[工学]GNSS培训理论篇.ppt

中海达GNSS培训理论篇 主要内容 1. GNSS理论部分 2. 传统RTK以及仪器的操作 3. 网络RTK以及仪器的操作 4. 坐标转换 5. 重置当地坐标 6. RTK静态 一、GNSS理论部分 1 GNSS的现状及未来 2 GNSS的特点 3 产业构成 4 应用行业 5 国内外GNSS产品 6 卫星定位的发展 GNSS理论部分 GNSS(Global Navigation Satellite System)是全球导航卫星系统的 英文缩写，它是所有全球导航卫星系统及其增强系统的集合名词，是利 用全球的所有导航卫星所建立的覆盖全球的全天侯无线电导航系统。目 前可供利用的全球卫星导航系统有美国的GPS和俄罗斯的GLONASS以及未 来欧洲的Galileo。 1. GNSS的现状及未来 GNSS的含义： 美国的GPS： GPS是英文Global Positioning System或NAVigation Satellite Timing And Ranging Global Position System的缩写，即全球定位系统，是一个全球 性、全天候、全天时、高精度的导航定位和时间传递系统。由24颗工作卫星和 4颗备用卫星组成，分布在6个等间距的轨道平面上。采用码分多址体制，每颗 卫星的信号频率和调制方式相同，不同卫星的信号靠不同的伪码区分，现有30 多颗卫星。 GPS自1973年开始设计、研制，历时20年，于1993年全部建成，GPS系统由 空间部分、地面控制部分和用户部分所组成。 GNSS理论部分1. GNSS的现状及未来 GLONASS: GLObal NAvigation Satellite System的字头缩 写，是前苏联从80年代初开始建设的与美国GPS系统相类似的卫星 定位系统，也由卫星星座、地面监测控制站和用户设备三部分组 成。现在由俄罗斯空间局管理。拥有21颗工作卫星和3颗备用卫星 ，分布在 3个轨道平面上。因GLONASS 卫星一直处于降效运行状 态，现只有8颗卫星能够正常工作。采用频分多址体制，卫星靠频 率不同来区分，每组频率的伪随机码相同。 目前有14颗卫星可用。2008年之前将有18颗卫星可用。 俄罗斯的GLONASS： GNSS理论部分1. GNSS的现状及未来 Galileo(伽利略）: 从1994年欧盟已开始对伽利略系统方案实施论证。2000年 欧盟已向世界无线电委员会申请并获准建立伽利略系统的L频段 的频率资源。2002年3月欧盟15国交通部长一致同意伽利略系 统的建设。 该系统由27颗工作卫星和3颗备份卫星组成，卫星采用中 等地球轨道，分布在3个轨道面上。预计2012年可投入使用。 欧盟的Galileo： GNSS理论部分1. GNSS的现状及未来 中国的北斗： 北斗导航系统(COMPASS)，现有 3颗地球同步卫星 快速定位：北斗导航系统可为服务区域内用户提供全天候、高精 度、快速实时定位服务 简短通信：北斗系统用户终端具有双向数字报文通信能力，可以 一次传送超过100个汉字的信息。 精密授时 ： 未来中国的北斗空间段计划由五颗静止轨道卫星和三十颗非 静止轨道卫星组成，提供两种服务方式，即开放服务和授权服务。 GNSS理论部分1. GNSS的现状及未来 v定位精度高 v观测时间短 v测站间无须通视 v可提供三维坐标 v操作简便 v全天候作业 v功能多、应用广 v免费 2. GNSS的特点 GNSS理论部分 6. 卫星定位技术的发展 GNSS理论部分 RTK的发展： 1.传统的RTK技术 电台、GPRS/CDMA 2.网络RTK技术 天宝的VRS、Leica的主辅站技术 6. 卫星定位技术的发展 GNSS理论部分 二、传统RTK以及仪器的操作 v传统RTK的含义 vRTK的定位原理 vRTK数据链 v电台模式及具体操作 v网络模式及具体操作 常规的GPS测量方法，如静态、快速静态、动态测量都需要事 后进行解算才能获得厘米级的精度，而RTK是能够在野外实时得到 厘米级定位精度的测量方法，它采用了载波相位动态实时差分（ Real - time kinematic）方法，是GPS应用的重大里程碑，它的出现为 工程放样、地形测图，各种控制测量带来了新曙光，极大地提高了 外业作业效率。 传统传统RTKRTK的含义：的含义： 1. 传统RTK的含义 传统RTK以及仪器操作 在RTK作业模式下，基准站通过数据链将其观测的星历数据传送给流 动站。流动站通过数据链接收来自基准站的数据，同时采集GPS观测 数据，并在系统内进行实时处理，给出厘米级定位结果，历时不到一 秒钟。流动站可处于静止状态，也可处于运动状态，也可在动态条件 下直接开机，并在动态环境下完成周模糊度的搜索求解。载整周末知 数解固定后，即可进行每个历元的实时处理，只要能保持5颗以上卫 星相位观测值的跟踪和必要的几何图形，则流动站可随时给出厘米级 定位结果。 RTK的工作原理 2. 传统RTK的工作原理 传统RTK以及仪器操作 GPS卫星 发射天线 基准站 v差分信号 v 移动站 其中： 差分的数据类型有伪距差分、坐标差分（位置差分）和载波相位差分三 类。前两类定位误差的相关性，会随基准站与流动站的空间距离的增加而 迅速降低。故RTK采用第三类方法 RTK的观测模型为： 2. 传统RTK的工作原理 传统RTK以及仪器操作 数据链通讯： 1. 电台模式： 3. 传统RTK的数据链 传统RTK以及仪器操作 UHF(Ultra High Frequency)超高频率，频率300MHz- 300KMHz（波长属微波： 波长1M-1MM，空间波，小容量 微波中继通信 ）410-430MHz /450-470MHz VHF(Very High Frequency)甚高频（3MHz30MHz 属短波： 波长100M-10M，空间波 ）220-240MHz 2. 网络模式 ： GPRS（General Packet Radio Service）中文是通用分组无 线业务，是在现有的GSM系统上发展出来的一种新的分组 数据承载业务 ；CDMA为码分多址数字无线技术 电台模式电台模式 4. 电台模式及具体操作 传统RTK以及仪器操作 基准站移动站 电台模式特点电台模式特点 1. 作业距离一般距离为：0-20公里，特别是山区或城区传播 距离就会受到影响； 2. 电台信号容易受干扰，所以要远离大功率干扰源； 3. 电台的架设对环境有非常高的要求，一般选在比较空旷， 周围没有遮挡，且要基站架设的越高距离越远； 4. 对于电瓶的电量要求较高，出外业之前电瓶一点要充满或 有足够的电量； 4. 电台模式及具体操作 传统RTK以及仪器操作 3. 网络通讯模式特点 v距离远 v携带方便 优点： 缺点： 在没有手机信号的地方无法使用 v需要一定的费用、手机卡一般一个月都要流量100元费 用 5. 网络模式及具体操作 传统RTK以及仪器操作 三、网络RTK以及仪器的操作 v网络RTK技术 vCORS系统 vCORS系统组成 v网络模式及具体操作 传统RTK技术有着一定局限性,使得其在应用中受到限制,主要表现为： 1. 用户需要架设本地的参考站； 2. 误差随距离增长； 3. 误差增长使流动站和参考站距离受到限制，距离越远初始化时间越长； 4. 可靠性和可行性随距离降低。 1. 网络RTK技术 网络RTK以及仪器操作 网络RTK技术实际上是一种多基站技术，它在处理上利用了多个参 考站的联合数据。该系统不仅仅是GPS产品，而是集internet技术，无 线通讯技术，计算机网络管理和GPS定位技术于一身的系统，包括，通 讯控制中心，固定站，用户部分。 1. 网络RTK技术 网络RTK以及仪器操作 1. 天宝的VRS( Virtual Reference StationVirtual Reference Station ) ) GPSnetGPSnet 2. 徕卡的MAX(主辅站技术)（SpiderNET软件） 3. FKP区域差分改正 ( ( FKPFKP广播方式：广播方式：Geo+Geo+公司产品公司产品 ，GNSMARTGNSMART软件实现组网软件实现组网) ) 1. 网络RTK技术 网络RTK以及仪器操作 RTK技术的测量速度 RTK技术的测量速度主要由初始化所需时间决定， 初始化所需时间又由RTK技术差别（各种机型有 不同的快速解算技术）、接收卫星的数量和质量 、RTK数据链传输质量等因素决定，快速解算技 术越先进，在一定的高度角下接收到的卫星数量 越多、质量越好，RTK数据链传输质量越高，初 始化所需时间就越短。在良好的环境条件下， RTK初始化所需时间一般为几十秒；不良环境条 件下（尚满足RTK基本工作条件)几分钟到十几分 钟，甚至不能测量。 RTK测量成果的质量控制 研究表明，RTK确定整周模糊度的可靠性最高为95%， RTK比静态GPS还多出一些误差因素如数据链传输误差等。因 此，和GPS静态测量相比，RTK测量更容易出错，必须进行质 量控制。 质量控制的方法主要有: （1）已知点检核比较法即在布测控制网时用静态GPS或全 站仪多测出一些控制点，然后用RTK测出这些控制点的坐标进 行比较检核，发现问题即采取措施改正。 （2）重测比较法每次初始化成功后，先重测1-2个已测过 的RTK点或高精度控制点，确认无误后才进行RTK测量 以上方法中，最可靠的是已知点检核比较法，但控制点的 数量总是有限的，所以没有控制点的地方需要用重测比较法来 检验测量成果. 网络RTK的优势 1. 无需架设参考站，省去了野外工作中的值守人员和架设参考站的时间 ，降低了作业成本，提高了生产效率； 2. 传统“1+1”GNSS接收机真正等于2，生产效率双倍提高 ； 3. 不需要在四处找控制点； 4. 扩大了作业半径，网络覆盖范围内能够得到均等的精度； 5. 在CORS覆盖区域内，能够实现测绘系统和定位精度的统一，便于测量 成果的系统转换和多用途处理； 1. 网络RTK技术 网络RTK以及仪器操作 RTK技术优点 1作业效率高。 在一般的地形地势下，高质量的RTK 设站一次即可测完10km半径的测区，大大减少了传统 测量所需的控制点数量和测量仪器的“搬站”次数，仅需 一人操作，在一般的电磁波环境下几秒钟即得一点坐标 ，作业速度快，劳动强度低，节省了外业费用，提高了 劳动效率。 2定位精度高，数据安全可靠，没有误差积累。只要 满足RTK的基本工作条件，在一定的作业半径范围内（ 一般为10km），RTK的平面精度和高程精度都能达到 厘米级。 3降低了作业条件要求。RTK技术不要求两点间 满足光学通视，只要求满足“电磁波通视”，因此 ，和传统测量相比，RTK技术受通视条件、能见 度、气候、季节等因素的影响和限制较小，在传 统测量看来由于地形复杂、地物障碍而造成的难 通视地区，只要满足RTK的基本工作条件，它也 能轻松地进行快速的高精度定位作业。 4操作简便，容易使用，数据处理能力强。只 要在设站时进行简单的设置，就可以边走边获得 测量结果坐标或进行坐标放样。数据输入、存储 、处理、转换和输出能力强，能方便快捷地与计 算机、 RTK的不足及其解决办法 1 受卫星状况限制。当卫星系统位置对美国是最佳的时候，世 界上有些国家在某一确定的时间段仍然不能很好地被卫星所覆盖 ，容易产生假值。另外，在高山峡谷深处及城市高楼密布区，卫 星信号被遮挡时间较长，使一天中可作业时间受限制。产生假值 问题采用RTK测量成果的质量控制方法可以发现。作业时间受限 制可由选择作业时间来解决。 2 天空环境影响。白天中午，受电离层干扰大，共用卫星数少 ，常接受不到5颗卫星，因而初始化时间长甚至不能初始化，也 就无法进行测量。在同样的条件和同样的地点上进行RTK测量， 上午11点之前和下午3：30分之后，RTK测量结果准而快，而中 午时分，很难进行RTK测量。可见选择作业时段的重要性。 3数据链传输受干扰和限制、作业半径比标称距离小的问题。 RTK数据链传输易受到障碍物如高大山体、高大建筑物和各种高 频信号源的干扰，在传输过程中衰减严重，严重影响外业精度和 作业半径。在地形起伏高差较大的山区和城镇密楼区数据链传输 信号受到限制。解决这类问题的有效办法是把基准站布设在测区 中央的最高点上。(用GPRS通信不存在上述问题) 4高程异常问题。RTK作业模式要求高程的转换必须精确，但 我国现有的高程异常图在有些地区，尤其是山区，存在较大误差 ，在有些地区还是空白，这就使得将GPS大地高程转换至海拔高 程的工作变得相当困难，精度也不均匀。 5电量不足问题。RTK耗电量较大，需要多个大 容量电池、电瓶才能保证连续作业，在电力供应 缺乏的偏远作业区受到限制。(用GPRS通信不存 在上述问题) 6精度和稳定性问题。RTK测量的精度和稳定 性都不及全站仪，特别是稳定性方面，这是由于 RTK较容易受卫星状况、天气状况、数据链传输 状况影响的缘故，要解决此类问题，要在布控制 点时多布置一些“多余”控制点，作为RTK测量成 果质量控制的检核点。 RTK技术主要应用范围 v测图根点（精度均匀，效率高） v地形测图 （效率高，一人即可操作） v工程放样（实时显示位置信息，可进行复杂的线 路测量，只需要输入线路要素即可生成复杂的道 路曲线） v无验潮测水深 水下地形测量随着RTK技术的出现，使得水上测 量采用GPS无验潮测量方式工作（RTK方式）成 为可能。采用此种方式不仅可以避免定位系统和 测深系统之间的延迟误差，而且由于无验潮，使 得内业处理更简单、方便 . 2. CORS系统 网络RTK以及仪器操作 连续运行参考站(cors)也称为台站网，可定义为：一个或若干个固定的 、连续运行的GNSS参考站，利用现代计算机、数据通信和互联网(LAN WAN)技术组成的网络，实时地向不同类型、不同需求、不同层次的用户自 动地提供经过检验的不同类型的GNSS观测值(载波相位，伪距)，各种改正 数、状态信息，以及其他有关GNSS服务项目的系统。 不同的地区CORS系统采用不同的网络RTK技术： 天宝VRS：深圳，北京，天津，上海，广东，成都，杭州，长沙，青岛 徕佧MAX：江苏，昆明 目前，国内外多CORS的研究主要集中在基础设施建设、系统自动化管 理、数据采集域分发、基于网络的GNSS定位技术的开发等方面。先后出现 了大量的CORS工程项目。 一、其中具有代表性的全球和国家的项目包括： IGS跟踪站网络 美国NGS CORS 欧洲EPN永久性连续网等 二、国内主要有： 中国地壳运动观测网络CMONOC 中国沿海无线电指向标差分定位系统(RBN-DGPS)等项目 2. CORS系统 网络RTK以及仪器操作 3. CORS系统组成 网络RTK以及仪器操作 参考站 + 控制中心 + 用户部分 CORS综合应用 3. CORS系统组成 网络RTK以及仪器操作 CORS流动站 外挂模块 对其他品牌仪器的CORS升级 升级对老仪器 内置模块 . 网络模式及具体操作 网络RTK以及仪器操作 CORS流动站配置： 四、坐标转换 v设置源坐标系统 v设置目标坐标系统 v参数转换 v已知点校核 坐标转换 1. 主要坐标系统 WGS84北京54西安80 长半轴 637813763782456378140 扁率 常用的坐标系统 在测量中常用的高程系统有大地高系统、正高系统和正常高系统 。 大地高系统是以参考椭球面为基准面的高程系统。某点的大地 高是该点到通过该点的参考椭球的法线与参考椭球面的交点间的距 离。大地高也称为椭球高，大地高一般用符号H表示。大地高是一个 纯几何量，不具有物理意义，同一个点，在不同的基准下，具有不同 的大地高。 高程系统 正高系统统是以大地水准面为基准面的高程系统。某点的正高是 该点到通过该点的铅垂线与大地水准面的交点之间的距离，正高用 符号H。 正常高系统统是以似大地水准面为基准的高程系统。某点的正常 高是该点到通过该点的铅垂线与似大地水准面的交点之间的距离， 正常高用HY ，我国采用似大地水准面。 坐标转换 1. 主要坐标系统 大地水准面差距，即大地水准面到参考椭球面的距离，记为 hg hg= H Hg 高程异常，即似大地水准面到参考椭球面的距离，记为 = H - HY 坐标转换 1. 主要坐标系统 高程系统 坐标转换就是求出WGS-84和 当地平面直角坐标系统之间的数 学转换关系（转换参数）。 坐标转换 . 坐标转换的含义 在工程应用中使用GPS卫星定位系统采集到的数据是WGS-84坐标系数据 ,而目前我们测量成果普遍使用的是以1954年北京坐标系或是地方（任意|当 地）独立坐标系为基础的坐标数据。因此必须将WGS-84坐标转换到BJ-54坐 标系或地方(任意)独立坐标系。 坐标转换的含义 坐标转换 v把GPS坐标系统转换到我们的当地平面坐标系统 v包括基准转换, 投影, 水平 如果区域范围不大，最远点间的距离不大于30Km(经验值)，这可以用三参数，即X平移 ，Y平移，Z平移，而将X旋转，Y旋转，Z旋转，尺度变化K视为0，所以三参数只是七参数 的一种特例。 3 参数 7 参数 一步法 坐标投影： 椭球参数(长半轴和扁率) 中央子午线 投影面 . 坐标转换的过程 坐标转换 如何求解中央子午线？ 3度带 6度带 水平 & 垂直平差 . 坐标转换的过程 坐标转换 四参数高程拟合 将高斯坐标系转换成当地坐标系，得到当地坐标 四参数（转换参数）高程拟合法 v定义：两平面坐标系之间的平移，旋转，缩放参数 DX、DY、 v要求：至少两个任意同一坐标系的坐标（通用方法 ） v环境：适用于普通的工程测量，工程放样 v作业方法：将基准站架在测区中央开阔处，移动站 在窄带固定解状态下，测出两组已知点的原始坐标 ，手簿进行参数求解后得出所需要的地方坐标 一、水平平差 v至少2个水平控制点 下面以5个点为例 = GPS 观测值 = 控制点 . 坐标转换的过程 坐标转换 . 坐标转换的过程 坐标转换 旋转 平移 . 坐标转换的过程 坐标转换 . 坐标转换的过程 坐标转换 比例系数 参数转换结果（水平残差） v参数转换更新后的结果包含了坐标残差. 为了理解我们转换结 果的好坏，我们需要理解这些残差的含义. 残差 v残差: 转换参数执行 后的格网平面坐标和 GPS坐标的差值。 . 坐标转换的过程 坐标转换 残差越小，说明转换的参数越精确-GPS (WGS-84 co- ordinates)和当地平面坐标之间的相对关系越好。 残差 转换结果（水平残差） . 坐标转换的过程 坐标转换 理想的残差应该小于 20mm，残差将被 均匀的分布在各个转换点之间。 因此，我们最终坐标的最小精度应 该是: 标准RTK 测量的误差加上最大的转 换残差。 二、垂直平差 . 坐标转换的过程 坐标转换 垂直平差采用的平面高程拟合，转换后只有四个点及 以上才有垂直参差。 二、垂直平差 . 坐标转换的过程 坐标转换 椭球面 似大地水准面 地球表面 H HY 斜面 H HY H HY H HY H HY = H - HY = 高程异常 HY H H 地球表面 似大地水准面 椭球面 = H - Hg H HY HY 斜面 二、垂直平差 . 坐标转换的过程 坐标转换 N 似大地水准面 斜面 残差 二、垂直平差（转换残差） . 坐标转换的过程 坐标转换 . 坐标转换的过程 坐标转换 控制点的选取 1. 尽量避免单坐标转换,因为坐标系统中存在旋转,如果一定要用单坐标转 换,一定要注意旋转大小,根据旋转大小,控制作业范围； 2. 注意控制范围,在一个测区要有足够的控制点,并避免短边控制长边； 3. 对于高程要特别注意控制点的线性分布(几个控制点分布在一条线上),特 别是做线路工程。如果区域比较大尽量使用多个点，可以根据参差剔去精度 差得点，在多点的情况下高程拟合方式尽量选用平面拟合，六个以上使用曲 面拟合。 4. 注意坐标系统,中央子午线,投影面(特别是海拔比较高的地方),控制点与 放样点是否是一个投影带； 5. 如果一个区域比较大,控制点比较多,要分区做转换,不要一个区域十几个 点或更多的点全部参与转换； 只有平面 只有高程 平面和高程 线路测量如何去做？ 分段测量，分段转换 三参数法 v定义：两空间三维直角坐标系之间的平移参数、DX 、DY