《土木工程测量 第2版》 课件 第7 章 GNSS测量的原理与方法

第七章

GNSS测量的原理与方法§7.1GNSS概述§7.2GNSS的组成§7.3GNSS时空坐标系§7.4GNSS定位原理§7.5GNSS测量的实施跳转跳转跳转跳转跳转§7.1GNSS概述古代导航工具：“指南车”、磁罗盘、六分仪等；近代无线电导航：罗兰A、罗兰C、奥米伽利、台卡等；1960s子午卫星系统GPS星基增强系统和陆基增强系统GPS现代化、GLONASS、Galileo、BDS等§7.2GNSS的组成1.空间星座部分2.地面监控部分3.用户设备部分

1.空间星座部分

——GNSS卫星基本功能1接收并存储由地面监控部分发来的导航信息；2接收并执行从地面监控部分发射的控制指令；3进行部分必要的数据处理；4向地面连续不断地发射导航信号；5通过推进器调整自身的运行姿态。1.空间星座部分

——GPS星座设计为“21+3”颗卫星（实际已有27～28颗在轨运行），3颗备用卫星可在必要时根据指令代替发生故障的卫星；卫星分布在6个轨道面上，每个轨道面上有4颗卫星，卫星轨道面相对地球赤道面的倾角约55°轨道平均高度约为20200km，卫星运行周期为11小时58分。1.空间星座部分

——GLONASS星座卫星均匀分布在3个轨道平面内，轨道倾角为64.8°，每个轨道面上等间隔分布8颗卫星，卫星距地高度19100km，卫星运行周期为11小时15分钟1.空间星座部分

——Galileo星座建成后卫星星座呈Walker型星座形式；30颗地球中轨（MEO）卫星组成；分布在3个圆形轨道面上，两两轨道面之间相隔120°；每个轨道面上安置着10颗卫星，1颗备用+9颗均匀地分布在轨道面上工作；卫星运行轨道的长半径为29601km，轨道高度为23222km，相对于地球赤道面的轨道倾角为56°1.空间星座部分

——BDS星座1.空间星座部分

——BDS星座“全球覆盖”北斗卫星星座是由“27颗MEO卫星+5颗GEO卫星+3颗IGSO卫星”构成的混合星座；MEO卫星为标准Walker24/3/1星座，分布在间隔120°的3条轨道上，每条轨道上均匀分布9颗卫星，其轨道倾角为55°，高度为24126km；5颗GEO卫星分别定点与东经58.75°、80°、110.5°、140°和160°；3颗IGSO卫星分布在间隔120°的3条轨道上，相位差为120°，轨道倾角为55°，其星下点轨迹重合，星下点轨迹是一个跨越南北半球的上、下大小相同的对称8字，交叉点的经度为东经118°。2地面监控部分功能：跟踪整个星座卫星，测量它们所发射的信号；计算各颗卫星的时钟误差，以确保卫星时钟与系统时间同步；计算各颗卫星的轨道运行参数；计算大气层延时等导航电文中所包含的各项参数；更新卫星导航电文数据，并将其上传给卫星；监视卫星发生故障与否，发送调整卫星轨道的控制命令；启动备用卫星，安排发射新卫星等事宜3用户设备1接收机的功能：接收、跟踪GNSS卫星导航信号，通过对卫星信号进行频率变换、功率放大和数字化处理，以便从中测量出从卫星到接收机天线的信号传播时间，并解译出卫星所发送的导航电文，从而求解出接收机本身的位置、速度和时间（PVT）。2接收机分类：按用途分类，分为导航、测地、授时型。按载波频率分类，分为单频、双频接收机。按接收机通道数分类，分为多通道、序贯通道、多路多用通道接收机。

§7.3GNSS时空坐标系时间基准空间基准时间基准

协调世界时和原子时GPS时间系统（GPST）GLONASS时间系统Galileo时间系统（GST）北斗时间系统（TheBeiDouTime）时间基准

——协调世界时和原子时世界时（UniversalTime，UT）是以地球自转为基础的一个时间系统。国际上对位于50多个国家的共计约200座原子钟产生的原子时采取加权平均的方法形成了国际原子时。协调世界时简称协调时，实质上是世界时和国际原子时两者间的一种折衷。时间基准

——GPS时间系统（GPST）

GPS建立了一个基于原子时的GPS时间（GPST）系统，它的秒长使根据对安装在GPS地面监测站上的原子钟和配置在卫星上的原子钟的观测量综合得出的。GPS时间的原点是这样规定的：GPS时间的零时刻（即相应的GPS星期数和TOW值全为零）与UTC的1980年1月6日（星期日）零时刻相一致。时间基准

——GLONASS时间系统

GLONASS时间被设置成超前UTCSU时间3小时，所以GLONASS时间与UTCSU之间除了存在这个小于100ns的细微秒内差异之外，还包含一个3小时整的差异。GLONASS时间与UTCSU之间的秒内差异通常被控制在100ns之内时间基准

——Galileo时间系统（GST）

Galileo系统时间与国际原子时（TAI）之间存在一个整数秒的恒定差异，两者之间的秒内偏差被控制在28ns之内。Galileo系统时间的原点定义为UT时间的1999年8月22日（星期日）零时零点，即从8月21日星期六午夜转变到8月22日星期日凌晨的零时零点。在这一原点起始时刻，Galileo系统时间比UTC时间超前13s，而这一整数秒差异值会逐渐随着UTC的跳秒而变大。时间基准

——北斗时间系统（BDT）

其秒长取国际单位制秒（SI），起算历元是协调世界时（UTC）2006年1月1日0时0分0秒。BDT与UTCNTSC的偏差保持在100ns以内。BDS的时间系统与GPS时一样无闰秒。BDT与国际原子时（TAI）存在33s的偏差空间基准描述目标的空间位置、运动状态需要参照某一具体的参考坐标系。天球天轴天极章动地极移动（极移）地球坐标系空间基准

——WGS-84坐标系（1）坐标原点O位于地球质心；（2）Z轴指向国际时间局（BIH）所定义的、编号为1984.0的协议地球北极；（3）X轴指向WGS-84参考子午面与平均天文赤道面的交点，其中WGS-84参考子午面并行于BIH所定义的零子午面；（4）本直角坐标系满足右手坐标系空间基准

——GLONASS坐标系统

（1）坐标原点在地球质心；（2）Z轴指向国际地球自转（及参考系统）服务（IERS）所推荐的协议地极，即1900年至1905年间的平均北极位置点；（3）X轴指向地球赤道与国际时间局（BIH）所定义的零子午线的交点，即XOZ平面相当于平均格林尼治零子午面；（4）Y轴的建立使此直角坐标系满足右手坐标系。空间基准

——Galileo的GTRF大地坐标系（1）长半径为a=6378136.55m；（2）地球（含大气层）引力常数GM=3.986004415×1014m3/s2；（3）重力位球谐函数二阶带谐系数J2=1.0826267×10-3；（4）扁率f=1/298.25769；空间基准

——CGCS2000坐标系（1）原点位于地球质心；（2）Z轴指向IERS定义的参考极方向；（3）X轴为IERS定义的参考子午面（IRM）与通过原点且同Z轴正交的赤道面的交线；（4）Y轴与Z、X轴构成右手直角坐标系。§7.4GNSS定位原理伪距测量载波相位测量绝对定位概述相对定位概述§7.4GNSS定位原理伪距测量

伪距=卫星发射的测距码信号达到GNSS接收机的传播时间×光速载波相位测量接收机到卫星的瞬时距离载波波长载波相位初始值瞬时载波相位值§7.4GNSS定位原理绝对定位概述X,Y,H,(T)§7.4GNSS定位原理相对定位概述§7.5GNSS测量的实施网的优化设计选点及建立标志GNSS测量的作业模式外业观测数据处理网的优化设计主要内容包括精度指标的合理确定、网的图形设计和基准设计。常用的GNSS网图形有三角形网、环形网、附合路线和星形网。GNSS网的基准包括网的位置基准、方位基准和尺度基准。选点及建立标志选点时应满足以下要求：观测站应安置在交通便利、易于安置接收机，且视野开阔的地方；应远离大功率无线发射台和高压线，以免其磁场对GNSS信号产生干扰；应避开大面积的水面或完全平整的建筑表面，以减弱多路径效应的影响等。GNSS测量的作业模式1.经典静态相对定位模式2.快速静态相对定位模式GNSS测量的作业模式3.准动态相对定位模式4.动态相对定位模式GNSS测量的作业模式5.实时动态测量模式实时动态（RealTimeKinematic—RTK）测量定位技术是以载波相位测量为依据的实时差分GPS（RTDGPS）测量技术。外业观测数据处理目的：从原始的观测结果测码伪距、载波相位观测值、卫星星历等数据出发，得到最终的GNSS定位结果。整个过程包括数据传输、预处理、基线向量解算和GNSS网平差计算等几个阶段。当前国内常用的GNSS处理软件：（1）美国天宝的TB