GNSS測量原理及應(yīng)用參考模板

1、GNSS測量原理及應(yīng)用一、GNSS測量原理（以GPS為代表）（一）、GPS基本原理GPS導(dǎo)航系統(tǒng)的基本原理是測量出已知位置的衛(wèi)星到用戶接收機之間的距離，然后綜合多顆衛(wèi)星的數(shù)據(jù)就可知道接收機的具體位置。要達到這一目的，衛(wèi)星的位置可以根據(jù)星載時鐘所記錄的時間在衛(wèi)星星歷中查出。而用戶到衛(wèi)星的距離則通過記錄衛(wèi)星信號傳播到用戶所經(jīng)歷的時間，再將其乘以光速得到（由于大氣層電離層的干擾，這一距離并不是用戶與衛(wèi)星之間的真實距離，而是偽距（PR）：當(dāng)GPS衛(wèi)星正常工作時，會不斷地用1和0二進制碼元組成的偽隨機碼（簡稱偽碼）發(fā)射導(dǎo)航電文。GPS系統(tǒng)使用的偽碼一共有兩種，分別是民用的C/A碼和軍用的P(Y）碼。C/

2、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Y碼是在P碼的基礎(chǔ)上形成的，保密性能更佳。導(dǎo)航電文包括衛(wèi)星星歷、工作狀況、時鐘改正、電離層時延修正、大氣折射修正等信息。它是從衛(wèi)星信號中解調(diào)制出來，以50b/s調(diào)制在載頻上發(fā)射的。導(dǎo)航電文每個主幀中包含5個子幀每幀長6s。前三幀各10個字碼；每三十秒重復(fù)一次，每小時更新一次。后兩幀共15000b。導(dǎo)航電文中的內(nèi)容主要有遙測碼、轉(zhuǎn)換碼、第1、2、3數(shù)據(jù)塊，其中最重要的則為星歷數(shù)據(jù)。當(dāng)用戶接受到導(dǎo)航電文時，提取出衛(wèi)星時間并將其與自己的時鐘做對比便

3、可得知衛(wèi)星與用戶的距離，再利用導(dǎo)航電文中的衛(wèi)星星歷數(shù)據(jù)推算出衛(wèi)星發(fā)射電文時所處位置，用戶在WGS-84大地坐標(biāo)系中的位置速度等信息便可得知。 可見GPS導(dǎo)航系統(tǒng)衛(wèi)星部分的作用就是不斷地發(fā)射導(dǎo)航電文。然而，由于用戶接受機使用的時鐘與衛(wèi)星星載時鐘不可能總是同步，所以除了用戶的三維坐標(biāo)x、y、z外，還要引進一個t即衛(wèi)星與接收機之間的時間差作為未知數(shù)，然后用4個方程將這4個未知數(shù)解出來。所以如果想知道接收機所處的位置，至少要能接收到4個衛(wèi)星的信號。 1 / 9GPS接收機可接收到可用于授時的準(zhǔn)確至納秒級的時間信息；用于預(yù)報未來幾個月內(nèi)衛(wèi)星所處概略位置的預(yù)報星歷；用于計算定位時所需衛(wèi)星坐標(biāo)的廣播星歷，精

4、度為幾米至幾十米（各個衛(wèi)星不同，隨時變化）；以及GPS系統(tǒng)信息，如衛(wèi)星狀況等。 GPS接收機對碼的量測就可得到衛(wèi)星到接收機的距離，由于含有接收機衛(wèi)星鐘的誤差及大氣傳播誤差，故稱為偽距。對0A碼測得的偽距稱為UA碼偽距，精度約為20米左右，對P碼測得的偽距稱為P碼偽距，精度約為2米左右。 GPS接收機對收到的衛(wèi)星信號，進行解碼或采用其它技術(shù)，將調(diào)制在載波上的信息去掉后，就可以恢復(fù)載波。嚴格而言，載波相位應(yīng)被稱為載波拍頻相位，它是收到的受多普勒頻 移影響的衛(wèi)星信號載波相位與接收機本機振蕩產(chǎn)生信號相位之差。一般在接收機鐘確定的歷元時刻量測，保持對衛(wèi)星信號的跟蹤，就可記錄下相位的變化值，但開始觀測時的

5、接收機和衛(wèi)星振蕩器的相位初值是不知道的，起始歷元的相位整數(shù)也是不知道的，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，因此只有在相對定位、并有一段連續(xù)觀測值時才能使用相位觀測值，而要達到優(yōu)于米級的定位 精度也只能采用相位觀測值。 按定位方式，GPS定位分為單點定位和相對定位（差分定位）。單點定位就是根據(jù)一臺接收機的觀測數(shù)據(jù)來確定接收機位置的方式，它只能采用偽距觀測量，可用于車船等的概略導(dǎo)航定位。相對定位（差分定位）是根據(jù)兩臺以上接收機的觀測數(shù)據(jù)來確定觀測點之間的相對位置的方法，它既可采用偽距觀測量也可采用相位觀測量，大地測量或工程測量均應(yīng)采用相位

6、觀測值進行相對定位。 在GPS觀測量中包含了衛(wèi)星和接收機的鐘差、大氣傳播延遲、多路徑效應(yīng)等誤差，在定位計算時還要受到衛(wèi)星廣播星歷誤差的影響，在進行相對定位時大部分公共誤差被抵消或削弱，因此定位精度將大大提高，雙頻接收機可以根據(jù)兩個頻率的觀測量抵消大氣中電離層誤差的主要部分，在精度要求高，接收機間距離較遠時（大氣有明顯差別），應(yīng)選用雙頻接收機。（二）、GPS的組成部分1.空間部分GPS的空間部分是由24顆衛(wèi)星組成（21顆工作衛(wèi)星；3顆備用衛(wèi)星），它位于距地表20200km的上空，均勻分布在6 個軌道面上（每個軌道面4 顆），軌道傾角為55°。衛(wèi)星的分布使得在全球任何地方、任何時間都可觀

7、測到4 顆以上的衛(wèi)星，并能在衛(wèi)星中預(yù)存導(dǎo)航信息，GPS的衛(wèi)星因為大氣摩擦等問題；隨著時間的推移，導(dǎo)航精度會逐漸降低。2. 地面控制系統(tǒng)地面控制系統(tǒng)由監(jiān)測站(Monitor Station）、主控制站（Master Monitor Station）、地面天線（Ground Antenna）所組成，主控制站位于美國科羅拉多州春田市（Colorado Spring）。地面控制站負責(zé)收集由衛(wèi)星傳回之訊息，并計算衛(wèi)星星歷、相對距離，大氣校正等數(shù)據(jù)。3.用戶設(shè)備部分用戶設(shè)備部分即GPS 信號接收機。其主要功能是能夠捕獲到按一定衛(wèi)星截止角所選擇的待測衛(wèi)星，并跟蹤這些衛(wèi)星的運行。當(dāng)接收機捕獲到跟蹤的衛(wèi)星信號后

8、，就可測量出接收天線至衛(wèi)星的偽距離和距離的變化率，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)，接收機中的微處理計算機就可按定位解算方法進行定位計算，計算出用戶所在地理位置的經(jīng)緯度、高度、速度、時間等信息。接收機硬件和機內(nèi)軟件以及GPS 數(shù)據(jù)的后處理軟件包構(gòu)成完整的GPS 用戶設(shè)備。GPS 接收機的結(jié)構(gòu)分為天線單元和接收單元兩部分。接收機一般采用機內(nèi)和機外兩種直流電源。設(shè)置機內(nèi)電源的目的在于更換外電源時不中斷連續(xù)觀測。在用機外電源時機內(nèi)電池自動充電。關(guān)機后機內(nèi)電池為RAM存儲器供電，以防止數(shù)據(jù)丟失。目前各種類型的接受機體積越來越小，重量越來越輕，便于野外觀測使用（典型接收機專門介紹）。（三）、RTK

9、原理RTK（Real - time kinematic）實時動態(tài)差分法。這是一種新的常用的GPS測量方法，以前的靜態(tài)、快速靜態(tài)、動態(tài)測量都需要事后進行解算才能獲得厘米級的精度，而RTK是能夠在野外實時得到厘米級定位精度的測量方法，它采用了載波相位動態(tài)實時差分方法，是GPS應(yīng)用的重大里程碑，它的出現(xiàn)為工程放樣、地形測圖，各種控制測量帶來了新曙光，極大地提高了外業(yè)作業(yè)效率。高精度的GPS測量必須采用載波相位觀測值，RTK定位技術(shù)就是基于載波相位觀測值的實時動態(tài)定位技術(shù)，它能夠?qū)崟r地提供測站點在指定坐標(biāo)系中的三維定位結(jié)果，并達到厘米級精度。在RTK作業(yè)模式下，基準(zhǔn)站通過數(shù)據(jù)鏈將其觀測值和測站坐標(biāo)信息

10、一起傳送給流動站。流動站不僅通過數(shù)據(jù)鏈接收來自基準(zhǔn)站的數(shù)據(jù)，還要采集GPS觀測數(shù)據(jù)，并在系統(tǒng)內(nèi)組成差分觀測值進行實時處理，同時給出厘米級定位結(jié)果，歷時不足一秒鐘。流動站可處于靜止?fàn)顟B(tài)，也可處于運動狀態(tài)；可在固定點上先進行初始化后再進入動態(tài)作業(yè)，也可在動態(tài)條件下直接開機，并在動態(tài)環(huán)境下完成整周模糊度的搜索求解。在整周末知數(shù)解固定后，即可進行每個歷元的實時處理，只要能保持四顆以上衛(wèi)星相位觀測值的跟蹤和必要的幾何圖形，則流動站可隨時給出厘米級定位結(jié)果。（四）、RTK技術(shù)如何應(yīng)用及注意事項1各種控制測量 傳統(tǒng)的大地測量、工程控制測量采用三角網(wǎng)、導(dǎo)線網(wǎng)方法來施測，不僅費工費時，要求點間通視，而且精度分布

11、不均勻，且在外業(yè)不知精度如何，采用常規(guī)的GPS靜態(tài)測量、快速靜態(tài)、偽動態(tài)方法，在外業(yè)測設(shè)過程中不能實時知道定位精度，如果測設(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，而采用RTK來進行控制測量，能夠?qū)崟r知道定位精度，如果點位精度要求滿足了，用戶就可以停止觀測了，而且知道觀測質(zhì)量如何，這樣可以大大提高作業(yè)效率。如果把RTK用于公路控制測量、電子線路控制測量、水利工程控制測量、大地測量、則不僅可以大大減少人力強度、節(jié)省費用，而且大大提高工作效率，測一個控制點在幾分鐘甚至于幾秒鐘內(nèi)就可完成。 2地形測圖 過去測地形圖時一般首先要在測區(qū)建立圖根控制點，然后在圖根控制點上架上全站儀或經(jīng)緯儀配合

12、小平板測圖，現(xiàn)在發(fā)展到外業(yè)用全站儀和電子手簿配合地物編碼，利用大比例尺測圖軟件來進行測圖，甚至于發(fā)展到最近的外業(yè)電子平板測圖等等，都要求在測站上測四周的地貌等碎部點，這些碎部點都與測站通視，而且一般要求至少2-3人操作，需要在拼圖時一旦精度不合要求還得到外業(yè)去返測，現(xiàn)在采用RTK時，僅需一人背著儀器在要測的地貌碎部點呆上一二秒種，并同時輸入特征編碼，通過手簿可以實時知道點位精度，把一個區(qū)域測完后回到室內(nèi)，由專業(yè)的軟件接口就可以輸出所要求的地形圖，這樣用RTK僅需一人操作，不要求點間通視，大大提高了工作效率，采用RTK配合電子手簿可以測設(shè)各種地形圖，如普通測圖、鐵路線路帶狀地形圖的測設(shè)，公路管線

13、地形圖的測設(shè)，配合測深儀可以用于測水庫地形圖，航 海海洋測圖等等。 3放樣工程放樣是測量一個應(yīng)用分支，它要求通過一定方法采用一定儀器把人為設(shè)計好的點位在實地給標(biāo)定出來，過去采用常規(guī)的放樣方法很多，如經(jīng)緯儀交會放樣，全站儀的邊角放樣等等，一般要放樣出一個設(shè)計點位時，往往需要來回移動目標(biāo)，而且要2-3人操作，同時在放樣過程中還要求點間通視情況良好，在生產(chǎn)應(yīng)用上效率不是很高，有時放樣中遇到困難的情況會借助于很多方法才能放樣，如果采用RTK技術(shù)放樣時，僅需把設(shè)計好的點位坐標(biāo)輸入到電子手簿中，背著GPS接收機，它會提醒你走到要放樣點的位置，既迅速又方便，由于GPS是通過坐標(biāo)來直接放樣的，而且精度很高也很

14、均勻，因而在外業(yè)放樣中效率會大大提高，且只需一個人操作。二、典型測量型GNSS接收機目前市場上測量型GNSS接收機品牌多、型號多。就幾種具有代表性的產(chǎn)品做一下介紹（一） 進口GNSS接收機天寶R8系列 、徠卡GS12、GS15系列、拓普康HiPer Ga/Gb系列（二） 國產(chǎn)GNSS接收機 基準(zhǔn)站內(nèi)置發(fā)射電臺（典型代表南方靈銳S86系列）技術(shù)特點：1）、一體化工業(yè)三防設(shè)計全合金外殼，堅固耐沖擊，抗2m自然跌落，防水防塵IP67級。雙電池組設(shè)計，無須拆裝，主機充電，超長工作時間，提供最可靠的電源保證。 2）、UHF電臺、GPRS/CDMA網(wǎng)絡(luò)數(shù)傳模式的強強聯(lián)手業(yè)內(nèi)認可，國際水平的UHF電臺數(shù)據(jù)鏈

15、核心技術(shù)和成熟網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)同時兼?zhèn)?，革新技術(shù)集成，無縫切換。用戶可以根據(jù)現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境的不同需要靈活選擇。3）、 先進多路徑干擾抑制技術(shù)和RTK解算模型滿足超長距離作業(yè)新靈銳S86T采用的主板擁有先進的PAC與VISION技術(shù)，能夠利用信號的特性建模來識別多路徑反射影響，配合南方獨有的四饋點接收天線、嚴格的電子屏蔽和特殊的內(nèi)部構(gòu)造設(shè)計來實現(xiàn)對多路徑干擾的抑制。再加上主板采用的長距離解算模型，可以達到超長的作業(yè)效果。 4）、無縫兼容CORS系統(tǒng)對所有品牌的CORS系統(tǒng)都可以實現(xiàn)無縫接入，成熟應(yīng)用。5）、 即插即用的主機ARM系統(tǒng)架構(gòu)主機系統(tǒng)基于32位處理器的ARM架構(gòu)，采用多任務(wù)的操作系統(tǒng)，數(shù)

16、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)代化實現(xiàn)以后，在不需要增加硬件的情況下即可具備跟蹤新一代GPS衛(wèi)星信號的能力。同時，在惡劣的接收環(huán)境下，新靈銳S86T能夠結(jié)合GLONASS觀測數(shù)據(jù)與GPS數(shù)據(jù)來為定位解算提供更多的衛(wèi)星信息，增強了定位時衛(wèi)星空間分布的圖形結(jié)構(gòu)，提高定位的可靠性。 7）、基準(zhǔn)站內(nèi)置發(fā)射電臺不斷創(chuàng)新的南方GPS核心數(shù)據(jù)鏈技術(shù)，內(nèi)置基準(zhǔn)站發(fā)射電臺后，仍然能滿足典型距離內(nèi)的測量作業(yè)，使得基準(zhǔn)站擺脫沉重電瓶和線纜并實現(xiàn)全無線作業(yè)。 8）、兩個國內(nèi)領(lǐng)先新靈銳S86T是國內(nèi)同類產(chǎn)品中第一款采用四饋點雙頻雙星天線的GPS接收機之一，可有效防止多路徑效應(yīng)。擁有更強的接收信號能力。此外，它隨身標(biāo)配（內(nèi)置）的藍牙是國內(nèi)第一家通過EMC（藍牙組織）認證產(chǎn)品，藍牙連接更加穩(wěn)定。 9）、機身液晶顯示128×64分辨率，2英寸液晶顯示。用戶可通過顯示屏靈活進行儀器設(shè)置和觀察儀器運行情況。 10）、強大的RTK操作軟件系統(tǒng)得益于南方軟件在業(yè)界的巨大優(yōu)勢，南方RTK軟件系統(tǒng)在保持強功能、人性化、多樣化的同時不斷細化軟件功能，針對不同行業(yè)的