(完整word版)GNSS測量原理及應用

1、GNSS測量原理及應用一、GNSS測量原理（以GPS為代表）（一）、GPS基本原理GPS導航系統(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，重復周期一毫秒，碼間距1微秒，相當于300m；P碼頻率10.23MHz，重復周期266.4天，碼間距0.1微秒，相當于30m。而Y碼是在P碼的基礎上形成的，保密性能更佳。導航電文包括衛(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；每三十秒重復一次，每小時更新一次。后兩幀共15000b。導航電文中的內(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)。當用戶接受到導航電文時，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大地坐標系中的位置速度等信息便可得知?？梢奊PS導航系統(tǒng)衛(wèi)星部分的作用就是不斷地發(fā)射導航電文。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x、y、z外，還要引進一個At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。GPS接收機可接收到可用于授時的準確至納秒級的時間信息；用于預報未來幾個月內(nèi)衛(wèi)星所處概略位置的預報星歷；用于計算定位時所需衛(wèi)星坐標的廣播星歷，精度為幾米至幾

4、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，將調(diào)制在載波上的信息去掉后，就可以恢復載波。嚴格而言，載波相位應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，但開始觀測時的接收機和衛(wèi)星振蕩器

5、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采用相位觀測值進行相對定位。在

6、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、任何時間都可觀測到4顆以上的衛(wèi)星，并能在

7、衛(wèi)星中預存導航信息，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(MonitorStation)、主控制站(MasterMonitorStation)、地面天線(GroundAntenna)所組成，主控制站位于美國科羅拉多州春田市(ColoradoSpring)。地面控制站負責收集由衛(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. 用戶設備部分用戶設備部分即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。當接收機捕獲到跟蹤的衛(wèi)星信號后，就可測量出接收天線至衛(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)的后處理軟件包構成完整的GPS用戶設備。GPS接收機的結構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原理RTK(Real-timekinemat

9、ic、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定位技術就是基于載波相位觀測值的實時動態(tài)定位技術，它能夠?qū)崟r地提供測站點在指定坐標系中的三維定位結果，并達到厘米級精度。在RTK作業(yè)模式下，基準站通過數(shù)據(jù)鏈將其觀測值和測站坐標信息一起傳送給流動站。流動站不僅通過數(shù)據(jù)鏈接收來自基準

10、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果，歷時不足一秒鐘。流動站可處于靜止狀態(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果。（四）RTK技術如何應用及注意事項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

11、、快速靜態(tài)、偽動態(tài)方法，在外業(yè)測設過程中不能實時知道定位精度，如果測設完成后，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，

12、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各種地形圖，如普通測圖、鐵路線路帶狀地形圖的測設，公路管線地形圖的測設，配合測深儀可以用于測水庫地形圖，航海海洋測圖

13、等等。3放樣工程放樣是測量一個應用分支，它要求通過一定方法采用一定儀器把人為設計好的點位在實地給標定出來，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計點位時，往往需要來回移動目標，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技術放樣時，僅需把設計好的點位坐標輸入到電子手簿中，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是通過坐標來直接放樣的，而且精度很高也很均勻，因而在外業(yè)放樣中效率會大大提高，且只需一個人操作。二、典

14、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HiPerGa/Gb系列（二）國產(chǎn)GNSS接收機基準站內(nèi)置發(fā)射電臺（典型代表南方靈銳S86系列）技術特點：1）、一體化工業(yè)三防設計全合金外殼，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)鏈核心技術和成熟網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸技術同時兼?zhèn)洌镄录夹g集成，無縫切換。用戶可以根

15、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，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)部構造設計來實現(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，成熟應用。5）、即插即用的主機ARM系統(tǒng)架構主機系統(tǒng)基于32位處理器的ARM架構，采用多任務的操作系統(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Gps現(xiàn)代化，支持GL

16、ONAss當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構，提高定位的可靠性。7）、基準站內(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，內(nèi)置基準站發(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。擁有更強的接收信號能力。此外，它隨身標配（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128X64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)的測量