程 解方程算出P點坐標xP，yP，zP222222222222)()()()()()()()()(

8、)()()()()()()(DPDPDPTDtDPDPCPCPCPTCtCPCPBPBPBPTBtBPBPAPAPAPTAtAPAPzzyyxxvvctczzyyxxvvctczzyyxxvvctczzyyxxvvctc 8.2 GPS的組成 工作衛(wèi)星，地面監(jiān)控系統(tǒng)，用戶設(shè)備。 1) 地面監(jiān)控系統(tǒng) 衛(wèi)星廣播星歷包含描述衛(wèi)星運動及其軌道的參數(shù) 每顆衛(wèi)星廣播星歷由地面監(jiān)控系統(tǒng)提供 地面監(jiān)控系統(tǒng)1個主控站,3個注入站,5個監(jiān)測站 (1) 監(jiān)測站 主控站控制的數(shù)據(jù)自動采集中心 設(shè)備雙頻GPS接收機、高精度原子鐘 氣象參數(shù)測試儀、計算機 功能對GPS衛(wèi)星信號連續(xù)觀測 搜集當?shù)貧庀髷?shù)據(jù)，觀測數(shù)據(jù)經(jīng)處理后傳

9、送到主控站 (2) 主控站 協(xié)調(diào)和管理所有地面監(jiān)控系統(tǒng)工作 根據(jù)觀測數(shù)據(jù)，推算編制衛(wèi)星星歷、衛(wèi)星鐘差 大氣層修正參數(shù)，數(shù)據(jù)傳送到注入站 提供時間基準。各監(jiān)測站和GPS衛(wèi)星原子鐘應與 主控站原子鐘同步，或測量出其間鐘差 將鐘差信息編入導航電文，送到注入站 調(diào)整偏離軌道的衛(wèi)星，使之沿預定的軌道運行 啟動備用衛(wèi)星，以代替失效的工作衛(wèi)星 (3) 注入站 主控站控制下 將主控站推算和編制的衛(wèi)星星歷、鐘差、導航電文 控制指令注入衛(wèi)星存儲器，監(jiān)測注入信息的正確性 除主控站外，整個地面監(jiān)控系統(tǒng)無人值守。 2) 用戶設(shè)備 GPS接收機和相應的數(shù)據(jù)處理軟件 GPS接收機包括接收天線、主機、電源。 GPS接收機任務

10、 捕獲衛(wèi)星信號，跟蹤并鎖定衛(wèi)星信號 處理接收到的信號 測量測距信號從衛(wèi)星傳播到接收機天線的時間間隔 譯出衛(wèi)星廣播的導航電文 實時計算接收機天線三維坐標、速度和時間 按用途分類導航型、測地型，、時型 載波頻率單頻接收機(用1個載波頻率) 雙頻接收機(用兩個載波頻率)南方測繪NGS9600測地型單頻靜態(tài)GPS接收機 8.3 GPS定位的基本原理 測距原理偽距、載波相位測量、GPS差分定位 待定點位運動狀態(tài)靜態(tài)定位、動態(tài)定位。 8.3.1 衛(wèi)星信號 載波,測距碼(C/A碼P碼),數(shù)據(jù)碼(導航電文或稱D碼) 同一原子鐘頻率f0=10.23MHz下產(chǎn)生。 1) 載波信號 頻率用無線電波段兩種不同頻率電磁

11、波 L1載波：f1=154f0=1575.42MHz，1=19.03cm L2載波：f2=120f0=1227.60MHz，2=24.42cm 載波L1調(diào)制有C/A碼、P碼、數(shù)據(jù)碼 載波L2調(diào)制有P碼、數(shù)據(jù)碼 測距碼由0，1組成的二進制編碼 一位二進制數(shù)比特(bit) 每秒鐘傳輸比特數(shù)稱為數(shù)碼率 衛(wèi)星的兩種測距碼C/A碼和P碼屬于偽隨機碼 具有良好自相關(guān)特性和周期性，容易復制 測距碼衛(wèi)星時鐘控制發(fā)射某結(jié)構(gòu)測距碼 經(jīng)t時間傳播后到達GPS接收機 接收機產(chǎn)生同結(jié)構(gòu)測距碼復制碼 復制碼延遲時間后與接收的衛(wèi)星測距碼比較 調(diào)整延遲時間使兩個測距碼完全對齊 復制碼延遲時間=t C/A碼碼元寬度對應距離29

12、3.1m 衛(wèi)星與接收機測距碼對齊精度1/100,測距精度2.9m P碼碼元寬度對應距離29.3m 衛(wèi)星與接收機測距碼對齊精度1/100,測距精度0.29m P碼測距精度高于C/A碼10倍 C/A碼粗碼，P碼精碼 P碼受美國軍方控制，一般用戶只能用C/A碼測距。 2) 數(shù)據(jù)碼 導航電文D碼 含衛(wèi)星星歷、衛(wèi)星工作狀態(tài)、時間系統(tǒng)， 衛(wèi)星時鐘運行狀態(tài)，軌道攝動改正，大氣折射改正 由C/A碼捕獲P碼信息 導航電文二進制碼 依規(guī)定格式按幀發(fā)射 每幀電文長度1500bit，播送速率50bit/s 8.3.2 偽距定位 1) 單點定位 GPS接收機安置于測點，鎖定4顆以上衛(wèi)星 將收到的衛(wèi)星測距碼與接收機產(chǎn)生的

13、復制碼對齊 測量與鎖定衛(wèi)星測距碼到接收機傳播時間ti 求出衛(wèi)星至接收機的偽距 從鎖定衛(wèi)星廣播星歷獲取衛(wèi)星空間坐標 距離交會原理解算天線點三維坐標 偽距觀測方程有4個未知數(shù) 鎖定4顆衛(wèi)星時方程有唯一解 沒考慮大氣電離層和對流層折射誤差、 星歷誤差影響，單點定位精度不高 C/A碼定位精度25m，P碼定位精度10m 2) 多點定位 多臺GPS接收機(23臺)安置在不同測點 同時鎖定相同衛(wèi)星進行偽距測量 大氣電離層和對流層折射誤差、星歷誤差 影響基本相同 計算各測點間坐標差x,y,z 可消除上述誤差影響 測點之間的點位相對精度大大提高。 8.3.3 載波相位定位 載波L1，L2頻率比測距碼(C/A碼和

14、P碼)頻率高 波長比測距碼短1=19.03cm,2=24.42cm 使用載波L1，L2作測距信號 將衛(wèi)星傳播到接收機天線的正弦載波信號 與接收機基準信號比相求出相位延遲計算偽距 可獲得很高測距精度 測量L1載波相位移誤差1/100 偽距測量精度19.03cm/100=1.9mm 1) 載波相位絕對定位 相位測量只能測出不足一整周期相位移 存在整周數(shù)N0不確定問題，N0整周模糊度 t0時刻(歷元t0)，某衛(wèi)星發(fā)射載波信號 到接收機相位移2N0+ 該衛(wèi)星接收機距離 載波波長 對衛(wèi)星連續(xù)跟蹤觀測，接收機內(nèi)有多普勒計數(shù)器 只要衛(wèi)星信號不失鎖，N0不變 故在tk時刻，該衛(wèi)星發(fā)射載波信號到接收機相位移 變

15、成2N0+int()+ int()接收機內(nèi)多普勒計數(shù)器自動累計求出22200NN 考慮鐘差改正c(vTvt) 大氣電離層折射改正ion 大氣對流層折射改正trop 的載波相位觀測方程 雖然對鎖定衛(wèi)星進行連續(xù)跟蹤觀測 可修正ion和trop 但整周模糊度N0始終未知 能否準確求出N0成為載波相位定位的關(guān)鍵。RvvcNtropiontT)(20 (2) 載波相位相對定位 兩臺GPS接收機分別安置在兩測點 兩測點連線基線 同步接收衛(wèi)星信號 相同衛(wèi)星相位觀測值線性組合 解算基線向量在WGS-84坐標系增量x,y,z 確定它們的相對位置 一個測點坐標已知，可推算出另一個測點坐標 按相位觀測的線性組合形式

16、 載波相位相對定位單差法、雙差法、三差法 只介紹前兩種。 (1) 單差法 基線兩端點安置兩臺GPS接收機 對同一顆衛(wèi)星同步觀測方程 設(shè)基線兩端的大氣電離層改正ion 大氣對流層改正trop相等 得單差觀測方程 單差方程消除了衛(wèi)星Si的鐘差改正數(shù)itropionTitiiitropionTitiiRvvcNRvvcN2222020211110101)(2)(2iTTiiRvvcN12211212)(2itv (2) 雙差法 安置在基線端點上的兩臺GPS接收機 同時對Si與Sj兩顆衛(wèi)星進行同步觀測 觀測Sj衛(wèi)星的單差觀測方程 求差雙差觀測方程 消除基線兩端接收機相對鐘差改正數(shù)vT1vT2 差分法可

17、減少計算中的未知數(shù)數(shù)量 消除或減弱測站共同誤差影響，提高定位精度。jTTjjRvvcN12211212)(2ijijijRN1212122 將 化算為基線端點 坐標增量(x12,y12,z12)的函數(shù) 有3個坐標增量未知數(shù) 如兩臺GPS接收機同步觀測了n顆衛(wèi)星 則有n1個整周模糊度，未知數(shù)總數(shù)3+n1 對每顆衛(wèi)星觀測m個歷元時 就有m(n1)個雙差方程 為求出3+n1個未知數(shù) 要求雙差方程數(shù)未知數(shù)個數(shù)ijR12ijijijRN1212122 m(n1)3+n1 一般取m=2，也即每顆衛(wèi)星觀測兩個歷元即可。 為提高相對定位精度，同步觀測的時間應比較長 具體時間與基線長、所用接收機類型(單頻/雙頻

18、) 和解算方法有關(guān) 在15km短基線上使用雙頻機觀測 用快速處理軟件 野外每個測點同步觀測時間只需1015min 即可使測量基線精度達到5mm+1ppm 8.3.4 實時差分定位 已知點安置一臺GPS接收機基準站 已知坐標和衛(wèi)星星歷算出觀測值的校正值 通過無線電臺(數(shù)傳電臺)數(shù)據(jù)鏈 將校正值發(fā)送給運動中的GPS接收機移動站 移動站用收到的校正值對自身GPS觀測值進行改正 消除衛(wèi)星鐘差、接收機鐘差、 大氣電離層和對流層折射誤差 應用帶實時差分功能的GPS接收機才能進行。 8.4 GNSS控制測量的實施 方案設(shè)計、外業(yè)觀測、內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理 工程測量規(guī)范 1) 精度指標 載波相位靜態(tài)相對定位法 兩臺或兩臺以上GNSS接收機 同時對一組衛(wèi)星進行同步觀測 控制網(wǎng)精度指標是以網(wǎng)中基線觀測誤差定義 mD=a+b10-6D a固定誤差， b比例誤差， D基線長 2) 觀測要