《GNSS RTK测量技术及其影响因素分析》3500字

GNSSRTK测量技术及其影响因素分析综述GNSS与RTK的关系是，GNSS是一个复杂的卫星系统，而RTK技术则是其用户段接收机的一种形式，RTK所需要的信息均是由接收卫星信号得到。本章首先对GNSS及其定位原理做出介绍，接着对GNSSRTK测量模块的技术原理做出介绍，最后对会影响GNSSRTK系统测量精度的因素进行研究，为后续的精度评定做充分的准备。1.1GNSS的组成全球导航卫星系统简称为GNSS，它的工作范围在近地区域或地球表面，GNSS通过其系统内的全球设施和区域设施联合作用，最终为用户设施提供坐标信息、时间信息、速度信息等REF_Ref104150371\r\h[9]。GNSS泛指目前现有的、正在建设的和即将建造的所有全球、区域和增强的卫星导航系统。该系统由全球设施、区域设施、用户设施三部分组成（如图1.1所示）。空间信号段空间信号段用户设备段地面控制段图1.1GNSS组成GNSS是个组合系统，以GPS（GlobalPositioningSystem）和BDS（BeiDouNavigationSatelliteSystem）为例，各部分具体介绍如下：1.1.1全球设施（1）空间信号段是由GNSS在轨道上的卫星所发出的无线信号，它能完成导航定位信号的持续传输，接收地面站的导航信息和调度指令。其中GPS的卫星星座分为21个导航卫星和3个备用卫星。BDS的卫星星座分为地球同步卫星5颗、倾斜地球同步卫星3颗、中高度地球卫星27颗。（2）地面控制段：由分布在全球的地面观测站组成，主要包括监测站、主控站和信息注入站，以完成对卫星的控制与对任务的分配控制。GPS地面控制段构成，按级分布如下监控系统——跟踪站——跟踪站1个主控站、3个注入站、5个监控站。BDS地面控制段由地面监控系统和具有星间链路的导航星座构成REF_Ref104150425\r\h[10]。1.1.2区域设施区域设施以对系统和性能具有特定要求的服务为对象，能够将地面定位与通讯系统结合起来，可以满足更多用户的需求。GPS的区域设施有印度区域性导航卫星、美国广域增强系统、欧洲静止卫星导航系统的外部强化系统、日本准天顶卫星系统。BDS区域设施有地基增强系统、星基增强系统。1.1.3用户设备系统GNSS用户设备类型：导航型、测量型、授时型（本课题研究的是导航型接收机）其组成分为硬件和软件两部分。硬件包括接收机、天线、控制器、计算机、无线通信、终端、手簿等；软件包括数据采集软件、基线处理软件（HGO、SGO等等）、网平差软件（相关的GNSS数据处理软件）等。1.2GNSSRTK测量技术1.1.1测量技术（1）RTK技术RTK技术的实现需要两个站点，基准站和流动站，其是通过对两个站载波相位观测值的处理，实时、快速地获取两个站点的三维坐标。具体操作是，基准站与流动站之间通过连接，建立通信链，然后流动站接收来自卫星的信号和基准站实时发送的载波相位观测值等信息，结算后，就会得到三维坐标信息。在RTK模式的动作中，基准站接收机会在坐标已知的数据点(或数据站的网络)上持续接收所有可视的GNSS卫星信号。（2）GNSSRTK技术GNSS-RTK技术是指在GNSS测量过程中采用差分定位技术来进行载波相位观测的新型GNSS技术REF_Ref104150627\r\h[12]。（3）GNSSRTK工作原理GNSSRTK工作原理是先将基准站A架设在已知点上，而流动站B需要根据具体的测量要求以及测量场来进行架设。两台接收机分别架设、设置好参数之后，需要对移动站A进行单独设置，使其与基准站B之间的数据通信网络连接，基准站会实时将差分数据和测量数据发送给流动站，流动站此时还可以接收卫星信号。经过流动站的实时解算，能获取到实时的点位坐标和相关信息。（如图1.2所示）图1.2GNSSRTK工作原理1.1.2测量模块GNSS-RTK系统包括：基准站、移动站、数据通信链、终端手薄、数据处理软件和卫星。（1）基准站：接收卫星传输的改正数据并发送数据到流动站。（2）流动站：接收基准站发送的改正数据和卫星信号以及基准站的差分数据。通过计算获取流动站位置的三维坐标等信息的工作。（3）数据通信链：是仪器之间的进行数据传输的方法。（4）终端手薄：手簿蓝牙可以连接GNSS接收机，可通过设置接收机的工作参数，实现碎步测量，点放样等数据交换功能。（5）数据处理软件：由两部分组成，一部分是在野外测量时，手簿自带的数据采集软件，同时可以对数据进行实时处理，比如南方银河6手簿所带的“工程之星”；另一部分是进行内业数据处理时，配套的RTK数据后处理软件，比如南方测绘的“SGO”。（6）卫星：发射卫星信号。1.3影响测量精度的因素1.3.1与卫星有关的误差源（1）卫星钟误差卫星上原子钟的时钟时间和GNSS的标准时间之间存在差值，即卫星钟误差。对卫星钟差可以通过对星钟差改正，保证卫星钟误差值在20ns以内。也可以用相对定位的方法，利用接收机之间差值来消除卫星钟的余差。（2）卫星星历误差在GNSS定位过程中，星历预报所提供的参数，是实时计算卫星轨道参数的数据基础。但无论使用的星历类型如何，卫星的运行均会受到速度和外力的作用，这样计算出来的位置偏离实际位置而产生误差，即卫星星历误差。削弱星历误差可以采用相对定位法，利用两个观测点间星历误差的强关联性，排除两站点的共同影响，获得高精度的相对坐标；也可以建立区域性卫星测轨网，使GNSS卫星有自己的独立轨道，从而使GNSS卫星打破对SA政策的依赖性，避免受其干涉。（3）相对论效应卫星钟和停留在地面上的同种类时钟所处的位置不同，无法保证二者速度同步，这样产生的时间差，被称为相对论效应误差，此误差是定位计算过程中产生的误差。1.3.2与信号传输有关的误差源（1）电离层延迟空气产生电离，在空气中含有自由电子和正离子的大气位置叫做电离层。信号穿过电离层因为电磁产生折射，改变了信号传播路径，造成了减速、信号延迟现象。削弱电离层延迟可以经过多次实验，选择适当的观测场地与条件来削弱电离层延迟，也可以双频改正减小误差。也可以根据同一区域传播介质的相似原理，使得卫星信号到达该区域距离相近的测站时观测量之间是有关联的，可以通过相近测站同步观测来进行误差改正。（2）对流层延迟对流层位于550km以下，它电离层延迟相似，是大气层发生折射对信号产生的延迟。虽然原理相同，但对流层作用区域更加接近地球表面，其大气密度与成分更加复杂，误差处理难度也更大。通过建立数学模型可以有效减小对流层延迟的误差。也可以用平差法，在数据处理时，将对流层改正数也设为未知量与其他未知量进行联合处理；还可以用求差法，即对观测值进行求差，但是其缺点是，如果基线距离过长，其准确性也会下降。（3）多路径效应除了卫星传播路径之外的其他因为反射折射产生的路径都被接收机接收的情况叫多路径效应，它主要的产生原因是强反射的物体表面，属于偶然误差，增长观测时间能有效减少误差影响。削弱多路径效应还可以选择合适的仪器架设位置，提前对接收机天线周围的情况进行详细地勘查，排除多路径效应大的站点；也可以通过加强对接收机天线的要求，使用功能强的、屏蔽较好的新型天线，比如目前市面上存在的拖流圈天线；1.3.3与接收机有关的误差源（1）观测误差实际观测的过程中，由于物体都可以反射信号，在进行信号分辨时难免会产生误差，同时在安置接收机天线时也会产生误差。削弱观测误差可以适当增加观测时间来减弱；也可以在进行精密定位时，仔细操作来减弱；还可以在变形监测中，采取强制对中来减弱。（2）接收机钟误差接收机钟误差：是GNSS接收机钟面时与标称时之间的差异REF_Ref20326\r\h[6]。可以通过建立改正模型进行误差改正。还可以通过进行多卫星之间同步观测，求取卫星之间的差，以达到消除接收机钟误差的目的；还可以在平差时，利用时间多项式求出多项式系数来消除。（3）天线相位中心位置误差接收机天线相位误差：仪器在使用一段时间后，天线的相位中心会因为信号的强度起伏和天线方向的不同，此时与理论上的天线相位中心之间会产生差值，就是天线相位中心位置误差。减少误差的方法是在两个测站进行同步观测相同卫星，差分求解即可。此种方法也就是控制变量法，要保证两测站天线的安置方向、天线类型、接收机批号、天线高度、测站周围环境、温度等变量均保持一致。（4）坐标转换参数引起的误差RTK数据采集所使用的，坐标系统是“WGS-84”，但是我们日常测量用到的是“国家2000”或者“北京54”坐标系，所以我们在进行测量参数设置时，要输入已知点两套系统下坐标进行坐标转换工作，而转换参数不是统一的，改变控制点其计算结果也会受到影响，这样导致的误差就是坐标转换参数引起的误差。（5）RTK数据传输误差RTK测量时，需要在基准站与流动站之间进行数据传输，此过程使用的技术是无线电技术，在传输过程中难免会出现数据的丢失或者失真，就会产生RTK数据传输误差。1.3.4其他误差源（1）GNSS地面控制段的影响GNSS的地面控制段的监测站、主控站、信息注入站均是由