(完整word版)GNSS測(cè)量原理及應(yīng)用

1、GNSS測(cè)量原理及應(yīng)用一、GNSS測(cè)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(cè)量出已知位置的衛(wèi)星到用戶接收機(jī)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(jī)的具體位置。要達(dá)到這一目的，衛(wèi)星的位置可以根據(jù)星載時(shí)鐘所記錄的時(shí)間在衛(wèi)星星歷中查出。而用戶到衛(wèi)星的距離則通過(guò)記錄衛(wèi)星信號(hào)傳播到用戶所經(jīng)歷的時(shí)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(shí)距離，而是偽距（PR）：當(dāng)GPS衛(wèi)星正常工作時(shí)，會(huì)不斷地用1和0二進(jìn)制碼元組成的偽隨機(jī)碼（簡(jiǎn)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(shí)鐘改正、電離層時(shí)延修正、大氣折射修正等信息。它是從衛(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)射的。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15000b。導(dǎo)航電文中的內(nèi)容主要有遙測(cè)碼、轉(zhuǎn)換碼、第1、2、3數(shù)據(jù)塊，其中最重要的則為星歷數(shù)據(jù)。當(dāng)用戶接受到導(dǎo)航電文時(shí)，提取出衛(wèi)星時(shí)間并將其與自己的時(shí)鐘做對(duì)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(shí)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(jī)使用的時(shí)鐘與衛(wèi)星星載時(shí)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(jìn)一個(gè)At即衛(wèi)星與接收機(jī)之間的時(shí)間差作為未知數(shù)，然后用4個(gè)方程將這4個(gè)未知數(shù)解出來(lái)。所以如果想知道接收機(jī)所處的位置，至少要能接收到4個(gè)衛(wèi)星的信號(hào)。GPS接收機(jī)可接收到可用于授時(shí)的準(zhǔn)確至納秒級(jí)的時(shí)間信息；用于預(yù)報(bào)未來(lái)幾個(gè)月內(nèi)衛(wèi)星所處概略位置的預(yù)報(bào)星歷；用于計(jì)算定位時(shí)所需衛(wèi)星坐標(biāo)的廣播星歷，精度為幾米至幾

4、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)碼的量測(cè)就可得到衛(wèi)星到接收機(jī)的距離，由于含有接收機(jī)衛(wèi)星鐘的誤差及大氣傳播誤差，故稱為偽距。對(duì)0A碼測(cè)得的偽距稱為UA碼偽距，精度約為20米左右，對(duì)P碼測(cè)得的偽距稱為P碼偽距，精度約為2米左右。GPS接收機(jī)對(duì)收到的衛(wèi)星信號(hào)，進(jìn)行解碼或采用其它技術(shù)，將調(diào)制在載波上的信息去掉后，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(hào)載波相位與接收機(jī)本機(jī)振蕩產(chǎn)生信號(hào)相位之差。一般在接收機(jī)鐘確定的歷元時(shí)刻量測(cè)，保持對(duì)衛(wèi)星信號(hào)的跟蹤，就可記錄下相位的變化值，但開始觀測(cè)時(shí)的接收機(jī)和衛(wèi)星振蕩器

5、的相位初值是不知道的，起始?xì)v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(cè)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(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)的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)定位和相對(duì)定位（差分定位）。單點(diǎn)定位就是根據(jù)一臺(tái)接收機(jī)的觀測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)確定接收機(jī)位置的方式，它只能采用偽距觀測(cè)量，可用于車船等的概略導(dǎo)航定位。相對(duì)定位（差分定位）是根據(jù)兩臺(tái)以上接收機(jī)的觀測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)確定觀測(cè)點(diǎn)之間的相對(duì)位置的方法，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。在

6、GPS觀測(cè)量中包含了衛(wèi)星和接收機(jī)的鐘差、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)星廣播星歷誤差的影響，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)頻率的觀測(cè)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(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）、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(gè)軌道面上(每個(gè)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(shí)間都可觀測(cè)到4顆以上的衛(wèi)星，并能在

7、衛(wèi)星中預(yù)存導(dǎo)航信息，GPS的衛(wèi)星因?yàn)榇髿饽Σ恋葐?wèn)題；隨著時(shí)間的推移，導(dǎo)航精度會(huì)逐漸降低。2. 地面控制系統(tǒng)地面控制系統(tǒng)由監(jiān)測(cè)站(MonitorStation)、主控制站(MasterMonitorStation)、地面天線(GroundAntenna)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. 用戶設(shè)備部分用戶設(shè)備部分即GPS信號(hào)接收機(jī)。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(cè)衛(wèi)星，并跟蹤這些衛(wèi)星的運(yùn)行。當(dāng)接收機(jī)捕獲到跟蹤的衛(wèi)星信號(hào)后，就可測(cè)量出接收天線至衛(wèi)星的偽距離和距

8、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(jī)中的微處理計(jì)算機(jī)就可按定位解算方法進(jìn)行定位計(jì)算，計(jì)算出用戶所在地理位置的經(jīng)緯度、高度、速度、時(shí)間等信息。接收機(jī)硬件和機(jī)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(jī)的結(jié)構(gòu)分為天線單元和接收單元兩部分。接收機(jī)一般采用機(jī)內(nèi)和機(jī)外兩種直流電源。設(shè)置機(jī)內(nèi)電源的目的在于更換外電源時(shí)不中斷連續(xù)觀測(cè)。在用機(jī)外電源時(shí)機(jī)內(nèi)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。目前各種類型的接受機(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)專門介紹)。(三)、RTK原理RTK(Real-timekinemat

9、ic、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分法。這是一種新的常用的GPS測(cè)量方法，以前的靜態(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)的精度，而RTK是能夠在野外實(shí)時(shí)得到厘米級(jí)定位精度的測(cè)量方法，它采用了載波相位動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)差分方法，是GPS應(yīng)用的重大里程碑，它的出現(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。高精度的GPS測(cè)量必須采用載波相位觀測(cè)值，RTK定位技術(shù)就是基于載波相位觀測(cè)值的實(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)系中的三維定位結(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)值和測(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)

10、站的數(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)條件下直接開機(jī)，并在動(dòng)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(jìn)行每個(gè)歷元的實(shí)時(shí)處理，只要能保持四顆以上衛(wèi)星相位觀測(cè)值的跟蹤和必要的幾何圖形，則流動(dòng)站可隨時(shí)給出厘米級(jí)定位結(jié)果。（四）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)的大地測(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)的GPS靜態(tài)測(cè)量

11、、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)位精度要求滿足了，用戶就可以停止觀測(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)用全站儀和電子手簿配合地物編碼，

12、利用大比例尺測(cè)圖軟件來(lái)進(jìn)行測(cè)圖，甚至于發(fā)展到最近的外業(yè)電子平板測(cè)圖等等，都要求在測(cè)站上測(cè)四周的地貌等碎部點(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)的地貌碎部點(diǎn)呆上一二秒種，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(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的測(cè)設(shè)，公路管線地形圖的測(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

13、等等。3放樣工程放樣是測(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)好的點(diǎn)位在實(shí)地給標(biāo)定出來(lái)，過(guò)去采用常規(guī)的放樣方法很多，如經(jīng)緯儀交會(huì)放樣，全站儀的邊角放樣等等，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)用上效率不是很高，有時(shí)放樣中遇到困難的情況會(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)好的點(diǎn)位坐標(biāo)輸入到電子手簿中，背著GPS接收機(jī),它會(huì)提醒你走到要放樣點(diǎn)的位置，既迅速又方便，由于GPS是通過(guò)坐標(biāo)來(lái)直接放樣的，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。二、典

14、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。就幾種具有代表性的產(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HiPerGa/Gb系列（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，提供最可靠的電源保證。2）、uhf電臺(tái)、gprs/cdma網(wǎng)絡(luò)數(shù)傳模式的強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)手業(yè)內(nèi)認(rèn)可，國(guó)際水平的UHF電臺(tái)數(shù)據(jù)鏈核心技術(shù)和成熟網(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。用戶可以根

15、據(jù)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)環(huán)境的不同需要靈活選擇。3）、先進(jìn)多路徑干擾抑制技術(shù)和RTK解算模型滿足超長(zhǎng)距離作業(yè)新靈銳s86T采用的主板擁有先進(jìn)的pAc與VIsION技術(shù)，能夠利用信號(hào)的特性建模來(lái)識(shí)別多路徑反射影響，配合南方獨(dú)有的四饋點(diǎn)接收天線、嚴(yán)格的電子屏蔽和特殊的內(nèi)部構(gòu)造設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)多路徑干擾的抑制。再加上主板采用的長(zhǎng)距離解算模型，可以達(dá)到超長(zhǎng)的作業(yè)效果。4）、無(wú)縫兼容cORs系統(tǒng)對(duì)所有品牌的cORs系統(tǒng)都可以實(shí)現(xiàn)無(wú)縫接入，成熟應(yīng)用。5）、即插即用的主機(jī)ARM系統(tǒng)架構(gòu)主機(jī)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)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GL

16、ONAss當(dāng)Gps現(xiàn)代化實(shí)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(hào)的能力。同時(shí)，在惡劣的接收環(huán)境下，新靈銳s86T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的衛(wèi)星信息，增強(qiáng)了定位時(shí)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(tái)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(tái)后，仍然能滿足典型距離內(nèi)的測(cè)量作業(yè)，使得基準(zhǔn)站擺脫沉重電瓶和線纜并實(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是國(guó)內(nèi)同類產(chǎn)品中第一款采用四饋點(diǎn)雙頻雙星天線的Gps接收機(jī)之一，可有效防止多路徑效應(yīng)。擁有更強(qiáng)的接收信號(hào)能力。此外，它隨身標(biāo)配（內(nèi)置）的藍(lán)牙是國(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128X64分辨率，2英寸液晶顯示。用戶可通過(guò)顯示屏靈活進(jìn)行儀器設(shè)置和觀察儀器運(yùn)行情況。10）、強(qiáng)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(shì)，南方RTK軟件系統(tǒng)在保持強(qiáng)功能、人性化、多樣化的同時(shí)不斷細(xì)化軟件功能，針對(duì)不同行業(yè)的測(cè)量