gnss測量原理及應用

1、GNSS 測量原理及應用一、GNSS®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)星的數據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/

2、A碼和軍用的P（Y）碼。C/A 碼頻率，重復周期一毫秒，碼間距 1微秒，相當于300m P碼頻率，重復周期天， 碼間距微秒，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)星信號中解調制出來，以 50b/s 調制在載頻上發(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。導航電文中的內容主要有遙測碼、轉換碼、第 1、2、3數 據塊，其中最重要的則為星歷數據。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

3、鐘做對比便可得知衛(wèi)星與用戶的距離，再利用導航電文中的衛(wèi)星星 歷數據推算出衛(wèi)星發(fā)射電文時所處位置，用戶在WGS-8軟地坐標系中的位置速度等 信息便可得知。可見GPS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夕卜，還要引進一個厶t即衛(wèi)星與接收機之間的時間差作為未知 數，然后用 4 個方程將這 4 個未知數解出來。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)

4、星坐標的廣播星歷， 精度為幾米至幾十米（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， 將調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，

5、就可記錄下相位的變化值，但 開始觀測時的接收機和衛(wèi)星振蕩器的相位初值是不知道的，起始歷元的相位整數也 是不知道的，即整周模糊度，只能在數據處理中作為參數解算。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 據一臺接收機的觀測數據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）是根據兩臺以上接收機的觀測數 據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

6、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

7、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 (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，大氣校正等數據。3. 用戶設備部分用戶設備部分即GPS信號接收機。其主

8、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)星的偽距離和距離的變化率， 解調出衛(wèi)星軌道參數等數據。 根據這些數據，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緯度、高度、速度、時間等信息。接收機硬件和機內軟件 以及GPS數據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和機外兩種直流電源。設置機內電 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電池自動充電。 關機后機內電池為RAM存儲器供電，

9、以防止數據丟失。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 - time kin ematic)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

10、位技術，它能夠實時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乍業(yè)模式下，基準站通過數據鏈將其觀測值和測 站坐標信息一起傳送給流動站。流動站不僅通過數據鏈接收來自基準站的數據，還 要采集GPS觀測數據，并在系統(tǒng)內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

11、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、導線網方法來施測，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、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，回到內業(yè)處理后發(fā)現精度不合要求，還必須返測，而采用RTK來進行控制測量，能夠實時知道定位精度，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

12、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 全站儀或經緯儀配合小平板測圖，現在發(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，現在采用RTK寸，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，由專業(yè)的軟

13、 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，在生產應用上效 率不是很高，有時放樣中遇到困難的情況會借

14、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、典型測量型GNS取收機目前市場上測量型GNS取收機品牌多、型號多。就幾種具有代表性的產品做一 下介紹（一）進口 GNS取收機天寶R8系列、徠卡GS12 GS15系列、拓普康HiPer Ga/Gb系列（二）國產GNS取收機基準站內置發(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

15、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/CDM網絡數傳模式的強強聯手業(yè)內認可，國際水平的UHF電臺數據鏈核心技術和成熟網絡數據傳輸技術 同時兼?zhèn)?，革新技術集成，無縫切換。用戶可以根據現場作業(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 子屏蔽和特殊的內部構造設計來實現對多路徑干擾的抑制。再加上主板采用的 長距離解算模型，

16、可以達到超長的作業(yè)效果。4 ）、無縫兼容CORSS統(tǒng)對所有品牌的COR系統(tǒng)都可以實現無縫接入，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)，數據處 理更快，更安全。即插即用 USB高速下載數據。6）、適應GPS現代化，支持 GLONASS當GPS現代化實現以后，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GLONAS觀測數據與GPS數據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）、基準站內置發(fā)射電臺不斷創(chuàng)新的南方GPS核心

17、數據鏈技術，內置基準站發(fā)射電臺后，仍然能滿 足典型距離內的測量作業(yè)，使得基準站擺脫沉重電瓶和線纜并實現全無線作 業(yè)。8 ）、兩個國內領先新靈銳S86T是國內同類產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（內置、的藍牙是國內第一家通過 EMC（藍牙組織）認證產品，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