华星GNSS培训理论

1、广州华星广州华星GNSS培训理论篇培训理论篇一、一、GNSSGNSS理论部分理论部分GNSSGNSS理论部分理论部分 GNSS(Global Navigation Satellite System)是全球导航卫星系统的英文缩写，它是所有全球导航卫星系统及其增强系统的集合名词，是利用全球的所有导航卫星所建立的覆盖全球的全天侯无线电导航系统。目前可供利用的全球卫星导航系统有美国的GPS和俄罗斯的GLONASS以及未来欧洲的Galileo。1. GNSS的现状及未来的现状及未来GNSSGNSS的含义的含义：美国的美国的GPS： GPS是英文Global Positioning System或NAVi

2、gation Satellite Timing And Ranging Global Position System的缩写，即全球定位系统，是一个全球性、全天候、全天时、高精度的导航定位和时间传递系统。由27颗工作卫星和3颗备用卫星组成，分布在6个等间距的轨道平面上。采用码分多址体制，每颗卫星的信号频率和调制方式相同，不同卫星的信号靠不同的伪码区分，现有30多颗卫星。 GPS自1973年开始设计、研制，历时20年，于1993年全部建成，GPS系统由空间部分、地面控制部分和用户部分所组成。GNSSGNSS理论部分理论部分1. GNSS的现状及未来的现状及未来 GLONASS: GLObal NA

3、vigation Satellite System的字头缩写，是前苏联从80年代初开始建设的与美国GPS系统相类似的卫星定位系统，也由卫星星座、地面监测控制站和用户设备三部分组成。现在由俄罗斯空间局管理。拥有21颗工作卫星和3颗备用卫星，分布在 3个轨道平面上。因GLONASS 卫星一直处于降效运行状态，现只有18颗卫星能够正常工作。采用频分多址体制，卫星靠频率不同来区分，每组频率的伪随机码相同。 目前有18颗卫星可用。2011年之后将有24颗卫星可用。俄罗斯的俄罗斯的GLONASS：GNSSGNSS理论部分理论部分1. GNSS的现状及未来的现状及未来Galileo(伽利略）伽利略）: 从从

4、1994年欧盟已开始对伽利略系统方案实施论证。年欧盟已开始对伽利略系统方案实施论证。2000年年欧盟已向世界无线电委员会申请并获准建立伽利略系统的欧盟已向世界无线电委员会申请并获准建立伽利略系统的L频段频段的频率资源。的频率资源。2002年年3月欧盟月欧盟15国交通部长一致同意伽利略系国交通部长一致同意伽利略系统的建设。统的建设。 该系统由该系统由27颗工作卫星和颗工作卫星和3颗备份卫星组成，卫星采用中颗备份卫星组成，卫星采用中等地球轨道，分布在等地球轨道，分布在3个轨道面上。预计个轨道面上。预计2012年可投入使用。年可投入使用。现在因为资金协调问题现在因为资金协调问题 基本停滞了。基本停滞

5、了。欧盟的欧盟的Galileo：GNSSGNSS理论部分理论部分1. GNSS的现状及未来的现状及未来中国的北斗：中国的北斗：北斗导航系统北斗导航系统(COMPASS)，现有，现有 4颗地球同步卫星颗地球同步卫星 快速定位：北斗导航系统可为服务区域内用户提供全天候、高精 度、快速实时定位服务 简短通信：北斗系统用户终端具有双向数字报文通信能力，可 以 一次传送超过100个汉字的信息。 精密授时 ： 未来中国的北斗空间段计划由五颗静止轨道卫星和三十颗非静止轨道卫星组成，提供两种服务方式，即开放服务和授权服务。 GNSSGNSS理论部分理论部分1. GNSS的现状及未来的现状及未来 GLONASS

6、: GLObal NAvigation Satellite System的字头缩写，是前苏联从80年代初开始建设的与美国GPS系统相类似的卫星定位系统，也由卫星星座、地面监测控制站和用户设备三部分组成。现在由俄罗斯空间局管理。拥有21颗工作卫星和3颗备用卫星，分布在 3个轨道平面上。因GLONASS 卫星一直处于降效运行状态，现只有18颗卫星能够正常工作。采用频分多址体制，卫星靠频率不同来区分，每组频率的伪随机码相同。 目前有18颗卫星可用。2011年之前将有24颗卫星可用。俄罗斯的俄罗斯的GLONASS：GNSSGNSS理论部分理论部分1. GNSS的现状及未来的现状及未来定位精度高定位精度

7、高观测时间短观测时间短测站间无须通视测站间无须通视 可提供三维坐标可提供三维坐标 操作简便操作简便 全天候作业全天候作业 功能多、应用广功能多、应用广 免费免费 2. GNSS的特点的特点 GNSSGNSS理论部分理论部分1 1、军事用途、军事用途 GPS本身就是军事竞赛的产物。精码保密，主要提供给本国和盟国的军事用户使用；粗码提供给本国民用和全世界使用。2 2、民用导航、民用导航 占据了民用领域的绝大部分，一般精度要求不高，5-15米，飞机、轮船、车载定位等领域。3 3、测绘、测绘 要求精度高，早期主要在石油部门使用，现在已在测绘相关行业中广泛普及，成为一种新的测绘方式。4 4、GISGIS

8、 现在处于起步阶段，随着数字地球、数字中国的进程，必将成为一个庞大的新兴产业。3. GNSS产业构成产业构成 GNSSGNSS理论部分理论部分军事军事 测绘测绘 林业林业 农业农业 地质地质 电力电力 水利水利 交通交通 环保环保 气象气象 地震地震 石油石油 通讯通讯 海洋海洋 城建城建 科研院所科研院所 院校院校 医疗医疗 消防消防 国土国土 GPS的应用是受到人的想象力的限制，的应用是受到人的想象力的限制，GPS无所不在无所不在4. GNSS的应用行业的应用行业GNSSGNSS理论部分理论部分5. 卫星定位技术的发展卫星定位技术的发展GNSSGNSS理论部分理论部分RTKRTK的发展：的

9、发展： 传统的传统的RTKRTK技术技术 电台、电台、GPRS/CDMAGPRS/CDMA 网络网络RTKRTK技术技术 CORS CORS5. 卫星定位技术的发展卫星定位技术的发展GNSSGNSS理论部分理论部分二、传统二、传统RTKRTK以及仪器的操作以及仪器的操作 常规的GPS测量方法，如静态、快速静态、动态测量都需要事后进行解算才能获得厘米级的精度，而RTK是能够在野外实时得到厘米级定位精度的测量方法，它采用了载波相位动态实时差分（Real - time kinematic）方法，是GPS应用的重大里程碑，它的出现为工程放样、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

10、。 1. 传统传统RTK的含义的含义传统传统RTKRTK以及仪器操作以及仪器操作在RTK作业模式下，基准站通过数据链将其观测的星历数据传送给流动站。流动站通过数据链接收来自基准站的数据，同时采集GPS观测数据，并在系统内进行实时处理，给出厘米级定位结果，历时不到一秒钟。流动站可处于静止状态，也可处于运动状态，也可在动态条件下直接开机，并在动态环境下完成周模糊度的搜索求解。载整周末知数解固定后，即可进行每个历元的实时处理，只要能保持5颗以上卫星相位观测值的跟踪和必要的几何图形，则流动站可随时给出厘米级定位结果。RTKRTK的工作原理的工作原理2. 传统传统RTK的工作原理的工作原理传统传统RTK

11、RTK以及仪器操作以及仪器操作 GPS卫星 发射天线 基准站差分信号 移动站数据链通讯：数据链通讯： 电台模式： 3. 传统传统RTK的数据链的数据链传统传统RTKRTK以及仪器操作以及仪器操作UHF(Ultra High Frequency)超高频率，频率300MHz-300KMHz（波长属微波： 波长1M-1MM，空间波，小容量微波中继通信 ）410-430MHz /450-470MHzVHF(Very High Frequency)甚高频（3MHz30MHz属短波： 波长100M-10M，空间波 ）220-240MHz2. 网络模式：GPRS（General Packet Radio S

12、ervice）中文是通用分组无线业务，是在现有的GSM系统上发展出来的一种新的分组数据承载业务 ；CDMA为码分多址数字无线技术 4. 电台模式电台模式传统传统RTKRTK以及仪器操作以及仪器操作基准站基准站移动站移动站作业距离一般距离为：0-20公里，特别是山区或城区传播距离就会受到影响；电台信号容易受干扰，所以要远离大功率干扰源；电台的架设对环境有非常高的要求，一般选在比较空旷，周围没有遮挡，且要基站架设的越高距离越远；对于电瓶的电量要求较高，出外业之前电瓶一点要充满或有足够的电量；4. 电台模式电台模式传统传统RTKRTK以及仪器操作以及仪器操作 网络通讯模式特点网络通讯模式特点距离远携

13、带方便优点：缺点： 在没有手机信号的地方无法使用需要一定的费用、手机卡一般一个月都要流量100元费用5. 网络模式网络模式传统传统RTKRTK以及仪器操作以及仪器操作三、网络三、网络RTKRTK以及仪器的操作以及仪器的操作传统传统RTKRTK技术有着一定局限性技术有着一定局限性, ,使得其在应用中受到限制使得其在应用中受到限制, ,主要表现为：主要表现为： 1. 用户需要架设本地的参考站； 2. 误差随距离增长； 3. 误差增长使流动站和参考站距离受到限制，距离越远初始化时间越长； 4. 可靠性和可行性随距离降低。1. 网络RTK技术网络网络RTKRTK以及仪器操作以及仪器操作 网络RTK技术

14、实际上是一种多基站技术，它在处理上利用了多个参考站的联合数据。该系统不仅仅是GPS产品，而是集internet技术，无线通讯技术，计算机网络管理和GPS定位技术于一身的系统，包括，通讯控制中心，固定站，用户部分。 1. 网络RTK技术网络网络RTKRTK以及仪器操作以及仪器操作网络RTK的优势无需架设参考站，省去了野外工作中的值守人员和架设参考站的时间，降低了作业成本，提高了生产效率；传统“1+1”GNSS接收机真正等于2，生产效率双倍提高 ；不需要在四处找控制点；扩大了作业半径，网络覆盖范围内能够得到均等的精度；在CORS覆盖区域内，能够实现测绘系统和定位精度的统一，便于测量成果的系统转换和

15、多用途处理；1. 网络RTK技术网络网络RTKRTK以及仪器操作以及仪器操作网络RTK概念依靠网络将基准站连接到计算中心，联合若干基准站数据解算或消除电离层、对流层等影响，以提高RTK定位可靠性和精度的方法特点从RTK的点到基准站覆盖的区域（面）资源共享：基准站共享，数据共享用户界面：统一，可控网络RTK系统简图基本原理目标：减少或消除误差的影响电离层延迟：建立区域电离层模型或通过误差内插进行消除对流层延迟：模型消除或误差内插消除卫星轨道和钟差：可利用精密星历消除RTK技术的测量速度 RTK技术的测量速度主要由初始化所需时间决定，初始化所需时间又由RTK技术差别（各种机型有不同的快速解算技术）

16、、接收卫星的数量和质量、RTK数据链传输质量等因素决定，快速解算技术越先进，在一定的高度角下接收到的卫星数量越多、质量越好，RTK数据链传输质量越高，初始化所需时间就越短。在良好的环境条件下，RTK初始化所需时间一般为几十秒；不良环境条件下（尚满足RTK基本工作条件)几分钟到十几分钟，甚至不能测量。基本原理-常规RTK与网络RTK的比较可靠性与可用性的比较网络RTK测量技术的优点与传统的RTK相比，仪器的操作不同：不用架设基准站设置IP地址输入用户名和密码RTK技术优点 1作业效率高。 在一般的地形地势下，高质量的RTK设站一次即可测完10km半径的测区，大大减少了传统测量所需的控制点数量和测

17、量仪器的“搬站”次数，仅需一人操作，在一般的电磁波环境下几秒钟即得一点坐标，作业速度快，劳动强度低，节省了外业费用，提高了劳动效率。 2定位精度高，数据安全可靠，没有误差积累。只要满足RTK的基本工作条件，在一定的作业半径范围内（一般为10km），RTK的平面精度和高程精度都能达到厘米级。 3降低了作业条件要求。RTK技术不要求两点间满足光学通视，只要求满足“电磁波通视”，因此，和传统测量相比，RTK技术受通视条件、能见度、气候、季节等因素的影响和限制较小，在传统测量看来由于地形复杂、地物障碍而造成的难通视地区，只要满足RTK的基本工作条件，它也能轻松地进行快速的高精度定位作业。 4操作简便，

18、容易使用，数据处理能力强。只要在设站时进行简单的设置，就可以边走边获得测量结果坐标或进行坐标放样。数据输入、存储、处理、转换和输出能力强，能方便快捷地与计算机实现数据传输。RTK的不足及其解决办法 1 受卫星状况限制。当卫星系统位置对美国是最佳的时候，世界上有些国家在某一确定的时间段仍然不能很好地被卫星所覆盖，容易产生假值。另外，在高山峡谷深处及城市高楼密布区，卫星信号被遮挡时间较长，使一天中可作业时间受限制。产生假值问题采用RTK测量成果的质量控制方法可以发现。作业时间受限制可由选择作业时间来解决。 2 天空环境影响。白天中午，受电离层干扰大，共用卫星数少，常接受不到5颗卫星，因而初始化时间

19、长甚至不能初始化，也就无法进行测量。在同样的条件和同样的地点上进行RTK测量，上午11点之前和下午13：30分之后，RTK测量结果准而快，而中午时分，很难进行RTK测量。可见选择作业时段的重要性。 3数据链传输受干扰和限制、作业半径比标称距离小的问题。RTK数据链传输易受到障碍物如高大山体、高大建筑物和各种高频信号源的干扰，在传输过程中衰减严重，严重影响外业精度和作业半径。在地形起伏高差较大的山区和城镇密楼区数据链传输信号受到限制。解决这类问题的有效办法是把基准站布设在测区中央的最高点上。 4高程异常问题。RTK作业模式要求高程的转换必须精确，但我国现有的高程异常图在有些地区，尤其是山区，存在

20、较大误差，在有些地区还是空白，这就使得将GPS大地高程转换至海拔高程的工作变得相当困难，精度也不均匀。 5电量不足问题。RTK耗电量较大，需要多个大容量电池、电瓶才能保证连续作业，在电力供应缺乏的偏远作业区受到限制。 6精度和稳定性问题。RTK测量的精度和稳定性都不及全站仪，特别是稳定性方面，这是由于RTK较容易受卫星状况、天气状况、数据链传输状况影响的缘故，要解决此类问题，要在布控制点时多布置一些“多余”控制点，作为RTK测量成果质量控制的检核点。RTK技术主要应用范围 测图根点测图根点（精度均匀，效率高）（精度均匀，效率高）地形测图地形测图 （效率高，一人即可操作）（效率高，一人即可操作）

21、工程放样工程放样（实时显示位置信息，可进行复杂的线（实时显示位置信息，可进行复杂的线路测量，只需要输入线路要素即可生成复杂的道路测量，只需要输入线路要素即可生成复杂的道路曲线）路曲线）无验潮测水深无验潮测水深 水下地形测量随着水下地形测量随着RTK技术的出现，使得水上测技术的出现，使得水上测量采用量采用GPS无验潮测量方式工作（无验潮测量方式工作（RTK方式）成方式）成为可能。采用此种方式不仅可以避免定位系统和为可能。采用此种方式不仅可以避免定位系统和测深系统之间的延迟误差，而且由于无验潮，使测深系统之间的延迟误差，而且由于无验潮，使得内业处理更简单、方便得内业处理更简单、方便 .2. COR

22、S系统网络网络RTKRTK以及仪器操作以及仪器操作 连续运行参考站(cors)也称为台站网，可定义为：一个或若干个固定的、连续运行的GNSS参考站，利用现代计算机、数据通信和互联网(LANWAN)技术组成的网络，实时地向不同类型、不同需求、不同层次的用户自动地提供经过检验的不同类型的GNSS观测值(载波相位，伪距)，各种改正数、状态信息，以及其他有关GNSS服务项目的系统。不同的地区CORS系统采用不同的网络RTK技术：天宝天宝VRS：深圳，北京，天津，上海，广东，成都，杭州，长沙，青岛莱卡莱卡MAX：江苏，昆明 目前，国内外多CORS的研究主要集中在基础设施建设、系统自动化管理、数据采集域分

23、发、基于网络的GNSS定位技术的开发等方面。先后出现了大量的CORS工程项目。 一、一、其中具有代表性的全球和国家的项目包括： IGS跟踪站网络 美国NGS CORS 欧洲EPN永久性连续网等 二、二、国内主要有： 中国地壳运动观测网络CMONOC 中国沿海无线电指向标差分定位系统(RBN-DGPS)等项目 2. CORS系统网络网络RTKRTK以及仪器操作以及仪器操作3. CORS系统组成网络网络RTKRTK以及仪器操作以及仪器操作参考站 + 控制中心 + 用户部分CORS综合应用3. CORS系统应用网络网络RTKRTK以及仪器操作以及仪器操作四、坐标转换四、坐标转换设置源坐标系统设置目标

24、坐标系统参数转换已知点校核坐标转换坐标转换1. 主要坐标系统WGS84北京54西安80 长半轴637813763782456378140扁率257223563.298/13 .298/1257.298/1常用的坐标系统 坐标转换坐标转换就是求出WGS-84和当地平面直角坐标系统之间的数学转换关系（转换参数）。坐标转换坐标转换. 坐标转换的含义 在工程应用中使用GPS卫星定位系统采集到的数据是WGS-84坐标系数据,而目前我们测量成果普遍使用的是以1954年北京坐标系或是地方（任意当地）独立坐标系为基础的坐标数据。因此必须将WGS-84坐标转换到BJ-54坐标系或地方(任意)独立坐标系。坐标转换

25、的含义坐标转换的含义七换参数法定义：两空间三维直角坐标系之间的平移，旋转、缩放、参数、DX、DY、DZ、 x、 y 、z 、 k要求: 三个BJ-54或GJ-80坐标起算点.环境: 主要用于精度要求较高的控制测量，地形测量，施工放样，作用范围相对较大作业方法：将基准站架设于开阔，无干扰的已知点上，移动站在窄带固定解状态下，测出三组已知点的原始坐标，手簿进行参数求解后得出所需要的地方坐标 要使一个坐标系统和另一个坐标系统产生关系，需要一组具有这两套坐标系统下坐标的地面点。因此，就需要一组WGS-84坐标和一组当地平面坐标：北, 东和高程。WGS-84当地平面坐标 . 坐标转换的过程坐标转换坐标转

26、换坐标投影： 椭球参数(长半轴和扁率) 中央子午线 投影面. 坐标转换的过程坐标转换坐标转换如何求解中央子午线？ 3度带 6度带水平 & 垂直平差. 坐标转换的过程坐标转换坐标转换四参数高程拟合将高斯坐标系转换成当地坐标系，得到当地坐标 四参数（转换参数）高程拟合法定义：两平面坐标系之间的平移，旋转，缩放参数 DX、DY、要求：至少两个任意同一坐标系的坐标（通用方法）环境：适用于普通的工程测量，工程放样作业方法：将基准站架在测区中央开阔处，移动站在窄带固定解状态下，测出两组已知点的原始坐标，手簿进行参数求解后得出所需要的地方坐标一、水平平差至少2个水平控制点下面以5个点为例= GPS

27、观测值观测值= 控制点控制点. 坐标转换的过程坐标转换的过程坐标转换坐标转换. 坐标转换的过程坐标转换的过程坐标转换坐标转换旋转旋转平移平移. 坐标转换的过程坐标转换的过程坐标转换坐标转换. 坐标转换的过程坐标转换的过程坐标转换坐标转换比例系数比例系数参数转换结果（水平残差）参数转换结果（水平残差）参数转换更新后的结果包含了坐标残差. 为了理解我们转换结果的好坏，我们需要理解这些残差的含义.残差残差残差: 转换参数执行转换参数执行后的格网平面坐标和后的格网平面坐标和GPS坐标的差值。坐标的差值。. 坐标转换的过程坐标转换的过程坐标转换坐标转换 残差越小，说明转换的参数越精确残差越小，说明转换的

28、参数越精确-GPS (WGS-84 co-ordinates)和当地平面坐标之间的相对关系越好。和当地平面坐标之间的相对关系越好。残差残差转换结果（水平残差）转换结果（水平残差）. 坐标转换的过程坐标转换的过程坐标转换坐标转换 理想的残差应该小于理想的残差应该小于 20mm，残差将被残差将被均匀的分布在各个转换点之间。均匀的分布在各个转换点之间。 因此，我们最终坐标的最小精度应因此，我们最终坐标的最小精度应该是该是: 标准标准RTK 测量的误差加上最大的转测量的误差加上最大的转换残差。换残差。. 坐标转换的过程坐标转换的过程坐标转换坐标转换控制点的选取控制点的选取 1. 尽量避免单坐标转换,因

29、为坐标系统中存在旋转,如果一定要用单坐标转换,一定要注意旋转大小,根据旋转大小,控制作业范围； 2. 注意控制范围,在一个测区要有足够的控制点,并避免短边控制长边；3. 对于高程要特别注意控制点的线性分布(几个控制点分布在一条线上),特别是做线路工程。如果区域比较大尽量使用多个点，可以根据参差剔去精度差得点，在多点的情况下高程拟合方式尽量选用平面拟合，六个以上使用曲面拟合。 4. 注意坐标系统,中央子午线,投影面(特别是海拔比较高的地方),控制点与放样点是否是一个投影带； 5. 如果一个区域比较大,控制点比较多,要分区做转换,不要一个区域十几个点或更多的点全部参与转换；三参数法定义：两空间三维直角坐标系之间的平移参数、DX、DY、DZ要求: 一个BJ-54或GJ-80坐标起算点.环境: 主要用于精度要求不高的水上定位测量，地形测量，或只有一个已知点的情况，精度随着移动站距离的增加变大。 一般三公里内精度优于5CM。作