土木工程测量（第3版）课件 7 GNSS原理及其应用

第七章

全球导航卫星系统测量

概述

GNSS测量原理静态测量实时动态测量*127.1概述全球导航卫星系统（GlobalNavigationSatelliteSystem，GNSS）： 美国的GPS 俄罗斯的GLONASS； 中国的北斗导航卫星系统BDS； 欧盟的Galileo。其他的： 日本的准天顶卫星系统（TheQuasi-ZenithSatelliteSystem，QZSS）； 印度区域导航卫星系统（IndianRegionalNavigationSatelliteSystem，IRNSS）。3GNSS卫星4全球定位系统（GPS）:

“授时、测距导航系统/全球定位系统（NavigationSystemTimingandRanging/GlobalPositioningSystem）”的简称。该系统是由美国从上世纪70年代开始研制，历时20年，耗资200亿美元，于1994年全面建成，具有在海、陆、空进行全方位实时三维导航与定位能力的新一代卫星无线电导航与定位系统。特点：具有全天候、高精度、自动化、高效率等，即：（1）全球覆盖；（2）自动化，精度高；（3）实时三维动态定位、测速和定时；（4）高效率，无用户数量限制，应用广泛。应用：工程测量、大地测量、航空摄影测量、运载工具导航和管制、地壳运动监测、工程变形监测、资源勘察、地球动力学等领域。应用领域还在不断地拓展，遍及国民经济各种部门，并逐步深入人们的日常生活,从而给测绘学科带来了一场深刻的技术革命。5相对于经典的测量技术（全站仪）来说，GNSS的特点

如下：测站之间无需通视。因而不再需要建造觇标，可减少测量工作经费和时间，同时也使点位的选择变得非常灵活。b)

高精度三维定位。GNSS可以精密测定平面位置和大地高。c)

观测时间短。近年来发展的快速相对定位法，观测时间仅需数分钟；实时动态定位技术（RTK）可提供厘米级的实时三维定位结果。d)

操作简便。GNSS测量自动化程度很高，操作员的主要任务只是安置并开关仪器，量取仪器高，监视仪器的工作状态等。接收机自动完成观测工作，如卫星捕获，跟踪观测和记录等。GNSS接收机重量轻，体积小，携带方便。e)

全天侯作业。GNSS接收机可以在任何地点（卫星信号不被遮挡的情况下），任何时间连续地进行，一般也不受天气状况的影响。67.2GNSS测量原理1.观测值

GNSS卫星的信号是通过将码信号调制到载波上形成来实现的。

基本频率10.23MHzL1载波1575.42MHzC/A码1.023MHzP码10.23MHz数据码50BPS

154

120

10

204600L2载波1227.60MHzP码10.23MHz数据码50BPS7GNSS观测模型按观测值不同分为：码伪距观测定位

、载波相位测量定位；按使用同步观测的接收机数和定位解算方法来分：单点定位（绝对定位）、差分定位（相对定位）；

根据接收机的运动状态可分为静态定位

、动态定位。

单点定位：确定接收机在世界坐标系（WGS-84）中三维坐标。

相对定位：确定接收机相对地面上另一参考点的空间基线向量。

静态定位：接收机是静止不动的。

动态定位：确定接收机载体的三维坐标和速度。绝对定位和相对定位中，均包含静态和动态两种方式。比较有代表性的定位模式，即为伪距单点定位

、载波相位相对定位，其他的定位模式均为依此衍生而来。伪距单点定位伪距：卫星到接收机的距离观测值，即由卫星发射的测距码信号到达GNSS接收机的传播时间乘以光速所得的距离

由于伪距观测值所确定的卫星到测站的距离，都不可避免地会含有卫星钟和接收机钟同步误差、大气传播延迟等的影响。

为了与卫星和接收机之间的真实几何距离相区别，这种含有误差影响项的距离观测，通常称为“伪距”，并把它视为GNSS定位的基本观测量。

伪距法单点定位：利用GNSS接收机在某一时刻，同步测定至少4颗及以上GNSS卫星的伪距，以及从卫星导航文件中获得的卫星位置，采用距离交会法求得接收机的三维坐标。89GNSS卫星

伪距单点定位示意图10载波相位相对定位载波相位：载波是指被调制以传输信号的波形，一般为正弦波。载波相位伪距：卫星到接收机的波数观测量，即由卫星发射的测距码信号到达GNSS接收机的传播时间乘以频率φ=f·t

。11载波相位相对定位

为克服关于大气折射延迟改正不够准确，以及减少未知数等原因，常对以上观测量作差分处理，所以叫相对定位。

一般要两台接收机同步观测相同的卫星。

一般用到的有单差、双差、三差法。单差观测量：不同观测站同步观测相同卫星所得观测量之差。双差观测量：在单差法基础上，对不同测站同步观测一组卫星所得单差之差。测站间同步观测量的单差示意图

测站间同步观测量的双差示意图

S1S212

三差法：在双差法基础上，不同测站同步观测的同一组卫星所得双差观测量作差分。测站间同步观测量的三差示意图S1sS2r13差分法载波相位测量虽然可以消去一系列多余参数项（即指不含有测站坐标的项），但在组成差分观测方程时，减少了观测方程的个数，另外，也增加了观测量之间的相关性，这些都不利于提高最后解的精度。一般是采用双差法求解最终结果。三差法只是用于整周跳变的探测和估计，或求得测站坐标的近似解。142. GNSS测量误差误差源三种情况：与GNSS卫星有关的误差与信号传播有关的误差与接收设备有关的误差

(一)与GNSS卫星有关的误差卫星星历误差： 广播星历或其它轨道信息给出的卫星位置与卫星真实位置之间的差值。卫星钟误差： GNSS卫星原子钟仍会有偏差或漂移。15(二)与信号传播有关的误差

大气折射误差：

电离层折射影响，与GNSS信号频率有关，

对流层折射影响。与GNSS信号频率无关 合称为中性大气折射影响，简称对流层折射。

多路径效应： 接收机天线除收到GNSS信号外，还可能收到天线周围地物反射来的信号。 两种信号叠加，引起观测值变化，它与天线周围反射面的性质而异，难以控制。多路径效应具有周期性误差，其变化幅度可达数厘米。

16(二)与信号传播有关的误差

消除或减弱多路径效应： 采用载波相位测量方法； 采用扼流圈天线。 测量选址应考虑多路径信号产生的可能性，尽量避开高大建筑物和远离水面，避免接收其反射信号。17(三)与接收设备有关的误差

观测误差：

观测分辨误差、接收机天线相对测站点的安置误差。 观测分辨误差约为信号波长的1%。 天线安置误差：置平、对中、天线高测量误差。

接收机的钟差： 数据处理中作为未知数解出。 差分法相对定位，用不同卫星间求差来消除其影响。

天线的相位中心误差：

天线几何中心与相位中心不一致产生。 用观测值求差和相对定位能削弱这种影响。观测时要求线的指北极都指向正北方向。*187.3静态测量GNSS测量：与常规测量一样，分为外业和内业两部分。GNSS实施：网的优化设计；选点与建立标志；外业观测；内业数据处理。1、技术设计GNSS网技术设计，实施GPS测量的第一步，也是在网的精确性、可靠性和经济性方面，实现用户要求的重要环节。主要内容：精度指标设计网的图形设计网的基准设计。19

精度设计对GNSS网的精度要求，主要取决于网的用途。精度指标，以网中相邻点之间的距离误差来表示（GNSS测量规范）。精度指标影响GNSS网的布设方案、观测计划、观测数据的处理方法，以及作业的时间和经费。所以，在实际设计工作中，要根据实际需要确定。图形设计网的图形设计，应在满足用户要求的条件下，尽量减少作业成本。GNSS网应采用独立观测边构成闭合图形，如： 三角形； 多边形；

附合线路。20

精度设计基准设计网的基准：包括网的位置基准、方向基准和尺度基准。而确定网的基准，是通过网的整体平差来实现的。网的基准设计，主要是指确定网的位置基准问题。确定网的位置基准，通常可根据情况，选取以下方法：（1）选取网中一点的坐标值并加以固定，或给以适当的权；（2）网中的点均不固定，通过自由网伪逆平差或拟稳平差，确定网的位置基准；（3）在网中选若干点的坐标值并加以固定；（4）选网中若干点（直至全部点）的坐标值并给以适当的权。212、选点 考虑方便使用：（1）应埋设在基础稳定、不易破坏的地点；（2）应选择在视野开阔的地方，避免树木遮挡，尽量远离高大建筑和大面积水域，以减弱多路径的影响；（3）应远离大功率无线电发射源200m以上、高压输电线50m以上；（4）应考虑交通方便和人身安全；（5）应有利于控制网联测和扩展，若有特殊要求还需要控制点间相互通视，223、外业观测方法１、外业观测计划设计（１）编制预报图：预报软件输入测区中心点概略坐标、作业时间、卫星截止高度角≥１５°等，利用不超过２０天的星历文件即可编制卫星预报图。（２）编制作业调度表：根据仪器数量、交通工具、测区交通环境及卫星预报状况制定作业调度表。包括：观测时段，注明开、关机时间；测站号、测站名；接收机号、作业员；车辆调度表。233、外业观测方法２、野外观测严格按照技术设计要求进行。（１）

安置天线：对中、整平，量仪器高。仪器高要求钢尺在互为１２０°方向量三次，互差小于３

mm，取平均值后记录或输入ＧNSＳ接收机。（２）安置ＧNSＳ接收机：ＧNSＳ接收机应安置在距天线不远的安全处，连接天线及电源电缆，并确保无误。（３）开机观测：开机，输入或记录测站名。接收机自动化程度很高，仪器一旦跟踪卫星进行定位，接收机自动将接收的卫星星历、观测值文件以及输入信息存入接收机内记忆体。作业员只需要定期查看接收机工作状况。一个时段的测量结束后，要查看仪器高和测站名是否输入，确保无误后再关机、关电源，迁站。243、外业观测方法２、野外观测严格按照技术设计要求进行。（４）ＧNSＳ接收机记录的数据有：ＧNSＳ卫星星历；观测历元的时刻和码伪距观测值及载波相位观测值；ＧNSＳ绝对定位结果；测站信息。（5）观测数据预处理 外业观测数据在测区要及时严格检查，对外业预处理成果，按规范要求严格检查、分析；必要时重测和补测。确保外业成果无误后方可离开测区。4、数据处理标准化观测数据平差。平差主要包括：同步基线边解算 同一基线边，多历元同步观测值平差。得： 基线向量（坐标差）、方差与协方差阵。观测成果检核与网平差 基线向量构网，检核同步环、异步环、重复边闭合差。 基线向量网的整体平差。 得：网点空间直角坐标，大地坐标、高斯平面坐标、方差与协方差。264、数据处理标准化观测数据平差。平差主要包括：坐标转换，或与地面网的联合平差 按用户要求，进行坐标系统的转换。 确定GNSS网与原网的转换参数，进行联合平差。5、工程应用工程控制测量 高斯投影转换； 三维空间坐标转换成高斯平面坐标； 二维平面坐标转换； 转换公式（四参数转换）： （7.13）式中X、Y为工程平面坐标，x、y为高斯平面直角坐标，δx和δy为2套坐标系的平移参数，α为旋转参数，μ为比例参数。5、工程应用工程控制测量

求4个转换参数，最小2个已知2套坐标值的公共点。设 已知点A、B的高斯坐标A（xa，ya）、B（xb，yb）；工程坐标A（XA，YA）、B（XB、YB）。为方便计算，把高斯坐标原点移到点A，则式（7.13）简化为（7.14）求得5、工程应用工程控制测量 求得其中sign(z)为符号函数，取值5、工程应用工程控制测量 例7.1 点B和E线路里程DK8+210.000、DK9+483.811，为X值； 桥轴线里程方向为桥梁施工平面坐标系的X轴方向； 桥轴线左侧平移1000m建立X轴； 左手坐标系建立Y轴方向； 求各点的桥梁施工平面坐标。

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

BAE里程方向FD桥轴线

图7.6 桥梁控制网示意图5、工程应用工程控制测量 按题意，得： XB=8210.000m，XE=9483.811m，YB=YE=1000m；

5、工程应用工程控制测量 按题意，得：5、工程应用工程控制测量 把α、μ、点B的2套坐标代入式（7.14），得点A的桥梁施工平面坐标：5、工程应用工程控制测量 同理可得其余点C、D和F的桥梁施工平面坐标：，，

5、工程应用工程控制测量 桥梁施工控制网：除点B外；其余的点A、C、D、E、F均用，，

若GNSS桥梁网以跨越结构精度要求最高的平均高程面为高斯投影的高程投影面时代入式（7.14）计算平面坐标。这就是土木工程施工控制网常用的1点1方向约束方法。5、工程应用高程测量 ，，

GNSS测量的高程：测点p沿法线方向到参考椭球面的距离，称为大地高H；土木工程中使用的高程是正常高；正常高：测点p沿铅垂线方向到似大地水准面的距离h；同一测点的大地高H与正常高h的关系为高程异常：ζhH似大地水准面参考椭球面图7.7大地高与正常高p5、工程应用高程测量 ，，

小范围测区，若3个以上点的大地高和正常高均已知，可通过数值拟合方法内插出测区中任意点的高程异常。平面内插方法，也称三参数拟合法。设测区有大致均匀分布的3个已知平面坐标（Xi，Yi）、大地高（Hi）和正常高（hi），则有：是i点的高程异常；、、分别是待求参数。

（7.16）5、工程应用高程测量 容易解出：得任意点j的正常高hj为当已知高程异常点的个数n>3时，可以使用间接平差方法解算三参数。（7.17）（7.18）5、工程应用高程测量 例7.2已知4个点A、B、C和D的平面坐标X、Y和大地高H； 3个点A、B和C的正常高h； 求控制点D的正常高hD。表7.2控制点坐标、大地高和正常高X/mY/mH/mh/mA00500.00486.50B0300.00501.00487.29C400.000505.00491.66D100.00100.00496.005、工程应用高程测量 例7.2求得3个公共控制点A、B和C的高程异常将3个点A、B和C的坐标和高程异常代入式（7.16）5、工程应用高程测量 例7.2由式（7.17）可解得三参数再将X和点D的坐标和大地高代入式（7.18），得D正常高427.4实时动态测量RTK（RealTimeKinematic）依据动态相对定位原理对两台接收机的载波相位观测数据进行实时处理。图7.168RTK定位示意图437.4实时动态测量1.GNSSRTK测量（1）投影参数设置和基准转换参数设置。 点校正（2）参考站参数设置。 配置参考站坐标; 配置天线高； 配置无线电类型； 配置接收机端口号； 配置控制器或测量手簿端口号等。447.4实时动态测量1.GNSSRTK测量（3）流动站参数设置。 差分数据协议设置（必须和参考站保持一致）： 配置天线高； 配置天线类型； 配置天线高； 配置无线电类型等。457.4实时动态测量2.CORSRTK测量（1）定位原理1）系统：

组成：参考站、数据处理中心、数据通信和用户应用； 数据通信子系统互联，分布于一定区域的局域网。2）参考站： 一个或若干个固定的、连续运行的GNSS参考站； 集成计算机、数据通信、局域网（LAN）或广域网（WAN）； 实时自动提供经检验的载波相位和伪距等观测值、改正数、状态信息、及其他有关GNSS服务项目的系统。467.4实时动态测量2.CORSRTK测量（1）定位原理3）用户：

1台接收机； 准实时或实时的快速定位、或事后定位； 导航定位。477.4实时动态测量2.CORSRTK测量（2）技术特点1）操作灵活简单。 无需点间通视，无障、全气候，能收到卫星和网络通信信号，就可获得精度较高成果。2）定位精度高且分布均匀。 无误差传播和积累，点精度相互独立、互不干扰。3）工作效率高、成本低。 卫星和通信信号正常，5~20秒初始化、5~15秒测量1个点。 可胜任测量精度cm级的施工放样、高程测量和地形测量等常规测量工作。487.4实时动态测量2.CORSRTK测量（3）影响因素1）参考站 采用VRS技术的参考站； 流动站在参考站100km范围内作业。2）通信系统 参考站与数据中心：采用同步数字体系（SDH）的专用通信线路连接。 数据中心与用户：采用无线广域通信网络的码分多址（CDMA）和通用分组无线服务技术（GPRS）传输。497.4实时动态测量2.CORSRTK测量（3）影响因素3）数据中心 故障主要原因：