工程测量课件：全球卫星导航系统（GNSS）简介

工程测量

全球卫星导航系统（GNSS）简介本章内容本章内容①概述⑦GNSS控制测量②GNSS定位基本原理原理┆应用③卫星导航系统组成④GNSS接收机⑤GNSS定位基本观测值【思考题】⑥GNSS定位基本方法1.概述-1卫星导航系统的现状卫星导航定位是以卫星为基础，把卫星作为动态已知点，利用卫星发射的无线电信号进行导航定位。GPS、GLONASS、BDS、GALILEO四大全球性卫星导航定位系三维导航、定位、测速和授时功能全天时、全天候、高精度、高可靠全球卫星导航系统（GNSS）是泛指所有的卫星导航系统，包括全球的、区域的和增强的，还涵盖在建和以后要建设的其他卫星导航系统。多系统、多层面、多模式的复杂组合系统1.概述1.1卫星导航系统的现状1.概述-1卫星导航系统的现状卫星测时测距导航/全球定位系统（NavigationSatelliteTimingandRanging/GlobalPositioningSystem）简称GPS美国国防部于1973年开始研制，于1993年建成WGS-84大地坐标系军民两用目前全球民用应用最多的系统（1）GPS全球定位系统1.概述-1卫星导航系统的现状GlobalNavigationSatelliteSystem（格洛纳斯卫星导航系统）缩写GLONASS前苏联1976年开始项目启动，1996年初系统建成，2011年底系统全面恢复PZ-90大地坐标系军民两用（2）GLONASS全球卫星导航系统1.概述-1卫星导航系统的现状北斗卫星导航系统（BeiDouNavigationSatelliteSystem）简称北斗系统，BDS中国自主建设、独立运行，2020年建成北斗坐标系（BDCS），与CGCS2000一致（2000国家大地坐标系）特点：空间段采用三种轨道卫星组成的混合星座系统提供多个频点的导航信号融合导航与通信，具有实时导航、快速定位、精确授时、位置报告和短报文通信服务五大功能。（3）北斗卫星导航系统1.概述-1卫星导航系统的现状欧盟欧盟通过欧洲空间局和欧洲导航卫星系统管理局建造，2005年开始研制，正在建设中基于GALILEO地球参考框架（GTRF），与最新的ITRF保持在3cm(2sigma)以内。（4）GALILEO系统1.概述-2卫星定位技术的应用1.2卫星定位技术的应用测绘方面：建立和改善高精度地面控制网，已有控制加密，建立等各级控制网地震监测、大坝变形监测，变形和沉陷、沉降监测等航空摄影测量相片控制测量、界址点测定海洋资源勘探测量、施工放样、地形图测绘导航方面：海船、舰艇、飞机、导弹、出租车等各种交通工具及运动载体的导航高精度的授时运动载体的姿态测量，弹道导弹的制导，近地卫星的定轨气象学和大气物理学的研究等领域2.GNSS定位基本原理电磁波测距得某一时刻待测点信号接收机至三个发射台（卫星）的距离，待测点空间位置必在三个以已知点为球心、距离为半径的球面相交处。卫星空间位置由导航电文给出卫星至接收机天线距离为观测值必须考虑接收机钟差改正至少需要四颗卫星，建立四个方程2.GNSS定位基本原理3.卫星导航系统组成-1空间星座部分卫星导航系统都是由空间段、地面控制段和用户段三部分组成。3.卫星导航系统组成3.1空间星座部分（1）GPS卫星星座24颗卫星组成，21颗工作卫星，3颗备用卫星均匀分布在6个近圆轨道面内各轨道平面升交点的赤经相差60°同一轨道上两卫星之间的升交角距相差90°同时在地平线以上的卫星数目最少为4颗，最多时达11颗3.卫星导航系统组成-1空间星座部分（2）GPS卫星及功能4台高精度原子钟，频率稳定在10-12～10-13，提供高精度时间标准。功能：接收和储存由地面监控系统发射来的导航信息接收并执行地面监控系统发送的控制指令向用户连续不断地发送导航与定位信息（3）GPS卫星信号调制组合信息，通过高频载波信号传送两载波L1=1575.42MHz，L2=1227.60MHzC/A码（粗码、P码（精码）导航电文（D码）3.卫星导航系统组成-2地面监控部分五个地面站组成：主控站（MCS）、注入站（GA）、监测站（MS）3.2地面监控部分3.卫星导航系统组成-2地面监控部分五个地面站组成：主控站（MCS）、注入站（GA）、监测站（MS）一个，科罗拉多空间中心协调和管理所有地面监控系统的工作推算编制各卫星的星历、卫星钟差和大气层修正参数等把数据及导航电文传送到注入站提供全球定位系统的时间基准调整卫星状态和启用备用卫星等（1）主控站3.卫星导航系统组成-2地面监控部分五个地面站组成：主控站（MCS）、注入站（GA）、监测站（MS）三个，迭哥伽西亚、卡瓦加兰\阿松森群岛将来自主控站的导航电文和其它控制指令注入给相应的卫星，监测注入信息（2）注入站（3）监测站原有五个，前四个+夏威夷；现在很多连续观测和接收所有GPS卫星发出的信号并监测卫星的工作状况，将采集到的数据连同当地气象观测资料和时间信息经初步处理后传送到主控站。3.卫星导航系统组成-3用户设备部分包括GPS信号接收机、数据处理软件和微处理机及其终端设备等3.3用户设备部分捕获卫星信号，跟踪并锁定卫星信号对接收的卫星信号进行处理，测量信号从卫星到接收机天线间传播时间解译GPS卫星发射的导航电文配以功能完善的软件，实时计算接收机天线的三维坐标、速度和时间。核心：GPS信号接收机4.GNSS接收机-1GNSS接收机构成接收GNSS卫星信号并放大、变频、锁相处理，测出信号从卫星到接收机天线的传播时间、解译导航电文、实时计算GNSS天线所在位置及运行速度。4.GNSS接收机由天线单元和前置放大器两部分组成将GNSS卫星信号转化为电流，通过前置放大器将信号放大微带天线、锥形天线等4.1GNSS接收机构成(1)GNSS接收机天线接收机天线、主机（含操作手簿）、电源三部分4.GNSS接收机-1GNSS接收机构成主机由变频器、信号通道（基带）、微处理器、存储器和显示器组成对天线接收到的信号进行数据处理、记录、存储、状态及结果显示等功能较强的机内软件+多功能的数据测后处理软件包（2）GPS接收机主机（3）电源内电源、外接电源4.GNSS接收机-2GNSS接收机分类导航型接收机、测地型接收机、授时型接收机、姿态测量型等4.2GNSS接收机分类(1)按用途(2)按系统类型单系统接收机、多系统接收机能同时接收GPS、GLONASS、BDS、GALILEO等卫星信号的接收机，简称为GNSS卫星定位接收机。优越性：增加接收卫星数提高效率提高定位的可靠性和精度南方、中海达、华测、苏光、中纬瑞士徕卡、美国Trimble（天宝）、日本索佳、日本拓普康5.GNSS定位基本观测值-1伪距观测值及观测方程5.GNSS定位基本观测值基本观测值是测码伪距观测值、载波相位观测值5.1伪距观测值及观测方程获得的距离是信号发射时刻卫星至信号接收时刻接收机间的几何距离。卫星时钟误差电离层和对流层传播延迟接收机钟误差伪距天线坐标卫星坐标5.GNSS定位基本观测值-2载波相位观测值及观测方程重建载波：去掉测距码和卫星电文，重新获得载波得到相位差：重建载波与本振信号比相整周模糊度：无法测定载波的整周数任意时刻观测值记录：5.2载波相位观测值及观测方程测定载波信号从卫星到接收机天线间相位延迟，得到用载波相位表达的距离观测值。5.GNSS定位基本观测值-2载波相位观测值及观测方程用载波相位表达的距离观测值：载波相位测量观测方程：确定N0是载波相位测量特有问题，是进一步提高GNSS定位精度、作业速度的关键。卫星时钟误差接收机钟误差电离层传播延迟对流层传播延迟6.GNSS定位基本方法静态定位、动态定位测定待测点的绝对坐标/接收机之间相对位置定位过程中，接收机天线（待定点）的运动状态伪距单点（绝对）定位、相对定位差分修正值修正观测值，实时定位GNSS差分定位6.GNSS定位基本方法-1伪距单点（绝对）定位一般采用伪距测量在一个待测点上，用一台接收机独立跟踪GNSS卫星，测定待测点绝对坐标卫星位置、卫星钟差从卫星导航电文中获得对流层延迟采用经验模型计算电离层延迟采用经验模型计算或双频方法消除忽略卫星钟差残余误差等误差的影响6.1伪距单点（绝对）定位只有天线（待测点）坐标、接收机钟误差四个未知数6.GNSS定位基本方法-1伪距单点（绝对）定位距离交会法求定与卫星星历坐标系一致的三维坐标多于四颗卫星，进行平差处理卫星在空间的几何分布是评定GNSS绝对定位精度的重要参考指标，常用DOP值评价DOP值：HDOP、VDOP、TDOP、PDOP、GDOP只需用一台接收机，位速度快、无多值性问题，定位精度较低6.GNSS定位基本方法-2载波相位测量相对定位一般采用载波相位测量在两测站固定不动，同步接收卫星信号，利用相同卫星的相位观测值解算，求定两台接收机之间相对位置---基线向量基线向量：（ΔX，ΔY，ΔZ）/（ΔB，ΔL，ΔH）采用将相位观测值进行线性组合的方法:单差法（一次差分）双差法（二次差分）三差法（三次差分）6.2载波相位测量相对定位6.GNSS定位基本方法-2载波相位测量相对定位站间单差：将两测站接收机（T1，T2）对同卫星P的步观测相位观测值求差(1)单差法可以消去卫星钟差、卫星轨道误差若两测站距离较近，还可以明显减弱电离层和对流层延迟这样的大气传播误差6.GNSS定位基本方法-2载波相位测量相对定位站间星间差：在两不同测站接收机，对同步观测的P、Q两卫星站间单差再求差。(2)双差法消除了卫星时钟误差的影响消去了两个测站接收机时钟误差的影响大大减小了各种系统误差的影响双差模型的主要优点：二次差分是GNSS向量解算中常用的一种形式6.GNSS定位基本方法-2载波相位测量相对定位在两个历元时刻（t、t+1）对同步观测的同一组卫星所得到的两个双差再求差（3）三差法消去了整周模糊度三差模型中未知参数的数目较少，使精度降低三差法结果用作前两种方法的近似值二次差分是GNSS向量解算中常用的一种形式6.GNSS定位基本方法-3GNSS差分定位GNSS差分定位的基本原理：在基准站（已知点）安置接收机并锁定卫星信号，利用星历和已知点坐标计算GNSS观测值的差分修正值实时通过数据链将差分修正值发送给流动站（未知点GNSS接收机）流动站利用差分修正值对自己的GNSS观测值进行修正，以消除上述误差，从而提高实时定位精度。6.3GNSS差分定位根据基准站的布设数量和布设范围，差分定位可分为：

单基准站差分、局域差分、广域差分6.GNSS定位基本方法-3GNSS差分定位单基站GNSS差分定位是指仅通过一个基准站来确定差分改正数的差分定位方式。单基站差分定位系统组成：基准站、流动站、数据链三部分单基准站差分单基站GNSS差分定位分为位置差分伪距差分单基准站RTK（单基准站载波相位实时差分）6.GNSS定位基本方法-3GNSS差分定位载波相位实时差分是通过基准站、流动站同步观测，利用载波相位观测值实现实时高精度定位功能的差分方法载波相位实时差分可分为：单基准站RTK、网络RTK基于载波相位实时差分方法的测量技术称为RTK测量（实时动态测量、实时差分动态测量）RTK测量是GNSS测量技术与数据传输技术相结合的一种新的GNSS定位技术。RTK测量定位精度可达到1～3cm，RTK测量主要用于低等级控制、地形测量和工程放样等。6.GNSS定位基本方法-3GNSS差分定位单基站RTK（SinglestationRTK）是指由一个基准站将采集的载波相位观测值，通过网络或电台实时播发，该区域内的流动站接收卫星信号并与本机观测的载波相位进行求差解算，实现实时高精度动态定位。实际测量作业距离一般半径不大于15km制约：覆盖范围小，精度不均匀，可靠性低（1）单基准站RTK（单基准站载波相位实时差分）6.GNSS定位基本方法-3GNSS差分定位单基准站RTK基准站组成：GNSS接收机、无线电数据链电台及发射天线、外接电源等作用：

接收GNSS卫星信号实时向流动站提供基准站地心坐标、载波相位观测值、伪距观测值卫星观测值（或差分修正信号）等6.GNSS定位基本方法-3GNSS差分定位流动站分体式接收机、一体化接收机接收GNSS卫星信号和基准台发送来的信号，进行载波相位数据处理，实时、高精度地解算出流动站的三维坐标。主流RTK接收机能设置BDS、GPS、GNSSRTK差分模式。6.GNSS定位基本方法-2GNSSS基本定位方法GNSS连续运行参考站（ContinuouslyOperatingReferenceStations，CORS）网络系统是通过集中综合处理GNSS连续运行参考网的卫星观测数据，建立和维持高精度时空参考框架，并提供精确导航定位、授时、气象预测、空间天气监测、GNSS卫星定轨和相关地球物理应用等服务的系统。CORS系统由基准站网、数据处理中心、数据传输系统、定位导航数据播发系统、用户应用系统五个部分组成。各基准站与监控分析中心间通过数据传输系统连接成一体，形成专用网络。CORS系统最广泛的应用是提供无缝、精确导航定位服务，也称为网络RTK。（2）CORS系统与网络RTK6.GNSS定位基本方法-2GNSSS基本定位方法网络RTK（networkReal-TimeKinematic（RTK）positioning）是指由数据处理中心对覆盖在一定范围内多个基准站的同步观测数据进行集中综合处理，生成差分数据并通过网络播发；区域内的终端接收卫星信号和差分信息，实现实时动态定位（RTK）的技术。也可以提供毫米级精度的事后位置服务。7.GNSS控制测量-1GNSS网的分级和精度指标7.GNSS控制测量通常以网中最弱边相对中误差作为平面成果精度衡量指标7.11GNSS网的分级和精度指标相邻点之间基线长度中误差7.GNSS控制测量-1GNSS网的分级和精度指标GNSS网一般遵循从高级到低级、逐级布设的原则，在保证精度、密度等技术要求时可跨级布设.不同用途的GNSS网其等级划分及精度要求存在不同程度的差异等级平均边长（km）固定误差A（mm）比例误差B（mm/km）约束点间的边长相对中误差约束平差后最弱边相对中误差二等9≤10≤2≤1/250000≤1/120000三等4.5≤10≤5≤1/150000≤1/70000四等2≤10≤10≤1/100000≤1/40000一级1≤10≤20≤1/40000≤1/20000二级0.5≤10≤40≤1/20000≤1/10000各等级卫星定位测量控制网的主要技术指标（《工程测量规范》）7.GNSS控制测量-2GNSS网的建立-1网形设计7.2GNSS网的建立图形设计灵活一般采用同步观测图形扩展的布设方式通常有点连式、边连式、网连式及边点混连式等四种方式7.2.1网形设计(1)同步观测图形扩展布设方式点连式仅用一个公共点连作业效率高、图形扩展迅速检查条件很少，抗粗差能力较差7.GNSS控制测量-2GNSS网的建立-1网形设计同步观测图形扩展布设方式边连式一条公共基线连接作业效率较高，有较多的复测基线和异步观测环条件抗粗差能力较强网连式三个或以上公共点相连接几何强度和可靠性更高作业效率低用于高精度控制网7.GNSS控制测量-2GNSS网的建立-1网形设计同步观测图形扩展布设方式边点混连式点连接和边连接有机结合点连式、边连式、网连式的一个结合体观测中最常用的作业方式(2)

GNSS网设计应注意的几个问题由一个或若干个限制基线个数的异步环或附和路线构成，无自由基线；每点应有一个以上通视方向；至少2个及以上的GNSS网点与地面已知控制网点重合；测区内GNSS点应尽可能与水准点重合，或者进行等级水准联测；满足控制点的一般要求和GNSS测量的特别要求。7.GNSS控制测量-2GNSS网的建立-2选点、埋石7.2.2选点、埋石稳固、便于观测、交通便利等一般要求上空开阔无遮蔽，视场周围15°以上不应有障碍物，以减少GNSS信号被遮挡或障碍物吸收；远离大功率的无线电信号发射源，与高压输电线、变压器等保持一定的距离，避免电磁场对GNSS信号的干扰甚至损坏接收机天线；远离房屋、围墙、广告牌、山坡及大面积平静水面等信号反射物，以免出现严重的多路径效应。7.GNSS控制测量-2GNSS网的建立-3外业观测7.2.3外业观测(1)观测主要技术指标

等级项目一等二等三等四等五等静态测量卫星高度角（°）≥15≥15≥15≥15≥15同时观测有效卫星数≥4≥4≥4≥4≥4观测时段数≥2≥21～21～21有效时段长度（min）≥120≥90≥60≥45≥40数据采样间隔（s）10̴~6010̴~6010̴~6010̴~3010̴~30接收机类型双频双频双频单/双频单/双频PDOP值≤6≤6≤8≤10≤10快速静态测量卫星高度角（°）------≥15≥15有效卫星总数------≥5≥5平均重复设站数------≥1.5≥1.5观测时间（min）------5～205～20数据采样间隔（s）------5～205～20PDOP值------≤7（8）≤7（8）7.GNSS控制测量-2GNSS网的建立-3外业观测天线高是指观测时接收机天线相位中心至测站中心标志面的高度在互为120°方向量三次，互差小于3mm，取平均值;或用专门的量高尺分体式GNSS接收机应安置在距天线不远安全处。（2）天线安置（3）开机观测开机自检正常工作过程中不随意开关电源、更改设置参数，关闭文件一个时段测量结束后，查看仪器高和测站名是否输入再关机、关电源、迁站7.GNSS控制测量-2GNSS网的建立-4内业数据处理7.2.