測量學(xué)第五章 GNSS測量

第五章GNSS測量長安大學(xué)公路學(xué)院測量學(xué)（第五版）§5-1GNSS概述1.GNSS定義望遠(yuǎn)鏡光軸（視準(zhǔn)軸

全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GlobalNavigationSatelliteSystem,GNSS)是隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展而建立起來的新一代精密衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)。GNSS系統(tǒng)分為空間部分、地面控制部分和用戶部分。

空間部分主要由一定數(shù)量的衛(wèi)星組成,地面控制由主控站、跟蹤站和注入站組成,用戶部分由民用終端和軍用終端組成?！?-1GNSS概述2.GNSS的發(fā)展采用望遠(yuǎn)鏡光軸（視準(zhǔn)軸

§5-1GNSS概述2.GNSS的發(fā)展采用望遠(yuǎn)鏡光軸（視準(zhǔn)軸

聯(lián)聯(lián)合國確認(rèn)全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）四大核心供應(yīng)商：美國------全球定位系統(tǒng)GPS俄羅斯----格洛納斯GLONASS歐洲------伽俐略Galileo中國------北斗BDS§5-1GNSS概述2.GNSS的發(fā)展采用望遠(yuǎn)鏡光軸（視準(zhǔn)軸

GPSBDSGLPNASSGALILEO所屬國家和地區(qū)美國中國俄羅斯歐盟開發(fā)歷程

20世紀(jì)70年代美國軍方開發(fā),1994年建設(shè)完成

20世紀(jì)80年代建成北斗一代,2012年北斗二代亞太地區(qū)組網(wǎng)完成

20世紀(jì)80年代初開始建造,1995年投入使用

20世紀(jì)90年代提出,2008年4月開始建設(shè)

GPSBDSGLPNASSGALILEO覆蓋范圍全球、全天候全球(2020年二代)全球全球?qū)Ш叫l(wèi)星數(shù)量

24顆工作衛(wèi)星、4顆備用衛(wèi)星北斗一代3顆衛(wèi)星(2顆工作,1顆備用),二代建成后5顆靜止,30顆非靜止軌道衛(wèi)星

24顆,因經(jīng)費(fèi)問題經(jīng)常運(yùn)行數(shù)量達(dá)不到設(shè)計(jì)數(shù)量,最少時(shí)僅有6顆在運(yùn)行,目前18顆在運(yùn)行

27顆運(yùn)行衛(wèi)星,3顆備用衛(wèi)星,目前還沒有建成定位精度(原始)

10m(民用)

10m(北斗二代)

5~20m

5m左右定位精度(處理后)

1mm

1mm

1mm

1mm用戶范圍軍民兩用,軍用為主軍民兩用,軍用為主軍民兩用,軍用為主軍民兩用,民用為主建設(shè)進(jìn)展

1994年GPS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)完成,目前在研制第三代GPS系統(tǒng)由16顆導(dǎo)航衛(wèi)星組成的北斗系統(tǒng)已正式對亞太大部分地區(qū)提供服務(wù)目前有20顆衛(wèi)星,只有18顆處于運(yùn)行狀態(tài),1顆處于系統(tǒng)連接,1顆除于與維修狀態(tài)

1999年歐盟公布伽利略建設(shè)計(jì)劃,目前系統(tǒng)處于建設(shè)中優(yōu)劣比較成熟獨(dú)有位置報(bào)告、短報(bào)文通信服務(wù),突出互動(dòng)性和開放性抗干擾能力強(qiáng)精確度高§5-1GNSS概述3.GNSS的應(yīng)用采用望遠(yuǎn)鏡（視準(zhǔn)軸

陸地運(yùn)輸海洋運(yùn)輸建筑采礦農(nóng)業(yè)電力系統(tǒng)民用航空通信醫(yī)療應(yīng)用測繪科研家電§5-2GNSS定位基本原理1.GNSS定位原理采（1）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)鐘做對比便可得知衛(wèi)星與用戶的距離（時(shí)間乘以光速）（2）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（根據(jù)星載時(shí)鐘所記錄的時(shí)間在衛(wèi)星星歷中查出）§5-2GNSS定位基本原理1.GNSS定位原理采衛(wèi)星n上的原子鐘與GPS主鐘標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間的時(shí)差

（3）、測量出已知位置的衛(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。§5-2GNSS定位基本原理2.GNSS定位方法分類采

絕對定位：單點(diǎn)定位，在未知點(diǎn)上用GPS接收機(jī)（單機(jī)）測定星站距離，從而獨(dú)立解算測點(diǎn)WGS-84坐標(biāo)的過程。相對定位：差分定位，在一定距離內(nèi)，用兩臺(tái)以上GPS接收機(jī)同時(shí)測定星站距離，通過求差的方法解算測點(diǎn)間基線向量的過程。靜態(tài)定位：在定位過程中，GPS接收機(jī)始終處于靜止接收狀態(tài)的定位方法。動(dòng)態(tài)定位：在定位過程中，GPS接收機(jī)始終處于運(yùn)動(dòng)接收狀態(tài)的定位方法。待定點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)參考點(diǎn)數(shù)不同§5-2GNSS定位基本原理2.GNSS定位方法分類采

（1）絕對定位精度較差，僅能消除接收機(jī)時(shí)鐘誤差。絕對靜態(tài)精度高于絕對動(dòng)態(tài)，進(jìn)行多余觀測。（2）相對定位后處理實(shí)時(shí)計(jì)算靜態(tài)——〉動(dòng)態(tài)3.GNSS定位誤差來源采§5-2GNSS定位基本原理GNSS靜態(tài)相對定位工作主要包括GNSS外業(yè)觀測和數(shù)據(jù)處理1、外業(yè)觀測地形踏勘、網(wǎng)形設(shè)計(jì)、天線安置、觀測作業(yè)、觀測記錄和觀測數(shù)據(jù)采§5-3GNSS靜態(tài)相對定位（1）通視、選點(diǎn)、建標(biāo)志設(shè)計(jì)GPS點(diǎn)盡量選在視野開闊、交通方便的地點(diǎn)，并要遠(yuǎn)離高壓線、變電所及微波輻射干擾源。GPS點(diǎn)雖然不需要通視，但是為了便于用經(jīng)典方法聯(lián)測和擴(kuò)展，要求控制點(diǎn)至少與一個(gè)其他控制點(diǎn)通視，或者在控制點(diǎn)附近300m外布設(shè)一個(gè)通視良好的方位點(diǎn)，以便建立聯(lián)測方向。選點(diǎn)時(shí)除了應(yīng)遠(yuǎn)離產(chǎn)生磁場源的地方和保證觀測站在視場內(nèi)周圍障礙物的高度角應(yīng)小于10~15°外，其它要求及建立標(biāo)志同常規(guī)控制測量。GNSS靜態(tài)相對定位工作主要包括GNSS外業(yè)觀測和數(shù)據(jù)處理1、外業(yè)觀測（2）網(wǎng)形設(shè)計(jì)采§5-3GNSS靜態(tài)相對定位點(diǎn)連式邊連式邊點(diǎn)組合連式采1、外業(yè)觀測（3）參數(shù)設(shè)置

采§5-3GNSS靜態(tài)相對定位

為了求定GPS網(wǎng)坐標(biāo)與原有地面控制網(wǎng)坐標(biāo)之間的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)，要求至少有三個(gè)GPS控制網(wǎng)點(diǎn)與地面控制網(wǎng)點(diǎn)重合。1、外業(yè)觀測

（4）野外觀測記錄

1）在點(diǎn)上架站，對中整平；2）量取儀器高（斜高或者垂直高）3）按電源燈開機(jī)（鎖星一分鐘后開始記錄）4）手工記錄測站信息

（測站名、儀器編號(hào)、儀器高、開始和結(jié)束的時(shí)間）采§5-3GNSS靜態(tài)相對定位2、內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理觀測采§5-3GNSS靜態(tài)相對定位內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理一般采用軟件處理，主要工作內(nèi)容有基線解算、觀測成果檢核及GPS網(wǎng)平差，內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理完畢后應(yīng)寫GPS測量技術(shù)報(bào)告并提交有關(guān)資料。（1）新建文件并設(shè)置坐標(biāo)系；（2）導(dǎo)入數(shù)據(jù)，編輯天線高信息；（3）基線解算，根據(jù)衛(wèi)星信號(hào)和殘差信息進(jìn)行調(diào)整，直到基線質(zhì)量合格；（4）網(wǎng)平叉計(jì)算，輸入控制點(diǎn)信息，進(jìn)行自由網(wǎng)平差——84約束網(wǎng)平差——當(dāng)?shù)厝S約束平差或者二維約束平差；（5）導(dǎo)出解算報(bào)告1、GNSS-RTK動(dòng)態(tài)測量的基本原理采§5-4GNSS實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位原理

RTK（Real-Time-Kinematic）,即實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)相對測量。它是一種差分GNSS測量技術(shù)。將其中一臺(tái)接收機(jī)設(shè)置在固定基準(zhǔn)站上,另外一臺(tái)或數(shù)臺(tái)接收機(jī)安置在流動(dòng)站(也即待定點(diǎn))上,同時(shí)接收所有相同的可見GNSS衛(wèi)星信號(hào),同步觀測獲得所需的觀測數(shù)據(jù),使用無線電傳輸技術(shù)把基準(zhǔn)站上的觀測數(shù)據(jù)發(fā)送到流動(dòng)站上;利用載波相位原理進(jìn)行測量,通過差分技術(shù)消除減弱基準(zhǔn)站和流動(dòng)站間共有誤差,有效提高了GNSS測量結(jié)果的精度。1、GNSS-RTK動(dòng)態(tài)測量的基本原理采§5-4GNSS實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位原理GPS實(shí)時(shí)差分定位系統(tǒng)由基準(zhǔn)站、流動(dòng)站和無線電通信鏈三部分組成。1、網(wǎng)絡(luò)RTK基本原理采§5-5網(wǎng)絡(luò)RTK和CORS技術(shù)

網(wǎng)絡(luò)RTK也稱多基準(zhǔn)站RTK,是近年來在常規(guī)RTK和差分GNSS定位方法的基礎(chǔ)上建立起來的一種新技術(shù)。網(wǎng)絡(luò)RTK是由基準(zhǔn)站網(wǎng)、數(shù)據(jù)處理中心和數(shù)據(jù)通信線路組成的。2、網(wǎng)絡(luò)RTK優(yōu)勢§5-5網(wǎng)絡(luò)RTK和CORS技術(shù)(1)覆蓋范圍更廣網(wǎng)絡(luò)RTK系統(tǒng)最少需要3個(gè)基準(zhǔn)站。如按邊長70km計(jì)算,一個(gè)三角形的覆蓋面積為2200多平方公里。與傳統(tǒng)的GNSS網(wǎng)絡(luò)相比,在擴(kuò)大覆蓋范圍的同時(shí),可節(jié)約成本近70%。實(shí)際上,網(wǎng)絡(luò)RTK系統(tǒng)可提供兩種不同精度的差分信號(hào),分別為厘米級(jí)和亞米級(jí)。若是精度要求更低,這個(gè)距離(70km)還可以擴(kuò)展到幾百公里。(2)成本更低網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)的應(yīng)用,使得用戶不需要再架設(shè)自己的基準(zhǔn)站。而70km的邊長,只用很少的幾個(gè)基準(zhǔn)站就能覆蓋很大范圍,從而使建設(shè)GNSS參考站網(wǎng)絡(luò)的費(fèi)用大大的降低。與傳統(tǒng)的GNSS網(wǎng)絡(luò)相比,網(wǎng)絡(luò)RTK在擴(kuò)大覆蓋范圍的同時(shí),節(jié)約成本近70%。

2、網(wǎng)絡(luò)RTK優(yōu)勢采§5-5網(wǎng)絡(luò)RTK和CORS技術(shù)(3)精度和可靠性更高在網(wǎng)絡(luò)RTK網(wǎng)絡(luò)的控制范圍內(nèi),精度可始終保持在1~2cm。由于采用了多個(gè)參考站的聯(lián)合數(shù)據(jù),定位結(jié)果的可靠性也得到較大幅度的提高。(4)應(yīng)用范圍更廣網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)可以應(yīng)用于道路建設(shè)、城市規(guī)劃、市政建設(shè)、交通管理、氣象預(yù)報(bào)、環(huán)保、公共安全、工程與地殼形變監(jiān)測、農(nóng)業(yè)和林業(yè)資源普查以及所有在室外進(jìn)行的各類勘察和測繪工作中。(5)初始化時(shí)間更短網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)可以更好地消除流動(dòng)站的綜合誤差,因此可以更快速、更準(zhǔn)確地確定流動(dòng)站的整周模糊度,從而大大縮短了RTK作業(yè)的初始化時(shí)間。3、CORS技術(shù)采§5-5網(wǎng)絡(luò)RTK和CORS技術(shù)

CORS(ContinuousOperationReferenceStations)為一個(gè)或若干個(gè)固定的、連續(xù)運(yùn)行的GNSS參考站,利用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)通信和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)組成的網(wǎng)絡(luò),實(shí)時(shí)地向不同類型、不同需求、不同層次的用戶自動(dòng)地提供經(jīng)過檢驗(yàn)的不同類型的GNSS觀測值(載波相位,偽距),各種改正數(shù)、狀態(tài)信息、以及其他有關(guān)的GNSS服務(wù)項(xiàng)目的系統(tǒng)。

4、CORS技術(shù)特點(diǎn)采§5-5網(wǎng)絡(luò)RTK和CORS技術(shù)(1)具有跨行業(yè)特性,可為不同行業(yè)、不同類型的用戶提供服務(wù)。(2)可同時(shí)滿足不同需求的用戶在定位實(shí)時(shí)性方面的差異,能同時(shí)提供RTK、DGNSS、靜態(tài)或動(dòng)態(tài)后處理及現(xiàn)場高精度準(zhǔn)實(shí)時(shí)定位的數(shù)據(jù)服務(wù)。(3)能兼顧不同層次的用戶對定位精度指標(biāo)的要求,提供覆蓋米級(jí)、分米級(jí)、厘米級(jí)的數(shù)據(jù)。4、CORS技術(shù)特點(diǎn)采§5-5網(wǎng)絡(luò)RTK和CORS技術(shù)(4)具有覆蓋范圍廣、作業(yè)效率高、一次投資長期收益的特點(diǎn),成為國家基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的新方向。(5)可構(gòu)建和維持穩(wěn)定、統(tǒng)一的大地坐標(biāo)系統(tǒng)。(6)可提高作業(yè)精度和數(shù)據(jù)質(zhì)量。(7)可提高生產(chǎn)效率,單人測量系統(tǒng)將成為GNSS測量的主流作業(yè)模式。（1）全球全天候定位

GNSS衛(wèi)星的數(shù)目較多，且分布均勻，保證了地球上任何地方任何時(shí)間至少可以同時(shí)觀測到4顆GPS衛(wèi)星，確保實(shí)現(xiàn)全球全天候連續(xù)的導(dǎo)航定位服務(wù)（除打雷閃電不宜觀測外）。

（2）定位精度高應(yīng)用實(shí)踐已經(jīng)證明，GNSS相對定位精度在50km以內(nèi)可達(dá)10-6m，100-500km可達(dá)10-7m，1000km可達(dá)10-9m。在300-1500m工程精密定位中，1小時(shí)以上觀測時(shí)解其平面位置誤差小于1mm，與ME-5000電磁波測距儀測定的邊長比較，其邊長較差最大為0.5mm，校差中誤差為0.3mm?！?-6GNSS測量的特點(diǎn)（3）觀測時(shí)間短

隨著GNSS系統(tǒng)的不斷完善，軟件的不斷更新，目前，20km以內(nèi)相對靜態(tài)定位，僅需15-20分鐘；快速靜態(tài)相對定位測量時(shí)，當(dāng)每個(gè)流動(dòng)站與基準(zhǔn)站相距在15KM以內(nèi)時(shí)，流動(dòng)站觀測時(shí)間只需1-2分鐘；采取實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位模式時(shí)，每站觀測僅需幾秒鐘。（4）測站間無需通視

GNSS測量只要求測站上空開闊，不要求測站之間互相通視，因而不再需要建造覘標(biāo)。這一優(yōu)點(diǎn)既可大大減少測量工作的經(jīng)費(fèi)和時(shí)間（一般造標(biāo)費(fèi)用約占總經(jīng)費(fèi)的30%～50%）?！?-6GNSS測量的優(yōu)點(diǎn)（5）儀器操作簡便在觀測中測量員只需安置儀器，連接電纜線，量取天線高，監(jiān)視儀器的工作狀態(tài)，而其它觀測工作，如衛(wèi)星的捕獲，跟蹤觀測和