工程测量 课件 单元5 GNSS定位技术

工程测量21世纪技能创新型人才培养系列教材·建筑系列主编林长进林志维单元5GNSS定位技术第二章水准测量§GNSS定位技术及应用5.1GNSS定位技术概述

5.1.1全球定位系统的概念

1.概念全球定位系统GNSS,是一种可以授时和测距的空间交会定点的导航系统,可向全球用户提供连续、实时、高精度的三维位置，三维速度和时间信息。

2．GNSS的产生与发展——由TRANSIT到GPS

1957年10月第一颗人造地球卫星上天，天基电子导航应运而生利用多普勒频移原理1964年建成子午卫星导航定位系统(TRANSIT)。美国从1973年开始筹建全球定位系统，1994年投入使用。

经历20年，耗资300亿美元，是继阿波罗登月计划和航天飞机计划之后的第三项庞大空间计划。

5.1.2GPS全球定位系统的组成

GPS定位系统由GPS卫星空间部分、地面控制部分和用户GPS接收机三部分组成。1、空间部分

由21颗工作卫星和3颗备用卫星。

请看GPS卫星图片1请看GPS卫星图片2请看GPS卫星图片3GPS卫星图片1GPS卫星图片2GPS卫星图片32、地面控制部分。

Coloradosprings

55

HawaiiAscencion

DiegoGarcia

kwajalein

1个主控站:Coloradosprings(科罗拉多.斯平士)。3个注入站:Ascencion(阿森松群岛)、DiegoGarcia(迭哥伽西亚)、kwajalein(卡瓦加兰)。5个监控站：以上主控站、注入站及Hawaii(夏威夷)。3、用户接收机部分

GPS接收机的基本类型分导航型和大地型。

大地型接收机又分单频型和双频型。请看导航型GPS接收机图片请看大地型GPS接收机图片图片：导航型GPS机手持型GPS机车载型GPS机图片：大地型GPS接收机单频机双频机3GPS系统的特点

GPS系统的特点：高精度、全天候、高效率、多功能、操作简便、应用广泛等。1）定位精度高2）观测时间短3）测站间无须通视4）可提供三维坐标5）操作简便6）全天候作业7）功能多、应用广5.1.3.GPS坐标系统GPS卫星是绕地球运行的运动物体，卫星所在的位置与其选择的坐标系统和时间系统是分不开的。目前，GPS测量中所使用的协议地球坐标系统称为WGS—84世界大地坐标系(WorldGeodeticSystem)。WGS—84世界大地坐标系的几何定义是：原点是地球质心，z轴指向BIHl984.0定义的协议地球极(CTP)方向，X轴指向BIHl984．0的零子午面和CTP赤道的交点，y轴与z轴、x轴构成右手坐标系。GPS系统采用的是WGS-84世界大地坐标系，GPS接收机所观测得到的成果正是基于WGS-84世界大地坐标系，而用户的测量成果往往得属于某一国家或某一地区的大地坐标系，这就需要将WGS-84世界大地坐标转换成国家(或地区)的大地坐标，进而转换成平面直角坐标。5.2.GNSS定位原理

测量学中有测距交会确定点位的方法。与其相似，无线电导航定位系统、卫星激光测距定位系统，其定位原理也是利用测距交会的原理确定点位。5.2.1.GPS定位方法分类

（1）绝对/单点定位(pointpositioning)——确定观测点在WGS-84系中的坐标，即绝对位置。（2）相对定位(relativepositioning)——确定观测点在国家或地方独立坐标系中的坐标，即相对位置。

基线向量B

A

S1

S2

S4

S3

相对定位(relativepositioning)的分类

5.2.2伪距的概念及伪距测量GPS卫星能够按照星载时钟发射某一结构为‘伪随机噪声码’的信号，称为测距码信号(即粗码C／A码或精码P码)。该信号从卫星发射经时间t后，到达接收机天线；用上述信号传播时间t乘以电磁波在真空中的速度C，就是卫星至接收机的空间几何距离ρ。5.2.4载波相位测量

载波相位测量顾名思义，是利用GPS卫星发射的载波为测距信号。由于载波的波长(λL1＝19cm，λL2＝24cm)比测距码波长要短得多，因此对载波进行相位测量，就可能得到较高的测量定位精度。5.2.5相对定位相对定位是目前GPS测量中精度最高的一种定位方法，它广泛用于高精度测量工作中。当前普遍采用的观测量线性组合方法称之为差分法，其具体形式有三种，即所谓的单差法、双差法和三差法5.3.GNSS测量的设计与实施与常规测量相类似，GNSS测量外业可分为外业准备、外业实施和外业结束三个阶段。外业准备阶段的主要内容是根据测量任务的性质和技术要求，编写技术设计书，进行踏勘、选点，制订外业实施计划；外业实施阶段主要包括外业的观测和记录以及有关的后勤管理；外业结束阶段主要内容为观测数据和其它资料的检查、整理和上交，对不合格的数据或资料进行重测或淘汰。5.3.1GPS控制网精度标准

1.精度要求

2.GPS测量精度指标

5.3.2网形设计及选点、建立标志

1.网形设计

2、选点与建立标志由于GPS测量测站之间不要求通视，而且网的图形结构比较灵活，故选点工作较常规测量简便。但GPS测量又有自身的特点，因此选取时满足的要求：ＧＰＳ网点应尽量选在视野内不应有成片障碍物，以免阻挡来自卫星的信号；ＧＰＳ网点应避开高压输电线、变电站等设施，其最近处不得小于２００米，同时距离强辐射电台、电视台、微波站等不得小于４００米；ＧＰＳ网点应尽量选在交能方便的地方。5.3.3外业观测1）天线安置天线的相位中心是GPS测量的基准点，所以妥善安置天线是实现精密定位的重要条件之一。天线安置的内容包括对中、整平、定向和量测天线高。2）观测作业3）观测记录观测记录的形式一般有两种。一种是接收机自动形成，并保存在接收机存储器中供随时调用和处理；另一种是需要记录在测量手薄上。5.3.4成果检核与数据处理GPS测量外业结束后，必须对采集的数据进行处理，以求得观测基线和观测点位的成果，同时进行质量检核，以获得可靠的最终定位成果。数据处理是用专业软件进行，不同的接收机以及不同的作业模式配置各自的数据处理软件。5.4GPS的后处理测量方法

1．静态测量(staticsurveying)（1）方法：将几台GPS接收机安置在基线端点上，保持固定不动，同步观测4颗以上卫星。可观测数个时段，每时段观测十几分钟至1小时左右。最后将观测数据输入计算机，经软件解算得各点坐标。（2）用途主要用于大地测量、控制测量、变形测量、工程测量。（3）精度精度最高的作业模式，可达到（5mm+1ppm）2．动态测量(kinematicsurveying)

（1）方法：先建立一个基准站，并在其上安置接收机连续观测可见卫星，另一台接收机在第1点静止观测数分钟后，在其他点依次观测数秒。最后将观测数据输入计算机，经软件解算得各点坐标。动态相对定位的作业范围一般不能超过15km。（2）用途：适用于精度要求不高的碎部测量。（3）精度：可达到（10~20mm+1ppm）

动态测量(kinematicsurveying)定位图

相对定位模式动态模拟图静态相对定位模式流动站动态相对定位模式基准站5.5GPS实时动态定位（RTK）方法1．RTK(real-timekinematic)工作原理及方法与动态相对定位方法相比，定位模式相同，仅要在基准站和流动站间增加一套数据链，实现各点坐标的实时计算、实时输出。

RTK定位图2．RTK用途：适用于精度要求不高的施工放样及碎部测量。

3．作业范围：目前一般为10km左右。4．精度：可达到（10~20mm+1ppm）

单元小结1.

GNSS全球定位系统的组成：由三大部分组成，即空间星座部分(GPS卫星星座)、地面监控部分和用户设备部分2.WGS—84世界大地坐标系的几何定义是：原点是地球质心，z轴指向BIHl984.0定义的协议地球极(CTP)方向，X轴指向BIHl984．0的零子