《GNSS測量原理》課件

GNSS測量原理GNSS測量原理是全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）應用的基礎(chǔ)。通過分析衛(wèi)星信號，GNSS測量系統(tǒng)可以確定接收機的位置、時間和速度。GNSS測量原理概述11.概述GNSS是全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GlobalNavigationSatelliteSystem)的簡稱，是利用衛(wèi)星進行導航定位的一種技術(shù)。22.原理GNSS測量原理是基于衛(wèi)星信號接收和處理進行定位，涉及到衛(wèi)星軌道、時間同步、信號傳播模型等多個方面。33.優(yōu)勢GNSS技術(shù)具有高精度、全天候、實時性強等優(yōu)勢，被廣泛應用于各種領(lǐng)域。44.應用GNSS測量在測繪、導航、交通、農(nóng)業(yè)、林業(yè)等多個領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。GNSS的發(fā)展歷程1早期1950年代末，美國海軍開始研究使用衛(wèi)星進行導航。2GPS時代1978年，美國啟動了GPS系統(tǒng)。3多系統(tǒng)時代20世紀90年代，俄羅斯格洛納斯系統(tǒng)、歐洲伽利略系統(tǒng)和中國北斗系統(tǒng)相繼推出。4未來展望GNSS技術(shù)不斷發(fā)展，未來將更加精確、可靠。GNSS的組成與結(jié)構(gòu)衛(wèi)星星座GNSS系統(tǒng)由多顆衛(wèi)星組成，形成覆蓋全球的衛(wèi)星星座，提供連續(xù)的定位服務。地面控制站地面控制站負責對衛(wèi)星進行監(jiān)控、數(shù)據(jù)處理和指令發(fā)送，確保衛(wèi)星正常運行。接收機接收機接收衛(wèi)星信號，并根據(jù)信號信息計算用戶位置，提供定位、導航、授時等服務。GNSS衛(wèi)星導航系統(tǒng)GPS系統(tǒng)GPS系統(tǒng)是美國研發(fā)的全球定位系統(tǒng)。它由31顆衛(wèi)星組成，覆蓋全球，提供24小時不間斷的定位和授時服務。GLONASS系統(tǒng)GLONASS系統(tǒng)是俄羅斯研發(fā)的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)。它擁有24顆衛(wèi)星，可為用戶提供高精度定位和授時服務，并在高緯度地區(qū)具有優(yōu)勢。北斗系統(tǒng)北斗系統(tǒng)是中國自主研發(fā)的全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)。它由35顆衛(wèi)星組成，覆蓋全球，并擁有獨特的短報文通信功能。伽利略系統(tǒng)伽利略系統(tǒng)是歐洲研發(fā)的全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)。它由30顆衛(wèi)星組成，并致力于提供高精度、高可靠性的定位和授時服務。GNSS信號接收與處理信號接收GNSS接收機接收衛(wèi)星信號。接收機包含天線、接收機前端和信號處理單元。信號解碼接收機將衛(wèi)星信號解碼，提取導航信息，如衛(wèi)星位置、時間和信號強度。數(shù)據(jù)處理接收機利用導航信息，計算用戶位置、速度和時間，并生成測量數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)輸出接收機將處理后的數(shù)據(jù)輸出，用于后續(xù)的定位計算和應用。GNSS定位原理距離測量GNSS接收機通過測量衛(wèi)星信號到達時間，計算出衛(wèi)星到接收機的距離。時間同步衛(wèi)星和接收機需要保持時間同步，才能精確測量信號傳播時間。幾何定位根據(jù)接收機與至少四顆衛(wèi)星的距離，通過幾何計算確定接收機的位置。GNSS測量模式靜態(tài)測量靜態(tài)測量指觀測時間較長，通常大于30分鐘，適合高精度測量?？焖凫o態(tài)測量快速靜態(tài)測量介于靜態(tài)測量和動態(tài)測量之間，觀測時間較短，通常為5-30分鐘，適合工程測量等。動態(tài)測量動態(tài)測量指觀測時間較短，通常小于1分鐘，適合移動物體定位，如車輛導航等。實時動態(tài)測量實時動態(tài)測量指測量數(shù)據(jù)實時處理，并用于實時控制，如無人機導航等。GNSS坐標系統(tǒng)世界大地坐標系(WGS84)WGS84是目前應用最廣泛的坐標系統(tǒng)。它基于地球橢球模型，定義了地球的形狀和大小。使用WGS84坐標系，可以精確地定位地球上的任何地方。國家大地坐標系(CGCS2000)CGCS2000是我國自主研發(fā)的坐標系統(tǒng)。它以WGS84坐標系為參考，并根據(jù)我國實際情況進行了調(diào)整。CGCS2000坐標系廣泛應用于我國的測繪、導航和地理信息系統(tǒng)等領(lǐng)域。GNSS誤差分析GNSS測量存在各種誤差源，影響定位精度。誤差分析是提高GNSS測量精度、確保數(shù)據(jù)可靠性的關(guān)鍵。1大氣誤差電離層和對流層的影響2衛(wèi)星鐘差衛(wèi)星內(nèi)部時鐘誤差3多路徑效應信號反射導致的誤差4接收機誤差接收機內(nèi)部噪聲和誤差單點定位的基本原理1衛(wèi)星信號接收接收衛(wèi)星信號數(shù)據(jù)2時間同步同步接收器和衛(wèi)星時間3距離計算計算接收器與衛(wèi)星距離4三維坐標解算根據(jù)距離數(shù)據(jù)解算坐標單點定位是指利用GNSS接收機接收衛(wèi)星信號，通過計算接收機與衛(wèi)星之間的距離，進而確定接收機在空間中的三維坐標位置的定位方法。單點定位是GNSS定位的基礎(chǔ)，它通過接收至少四顆衛(wèi)星的信號數(shù)據(jù)，利用時間同步、距離計算、三維坐標解算等步驟實現(xiàn)接收機的定位。單頻單點定位1基本原理基于單頻信號接收進行定位，利用衛(wèi)星信號傳播時間進行距離計算，并結(jié)合衛(wèi)星軌道信息和時間信息，計算出接收機所在位置。2簡便易行只需要接收單頻信號，無需進行多頻觀測，技術(shù)相對簡單，成本較低。3精度限制單頻信號精度有限，受大氣延遲、多路徑效應等影響較大，定位精度相對較低。4應用場景適用于對定位精度要求不高的情況，例如導航、手機定位、個人定位等。單頻差分定位參考站參考站接收衛(wèi)星信號，并計算精確的坐標信息。差分校正將參考站的坐標信息發(fā)送給用戶接收機，用于校正用戶接收機的誤差。精度提高通過差分校正，可以有效提高定位精度，將誤差降至厘米級或更低。雙頻單點定位提高定位精度利用兩個頻率的信號，可以消除電離層延遲的影響，進而提高定位精度。雙頻定位可以有效地抑制電離層延遲誤差，特別是在高精度定位應用中。多路徑效應雙頻觀測還可以通過差分技術(shù)消除多路徑效應，從而提高定位精度。多路徑誤差是由于信號反射引起的，雙頻觀測可以有效地減弱多路徑誤差的影響。提升可靠性雙頻觀測可以提供更多信息，從而提高定位可靠性。雙頻觀測可以增加定位解的可靠性，減少定位誤差，保證定位結(jié)果的準確性。雙頻差分定位雙頻差分定位原理雙頻差分定位利用雙頻信號，提高定位精度，消除電離層延遲影響。雙頻接收機雙頻接收機接收兩個頻率的信號，進行差分處理，提高定位精度。應用場景雙頻差分定位應用于精密測量、導航、測繪等領(lǐng)域，提高定位精度和可靠性。GNSS數(shù)據(jù)采集與處理1數(shù)據(jù)采集使用GNSS接收機采集衛(wèi)星信號，記錄時間、位置和觀測數(shù)據(jù)。2數(shù)據(jù)預處理對原始數(shù)據(jù)進行清洗、格式轉(zhuǎn)換和誤差修正，提高數(shù)據(jù)質(zhì)量。3數(shù)據(jù)處理采用相應的算法和軟件對處理后的數(shù)據(jù)進行分析，計算坐標、高程、時間等信息。GNSS數(shù)據(jù)處理流程1數(shù)據(jù)預處理去除異常數(shù)據(jù)，例如粗差和噪聲。2數(shù)據(jù)解算計算觀測值與模型之間的誤差。3坐標轉(zhuǎn)換將觀測坐標轉(zhuǎn)換為所需坐標系。4精度評價評估GNSS數(shù)據(jù)的精度和可靠性。GNSS數(shù)據(jù)處理流程是一個復雜的步驟，旨在提高GNSS數(shù)據(jù)的精度和可靠性。基線處理與坐標計算基線向量計算基線處理的第一步，通過GNSS接收機觀測數(shù)據(jù)計算出兩個站點的基線向量。坐標轉(zhuǎn)換將基線向量從觀測坐標系轉(zhuǎn)換為目標坐標系，例如WGS-84坐標系或當?shù)刈鴺讼?。坐標計算利用已知點的坐標和基線向量，計算未知點的坐標。誤差分析最后，需要評估坐標計算結(jié)果的精度，并分析可能存在的誤差來源。GNSS高程測量大地水準面GNSS高程測量是利用GNSS信號接收機接收衛(wèi)星信號，計算出地面點到大地水準面的距離，即高程。高程測量方法主要包括幾何高程測量和正高測量，前者基于大地水準面，后者基于平均海平面。動態(tài)GNSS測量車輛追蹤實時定位車輛位置、速度、方向等信息。人員定位監(jiān)測人員的活動軌跡和實時位置。無人機導航實現(xiàn)無人機自主飛行，精準控制航線和位置。船舶航行監(jiān)測船舶的位置、速度、航線等信息。GNSS應用領(lǐng)域測繪GNSS技術(shù)廣泛應用于地圖測繪，通過衛(wèi)星定位進行精準測繪，構(gòu)建地形圖、地質(zhì)圖、城市規(guī)劃圖等。導航民用車載導航、航空導航、船舶導航，提供實時位置信息，提升行駛效率和安全性。農(nóng)業(yè)精準農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，實現(xiàn)精準施肥、精準灌溉，提高農(nóng)業(yè)產(chǎn)量和資源利用率。災害監(jiān)測地震監(jiān)測、海嘯預警、火山活動監(jiān)測等，用于監(jiān)測災害發(fā)生的動態(tài)，及時做出預警。精密GNSS測量技術(shù)高精度定位精密GNSS測量技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)厘米級甚至毫米級的定位精度，滿足各種高精度測量需求。實時動態(tài)測量精密GNSS測量技術(shù)可用于實時動態(tài)測量，例如車輛導航、無人機控制等。數(shù)據(jù)處理技術(shù)先進的數(shù)據(jù)處理技術(shù)可以有效消除各種誤差，提高測量精度。GNSS測量的質(zhì)量控制11.數(shù)據(jù)完整性檢查檢查數(shù)據(jù)是否完整、連續(xù)，是否存在缺失或錯誤。22.數(shù)據(jù)一致性檢驗檢查不同觀測數(shù)據(jù)之間是否一致，是否存在矛盾。33.誤差分析與評估分析各種誤差來源，評估測量結(jié)果的精度。44.質(zhì)量指標評價根據(jù)質(zhì)量指標評價GNSS測量結(jié)果的質(zhì)量等級。工程應用案例分析GNSS廣泛應用于各種工程項目，例如橋梁、隧道、高層建筑的施工測量、變形監(jiān)測和沉降監(jiān)測。GNSS提供高精度、實時數(shù)據(jù)，幫助工程師更好地規(guī)劃施工流程，提高施工效率，確保工程質(zhì)量。例如，在橋梁建設(shè)中，GNSS可以用于橋墩定位、橋梁軸線測量、橋梁變形監(jiān)測等方面，保證橋梁的準確建造和安全運行。GNSS測量精度評價指標描述單位平面精度水平位置誤差米高程精度垂直位置誤差米時間精度衛(wèi)星信號接收時間誤差納秒GNSS測量精度評價主要通過平面精度、高程精度和時間精度等指標來評估。未來GNSS發(fā)展趨勢11.融合技術(shù)GNSS與其他技術(shù)融合，提高定位精度，擴展應用場景。22.信號改進新信號設(shè)計，抗干擾能力更強，提高數(shù)據(jù)質(zhì)量。33.衛(wèi)星星座更多衛(wèi)星發(fā)射，增強系統(tǒng)覆蓋，提高定位精度。44.應用拓展在智慧城市、自動駕駛、精準農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域，應用更加廣泛。GNSS測量技術(shù)發(fā)展方向多系統(tǒng)融合整合多種衛(wèi)星導航系統(tǒng)，提升定位精度和可靠性。例如，結(jié)合北斗、GPS、GLONASS等系統(tǒng)。高精度定位提高GNSS定位精度，滿足更高精度的測量需求，例如厘米級甚至毫米級定位。智能化利用人工智能和機器學習技術(shù)，實現(xiàn)GNSS數(shù)據(jù)處理和分析的自動化和智能化。多傳感器融合將GNSS與其他傳感器融合，例如慣性導航系統(tǒng)、激光掃描儀等，實現(xiàn)更全面的信息采集和處理。GNSS在地學領(lǐng)域的應用地質(zhì)災害監(jiān)測GNSS技術(shù)可用于監(jiān)測地震、火山噴發(fā)、滑坡和泥石流等地質(zhì)災害。通過建立GNSS監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，可以實時獲取地表變形信息，及時預警災害發(fā)生。地球動力學研究GNSS技術(shù)可以精確測量地球表面點的坐標和速度，為研究板塊運動、地殼形變、地震活動等地球動力學過程提供重要的數(shù)據(jù)支撐。資源勘探與開發(fā)GNSS技術(shù)可以精確定位礦產(chǎn)資源分布位置，提高勘探效率，降低勘探成本，促進礦產(chǎn)資源的可持續(xù)開發(fā)。環(huán)境監(jiān)測GNSS技術(shù)可以用于監(jiān)測水資源變化、土壤侵蝕、大氣污染等環(huán)境問題，為環(huán)境保護和可持續(xù)發(fā)展提供科學依據(jù)。GNSS在工程測量中的應用道路工程道路建設(shè)中，GNSS可用于精確測量道路中線、邊線、高程，確保道路的幾何精度和縱橫坡度符合設(shè)計要求。橋梁工程橋梁施工中，GNSS可用于測量橋墩位置、橋梁跨度、橋面高程，提高橋梁的施工精度和安全。隧道工程隧道施工中，GNSS可用于測量隧道洞口位置、隧道中心線、隧道斷面，確保隧道工程的準確性和安全性。高層建筑工程高層建筑工程中，GNSS可用于測量建筑物基礎(chǔ)位置、樓層高度、建筑物外形，提高建筑工程的質(zhì)量和精度。GNSS在精確農(nóng)業(yè)中的應用精準施肥利用GNSS定位技術(shù)，將土壤肥力、作物生長狀況等數(shù)據(jù)與地圖疊加，實現(xiàn)精準施肥，減少肥料浪費，提高肥效，降低生產(chǎn)成本。精準播種通過GNSS定位系統(tǒng)，實現(xiàn)精確的種子播種，保證作物均勻生長，提高產(chǎn)量和質(zhì)量。精準收割GNSS技術(shù)可以實現(xiàn)精準的收割路徑規(guī)劃，避免重復收割和漏收，提高收割效率和產(chǎn)量。田間管理GNSS技術(shù)可以采集田間數(shù)