《GNSS RTK測量技術(shù)及其影響因素分析》3500字

GNSSRTK測量技術(shù)及其影響因素分析綜述GNSS與RTK的關(guān)系是，GNSS是一個復(fù)雜的衛(wèi)星系統(tǒng)，而RTK技術(shù)則是其用戶段接收機的一種形式，RTK所需要的信息均是由接收衛(wèi)星信號得到。本章首先對GNSS及其定位原理做出介紹，接著對GNSSRTK測量模塊的技術(shù)原理做出介紹，最后對會影響GNSSRTK系統(tǒng)測量精度的因素進行研究，為后續(xù)的精度評定做充分的準備。1.1GNSS的組成全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)簡稱為GNSS，它的工作范圍在近地區(qū)域或地球表面，GNSS通過其系統(tǒng)內(nèi)的全球設(shè)施和區(qū)域設(shè)施聯(lián)合作用，最終為用戶設(shè)施提供坐標信息、時間信息、速度信息等REF_Ref104150371\r\h[9]。GNSS泛指目前現(xiàn)有的、正在建設(shè)的和即將建造的所有全球、區(qū)域和增強的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。該系統(tǒng)由全球設(shè)施、區(qū)域設(shè)施、用戶設(shè)施三部分組成（如圖1.1所示）?？臻g信號段空間信號段用戶設(shè)備段地面控制段圖1.1GNSS組成GNSS是個組合系統(tǒng)，以GPS（GlobalPositioningSystem）和BDS（BeiDouNavigationSatelliteSystem）為例，各部分具體介紹如下：1.1.1全球設(shè)施（1）空間信號段是由GNSS在軌道上的衛(wèi)星所發(fā)出的無線信號，它能完成導(dǎo)航定位信號的持續(xù)傳輸，接收地面站的導(dǎo)航信息和調(diào)度指令。其中GPS的衛(wèi)星星座分為21個導(dǎo)航衛(wèi)星和3個備用衛(wèi)星。BDS的衛(wèi)星星座分為地球同步衛(wèi)星5顆、傾斜地球同步衛(wèi)星3顆、中高度地球衛(wèi)星27顆。（2）地面控制段：由分布在全球的地面觀測站組成，主要包括監(jiān)測站、主控站和信息注入站，以完成對衛(wèi)星的控制與對任務(wù)的分配控制。GPS地面控制段構(gòu)成，按級分布如下監(jiān)控系統(tǒng)——跟蹤站——跟蹤站1個主控站、3個注入站、5個監(jiān)控站。BDS地面控制段由地面監(jiān)控系統(tǒng)和具有星間鏈路的導(dǎo)航星座構(gòu)成REF_Ref104150425\r\h[10]。1.1.2區(qū)域設(shè)施區(qū)域設(shè)施以對系統(tǒng)和性能具有特定要求的服務(wù)為對象，能夠?qū)⒌孛娑ㄎ慌c通訊系統(tǒng)結(jié)合起來，可以滿足更多用戶的需求。GPS的區(qū)域設(shè)施有印度區(qū)域性導(dǎo)航衛(wèi)星、美國廣域增強系統(tǒng)、歐洲靜止衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的外部強化系統(tǒng)、日本準天頂衛(wèi)星系統(tǒng)。BDS區(qū)域設(shè)施有地基增強系統(tǒng)、星基增強系統(tǒng)。1.1.3用戶設(shè)備系統(tǒng)GNSS用戶設(shè)備類型：導(dǎo)航型、測量型、授時型（本課題研究的是導(dǎo)航型接收機）其組成分為硬件和軟件兩部分。硬件包括接收機、天線、控制器、計算機、無線通信、終端、手簿等；軟件包括數(shù)據(jù)采集軟件、基線處理軟件（HGO、SGO等等）、網(wǎng)平差軟件（相關(guān)的GNSS數(shù)據(jù)處理軟件）等。1.2GNSSRTK測量技術(shù)1.1.1測量技術(shù)（1）RTK技術(shù)RTK技術(shù)的實現(xiàn)需要兩個站點，基準站和流動站，其是通過對兩個站載波相位觀測值的處理，實時、快速地獲取兩個站點的三維坐標。具體操作是，基準站與流動站之間通過連接，建立通信鏈，然后流動站接收來自衛(wèi)星的信號和基準站實時發(fā)送的載波相位觀測值等信息，結(jié)算后，就會得到三維坐標信息。在RTK模式的動作中，基準站接收機會在坐標已知的數(shù)據(jù)點(或數(shù)據(jù)站的網(wǎng)絡(luò))上持續(xù)接收所有可視的GNSS衛(wèi)星信號。（2）GNSSRTK技術(shù)GNSS-RTK技術(shù)是指在GNSS測量過程中采用差分定位技術(shù)來進行載波相位觀測的新型GNSS技術(shù)REF_Ref104150627\r\h[12]。（3）GNSSRTK工作原理GNSSRTK工作原理是先將基準站A架設(shè)在已知點上，而流動站B需要根據(jù)具體的測量要求以及測量場來進行架設(shè)。兩臺接收機分別架設(shè)、設(shè)置好參數(shù)之后，需要對移動站A進行單獨設(shè)置，使其與基準站B之間的數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)連接，基準站會實時將差分數(shù)據(jù)和測量數(shù)據(jù)發(fā)送給流動站，流動站此時還可以接收衛(wèi)星信號。經(jīng)過流動站的實時解算，能獲取到實時的點位坐標和相關(guān)信息。（如圖1.2所示）圖1.2GNSSRTK工作原理1.1.2測量模塊GNSS-RTK系統(tǒng)包括：基準站、移動站、數(shù)據(jù)通信鏈、終端手薄、數(shù)據(jù)處理軟件和衛(wèi)星。（1）基準站：接收衛(wèi)星傳輸?shù)母恼龜?shù)據(jù)并發(fā)送數(shù)據(jù)到流動站。（2）流動站：接收基準站發(fā)送的改正數(shù)據(jù)和衛(wèi)星信號以及基準站的差分數(shù)據(jù)。通過計算獲取流動站位置的三維坐標等信息的工作。（3）數(shù)據(jù)通信鏈：是儀器之間的進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆椒ā＃?）終端手?。菏植舅{牙可以連接GNSS接收機，可通過設(shè)置接收機的工作參數(shù)，實現(xiàn)碎步測量，點放樣等數(shù)據(jù)交換功能。（5）數(shù)據(jù)處理軟件：由兩部分組成，一部分是在野外測量時，手簿自帶的數(shù)據(jù)采集軟件，同時可以對數(shù)據(jù)進行實時處理，比如南方銀河6手簿所帶的“工程之星”；另一部分是進行內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理時，配套的RTK數(shù)據(jù)后處理軟件，比如南方測繪的“SGO”。（6）衛(wèi)星：發(fā)射衛(wèi)星信號。1.3影響測量精度的因素1.3.1與衛(wèi)星有關(guān)的誤差源（1）衛(wèi)星鐘誤差衛(wèi)星上原子鐘的時鐘時間和GNSS的標準時間之間存在差值，即衛(wèi)星鐘誤差。對衛(wèi)星鐘差可以通過對星鐘差改正，保證衛(wèi)星鐘誤差值在20ns以內(nèi)。也可以用相對定位的方法，利用接收機之間差值來消除衛(wèi)星鐘的余差。（2）衛(wèi)星星歷誤差在GNSS定位過程中，星歷預(yù)報所提供的參數(shù)，是實時計算衛(wèi)星軌道參數(shù)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。但無論使用的星歷類型如何，衛(wèi)星的運行均會受到速度和外力的作用，這樣計算出來的位置偏離實際位置而產(chǎn)生誤差，即衛(wèi)星星歷誤差。削弱星歷誤差可以采用相對定位法，利用兩個觀測點間星歷誤差的強關(guān)聯(lián)性，排除兩站點的共同影響，獲得高精度的相對坐標；也可以建立區(qū)域性衛(wèi)星測軌網(wǎng)，使GNSS衛(wèi)星有自己的獨立軌道，從而使GNSS衛(wèi)星打破對SA政策的依賴性，避免受其干涉。（3）相對論效應(yīng)衛(wèi)星鐘和停留在地面上的同種類時鐘所處的位置不同，無法保證二者速度同步，這樣產(chǎn)生的時間差，被稱為相對論效應(yīng)誤差，此誤差是定位計算過程中產(chǎn)生的誤差。1.3.2與信號傳輸有關(guān)的誤差源（1）電離層延遲空氣產(chǎn)生電離，在空氣中含有自由電子和正離子的大氣位置叫做電離層。信號穿過電離層因為電磁產(chǎn)生折射，改變了信號傳播路徑，造成了減速、信號延遲現(xiàn)象。削弱電離層延遲可以經(jīng)過多次實驗，選擇適當?shù)挠^測場地與條件來削弱電離層延遲，也可以雙頻改正減小誤差。也可以根據(jù)同一區(qū)域傳播介質(zhì)的相似原理，使得衛(wèi)星信號到達該區(qū)域距離相近的測站時觀測量之間是有關(guān)聯(lián)的，可以通過相近測站同步觀測來進行誤差改正。（2）對流層延遲對流層位于550km以下，它電離層延遲相似，是大氣層發(fā)生折射對信號產(chǎn)生的延遲。雖然原理相同，但對流層作用區(qū)域更加接近地球表面，其大氣密度與成分更加復(fù)雜，誤差處理難度也更大。通過建立數(shù)學(xué)模型可以有效減小對流層延遲的誤差。也可以用平差法，在數(shù)據(jù)處理時，將對流層改正數(shù)也設(shè)為未知量與其他未知量進行聯(lián)合處理；還可以用求差法，即對觀測值進行求差，但是其缺點是，如果基線距離過長，其準確性也會下降。（3）多路徑效應(yīng)除了衛(wèi)星傳播路徑之外的其他因為反射折射產(chǎn)生的路徑都被接收機接收的情況叫多路徑效應(yīng)，它主要的產(chǎn)生原因是強反射的物體表面，屬于偶然誤差，增長觀測時間能有效減少誤差影響。削弱多路徑效應(yīng)還可以選擇合適的儀器架設(shè)位置，提前對接收機天線周圍的情況進行詳細地勘查，排除多路徑效應(yīng)大的站點；也可以通過加強對接收機天線的要求，使用功能強的、屏蔽較好的新型天線，比如目前市面上存在的拖流圈天線；1.3.3與接收機有關(guān)的誤差源（1）觀測誤差實際觀測的過程中，由于物體都可以反射信號，在進行信號分辨時難免會產(chǎn)生誤差，同時在安置接收機天線時也會產(chǎn)生誤差。削弱觀測誤差可以適當增加觀測時間來減弱；也可以在進行精密定位時，仔細操作來減弱；還可以在變形監(jiān)測中，采取強制對中來減弱。（2）接收機鐘誤差接收機鐘誤差：是GNSS接收機鐘面時與標稱時之間的差異REF_Ref20326\r\h[6]?？梢酝ㄟ^建立改正模型進行誤差改正。還可以通過進行多衛(wèi)星之間同步觀測，求取衛(wèi)星之間的差，以達到消除接收機鐘誤差的目的；還可以在平差時，利用時間多項式求出多項式系數(shù)來消除。（3）天線相位中心位置誤差接收機天線相位誤差：儀器在使用一段時間后，天線的相位中心會因為信號的強度起伏和天線方向的不同，此時與理論上的天線相位中心之間會產(chǎn)生差值，就是天線相位中心位置誤差。減少誤差的方法是在兩個測站進行同步觀測相同衛(wèi)星，差分求解即可。此種方法也就是控制變量法，要保證兩測站天線的安置方向、天線類型、接收機批號、天線高度、測站周圍環(huán)境、溫度等變量均保持一致。（4）坐標轉(zhuǎn)換參數(shù)引起的誤差RTK數(shù)據(jù)采集所使用的，坐標系統(tǒng)是“WGS-84”，但是我們?nèi)粘y量用到的是“國家2000”或者“北京54”坐標系，所以我們在進行測量參數(shù)設(shè)置時，要輸入已知點兩套系統(tǒng)下坐標進行坐標轉(zhuǎn)換工作，而轉(zhuǎn)換參數(shù)不是統(tǒng)一的，改變控制點其計算結(jié)果也會受到影響，這樣導(dǎo)致的誤差就是坐標轉(zhuǎn)換參數(shù)引起的誤差。（5）RTK數(shù)據(jù)傳輸誤差RTK測量時，需要在基準站與流動站之間進行數(shù)據(jù)傳輸，此過程使用的技術(shù)是無線電技術(shù)，在傳輸過程中難免會出現(xiàn)數(shù)據(jù)的丟失或者失真，就會產(chǎn)生RTK數(shù)據(jù)傳輸誤差。1.3.4其他誤差源（1）GNSS地面控制段的影響GNSS的地面控制段的監(jiān)測站、主控站、信息注入站均是由