第5章高程測量01概述02GNSS衛(wèi)星定位的基本原理網(wǎng)絡(luò)RTK和CORS技術(shù)04RTK測量原理與方法03精密單點定位測量05概述01全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GlobalNavigationSatelliteSystem,GNSS），是一個全球性的位置和時間測定系統(tǒng)，包括一種或幾種衛(wèi)星星座、機載接收機和系統(tǒng)完備性監(jiān)視。中國——BDS美國——GPS俄羅斯——GLONASS歐洲——GALILEO

一、GNSS系統(tǒng)組成GNSS衛(wèi)星定位系統(tǒng)概述01

空間部分地面控制部分用戶設(shè)備部分空間部分GNSS的空間衛(wèi)星一般運行在距離地面20000km左右的太空，24～30顆衛(wèi)星組成，分布在3～6個軌道上，相鄰軌道間的夾角相同。為保證系統(tǒng)的連續(xù)運行，一般在每個軌道上還部署一顆備份衛(wèi)星，一旦有衛(wèi)星發(fā)生故障，則可以立即替代?？臻g星座部分的主要功能：（1）為用戶提供導航定位服務。衛(wèi)星向用戶播發(fā)導航信號，信號接收機接收信號后，根據(jù)導航電文和觀測信號，可以實時推算和測量得到衛(wèi)星的實時坐標，以及衛(wèi)星至接收機的距離，進一步解算出用戶的位置信息；（2）為用戶提供授時服務。GNSS地面主控站和衛(wèi)星都配有高精度的原子鐘，衛(wèi)星播發(fā)的導航電文可為用戶提供高精度的授時服務。作用

接收并執(zhí)行地面控制部分發(fā)來的指令向用戶發(fā)送導航電文與定位信息通過星載高精度原子鐘提供精密的時間標準衛(wèi)星上設(shè)有微處理器，進行必要的數(shù)據(jù)處理由GNSS衛(wèi)星和衛(wèi)星星座組成一、GNSS系統(tǒng)組成GNSS衛(wèi)星定位系統(tǒng)概述01地面監(jiān)控部分一、GNSS系統(tǒng)組成GNSS衛(wèi)星定位系統(tǒng)概述01地面監(jiān)控部分由主控站、監(jiān)測站、地面天線和通信輔助系統(tǒng)（數(shù)據(jù)傳輸）組成。主控站主控站負責收集各個監(jiān)測站的跟蹤數(shù)據(jù)并計算衛(wèi)星軌道和時鐘參數(shù)，將計算結(jié)果通過地面天線（注入站）發(fā)送給衛(wèi)星。同時，主控站還負責管理、協(xié)調(diào)整個地面監(jiān)控系統(tǒng)的工作。監(jiān)測站每個GNSS系統(tǒng)都設(shè)有數(shù)量不等的監(jiān)測站，各監(jiān)測站配備有精密的原子時間標準和可連續(xù)測定到所有可見衛(wèi)星偽距的接收機，采用電離層和氣象參數(shù)對測得的偽距進行改正后，生成具有一定時間間隔的數(shù)據(jù)并發(fā)送到主控站。地面天線在監(jiān)測站的同址上安置有專用的地面天線，地面天線配置了將命令和數(shù)據(jù)發(fā)送到衛(wèi)星并接收衛(wèi)星的遙測數(shù)據(jù)和測距數(shù)據(jù)的設(shè)備。地面天線的所有操作都在主控站的控制下進行。地面監(jiān)控部分一、GNSS系統(tǒng)組成GNSS衛(wèi)星定位系統(tǒng)概述01北斗系統(tǒng)監(jiān)控部分包括主控站、時間同步/注入站和監(jiān)測站等若干地面站，以及星間鏈路運行管理設(shè)施。盡管我國幅員遼闊，但對于全球覆蓋運行的中高軌道（MEO）衛(wèi)星，本土地面測控站的監(jiān)控周期不足30%，為了解決這一世界難題，中國創(chuàng)造性地提出了星間鏈路的測控方式，給出了全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)建設(shè)的中國方案，為GNSS系統(tǒng)的建設(shè)和運行貢獻了中國智慧。索宇宙時空，是中華民族的千年夢想。從夜觀“北斗”到建用“北斗”，從仰望星空到經(jīng)緯時空，中國北斗未來可期、大有可為。中國將堅定不移走自主創(chuàng)新之路，以下一代北斗系統(tǒng)為核心，建設(shè)更加泛在、更加融合、更加智能的綜合時空體系，書寫人類時空文明新篇章。用戶部分一、GNSS系統(tǒng)組成GNSS衛(wèi)星定位系統(tǒng)概述01GNSS衛(wèi)星信號接收機。其主要功能是能夠捕獲到衛(wèi)星，并跟蹤這些衛(wèi)星的運行。當GNSS衛(wèi)星信號接收機捕獲到跟蹤的衛(wèi)星信號后，即可測量出接收天線至衛(wèi)星的偽距離和距離的變化率，解調(diào)出衛(wèi)星軌道參數(shù)等數(shù)據(jù)。根據(jù)這些數(shù)據(jù)，接收機中的微處理計算機就可按定位解算方法進行定位計算，得到接收機所在地點的經(jīng)度、緯度、高程、速度、時間等信息。GNSS衛(wèi)星信號接收機有各種類型，有用于航天、航空、航海的機載導航型接收機，也有用于大地定位的測量型接收機，也有普通大眾使用的車載、手持型接收機。GNSS衛(wèi)星信號接收設(shè)備也可嵌入到其他設(shè)備中構(gòu)成組合型導航定位設(shè)備，如導航手機、導航相機等。系統(tǒng)特點

全球性

連續(xù)時實性

全天候衛(wèi)星分布合理，全球任何時間、任何地點都能觀測到至少4顆衛(wèi)星，具有全球覆蓋能力不受氣候限制，與天氣狀況無關(guān)時實確定運動物體三維位置，可用于車船導航

定位精度高絕對定位精度小于10m，相對定位精度達到mm級一、GNSS系統(tǒng)組成GNSS衛(wèi)星定位系統(tǒng)概述01二、BDS系統(tǒng)GNSS衛(wèi)星定位系統(tǒng)概述01北斗三號系統(tǒng)的空間星座由30顆衛(wèi)星組成，其中：3顆GEO衛(wèi)星，3顆IGSO衛(wèi)星和24顆MEO衛(wèi)星，并酌情部署在軌備份衛(wèi)星。GEO衛(wèi)星軌道高度35786km，分別定點于東經(jīng)80°、110.5°和140°；IGSO衛(wèi)星軌道高度35786Km，軌道傾角55°；MEO衛(wèi)星軌道高度21528km，軌道傾角55°。北斗系統(tǒng)具有以下特點：北斗系統(tǒng)空間段采用混合星座，高軌衛(wèi)星更多，抗遮擋能力強，尤其低緯度地區(qū)性能特點更為明顯。北斗系統(tǒng)提供多個頻點的導航信號，能夠提高服務精度。北斗系統(tǒng)創(chuàng)新融合了導航與通信能力，具有實時導航、快速定位、精確授時、位置報告和短報文通信服務五大功能。一、定位原理GNSS衛(wèi)星定位基本原理02把衛(wèi)星視為一種飛行的動態(tài)已知點，在其瞬間位置已知的情況下（星歷提供），以衛(wèi)星和用戶的接收機天線相位中心之間的距離為觀測量，進行空間距離的后方交會，從而確定出用戶所在的位置。一、定位原理GNSS衛(wèi)星定位基本原理02衛(wèi)星（xS,yS,zS）與接收機（x,y,z）之間的距離ρ

建立的關(guān)系式為：

衛(wèi)星至接收機天線距離是通過接收衛(wèi)星測距信號并與接收機內(nèi)時鐘進行相關(guān)處理求定。

由于一般衛(wèi)星接收機是采用石英晶體振蕩器，精度低。加之衛(wèi)星從2萬公里高空向地面?zhèn)鬏敚罩薪?jīng)過電離層、對流層，會產(chǎn)生時延。所以接收機測的距離含有誤差。ρ2ρ3ρ4ρ1由于接收機時鐘與衛(wèi)星鐘存在同步誤差

t，所以要同步觀測4顆衛(wèi)星，解算四個未知參數(shù)。二、誤差來源GNSS衛(wèi)星定位基本原理02

與GPS衛(wèi)星有關(guān)的誤差與GPS衛(wèi)星信號傳播有關(guān)的誤差與GPS信號接收機有關(guān)的誤差接收機的觀測誤差接收機的時鐘誤差接收機天線相位中心的位置誤差衛(wèi)星的星歷誤差

衛(wèi)星鐘誤差電離層延遲誤差對流層延遲誤差多路徑誤差三、定位模式GNSS衛(wèi)星定位基本原理02按接收機天線在定位過程中所處狀態(tài)靜態(tài)定位定位過程中，接收機天線的位置是固定的，處于靜止狀態(tài)動態(tài)定位定位過程中，接收機天線處于運動狀態(tài)特點：實時測得運動體位置，多余觀測量少，定位精度低特點：觀測時間長，大量重復觀測，定位可靠性強、精度高靜態(tài)定位原理分為偽距測量和載波相位測量三、定位模式GNSS衛(wèi)星定位基本原理02

按參考點位置絕對定位以地球質(zhì)心為參照點，只需一臺接收機，獨立確定待定點在地球參考框架坐標系統(tǒng)中的絕對位置。相對定位以地面某固定點為參考點，利用兩臺以上接收機，同時觀測同一組衛(wèi)星，確定各觀測站在地球參考框架坐標系統(tǒng)中的相對位置或基線向量。特點：各站求差可消除或減弱誤差影響；內(nèi)外業(yè)組織實施較復雜特點：實施簡單，精度較低三、定位模式GNSS衛(wèi)星定位基本原理02靜態(tài)相對定位用兩臺接收機分別安置在基線的兩端點，其位置靜止不動，同步觀測相同的4顆以上GPS衛(wèi)星，確定基線兩端點的相對位置，這種定位模式稱為靜態(tài)相對定位。多臺接收機靜態(tài)相對定位作業(yè)三、定位模式GNSS衛(wèi)星定位基本原理02

動態(tài)定位單點動態(tài)定位（絕對動態(tài)定位）是用安設(shè)在一個運動載體上的GPS接收機，自主地測得該運動載體的實時位置，從而描繪出該運動載體的運行軌跡。實時差分動態(tài)定位（實時相對動態(tài)定位）是用安設(shè)在一個運動載體上的GPS接收機，及安設(shè)在一個基準點上的另一臺GPS接收機，之間通過無線電數(shù)據(jù)傳輸，聯(lián)合測得該運動載體的實時位置，從而描繪出該運動載體的運行軌跡。三、定位模式GNSS衛(wèi)星定位基本原理02

實時動態(tài)定位兩臺接收機間加上一套無線電通信系統(tǒng)，將相對獨立的接收機連成一個有機整體；基準站把接收到的偽距、載波相位觀測值和基準站的一些信息（如基準站坐標和天線高等）都通過通信系統(tǒng)傳送到流動站；流動站在接收衛(wèi)星信號的同時，也接收基準站傳送來的數(shù)據(jù)并進行處理：將基準站的載波信號與自身接收到的載波信號進行差分處理，即可實時解算出兩站間的基線向量，同時輸入相應的坐標，轉(zhuǎn)換參數(shù)和投影參數(shù)，即可求得未知點坐標。RTK基準站設(shè)備

RTK流動站設(shè)備一、RTK測量基本原理RTK測量原理與方法03載波相位實時差分GNSS定位與偽距差分GNSS原理相類似，其基本思想是：在基準站上安置一臺GNSS接收機，對衛(wèi)星進行連續(xù)觀測，并通過無線電傳輸設(shè)備實時地將觀測數(shù)據(jù)及站坐標信息傳送給用戶（流動）站；流動站一方面通過接收機接收GNSS衛(wèi)星信號，同時還通過無線電接收設(shè)備接收基準站傳送的觀測數(shù)據(jù)，然后根據(jù)相對定位原理，實時地進行處理數(shù)據(jù)，并實時地以厘米級的精度給出用戶站的三維坐標。二、RTK測量系統(tǒng)的組成RTK測量原理與方法03GNSS接收設(shè)備RTK測量系統(tǒng)中兩臺GNSS接收機，一臺安置在基準站上，另一臺或若干臺分別安置在不同的流動站上?；鶞收緫O(shè)在坐標已知且觀測條件較好的控制點上。作業(yè)期間，基準站的接收機應連續(xù)跟蹤全部可見的GNSS衛(wèi)星，并將觀測數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，實時地發(fā)送給流動站。GNSS接收機可以是單頻或雙頻，當系統(tǒng)中包含多個用戶接收機時，基準站上的接收機宜采用雙頻或多頻接收機。數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)基準站與用戶站之間的聯(lián)系是由數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)(數(shù)據(jù)鏈)完成的，數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備是實現(xiàn)實時動態(tài)測量的關(guān)鍵設(shè)備之一，它由調(diào)制解調(diào)器和無線電臺組成。在基準站上，調(diào)制解調(diào)器將有關(guān)的數(shù)據(jù)進行編碼和調(diào)制，然后由無線電發(fā)射臺發(fā)射出去。用戶站上的無線電接收臺將其接收下來，并由解調(diào)器將數(shù)據(jù)解調(diào)還原，送入用戶站上的GNSS接收機中。二、RTK測量系統(tǒng)的組成RTK測量原理與方法03軟件系統(tǒng)軟件系統(tǒng)的質(zhì)量與功能，對于保障RTK測量的可行性、測量結(jié)果的精確性與可靠性，具有決定性的意義。RTK測量的軟件系統(tǒng)應具有如下主要功能：整周未知數(shù)的動態(tài)快速解算。實時解算用戶站在協(xié)議地球地心坐標系下的三維坐標。求解坐標系之間的轉(zhuǎn)換參數(shù)。根據(jù)轉(zhuǎn)換參數(shù)，進行坐標系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換。解算結(jié)果質(zhì)量分析與精度評定。測量結(jié)果的顯示與繪圖。三、RTK測量的步驟RTK測量原理與方法03測量前的準備工作RTK測量系統(tǒng)的硬件部分至少由一組收發(fā)電臺和兩臺套GNSS接收機組成，一臺接收機作為基準站（參考站），另一臺為流動站。在赴野外進行工作之前，一定要檢查RTK測量系統(tǒng)在運輸箱中的所有必需部件和測量所需的已知數(shù)據(jù)以及其他資料是否齊備、電池電量是否飽滿，以免影響工作。基準站設(shè)置選擇合適的基準站點基準站系統(tǒng)的架設(shè)基準站接收機通常要安置在已知點上，接收機天線可架設(shè)在三腳架或固定高度的GNSS觀測墩上，架設(shè)好之后要從互為120度角的三個方向分別量測基準站GNSS接收機的天線高度，并取其平均值作為最終結(jié)果，以確保天線高度正確無誤。RTK測量系統(tǒng)的硬件部分至少由一組收發(fā)電臺和兩臺套GNSS接收機組成，一臺接收機作為基準站（參考站），另一臺為流動站。在赴野外進行工作之前，一定要檢查RTK測量系統(tǒng)在運輸箱中的所有必需部件和測量所需的已知數(shù)據(jù)以及其他資料是否齊備、電池電量是否飽滿，以免影響工作。三、RTK測量的步驟RTK測量原理與方法03基準站功能驗證按一下GNSS接收機上的電源開關(guān)，接通電源。打開電子手簿，確認所有部件電源接通。GNSS接收機和電臺上均有LED指示燈明示電源已接通，部件處于啟動狀態(tài)。然后設(shè)置GNSS接收機為RTK基準站模式，并用電子手簿中的RTK軟件確定基準站系統(tǒng)是否工作正常。至此，基準站系統(tǒng)已設(shè)置完畢。流動站設(shè)置流動站系統(tǒng)的設(shè)置同基準站系統(tǒng)基本一樣。為了便于進行RTK測量，流動站GNSS接收機一般放置在背包里，而GNSS天線則安置在一根固定高度的測桿上，該測桿可精確地在測點上對中、整平。三、RTK測量的步驟RTK測量原理與方法03系統(tǒng)初始化用流動站系統(tǒng)進行測量定位和數(shù)據(jù)采集之前，首先必須完成初始化過程。初始化是保證高精度定位的必需過程。在初始化前，流動站系統(tǒng)會以低精度來計算點位，其精度可以是幾分米，或是幾米。初始化是在已知基線上為求解整周模糊度而采集足夠數(shù)據(jù)的過程。初始化過程完成之后，流動站系統(tǒng)會以額定的精度水平工作，直至失鎖（需重新初始化）為止。為實現(xiàn)厘米級精度的定位，必須采集足夠多的數(shù)據(jù)來計算一組整周模糊度參數(shù)。動態(tài)測量的初始化可由兩種方式來實現(xiàn)：用靜態(tài)測量方法做初始化在已知點上重新初始化三、RTK測量的步驟RTK測量原理與方法03數(shù)據(jù)采集初始化完畢后，即可用RTK流動站系統(tǒng)開始進行數(shù)據(jù)采集。此時，流動站上采集的所有數(shù)據(jù)都將達到厘米級精度。無論是流動采數(shù)還是安置于測點之上采數(shù)，存儲在內(nèi)存中的每一個數(shù)據(jù)都將得到厘米級的定位結(jié)果。如果將記錄間隔設(shè)置為2秒鐘，數(shù)據(jù)樣本每隔2秒鐘就會寫入內(nèi)存一次。連續(xù)行進采數(shù)后，系統(tǒng)將繪制出所走過的路線圖。如果行進中，停留在某一測點觀測10秒鐘，就會為這一測點觀測到五個數(shù)據(jù)樣本，從而獲得比走動時更精確的定位結(jié)果。網(wǎng)絡(luò)RTK和CORS技術(shù)04網(wǎng)絡(luò)RTK一個或若干固定的、連續(xù)運行的衛(wèi)星定位系統(tǒng)參考站，利用現(xiàn)代計算機、數(shù)據(jù)通信和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)組成的網(wǎng)絡(luò)，實時向不同類型、不同需求、不同層次的用戶自動提供經(jīng)過檢驗的不同類型的衛(wèi)星定位觀測值、各種改正數(shù)、狀態(tài)信息以及其他有關(guān)衛(wèi)星定位服務項目的系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)RTK和CORS技術(shù)04

CORS連續(xù)運行參考站系統(tǒng)（ContinuousOperationReferenceStations，簡稱CORS系統(tǒng)）可以定義為一個或若干個固定的、連續(xù)運行的GPS參考站，利用現(xiàn)代計算機、數(shù)據(jù)通信和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)組成的網(wǎng)絡(luò)，實時地向不同的類型、不同需求、不同層次的用戶自動地提供經(jīng)過檢驗的不同類型的GPS觀測值（載波相位，偽距），各種改正數(shù)、狀態(tài)信息、以及其他有關(guān)的GPS服務項目的系統(tǒng)。連續(xù)運行參考站系統(tǒng)的優(yōu)點如下：（1）具有跨行業(yè)特性，可為不同行業(yè)、不同類型的用戶提供服務。（2）可同時滿足不同需求的用戶在定位實時性方面的差異，能同時提供RTK、DGPS、靜態(tài)或動態(tài)后處理及現(xiàn)場高精度準實時定位的數(shù)據(jù)服務。（3）能兼顧不同層次的用戶對定位精度指標的要求，提供覆蓋米級、分米級、厘米級的數(shù)據(jù)。（4）具有覆蓋范圍廣、作業(yè)效率高、一次投資長期收益的特點，成為國家基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的新方向。網(wǎng)絡(luò)RTK和CORS技術(shù)04

CORS連續(xù)運行參考站系統(tǒng)的優(yōu)點如下：（5）可構(gòu)建和維持穩(wěn)定、統(tǒng)一的大地坐標系統(tǒng)。（6）可提高作業(yè)精度和數(shù)據(jù)質(zhì)量。（7）可提高生產(chǎn)效率，單人測量系統(tǒng)將成為GPS測量的主流作業(yè)模式。連續(xù)運行參考站系統(tǒng)不僅可以構(gòu)成國家的新型大地測量動態(tài)框架體系，目前也正在構(gòu)成城市地區(qū)新一代動態(tài)參考站網(wǎng)體系。它們不僅滿足各種測繪、基準需求，還滿足多種環(huán)境變遷動態(tài)信息監(jiān)測需求。精密單點定位05（精密單點定位（PrecisePointPositioning，縮寫為PPP）就是利用全球若干地面跟蹤站的GNSS觀測數(shù)據(jù)計算出的精密衛(wèi)星軌道和衛(wèi)星鐘差，以及GNSS定位中的各類誤差改正模型，對單臺GNSS接收機所采集的相位和偽距觀測值進行定位解算，直接確定單個測站在國際地球參考框架（InternationalTerrestrialReferenceFrame，ITRF）框架下三維坐標的一種定位方式。用戶只需要利用單臺GNSS接收機的觀測數(shù)據(jù)，在數(shù)千萬平方公里乃至全球范圍內(nèi)的任意位置都可以cm～dm級的精度進行實時動態(tài)定位，或以mm～cm級的精度進行較快速的靜態(tài)定位。精密單點定位的優(yōu)點：在進行精密單點定位時，除了能直接解算出測站坐標之外，還能同時解算出接收機鐘差、碼間偏差、電離層和對流層延遲改正信息等參數(shù)，這些結(jié)果可以滿足不同層次用戶的需要（如研究授時、電離層、接收機鐘差及地球自轉(zhuǎn)等）。因此，精密單點定位技術(shù)出現(xiàn)之后，便很快在精密定位、衛(wèi)星定軌、導航、精密授時、測繪及相關(guān)行業(yè)中得到廣泛應用。精密單點定位05在精密單點定位中，一般是利用衛(wèi)星鐘差估計值消去衛(wèi)星鐘差項，并且采用雙頻觀測值消除了電離層一階項的影響，即著名的無電離層組合模型（Ionospheric-free），其觀測值誤差方程如下：一、精密單點定位的基本原理顯性化模型：精密單點定位05精密單點定位數(shù)據(jù)預處理在精密單點定位中，數(shù)據(jù)預處理主要內(nèi)容和步驟包括：野值剔除、周跳探測與修復、相位平滑偽距等。數(shù)據(jù)預處理的目的是得到“干凈”的非差相位觀測值和較為精確的偽距觀測值。數(shù)據(jù)預處理工作的好壞，直接關(guān)系到精密單點定位的平差處理和解算精