GNSS测量原理及应用.doc

GNSS 测量原理及应用一、 GNSS 测量原理（以 GPS 为代表）（一）、GPS 基本原理GPS 导航系统得基本原理就是测量出已知位置得卫星到用户接收机之间得距离，然后综合多颗卫星得数据就可知道接收机得具体位置要达到这一目得，卫星得位置可以根据星载时钟所记录得时间在卫星星历中查出而用户到卫星得距离则通过记录卫星信号传播到用户所经历得时间，再将其乘以光速得到（由于大气层电离层得干扰，这一距离并不就是用户与卫星之间得真实距离，而就是伪距（ PR）：当 GPS 卫星正常工作时，会不断地用 1 与 0 二进制码元组成得伪随机码 （简称伪码）发射导航电文GPS 系统使用得伪码一共有两种，分别就是民用得 C/A 码与军用得 P(Y）码C/A 码频率 1、023MHz ，重复周期一毫秒，码间距 1 微秒，相当于 300m； P 码频率 10、 23MHz ，重复周期 266、4 天，码间距 0、1 微秒，相当于 30m而 Y 码就是在 P 码得基础上形成得，保密性能更佳导航电文包括卫星星历、工作状况、时钟改正、电离层时延修正、 大气折射修正等信息 它就是从卫星信号中解调制出来，以 50b/s 调制在载频上发射得。

导航电文每个主帧中包含 5 个子帧每帧长 6s前三帧各 10 个字码；每三十秒重复一次，每小时更新一次后两帧共 15000b导航电文中得内容主要有遥测码、转换码、第 1、2、3 数据块，其中最重要得则为星历数据当用户接受到导航电文时，提取出卫星时间并将其与自己得时钟做对比便可得知卫星与用户得距离，再利用导航电文中得卫星星历数据推算出卫星发射电文时所处位置，用户在 WGS-84 大地坐标系中得位置速度等信息便可得知 可见 GPS导航系统卫星部分得作用就就是不断地发射导航电文然而，由于用户接受机使用得时钟与卫星星载时钟不可能总就是同步，所以除了用户得三维坐标 x、y、z 外，还要引进一个 t 即卫星与接收机之间得时间差作为未知数， 然后用 4 个方程将这 4个未知数解出来所以如果想知道接收机所处得位置，至少要能接收到 4 个卫星得信号GPS 接收机可接收到可用于授时得准确至纳秒级得时间信息；用于预报未来几个月内卫星所处概略位置得预报星历；用于计算定位时所需卫星坐标得广播星历，精度为几米至几十米（各个卫星不同，随时变化） ；以及 GPS 系统信息，如卫星状况等GPS 接收机对码得量测就可得到卫星到接收机得距离，由于含有接收机卫星钟得误差及大气传播误差，故称为伪距。

对0A 码测得得伪距称为 UA 码伪距，精度约为 20 米左右，对 P 码测得得伪距称为 P 码伪距，精度约为 2 米左右GPS接收机对收到得卫星信号，进行解码或采用其它技术，将调制在载波上得信息去掉后，就可以恢复载波严格而言，载波相位应被称为载波拍频相位，它就是收到得受多普勒频 移影响得卫星信号载波相位与接收机本机振荡产生信号相位之差一般在接收机钟确定得历元时刻量测，保持对卫星信号得跟踪，就可记录下相位得变化值，但开始观测时得接收机与卫星振荡器得相位初值就是不知道得，起始历元得相位整数也就是不知道得，即整周模糊度，只能在数据处理中作为参数解算相位观测值得精度高至毫米，但前提就是解出整周模糊度，因此只有在相对定位、并有一段连续观测值时才能使用相位观测值， 而要达到优于米级得定位 精度也只能采用相位观测值按定位方式， GPS 定位分为单点定位与相对定位（差分定位） 单点定位就就是根据一台接收机得观测数据来确定接收机位置得方式，它只能采用伪距观测量，可用于车船等得概略导航定位相对定位（差分定位）就是根据两台以上接收机得观测数据来确定观测点之间得相对位置得方法，它既可采用伪距观测量也可采用相位观测量，大地测量或工程测量均应采用相位观测值进行相对定位。

在 GPS 观测量中包含了卫星与接收机得钟差、大气传播延迟、多路径效应等误差，在定位计算时还要受到卫星广播星历误差得影响，在进行相对定位时大部分公共误差被抵消或削弱，因此定位精度将大大提高，双频接收机可以根据两个频率得观测量抵消大气中电离层误差得主要部分，在精度要求高，接收机间距离较远时（大气有明显差别），应选用双频接收机二）、GPS 得组成部分1、空间部分GPS 得空间部分就是由 24 颗卫星组成（ 21 颗工作卫星； 3 颗备用卫星），它位于距地表 20200km 得上空，均匀分布在 6 个轨道面上（每个轨道面 4 颗），轨道倾角为 55°卫星得分布使得在全球任何地方、 任何时间都可观测到 4 颗以上得卫星，并能在卫星中预存导航信息， GPS 得卫星因为大气摩擦等问题；随着时间得推移，导航精度会逐渐降低2、 地面控制系统地面控制系统由监测站 (Monitor Station）、主控制站（ Master Monitor Station）、地面天线（Ground Antenna）所组成，主控制站位于美国科罗拉多州春田市 （ Colorado Spring）地面控制站负责收集由卫星传回之讯息，并计算卫星星历、相对距离，大气校正等数据。

3、用户设备部分用户设备部分即 GPS 信号接收机其主要功能就是能够捕获到按一定卫星截止角所选择得待测卫星，并跟踪这些卫星得运行当接收机捕获到跟踪得卫星信号后，就可测量出接收天线至卫星得伪距离与距离得变化率，解调出卫星轨道参数等数据根据这些数据， 接收机中得微处理计算机就可按定位解算方法进行定位计算，计算出用户所在地理位置得经纬度、高度、速度、时间等信息接收机硬件与机内软件以及 GPS 数据得后处理软件包构成完整得 GPS 用户设备 GPS 接收机得结构分为天线单元与接收单元两部分接收机一般采用机内与机外两种直流电源设置机内电源得目得在于更换外电源时不中断连续观测在用机外电源时机内电池自动充电关机后机内电池为 RAM 存储器供电，以防止数据丢失目前各种类型得接受机体积越来越小，重量越来越轻，便于野外观测使用（典型接收机专门介绍） 三）、RTK 原理RTK（ Real - time kinematic）实时动态差分法这就是一种新得常用得GPS 测量方法，以前得静态、快速静态、动态测量都需要事后进行解算才能获得厘米级得精度，而RTK 就是能够在野外实时得到厘米级定位精度得测量方法，它采用了载波相位动态实时差分方法，就是 GPS 应用得重大里程碑，它得出现为工程放样、地形测图，各种控制测量带来了新曙光，极大地提高了外业作业效率。

高精度得 GPS 测量必须采用载波相位观测值， RTK 定位技术就就是基于载波相位观测值得实时动态定位技术，它能够实时地提供测站点在指定坐标系中得三维定位结果，并达到厘米级精度 在 RTK 作业模式下，基准站通过数据链将其观测值与测站坐标信息一起传送给流动站 流动站不仅通过数据链接收来自基准站得数据，还要采集 GPS 观测数据，并在系统内组成差分观测值进行实时处理， 同时给出厘米级定位结果，历时不足一秒钟流动站可处于静止状态，也可处于运动状态；可在固定点上先进行初始化后再进入动态作业，也可在动态条件下直接开机，并在动态环境下完成整周模糊度得搜索求解在整周末知数解固定后，即可进行每个历元得实时处理，只要能保持四颗以上卫星相位观测值得跟踪与必要得几何图形，则流动站可随时给出厘米级定位结果四）、RTK 技术如何应用及注意事项1．各种控制测量传统得大地测量、工程控制测量采用三角网、导线网方法来施测，不仅费工费时，要求点间通视，而且精度分布不均匀， 且在外业不知精度如何， 采用常规得 GPS 静态测量、快速静态、伪动态方法，在外业测设过程中不能实时知道定位精度，如果测设完成后， 回到内业处理后发现精度不合要求， 还必须返测， 而采用 RTK 来进行控制测量，能够实时知道定位精度，如果点位精度要求满足了，用户就可以停止观测了，而且知道观测质量如何， 这样可以大大提高作业效率。

如果把 RTK 用于公路控制测量、电子线路控制测量、水利工程控制测量、大地测量、则不仅可以大大减少人力强度、节省费用，而且大大提高工作效率，测一个控制点在几分钟甚至于几秒钟内就可完成2．地形测图过去测地形图时一般首先要在测区建立图根控制点，然后在图根控制点上架上全站仪或经纬仪配合小平板测图，现在发展到外业用全站仪与电子手簿配合地物编码，利用大比例尺测图软件来进行测图，甚至于发展到最近得外业电子平板测图等等，都要求在测站上测四周得地貌等碎部点，这些碎部点都与测站通视，而且一般要求至少 2-3 人操作，需要在拼图时一旦精度不合要求还得到外业去返测，现在采用 RTK 时，仅需一人背着仪器在要测得地貌碎部点呆上一二秒种， 并同时输入特征编码，通过手簿可以实时知道点位精度，把一个区域测完后回到室内，由专业得软件接口就可以输出所要求得地形图，这样用 RTK 仅需一人操作，不要求点间通视，大大提高了工作效率，采用 RTK 配合电子手簿可以测设各种地形图，如普通测图、铁路线路带状地形图得测设，公路管线地形图得测设，配合测深仪可以用于测水库地形图，航 海海洋测图等等3．放样工程放样就是测量一个应用分支，它要求通过一定方法采用一定仪器把人为设计好得点位在实地给标定出来， 过去采用常规得放样方法很多， 如经纬仪交会放样，全站仪得边角放样等等，一般要放样出一个设计点位时，往往需要来回移动目标，而且要 2-3 人操作，同时在放样过程中还要求点间通视情况良好，在生产应用上效率不就是很高，有时放样中遇到困难得情况会借助于很多方法才能放样，如果采用RTK 技术放样时，仅需把设计好得点位坐标输入到电子手簿中，背着 GPS 接收机，它会提醒您走到要放样点得位置， 既迅速又方便， 由于 GPS 就是通过坐标来直接放样得，而且精度很高也很均匀，因而在外业放样中效率会大大提高，且只需一个人操作。

二、典型测量型 GNSS 接收机目前市场上测量型 GNSS 接收机品牌多、型号多就几种具有代表性得产品做一下介绍（一） 进口 GNSS 接收机天宝 R8 系列 、徕卡 GS12、 GS15 系列、拓普康 HiPer Ga/Gb 系列（二） 国产 GNSS 接收机◆ 基准站内置发射电台（典型代表南方灵锐 S86 系列）技术特点：1）、一体化工业三防设计全合金外壳，坚固耐冲击，抗 2m 自然跌落，防水防尘 IP67 级双电池组设计， 无须拆装，主机充电， 超长工作时间， 提供最可靠得电源保证2）、 UHF 电台、 GPRS/CDMA 网络数传模式得强强联手业内认可，国际水平得 UHF 电台数据链核心技术与成熟网络数据传输技术同时兼备，革新技。