第七章

全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)測量

概述

GNSS測量原理靜態(tài)測量實時動態(tài)測量*127.1概述全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GlobalNavigationSatelliteSystem，GNSS）： 美國的GPS 俄羅斯的GLONASS； 中國的北斗導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)BDS； 歐盟的Galileo。其他的： 日本的準(zhǔn)天頂衛(wèi)星系統(tǒng)（TheQuasi-ZenithSatelliteSystem，QZSS）； 印度區(qū)域?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（IndianRegionalNavigationSatelliteSystem，IRNSS）。3GNSS衛(wèi)星4全球定位系統(tǒng)（GPS）:

“授時、測距導(dǎo)航系統(tǒng)/全球定位系統(tǒng)（NavigationSystemTimingandRanging/GlobalPositioningSystem）”的簡稱。該系統(tǒng)是由美國從上世紀(jì)70年代開始研制，歷時20年，耗資200億美元，于1994年全面建成，具有在海、陸、空進行全方位實時三維導(dǎo)航與定位能力的新一代衛(wèi)星無線電導(dǎo)航與定位系統(tǒng)。特點：具有全天候、高精度、自動化、高效率等，即：（1）全球覆蓋；（2）自動化，精度高；（3）實時三維動態(tài)定位、測速和定時；（4）高效率，無用戶數(shù)量限制，應(yīng)用廣泛。應(yīng)用：工程測量、大地測量、航空攝影測量、運載工具導(dǎo)航和管制、地殼運動監(jiān)測、工程變形監(jiān)測、資源勘察、地球動力學(xué)等領(lǐng)域。應(yīng)用領(lǐng)域還在不斷地拓展，遍及國民經(jīng)濟各種部門，并逐步深入人們的日常生活,從而給測繪學(xué)科帶來了一場深刻的技術(shù)革命。5相對于經(jīng)典的測量技術(shù)（全站儀）來說，GNSS的特點

如下：測站之間無需通視。因而不再需要建造覘標(biāo)，可減少測量工作經(jīng)費和時間，同時也使點位的選擇變得非常靈活。b)

高精度三維定位。GNSS可以精密測定平面位置和大地高。c)

觀測時間短。近年來發(fā)展的快速相對定位法，觀測時間僅需數(shù)分鐘；實時動態(tài)定位技術(shù)（RTK）可提供厘米級的實時三維定位結(jié)果。d)

操作簡便。GNSS測量自動化程度很高，操作員的主要任務(wù)只是安置并開關(guān)儀器，量取儀器高，監(jiān)視儀器的工作狀態(tài)等。接收機自動完成觀測工作，如衛(wèi)星捕獲，跟蹤觀測和記錄等。GNSS接收機重量輕，體積小，攜帶方便。e)

全天侯作業(yè)。GNSS接收機可以在任何地點（衛(wèi)星信號不被遮擋的情況下），任何時間連續(xù)地進行，一般也不受天氣狀況的影響。67.2GNSS測量原理1.觀測值

GNSS衛(wèi)星的信號是通過將碼信號調(diào)制到載波上形成來實現(xiàn)的。

基本頻率10.23MHzL1載波1575.42MHzC/A碼1.023MHzP碼10.23MHz數(shù)據(jù)碼50BPS

154

120

10

204600L2載波1227.60MHzP碼10.23MHz數(shù)據(jù)碼50BPS7GNSS觀測模型按觀測值不同分為：碼偽距觀測定位

、載波相位測量定位；按使用同步觀測的接收機數(shù)和定位解算方法來分：單點定位（絕對定位）、差分定位（相對定位）；

根據(jù)接收機的運動狀態(tài)可分為靜態(tài)定位

、動態(tài)定位。

單點定位：確定接收機在世界坐標(biāo)系（WGS-84）中三維坐標(biāo)。

相對定位：確定接收機相對地面上另一參考點的空間基線向量。

靜態(tài)定位：接收機是靜止不動的。

動態(tài)定位：確定接收機載體的三維坐標(biāo)和速度。絕對定位和相對定位中，均包含靜態(tài)和動態(tài)兩種方式。比較有代表性的定位模式，即為偽距單點定位

、載波相位相對定位，其他的定位模式均為依此衍生而來。偽距單點定位偽距：衛(wèi)星到接收機的距離觀測值，即由衛(wèi)星發(fā)射的測距碼信號到達GNSS接收機的傳播時間乘以光速所得的距離

由于偽距觀測值所確定的衛(wèi)星到測站的距離，都不可避免地會含有衛(wèi)星鐘和接收機鐘同步誤差、大氣傳播延遲等的影響。

為了與衛(wèi)星和接收機之間的真實幾何距離相區(qū)別，這種含有誤差影響項的距離觀測，通常稱為“偽距”，并把它視為GNSS定位的基本觀測量。

偽距法單點定位：利用GNSS接收機在某一時刻，同步測定至少4顆及以上GNSS衛(wèi)星的偽距，以及從衛(wèi)星導(dǎo)航文件中獲得的衛(wèi)星位置，采用距離交會法求得接收機的三維坐標(biāo)。89GNSS衛(wèi)星

偽距單點定位示意圖10載波相位相對定位載波相位：載波是指被調(diào)制以傳輸信號的波形，一般為正弦波。載波相位偽距：衛(wèi)星到接收機的波數(shù)觀測量，即由衛(wèi)星發(fā)射的測距碼信號到達GNSS接收機的傳播時間乘以頻率φ=f·t

。11載波相位相對定位

為克服關(guān)于大氣折射延遲改正不夠準(zhǔn)確，以及減少未知數(shù)等原因，常對以上觀測量作差分處理，所以叫相對定位。

一般要兩臺接收機同步觀測相同的衛(wèi)星。

一般用到的有單差、雙差、三差法。單差觀測量：不同觀測站同步觀測相同衛(wèi)星所得觀測量之差。雙差觀測量：在單差法基礎(chǔ)上，對不同測站同步觀測一組衛(wèi)星所得單差之差。測站間同步觀測量的單差示意圖

測站間同步觀測量的雙差示意圖

S1S212

三差法：在雙差法基礎(chǔ)上，不同測站同步觀測的同一組衛(wèi)星所得雙差觀測量作差分。測站間同步觀測量的三差示意圖S1sS2r13差分法載波相位測量雖然可以消去一系列多余參數(shù)項（即指不含有測站坐標(biāo)的項），但在組成差分觀測方程時，減少了觀測方程的個數(shù)，另外，也增加了觀測量之間的相關(guān)性，這些都不利于提高最后解的精度。一般是采用雙差法求解最終結(jié)果。三差法只是用于整周跳變的探測和估計，或求得測站坐標(biāo)的近似解。142. GNSS測量誤差誤差源三種情況：與GNSS衛(wèi)星有關(guān)的誤差與信號傳播有關(guān)的誤差與接收設(shè)備有關(guān)的誤差

(一)與GNSS衛(wèi)星有關(guān)的誤差衛(wèi)星星歷誤差： 廣播星歷或其它軌道信息給出的衛(wèi)星位置與衛(wèi)星真實位置之間的差值。衛(wèi)星鐘誤差： GNSS衛(wèi)星原子鐘仍會有偏差或漂移。15(二)與信號傳播有關(guān)的誤差

大氣折射誤差：

電離層折射影響，與GNSS信號頻率有關(guān)，

對流層折射影響。與GNSS信號頻率無關(guān) 合稱為中性大氣折射影響，簡稱對流層折射。

多路徑效應(yīng)： 接收機天線除收到GNSS信號外，還可能收到天線周圍地物反射來的信號。 兩種信號疊加，引起觀測值變化，它與天線周圍反射面的性質(zhì)而異，難以控制。多路徑效應(yīng)具有周期性誤差，其變化幅度可達數(shù)厘米。

16(二)與信號傳播有關(guān)的誤差

消除或減弱多路徑效應(yīng)： 采用載波相位測量方法； 采用扼流圈天線。 測量選址應(yīng)考慮多路徑信號產(chǎn)生的可能性，盡量避開高大建筑物和遠離水面，避免接收其反射信號。17(三)與接收設(shè)備有關(guān)的誤差

觀測誤差：

觀測分辨誤差、接收機天線相對測站點的安置誤差。 觀測分辨誤差約為信號波長的1%。 天線安置誤差：置平、對中、天線高測量誤差。

接收機的鐘差： 數(shù)據(jù)處理中作為未知數(shù)解出。 差分法相對定位，用不同衛(wèi)星間求差來消除其影響。

天線的相位中心誤差：

天線幾何中心與相位中心不一致產(chǎn)生。 用觀測值求差和相對定位能削弱這種影響。觀測時要求線的指北極都指向正北方向。*187.3靜態(tài)測量GNSS測量：與常規(guī)測量一樣，分為外業(yè)和內(nèi)業(yè)兩部分。GNSS實施：網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計；選點與建立標(biāo)志；外業(yè)觀測；內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理。1、技術(shù)設(shè)計GNSS網(wǎng)技術(shù)設(shè)計，實施GPS測量的第一步，也是在網(wǎng)的精確性、可靠性和經(jīng)濟性方面，實現(xiàn)用戶要求的重要環(huán)節(jié)。主要內(nèi)容：精度指標(biāo)設(shè)計網(wǎng)的圖形設(shè)計網(wǎng)的基準(zhǔn)設(shè)計。19

精度設(shè)計對GNSS網(wǎng)的精度要求，主要取決于網(wǎng)的用途。精度指標(biāo)，以網(wǎng)中相鄰點之間的距離誤差來表示（GNSS測量規(guī)范）。精度指標(biāo)影響GNSS網(wǎng)的布設(shè)方案、觀測計劃、觀測數(shù)據(jù)的處理方法，以及作業(yè)的時間和經(jīng)費。所以，在實際設(shè)計工作中，要根據(jù)實際需要確定。圖形設(shè)計網(wǎng)的圖形設(shè)計，應(yīng)在滿足用戶要求的條件下，盡量減少作業(yè)成本。GNSS網(wǎng)應(yīng)采用獨立觀測邊構(gòu)成閉合圖形，如： 三角形； 多邊形；

附合線路。20

精度設(shè)計基準(zhǔn)設(shè)計網(wǎng)的基準(zhǔn)：包括網(wǎng)的位置基準(zhǔn)、方向基準(zhǔn)和尺度基準(zhǔn)。而確定網(wǎng)的基準(zhǔn)，是通過網(wǎng)的整體平差來實現(xiàn)的。網(wǎng)的基準(zhǔn)設(shè)計，主要是指確定網(wǎng)的位置基準(zhǔn)問題。確定網(wǎng)的位置基準(zhǔn)，通?？筛鶕?jù)情況，選取以下方法：（1）選取網(wǎng)中一點的坐標(biāo)值并加以固定，或給以適當(dāng)?shù)臋?quán)；（2）網(wǎng)中的點均不固定，通過自由網(wǎng)偽逆平差或擬穩(wěn)平差，確定網(wǎng)的位置基準(zhǔn)；（3）在網(wǎng)中選若干點的坐標(biāo)值并加以固定；（4）選網(wǎng)中若干點（直至全部點）的坐標(biāo)值并給以適當(dāng)?shù)臋?quán)。212、選點 考慮方便使用：（1）應(yīng)埋設(shè)在基礎(chǔ)穩(wěn)定、不易破壞的地點；（2）應(yīng)選擇在視野開闊的地方，避免樹木遮擋，盡量遠離高大建筑和大面積水域，以減弱多路徑的影響；（3）應(yīng)遠離大功率無線電發(fā)射源200m以上、高壓輸電線50m以上；（4）應(yīng)考慮交通方便和人身安全；（5）應(yīng)有利于控制網(wǎng)聯(lián)測和擴展，若有特殊要求還需要控制點間相互通視，223、外業(yè)觀測方法１、外業(yè)觀測計劃設(shè)計（１）編制預(yù)報圖：預(yù)報軟件輸入測區(qū)中心點概略坐標(biāo)、作業(yè)時間、衛(wèi)星截止高度角≥１５°等，利用不超過２０天的星歷文件即可編制衛(wèi)星預(yù)報圖。（２）編制作業(yè)調(diào)度表：根據(jù)儀器數(shù)量、交通工具、測區(qū)交通環(huán)境及衛(wèi)星預(yù)報狀況制定作業(yè)調(diào)度表。包括：觀測時段，注明開、關(guān)機時間；測站號、測站名；接收機號、作業(yè)員；車輛調(diào)度表。233、外業(yè)觀測方法２、野外觀測嚴格按照技術(shù)設(shè)計要求進行。（１）

安置天線：對中、整平，量儀器高。儀器高要求鋼尺在互為１２０°方向量三次，互差小于３

mm，取平均值后記錄或輸入ＧNSＳ接收機。（２）安置ＧNSＳ接收機：ＧNSＳ接收機應(yīng)安置在距天線不遠的安全處，連接天線及電源電纜，并確保無誤。（３）開機觀測：開機，輸入或記錄測站名。接收機自動化程度很高，儀器一旦跟蹤衛(wèi)星進行定位，接收機自動將接收的衛(wèi)星星歷、觀測值文件以及輸入信息存入接收機內(nèi)記憶體。作業(yè)員只需要定期查看接收機工作狀況。一個時段的測量結(jié)束后，要查看儀器高和測站名是否輸入，確保無誤后再關(guān)機、關(guān)電源，遷站。243、外業(yè)觀測方法２、野外觀測嚴格按照技術(shù)設(shè)計要求進行。（４）ＧNSＳ接收機記錄的數(shù)據(jù)有：ＧNSＳ衛(wèi)星星歷；觀測歷元的時刻和碼偽距觀測值及載波相位觀測值；ＧNSＳ絕對定位結(jié)果；測站信息。（5）觀測數(shù)據(jù)預(yù)處理 外業(yè)觀測數(shù)據(jù)在測區(qū)要及時嚴格檢查，對外業(yè)預(yù)處理成果，按規(guī)范要求嚴格檢查、分析；必要時重測和補測。確保外業(yè)成果無誤后方可離開測區(qū)。4、數(shù)據(jù)處理標(biāo)準(zhǔn)化觀測數(shù)據(jù)平差。平差主要包括：同步基線邊解算 同一基線邊，多歷元同步觀測值平差。得： 基線向量（坐標(biāo)差）、方差與協(xié)方差陣。觀測成果檢核與網(wǎng)平差 基線向量構(gòu)網(wǎng)，檢核同步環(huán)、異步環(huán)、重復(fù)邊閉合差。 基線向量網(wǎng)的整體平差。 得：網(wǎng)點空間直角坐標(biāo)，大地坐標(biāo)、高斯平面坐標(biāo)、方差與協(xié)方差。264、數(shù)據(jù)處理標(biāo)準(zhǔn)化觀測數(shù)據(jù)平差。平差主要包括：坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，或與地面網(wǎng)的聯(lián)合平差 按用戶要求，進行坐標(biāo)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換。 確定GNSS網(wǎng)與原網(wǎng)的轉(zhuǎn)換參數(shù)，進行聯(lián)合平差。5、工程應(yīng)用工程控制測量 高斯投影轉(zhuǎn)換； 三維空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成高斯平面坐標(biāo)； 二維平面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換； 轉(zhuǎn)換公式（四參數(shù)轉(zhuǎn)換）： （7.13）式中X、Y為工程平面坐標(biāo)，x、y為高斯平面直角坐標(biāo)，δx和δy為2套坐標(biāo)系的平移參數(shù)，α為旋轉(zhuǎn)參數(shù)，μ為比例參數(shù)。5、工程應(yīng)用工程控制測量

求4個轉(zhuǎn)換參數(shù)，最小2個已知2套坐標(biāo)值的公共點。設(shè) 已知點A、B的高斯坐標(biāo)A（xa，ya）、B（xb，yb）；工程坐標(biāo)A（XA，YA）、B（XB、YB）。為方便計算，把高斯坐標(biāo)原點移到點A，則式（7.13）簡化為（7.14）求得5、工程應(yīng)用工程控制測量 求得其中sign(z)為符號函數(shù)，取值5、工程應(yīng)用工程控制測量 例7.1 點B和E線路里程DK8+210.000、DK9+483.811，為X值； 橋軸線里程方向為橋梁施工平面坐標(biāo)系的X軸方向； 橋軸線左側(cè)平移1000m建立X軸； 左手坐標(biāo)系建立Y軸方向； 求各點的橋梁施工平面坐標(biāo)。

表7.1高斯平面直角坐標(biāo)x/my/mA3320531.123-478.332B3320531.26415.234C3320531.789507.456D3321805.078501.651E3321804.9870.345F3321805.235-498.203C

BAE里程方向FD橋軸線

圖7.6 橋梁控制網(wǎng)示意圖5、工程應(yīng)用工程控制測量 按題意，得： XB=8210.000m，XE=9483.811m，YB=YE=1000m；

5、工程應(yīng)用工程控制測量 按題意，得：5、工程應(yīng)用工程控制測量 把α、μ、點B的2套坐標(biāo)代入式（7.14），得點A的橋梁施工平面坐標(biāo)：5、工程應(yīng)用工程控制測量 同理可得其余點C、D和F的橋梁施工平面坐標(biāo)：，，

5、工程應(yīng)用工程控制測量 橋梁施工控制網(wǎng)：除點B外；其余的點A、C、D、E、F均用，，

若GNSS橋梁網(wǎng)以跨越結(jié)構(gòu)精度要求最高的平均高程面為高斯投影的高程投影面時代入式（7.14）計算平面坐標(biāo)。這就是土木工程施工控制網(wǎng)常用的1點1方向約束方法。5、工程應(yīng)用高程測量 ，，

GNSS測量的高程：測點p沿法線方向到參考橢球面的距離，稱為大地高H；土木工程中使用的高程是正常高；正常高：測點p沿鉛垂線方向到似大地水準(zhǔn)面的距離h；同一測點的大地高H與正常高h的關(guān)系為高程異常：ζhH似大地水準(zhǔn)面參考橢球面圖7.7大地高與正常高p5、工程應(yīng)用高程測量 ，，

小范圍測區(qū)，若3個以上點的大地高和正常高均已知，可通過數(shù)值擬合方法內(nèi)插出測區(qū)中任意點的高程異常。平面內(nèi)插方法，也稱三參數(shù)擬合法。設(shè)測區(qū)有大致均勻分布的3個已知平面坐標(biāo)（Xi，Yi）、大地高（Hi）和正常高（hi），則有：是i點的高程異常；、、分別是待求參數(shù)。

（7.16）5、工程應(yīng)用高程測量 容易解出：得任意點j的正常高hj為當(dāng)已知高程異常點的個數(shù)n>3時，可以使用間接平差方法解算三參數(shù)。（7.17）（7.18）5、工程應(yīng)用高程測量 例7.2已知4個點A、B、C和D的平面坐標(biāo)X、Y和大地高H； 3個點A、B和C的正常高h； 求控制點D的正常高hD。表7.2控制點坐標(biāo)、大地高和正常高X/mY/mH/mh/mA00500.00486.50B0300.00501.00487.29C400.000505.00491.66D100.00100.00496.005、工程應(yīng)用高程測量 例7.2求得3個公共控制點A、B和C的高程異常將3個點A、B和C的坐標(biāo)和高程異常代入式（7.16）5、工程應(yīng)用高程測量 例7.2由式（7.17）可解得三參數(shù)再將X和點D的坐標(biāo)和大地高代入式（7.18），得D正常高427.4實時動態(tài)測量RTK（RealTimeKinematic）依據(jù)動態(tài)相對定位原理對兩臺接收機的載波相位觀測數(shù)據(jù)進行實時處理。圖7.168RTK定位示意圖437.4實時動態(tài)測量1.GNSSRTK測量（1）投影參數(shù)設(shè)置和基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換參數(shù)設(shè)置。 點校正（2）參考站參數(shù)設(shè)置。 配置參考站坐標(biāo); 配置天線高； 配置無線電類型； 配置接收機端口號； 配置控制器或測量手簿端口號等。447.4實時動態(tài)測量1.GNSSRTK測量（3）流動站參數(shù)設(shè)置。 差分數(shù)據(jù)協(xié)議設(shè)置（必須和參考站保持一致）： 配置天線高； 配置天線類型； 配置天線高； 配置無線電類型等。457.4實時動態(tài)測量2.CORSRTK測量（1）定位原理1）系統(tǒng)：

組成：參考站、數(shù)據(jù)處理中心、數(shù)據(jù)通信和用戶應(yīng)用； 數(shù)據(jù)通信子系統(tǒng)互聯(lián)，分布于一定區(qū)域的局域網(wǎng)。2）參考站： 一個或若干個固定的、連續(xù)運行的GNSS參考站； 集成計算機、數(shù)據(jù)通信、局域網(wǎng)（LAN）或廣域網(wǎng)（WAN）； 實時自動提供經(jīng)檢驗的載波相位和偽距等觀測值、改正數(shù)、狀態(tài)信息、及其他有關(guān)GNSS服務(wù)項目的系統(tǒng)。467.4實時動態(tài)測量2.CORSRTK測量（1）定位原理3）用戶：

1臺接收機； 準(zhǔn)實時或?qū)崟r的快速定位、或事后定位； 導(dǎo)航定位。477.4實時動態(tài)測量2.CORSRTK測量（2）技術(shù)特點1）操作靈活簡單。 無需點間通視，無障、全氣候，能收到衛(wèi)星和網(wǎng)絡(luò)通信信號，就可獲得精度較高成果。2）定位精度高且分布均勻。 無誤差傳播和積累，點精度相互獨立、互不干擾。3）工作效率高、成本低。 衛(wèi)星和通信信號正常，5~20秒初始化、5~15秒測量1個點。 可勝任測量精度cm級的施工放樣、高程測量和地形測量等常規(guī)測量工作。487.4實時動態(tài)測量2.CORSRTK測量（3）影響因素1）參考站 采用VRS技術(shù)的參考站； 流動站在參考站100km范圍內(nèi)作業(yè)。2）通信系統(tǒng) 參考站與數(shù)據(jù)中心：采用同步數(shù)字體系（SDH）的專用通信線路連接。 數(shù)據(jù)中心與用戶：采用無線廣域通信網(wǎng)絡(luò)的碼分多址（CDMA）和通用分組無線服務(wù)技術(shù)（GPRS）傳輸。497.4實時動態(tài)測量2.CORSRTK測量（3）影響因素3）數(shù)據(jù)中心 故障主要原因：