GNSS測(cè)量原理及應(yīng)用

1、GNSS 測(cè)量原理及應(yīng)用、 GNSS 測(cè)量原理（以 GPS 為代表）（一）、GPS基本原理GPS 導(dǎo)航系統(tǒng)得基本原理就是測(cè)量出已知位置得衛(wèi)星到用戶(hù)接收機(jī)之間得距 離，然后綜合多顆衛(wèi)星得數(shù)據(jù)就可知道接收機(jī)得具體位置。要達(dá)到這一目得，衛(wèi)星 得位置可以根據(jù)星載時(shí)鐘所記錄得時(shí)間在衛(wèi)星星歷中查出。而用戶(hù)到衛(wèi)星得距離則通過(guò)記錄衛(wèi)星信號(hào)傳播到用戶(hù)所經(jīng)歷得時(shí)間，再將其乘以光速得到（由于大氣層電 離層得干擾，這一距離并不就是用戶(hù)與衛(wèi)星之間得真實(shí)距離，而就是偽距（PR）：當(dāng)GPS衛(wèi)星正常工作時(shí)，會(huì)不斷地用1與0二進(jìn)制碼元組成得偽隨機(jī)碼（簡(jiǎn)稱(chēng)偽碼） 發(fā)射導(dǎo)航電文。GPS系統(tǒng)使用得偽碼一共有兩種，分別就是民用得C/A

2、碼與軍用得P（Y）碼。C/A碼頻率1、023MHz，重復(fù)周期一毫秒，碼間距 1微秒，相當(dāng)于300m； P碼頻 率10、23MHz，重復(fù)周期266、4天，碼間距0、1微秒，相當(dāng)于30m。而丫碼就 是在 P 碼得基礎(chǔ)上形成得，保密性能更佳。導(dǎo)航電文包括衛(wèi)星星歷、工作狀況、時(shí) 鐘改正、電離層時(shí)延修正、 大氣折射修正等信息。 它就是從衛(wèi)星信號(hào)中解調(diào)制出來(lái)，以50b/s調(diào)制在載頻上發(fā)射得。導(dǎo)航電文每個(gè)主幀中包含5個(gè)子幀每幀長(zhǎng)6s。前三15000b。導(dǎo)航電幀各 10 個(gè)字碼；每三十秒重復(fù)一次，每小時(shí)更新一次。后兩幀共 文中得內(nèi)容主要有遙測(cè)碼、轉(zhuǎn)換碼、第 1、 2、 3 數(shù)據(jù)塊，其中最重要得則為星歷數(shù) 據(jù)。

3、當(dāng)用戶(hù)接受到導(dǎo)航電文時(shí)，提取出衛(wèi)星時(shí)間并將其與自己得時(shí)鐘做對(duì)比便可得可見(jiàn) GPS知衛(wèi)星與用戶(hù)得距離，再利用導(dǎo)航電文中得衛(wèi)星星歷數(shù)據(jù)推算出衛(wèi)星發(fā)射電文時(shí)所 處位置，用戶(hù)在 WGS-84 大地坐標(biāo)系中得位置速度等信息便可得知。x、 y、 z 外，4 個(gè)方程將這 44 個(gè)衛(wèi)星得導(dǎo)航系統(tǒng)衛(wèi)星部分得作用就就是不斷地發(fā)射導(dǎo)航電文。然而，由于用戶(hù)接受機(jī)使用 得時(shí)鐘與衛(wèi)星星載時(shí)鐘不可能總就是同步，所以除了用戶(hù)得三維坐標(biāo)然后用還要引進(jìn)一個(gè)t即衛(wèi)星與接收機(jī)之間得時(shí)間差作為未知數(shù)， 個(gè)未知數(shù)解出來(lái)。所以如果想知道接收機(jī)所處得位置，至少要能接收到 信號(hào)。GPS接收機(jī)可接收到可用于授時(shí)得準(zhǔn)確至納秒級(jí)得時(shí)間信息；用于預(yù)報(bào)

4、未來(lái)幾個(gè)月內(nèi)衛(wèi)星所處概略位置得預(yù)報(bào)星歷；用于計(jì)算定位時(shí)所需衛(wèi)星坐標(biāo)得廣播星歷，精度為幾米至幾十米（各個(gè)衛(wèi)星不同，隨時(shí)變化）；以及GPS系統(tǒng)信息，如衛(wèi)星狀 況等。GPS接收機(jī)對(duì)碼得量測(cè)就可得到衛(wèi)星到接收機(jī)得距離，由于含有接收機(jī)衛(wèi)星鐘 得誤差及大氣傳播誤差，故稱(chēng)為偽距。對(duì) 0A 碼測(cè)得得偽距稱(chēng)為 UA 碼偽距，精度GPS約為 20 米左右，對(duì) P 碼測(cè)得得偽距稱(chēng)為 P 碼偽距，精度約為 2 米左右。 接收機(jī)對(duì)收到得衛(wèi)星信號(hào)，進(jìn)行解碼或采用其它技術(shù)，將調(diào)制在載波上得信息去掉 后，就可以恢復(fù)載波。嚴(yán)格而言，載波相位應(yīng)被稱(chēng)為載波拍頻相位，它就是收到得 受多普勒頻 移影響得衛(wèi)星信號(hào)載波相位與接收機(jī)本機(jī)振蕩

5、產(chǎn)生信號(hào)相位之差。 一般 在接收機(jī)鐘確定得歷元時(shí)刻量測(cè)，保持對(duì)衛(wèi)星信號(hào)得跟蹤，就可記錄下相位得變化值，但開(kāi)始觀測(cè)時(shí)得接收機(jī)與衛(wèi)星振蕩器得相位初值就是不知道得，起始?xì)v元得相 位整數(shù)也就是不知道得，即整周模糊度，只能在數(shù)據(jù)處理中作為參數(shù)解算。相位觀測(cè)值得精度高至毫米，但前提就是解出整周模糊度，因此只有在相對(duì)定位、并有一 段連續(xù)觀測(cè)值時(shí)才能使用相位觀測(cè)值， 而要達(dá)到優(yōu)于米級(jí)得定位 精度也只能采用相 位觀測(cè)值。按定位方式， GPS 定位分為單點(diǎn)定位與相對(duì)定位（差分定位） 。單點(diǎn)定位就就是根據(jù)一臺(tái)接收機(jī)得觀測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)確定接收機(jī)位置得方式，它只能采用偽距觀測(cè)量， 可用于車(chē)船等得概略導(dǎo)航定位。相對(duì)定位（差分定

6、位）就是根據(jù)兩臺(tái)以上接收機(jī)得在 GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)確定觀測(cè)點(diǎn)之間得相對(duì)位置得方法，它既可采用偽距觀測(cè)量也可采用相 位觀測(cè)量，大地測(cè)量或工程測(cè)量均應(yīng)采用相位觀測(cè)值進(jìn)行相對(duì)定位。觀測(cè)量中包含了衛(wèi)星與接收機(jī)得鐘差、大氣傳播延遲、多路徑效應(yīng)等誤差，在定位 計(jì)算時(shí)還要受到衛(wèi)星廣播星歷誤差得影響，在進(jìn)行相對(duì)定位時(shí)大部分公共誤差被抵消或削弱，因此定位精度將大大提高，雙頻接收機(jī)可以根據(jù)兩個(gè)頻率得觀測(cè)量抵消 大氣中電離層誤差得主要部分，在精度要求高，接收機(jī)間距離較遠(yuǎn)時(shí)（大氣有明顯 差別），應(yīng)選用雙頻接收機(jī)。（二八GPS得組成部分1、空間部分GPS得空間部分就是由24顆衛(wèi)星組成(21顆工作衛(wèi)星；3顆備用衛(wèi)星)，它

7、位于距地表20200km得上空，均勻分布在6個(gè)軌道面上(每個(gè)軌道面4顆)，軌道傾角為 55。衛(wèi)星得分布使得在全球任何地方、 任何時(shí)間都可觀測(cè)到 4 顆以上得衛(wèi)星，移，導(dǎo)航精度會(huì)逐漸降低。2、地面控制系統(tǒng)并能在衛(wèi)星中預(yù)存導(dǎo)航信息，GPS得衛(wèi)星因?yàn)榇髿饽Σ恋葐?wèn)題；隨著時(shí)間得推地面控制系統(tǒng)由監(jiān)測(cè)站(Monitor Station)、主控制站(Master Monitor Station)、地面天線(Ground Antenna)所組成，主控制站位于美國(guó)科羅拉多州春田市 (ColoradoSpring)。地面控制站負(fù)責(zé)收集由衛(wèi)星傳回之訊息，并計(jì)算衛(wèi)星星歷、相對(duì)距離，大 氣校正等數(shù)據(jù)。3、用戶(hù)設(shè)備部分用

8、戶(hù)設(shè)備部分即 GPS 信號(hào)接收機(jī)。其主要功能就是能夠捕獲到按一定衛(wèi)星截 止角所選擇得待測(cè)衛(wèi)星，并跟蹤這些衛(wèi)星得運(yùn)行。當(dāng)接收機(jī)捕獲到跟蹤得衛(wèi)星信號(hào) 后，就可測(cè)量出接收天線至衛(wèi)星得偽距離與距離得變化率，解調(diào)出衛(wèi)星軌道參數(shù)等 數(shù)據(jù)。根據(jù)這些數(shù)據(jù)， 接收機(jī)中得微處理計(jì)算機(jī)就可按定位解算方法進(jìn)行定位計(jì)算， 計(jì)算出用戶(hù)所在地理位置得經(jīng)緯度、高度、速度、時(shí)間等信息。接收機(jī)硬件與機(jī)內(nèi) 軟件以及 GPS 數(shù)據(jù)得后處理軟件包構(gòu)成完整得 GPS 用戶(hù)設(shè)備。 GPS 接收機(jī)得結(jié) 構(gòu)分為天線單元與接收單元兩部分。接收機(jī)一般采用機(jī)內(nèi)與機(jī)外兩種直流電源。設(shè) 置機(jī)內(nèi)電源得目得在于更換外電源時(shí)不中斷連續(xù)觀測(cè)。在用機(jī)外電源時(shí)機(jī)內(nèi)

9、電池自 動(dòng)充電。關(guān)機(jī)后機(jī)內(nèi)電池為 RAM 存儲(chǔ)器供電，以防止數(shù)據(jù)丟失。目前各種類(lèi)型得 接受機(jī)體積越來(lái)越小，重量越來(lái)越輕，便于野外觀測(cè)使用(典型接收機(jī)專(zhuān)門(mén)介紹)三)、 RTK 原理RTK( Real - time kinematic)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分法。這就是一種新得常用得GPS測(cè)量方法，以前得靜態(tài)、快速靜態(tài)、動(dòng)態(tài)測(cè)量都需要事后進(jìn)行解算才能獲得厘米級(jí)得 精度，而 RTK 就是能夠在野外實(shí)時(shí)得到厘米級(jí)定位精度得測(cè)量方法， 它采用了載波相位動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)差分方法，就是 GPS應(yīng)用得重大里程碑，它得出現(xiàn)為工程放樣、地形測(cè)圖，各種控制測(cè)量帶來(lái)了新曙光，極大地提高了外業(yè)作業(yè)效率。高精度得 GPS 測(cè)量必須采用載波相

10、位觀測(cè)值， RTK 定位技術(shù)就就是基于載波 相位觀測(cè)值得實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位技術(shù)，它能夠?qū)崟r(shí)地提供測(cè)站點(diǎn)在指定坐標(biāo)系中得三維 定位結(jié)果， 并達(dá)到厘米級(jí)精度。 在 RTK 作業(yè)模式下， 基準(zhǔn)站通過(guò)數(shù)據(jù)鏈將其觀測(cè)值 與測(cè)站坐標(biāo)信息一起傳送給流動(dòng)站。 流動(dòng)站不僅通過(guò)數(shù)據(jù)鏈接收來(lái)自基準(zhǔn)站得數(shù)據(jù)， 還要采集GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)，并在系統(tǒng)內(nèi)組成差分觀測(cè)值進(jìn)行實(shí)時(shí)處理， 同時(shí)給出厘米 級(jí)定位結(jié)果，歷時(shí)不足一秒鐘。流動(dòng)站可處于靜止?fàn)顟B(tài)，也可處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)；可在 固定點(diǎn)上先進(jìn)行初始化后再進(jìn)入動(dòng)態(tài)作業(yè)，也可在動(dòng)態(tài)條件下直接開(kāi)機(jī)，并在動(dòng)態(tài) 環(huán)境下完成整周模糊度得搜索求解。在整周末知數(shù)解固定后，即可進(jìn)行每個(gè)歷元得 實(shí)時(shí)處理，只要能保

11、持四顆以上衛(wèi)星相位觀測(cè)值得跟蹤與必要得幾何圖形，則流動(dòng) 站可隨時(shí)給出厘米級(jí)定位結(jié)果。（四八RTK技術(shù)如何應(yīng)用及注意事項(xiàng)1各種控制測(cè)量傳統(tǒng)得大地測(cè)量、工程控制測(cè)量采用三角網(wǎng)、導(dǎo)線網(wǎng)方法來(lái)施測(cè)，不僅費(fèi)工費(fèi) 時(shí)，要求點(diǎn)間通視， 而且精度分布不均勻， 且在外業(yè)不知精度如何， 采用常規(guī)得 GPS 靜態(tài)測(cè)量、快速靜態(tài)、偽動(dòng)態(tài)方法，在外業(yè)測(cè)設(shè)過(guò)程中不能實(shí)時(shí)知道定位精度，如 果測(cè)設(shè)完成后，回到內(nèi)業(yè)處理后發(fā)現(xiàn)精度不合要求， 還必須返測(cè)，而采用RTK來(lái)進(jìn) 行控制測(cè)量，能夠?qū)崟r(shí)知道定位精度，如果點(diǎn)位精度要求滿(mǎn)足了，用戶(hù)就可以停止 觀測(cè)了，而且知道觀測(cè)質(zhì)量如何， 這樣可以大大提高作業(yè)效率。 如果把 RTK 用于公 路

12、控制測(cè)量、電子線路控制測(cè)量、水利工程控制測(cè)量、大地測(cè)量、則不僅可以大大 減少人力強(qiáng)度、節(jié)省費(fèi)用，而且大大提高工作效率，測(cè)一個(gè)控制點(diǎn)在幾分鐘甚至于 幾秒鐘內(nèi)就可完成。2地形測(cè)圖過(guò)去測(cè)地形圖時(shí)一般首先要在測(cè)區(qū)建立圖根控制點(diǎn)，然后在圖根控制點(diǎn)上架上 全站儀或經(jīng)緯儀配合小平板測(cè)圖，現(xiàn)在發(fā)展到外業(yè)用全站儀與電子手簿配合地物編 碼，利用大比例尺測(cè)圖軟件來(lái)進(jìn)行測(cè)圖，甚至于發(fā)展到最近得外業(yè)電子平板測(cè)圖等 等，都要求在測(cè)站上測(cè)四周得地貌等碎部點(diǎn)，這些碎部點(diǎn)都與測(cè)站通視，而且一般 要求至少 2-3 人操作，需要在拼圖時(shí)一旦精度不合要求還得到外業(yè)去返測(cè)，現(xiàn)在采 用 RTK 時(shí)，僅需一人背著儀器在要測(cè)得地貌碎部點(diǎn)呆上

13、一二秒種， 并同時(shí)輸入特征 編碼，通過(guò)手簿可以實(shí)時(shí)知道點(diǎn)位精度，把一個(gè)區(qū)域測(cè)完后回到室內(nèi)，由專(zhuān)業(yè)得軟 件接口就可以輸出所要求得地形圖，這樣用 RTK 僅需一人操作，不要求點(diǎn)間通視， 大大提高了工作效率，采用 RTK 配合電子手簿可以測(cè)設(shè)各種地形圖，如普通測(cè)圖、 鐵路線路帶狀地形圖得測(cè)設(shè)，公路管線地形圖得測(cè)設(shè)，配合測(cè)深儀可以用于測(cè)水庫(kù) 地形圖，航 海海洋測(cè)圖等等。3放樣工程放樣就是測(cè)量一個(gè)應(yīng)用分支，它要求通過(guò)一定方法采用一定儀器把人為設(shè)計(jì)好得點(diǎn)位在實(shí)地給標(biāo)定出來(lái)， 過(guò)去采用常規(guī)得放樣方法很多， 如經(jīng)緯儀交會(huì)放樣， 全站儀得邊角放樣等等，一般要放樣出一個(gè)設(shè)計(jì)點(diǎn)位時(shí)，往往需要來(lái)回移動(dòng)目標(biāo)， 而且要

14、2-3 人操作，同時(shí)在放樣過(guò)程中還要求點(diǎn)間通視情況良好，在生產(chǎn)應(yīng)用上效 率不就是很高，有時(shí)放樣中遇到困難得情況會(huì)借助于很多方法才能放樣，如果采用RTK技術(shù)放樣時(shí)，僅需把設(shè)計(jì)好得點(diǎn)位坐標(biāo)輸入到電子手簿中，背著 GPS接收機(jī), 它會(huì)提醒您走到要放樣點(diǎn)得位置， 既迅速又方便，由于GPS就是通過(guò)坐標(biāo)來(lái)直接放 樣得，而且精度很高也很均勻，因而在外業(yè)放樣中效率會(huì)大大提高，且只需一個(gè)人 操作。、典型測(cè)量型 GNSS 接收機(jī)目前市場(chǎng)上測(cè)量型 GNSS 接收機(jī)品牌多、型號(hào)多。就幾種具有代表性得產(chǎn)品做 一下介紹一） 進(jìn)口 GNSS 接收機(jī)天寶R8系列、徠卡GS12、GS15系列、拓普康HiPer Ga/Gb系列（

15、二）國(guó)產(chǎn)GNSS接收機(jī)基準(zhǔn)站內(nèi)置發(fā)射電臺(tái)（典型代表南方靈銳 S86系列）技術(shù)特點(diǎn)：1 ）、一體化工業(yè)三防設(shè)計(jì)全合金外殼，堅(jiān)固耐沖擊，抗 2m 自然跌落，防水防塵 IP67 級(jí)。雙電池組設(shè)計(jì)，無(wú)須拆裝，主機(jī)充電，超長(zhǎng)工作時(shí)間， 提供最可靠得電源保證。2）、UHF電臺(tái)、GPRS/CDMA網(wǎng)絡(luò)數(shù)傳模式得強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)手業(yè)內(nèi)認(rèn)可，國(guó)際水平得 UHF 電臺(tái)數(shù)據(jù)鏈核心技術(shù)與成熟網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)同時(shí)兼?zhèn)?，革新技術(shù)集成，無(wú)縫切換。用戶(hù)可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)環(huán)境得不同需要靈活選擇。3）、 先進(jìn)多路徑干擾抑制技術(shù)與 RTK 解算模型滿(mǎn)足超長(zhǎng)距離作業(yè)新靈銳S86T采用得主板擁有先進(jìn)得 PAC與VISION技術(shù)，能夠利用信號(hào)得特性

16、建模來(lái)識(shí)別多路徑反射影響，配合南方獨(dú)有得四饋點(diǎn)接收天線、嚴(yán)格得電子屏蔽與特殊得內(nèi)部構(gòu)造設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)多路徑干擾得抑制。再加上主板采用得長(zhǎng)距離解算模型，可以達(dá)到超長(zhǎng)得作業(yè)效果。4）、無(wú)縫兼容 CORS 系統(tǒng)對(duì)所有品牌得 CORS 系統(tǒng)都可以實(shí)現(xiàn)無(wú)縫接入，成熟應(yīng)用。5）、 即插即用得主機(jī) ARM 系統(tǒng)架構(gòu)主機(jī)系統(tǒng)基于 32 位處理器得 ARM 架構(gòu)，采用多任務(wù)得操作系統(tǒng)， 數(shù)據(jù)處理更快，更安全。即插即用 USB 高速下載數(shù)據(jù)。6）、適應(yīng)GPS現(xiàn)代化，支持 GLONASS當(dāng) GPS 現(xiàn)代化實(shí)現(xiàn)以后， 在不需要增加硬件得情況下即可具備跟蹤新一代 GPS衛(wèi)星信號(hào)得能力。同時(shí)，在惡劣得接收環(huán)境下，新靈銳S8

17、6T能夠結(jié)合GLONASS觀測(cè)數(shù)據(jù)與GPS數(shù)據(jù)來(lái)為定位解算提供更多得衛(wèi)星信息，增強(qiáng)了定位時(shí)衛(wèi)星空間分布得圖形結(jié)構(gòu)，提高定位得可靠性。7）、基準(zhǔn)站內(nèi)置發(fā)射電臺(tái)不斷創(chuàng)新得南方GPS核心數(shù)據(jù)鏈技術(shù)，內(nèi)置基準(zhǔn)站發(fā)射電臺(tái)后，仍然能滿(mǎn)足典型距離內(nèi)得測(cè)量作業(yè)，使得基準(zhǔn)站擺脫沉重電瓶與線纜并實(shí)現(xiàn)全無(wú)線作業(yè)。8）、兩個(gè)國(guó)內(nèi)領(lǐng)先新靈銳S86T就是國(guó)內(nèi)同類(lèi)產(chǎn)品中第一款采用四饋點(diǎn)雙頻雙星天線得GPS接收機(jī)之一，可有效防止多路徑效應(yīng)。擁有更強(qiáng)得接收信號(hào)能力。此外，它隨身標(biāo)配（內(nèi)置）得藍(lán)牙就是國(guó)內(nèi)第一家通過(guò) EMC （藍(lán)牙組織）認(rèn)證產(chǎn)品，藍(lán)牙連接 更加穩(wěn)定。9）、機(jī)身液晶顯示128X 64分辨率，2英寸液晶顯示。用戶(hù)可通過(guò)顯示屏靈活進(jìn)行儀器設(shè)置與觀察儀器運(yùn)行情況。10）、強(qiáng)大得 RTK 操作軟件系統(tǒng)得益于南方軟件在業(yè)界得巨大優(yōu)勢(shì)，南方RTK軟件系統(tǒng)在保持強(qiáng)功能、人性化、多樣化得同時(shí)不斷細(xì)化軟件功