教学材料工 程 测 量-6

第六章GNSS测量简介56第五节GPS-RTK测量第六节GPS测量的作业模式返回第一节概述GLASS的全称是全球导航卫星系统(UlobalNavigationSatelliteSystem)，它是泛指所有的卫星导航系统，包括全球的、区域的和增强的，如美国的UPS、俄罗斯的ULONASS、欧洲的GALILE()、中国的北斗卫星导航系统(CLASS)，以及相关的增强系统。如美国的WAASC广域增强系统)、欧洲的EGNOS(欧洲静地导航重叠系统)和日本的MSAS多功能运输卫星增强系统)等，还涵盖在建和以后要建设的其他卫星导航系统。国际GLASS系统是个多系统、多层面、多模式的复杂组合系统。为更全面精准地实现点位的定位，且不单独依赖UPS系统的导航能力，现在大多数测量仪器不仅带有UPS全球定位系统，还会伴随伽利略等系统，因此用UPS来统称已不合适，GLASS则更准确些。该计划分两步实施:第一步是建立一个综合利用美国的UPS系统和俄罗斯的CLONASS系统的第一代全球导航卫星系统(当时称为UNSS-1，即后来建成的EGNOS>;第二步是建立一个完全独立于美国的UPS系和俄罗斯的ULONASS系统之外的第二代全球导航卫星系统，即正在建设中的GALILE()卫星导航定位系统。下一页返回第一节概述一、四种主要的全球导航卫星系统简介1.俄罗斯格洛纳斯卫星导航系统(GLONASS)格洛纳斯(ULONASS>，是俄语“全球卫星导航系统UlobalNavigationSatelliteSystem的缩写”。该项目最早开发于苏联时期，后由俄罗斯继续该计划。俄罗斯从1993年开始独自建立本国的全球卫星导航系统。该系统于2007年开始运营，当时只开放俄罗斯境内卫星定位及导航服务。到2009年，其服务范围已经拓展到全球。该系统主要服务内容包括确定陆地、海上及空中目标的坐标及运动速度信息等。

2.欧盟伽利略卫星导航系统(caLiLEO)

伽利略卫星导航系统(Ualileosatellitenavigationsystem)，是由欧盟主导的新一代民用全球卫星导航系统，耗资超过30亿欧元。该计划于1999年2月由欧洲委员会公布，欧洲委员会和欧空局共同负责。上一页下一页返回第一节概述系统由轨道高度为23616km的30颗卫星组成，其中27颗工作星，3颗备份卫星寿命12年以上，每颗卫星重量675kg。卫星轨道高度约2.1万km，位于3个倾角为56。的轨道平面内。2015年3月30日，欧盟又发射两颗伽利略导航卫星，欲抗衡UPS。与美国的UPS系统相比，当系统完善以后，伽利略系统更先进，也更可靠。

3.中国北斗卫星导航系统(CNSS)中国“北斗”卫星导航系统〔BeiDou(COMPASS)NavigationSatelliteSystem〕简称CNSS:是我国正在实施的自主研发、独立运行的全球卫星导航系统。北斗卫星导航系统由空间端、地面端和用户端三部分组成，可在全球范围内全天候、全天时为各类用户提供高精度、高可靠定位、导航、授时服务，并具短报文通信能力，已经初步具备区域导航、定位和授时能力，定位精度lOm，测速精度0.2m/s，授时精度10ns。上一页下一页返回第一节概述空间端包括5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星;地面端包括主控站、注人站和监测站等若干个地面站;用户端由北斗用户终端以及与美国UPS、俄罗斯GLONASS、欧洲GALILE()等其他卫星导航系统兼容的终端组成。

4.美国全球卫星定位系统(GPS)全球定位系统(UlobalPositioningSystem，简称UPS)，是美国国防部于1973年12月正式批准陆、海、空三军共同研制的第二代卫星导航定位系统。该系统可提供一天21小时全球定位服务，能为用户提供高精度的信息。全球定位系统(UPS)的建成是导航与定位史上的一项重大成就。它是美国继“阿波罗”登月飞船、航天飞机后的第三大航天工程。到1991年3月9日整个UPS星座配备完成，历时20年，耗资近300亿美元，最终建成了由21颗卫星组成的UPS系统。上一页下一页返回第一节概述二、GLASS种类和用途1.GLASS种类GLASS卫星接收机种类很多，根据型号分为测地型、全站型、定时型、手持型、集成型;根据用途分为车载式、船载式、机载式、星载式、弹载式。2.GLASS的主要用途(1>陆地应用，主要包括车辆导航、应急反应、大气物理观测、地球物理资源勘探、工程测量、变形监测、地壳运动监测、市政规划控制等。(2)海洋应用，包括远洋船最佳航程航线测定、船只实时调度与导航、海洋救援、海洋探宝、水文地质测量以及海洋平台定位、海平面升降监测等。(3)航空航天应用，包括飞机导航、航空遥感姿态控制、低轨卫星定轨、导弹制导、航空救援和载人航天器防护探测等。上一页下一页返回第一节概述三、GNSS(GPS)在道路工程中的应用和发展前景GPS在道路工程中的应用，目前主要是用于建立各种道路工程控制网及测定航测外控点等。随着高等级公路的迅速发展，对勘测技术提出了更高的要求，由于线路长，已知点少，因此，用常规测量手段不仅布网困难，而且难以满足高精度的要求。目前，国内已逐步采用GPS技术建立线路首级高精度控制网，然后用常规方法布设导线加密。上一页返回第二节GPS系统的组成一、空间星座部分如图6-2所示，空间星座部分由21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成，记作(21+3)UPS星座。每颗卫星重771kg(包括310kg燃料)，直径1.5m，设计寿命为7.5年，卫星内安装有1台高精度原子钟(2台铆钟和2台艳钟)、微电脑、电子存储器的信号接收/发送设备、两侧设有两块7m2的双叶太阳能翼板(能自动对日定向，以保证卫星正常工作用电)以及其他设备。

1.载波可运载调制信号的高频振荡波称为载波。UPS卫星所用的载波有两个，由于它们均位于微波的I波段，故分别称为I1载波和Lz载波。下一页返回第二节GPS系统的组成其中I;载波是由卫星上的原子钟所产生的基准频率工(、八=10.23MHz)倍频151倍后形成的，即F1=152Xf0=1575.22MHz，其波长为19.03cm;载波是由基准频率工倍频120倍后形成的，即f2-120Xfo=1227.60MHz，其波长f2为24.42cmo采用两个不同频率载波的主要目的是了较完善地消除电离层延迟。采用高频率载波的目的是为了更精确地测定多.2.测距码测距码是用于测定从卫星至地面接收机间距离的二进制码。UPS卫星所用的测距码从性质上讲属于伪随机噪声码。它们看似一组杂乱无章的随机噪声码，其实是按一定规律编排起来的、可以复制的周期性的二进制序列，且具有类似于随机噪声码的自相关性。根据性质和用途的不同，测距码分为粗码(C‘/A码)和精码(<P码或Y码)两类，各卫星所用的测距码互不相同且相互正交。上一页下一页返回第二节GPS系统的组成3.导航电文格式导航电文是由UPS卫星向用户播发的一组反映卫星在空间的位置、工作状态卫星钟的修正参数、电离层延迟修正参数等重要数据的二进制代码，也称数据码(n码)。二、地面监控部分UPS工作卫星的地面监控系统目前主要由分布在全球的1个主控站、3个信息注人站和5个监测站组成，是整个系统的中枢，由美国国防部管理。主控站设在美国的科罗拉多·斯平士(ColoradeSpings)的联合空间执行中心CSCO(ConsolidatedSpaceOpertionCenter)，负责对地面监控站的全面控制。3个信息注人站分别设在大西洋、印度洋和太平洋的3个美军基地上，即大西洋的阿松森(Ascension)、印度洋的狄哥·伽西亚(DiegoCUarcia)和太平洋的卡瓦加兰(Kwaja-lein);5个监测站，除位主控站和3个信息注人站之处的1个站外，还在夏威夷设立1个监测站。下一页返回第二节GPS系统的组成监测站内装置有接收机、原子钟、气象传感器及数据处理计算机，其任务是追踪及预测UPS卫星轨道，控制UPS卫星状态及轨迹偏差，维护UPS系统的正常运作。对于导航定位来说，UPS卫星是一动态已知点。星的位置是依据卫星发射的星历—描述卫星运动及其轨道的参数算得的。每颗UPS卫星所播发的星历，是由地面监控系统提供的。卫星上的各种备是否正常工作，以及卫星是否一直沿着预定轨道运行，都要由地面设备进行监测和控制。地面监控系统另一重要作用是保持各颗卫星处于同一时间标准—UPS时间系统。这就需要地面站监测各颗卫星的时间，求出时钟差。然后由地面注人站发给卫星，卫星再由导航电文发给用户设备。上一页下一页返回第二节GPS系统的组成三、用户设备部分用户设备部分是适用于各种用途的UPS接收机，UPS用户接收机是由主机、电源和天线组成。主机的核心部件是信道电路、基带处理电路和中央处理器，在专用软件的控制下，进行作业卫星选择、数据收集、加工、传输、处理和存储。其天线则接收来自各方位的导航卫星信号。UPS接收机接收到从卫星传来的连续不断的编码信号后，再根据这些编码辨认关的卫星，从导航电文中获取卫星的位置和时间，然后计算出接收机(即用户)所在的准确地理位置。UPS接收机的结构分为天线单元和接收单元两大部分。对于观测地型接收机来说，两个单元一般分成两个独立的部件，观测时将天线单元安置在观测站上，接收单元置于观测站附近的适当地方，用电缆线将两者连接成一个整机。上一页下一页返回第二节GPS系统的组成也有的将天线单元和接收单元制做成一个整体，观测时将其安置在测站点上。UPS接收机一般用蓄电池作电源，同时采用机内/机外两种直流电源。设置机内电池的目的在于更换外电池时不中断连续观测。在用机外电池的过程中，机内电池自动充电。图6-3所示为我国南方测绘仪器公司生产的S86-S双频动态UPS信号接收机，其静态时平面精度达3mm士1ppmXD，高程精度为5mm士1pmXDoUPS接收机的主要功能是接收UPS卫星播发的定位信息。上一页返回第三节GPS轨道的大地参考坐标系二、GPS坐标转换在区域性的测量工作中，往往需要将GPS测量成果换算到用户所采用的区域性坐标系统，那需进行GPS坐标转换，或者为了改善已有的经典地面控制网，确定GPS网与经典地面网之间均转换参数，需要进行两网的联合平差。以下简单介绍在三维坐标系统中的转换模型。下一页返回第四节GPS定位的原理及主要特点UPS系统确定地面点位的思路是:根据空中的卫星发射的信号，确定空间卫星的轨道参数，计算出锁定的卫星在空间的瞬时坐标，然后将卫星看作分布于空间的已知点，利用UPS地面接收机，接收从某几颗(生颗或生颗以上)卫星在空间运行轨道上同一瞬时发出的超高频无线电信号，再经过系统的处理，获得地面点至这几颗卫星的空间距离，用空间后方距离交会的方法，求得地面点的空间位置。UPS系统所采用的坐标为WG81坐标系，如图6-5所示。由于空间卫星的时钟与地面接收机的时钟不可能同步，因此，需要观测1颗或以上的卫星，才能确定1个变量的值，即X、y、Z和时间T.上一页下一页返回第四节GPS定位的原理及主要特点UPS系统采用高轨测距体制，以观测站至UPS卫星之间的距离作为基本观测量。为了获得距离观测量，主要采用两种方法:其一是伪距测量，即根据接收机接收到的UPS卫星发射的测距A/L码和电文内容，通过信号从发射到到达用户接收机的传播时间，从而计算出卫星和接收机天线间的距离。但由于UPS卫星时钟与用户接收机时钟难以保持严格的同步，存在有时钟差，所以观测的卫星与接收机天线间的距离均含有受到卫星钟与用户接收机钟同步差的影响，以及信号在大气中传播的延迟误差等，并不是实际值，习惯上称所测距离为“伪距”。其二是载波相位测量，即测定UPS卫星载波信号在传播路径上的相位变化值，以确定信号传播的距离的方法。上一页下一页返回第四节GPS定位的原理及主要特点一、绝对定位与相对定位按定位方式，UPS定位分为绝对定位(单点定位)和相对定位(基线测量)。1.绝对定位绝对定位又称单点定位，是指在一个观测点上，利用UPS接收机观测1颗以上的UPS卫星，根据UPS卫星与用户接收机天线之间的距离观测量和已知卫星的瞬时坐标，独立确定观察在WGS-81协议地心坐标中的绝对位置，称为绝对定位，如图6-6所示。

2.相对定位相对定位是指在两个或若干个观测站上，设置UPS接收机，同步跟踪观测相同的UPS卫星，测定接收机之间相对位置(坐标差)的定位方法。两点间的相对位置可以用一条基线向量来表示，故相对定位有时也称为测定基线向量或简称为基线测量，如图6-7所示。上一页下一页返回第四节GPS定位的原理及主要特点在相对定位中，至少有一个点的位置是已知的，称之为基准点。由于相对定位是在几个点同步观测UPS差、卫历误差、信号的传播延迟误差和SA的影响等，故可以获得很高的相对定位精度，从而使这种方法成为精密定位中的主要作业方式。但进行相对定位时至少需要2台接收机，并要求各站接收机必须同步跟踪观测相同的卫星，因而外业观测的组织实施比较复杂，数据处理亦较麻烦，实时定位的用户还必须配备数据通信设备。二、静态定位与动态定位按待定点相对于地固坐标系的运动状态来区分，UPS定位可以分为静态定位和动态定位两类。1.静态定位上一页下一页返回第四节GPS定位的原理及主要特点如果待定点在地固坐标系中的位置没有可以察觉到的变化，或虽有可觉察到的变化，但由于这种变化是十分缓慢的，以致在一个时段内(数小时或若干天)可忽略不计，只有在第二次复测时(间隔一般为数月或数年后)其变化才能反映出来，因而在进行数据处理时，整个时段内的待定点坐标都可以认为是一组固定不变的常数。这样确定待定点位置的方法，称为静态定位。

2.动态定位如果在一个时段内，待定点相对于地固坐标系的位置有显著变化，每个观测瞬间待定点的位置各不相同，则在进行数据处理时，每个历元的待定点坐标均需作为一组未知数，确定这些载体在不同时刻的瞬时位置的工作称为动态定位。动态定位可以分为两种情况:一种是导航动态定位，它要求在用户运动时，实时地确定用户的位置和速度，并根据预先选定的终点和运动路线，引导用户沿预定航线到达目的地;另一种是精密动态定位，其主要目的不是导航，而是精确确定用户各个时刻的位置和速度。目前已比较广泛地应用于工程测量中。上一页下一页返回第四节GPS定位的原理及主要特点三、GPS主要特点GPS的问世标志着电子导航、定位技术发展到了一个更加辉煌的时代。与其他导航系统相GPS系统最基本的特点是以“多星、高轨、高频测量一测距”为体制，以高精度的原子钟为核由此产生如下:1.全覆盖、全天候连续导航定位2.高精度三维定位、测速及授时3.观测速度快4.自动化程度高，经济效益好5.能提供全球统一的三维坐标信息6.抗干扰能力强、保密性能好上一页返回第五节GPS一RTK测量一、R丁。技术简介RTD常规实时动态差分UPS.因为在实时动态测量中，最先在码相位测量上引人差分技术，所以把实时动态码相位差分测量称作常规差分UPS测量，即RTD(RealTimeDifferential).UPS测量主要误差有如下三项:(1)卫星时钟误差，为2一15m.(2)大气影响:包括电离层及对流层的影响，为2^-15m.(3)选择可用性误差(SA)，约100m.下一页返回第五节GPS一RTK测量二、RTK的概念RTK测量是实时动态载波相位差分(TPS测量，是指在运动状态下通过跟踪处理接收卫星信号的载波相位，从而获得比RTI}高得多的定位精度。为了和常规的码相位差分UPS相区别，称实时动态载波相位差分UPS为RTK，也有称作RTK/OTF(RealTimeKinematic/OnTheFly)o1.RTK系统用户部分的组成RTK技术是大地测量、空间技术、卫星技术、无线电通信与计算机技术的综合集成，在多领域发挥着重大作用。RTK系统主要由一个基准站、若干个流动站、通信系统和RTK测量的软件系统四大部分组成。其中，基准站，包括(TPS接收机(接收机通常具有数据传输参数、测量参数、坐标系统等的设置功能)、UPS天线、无线电通信发射设备、电源、基准站控制器等设备。流动站，包括(TPS天线、UPS接收机、无线电通信接收设备、电源、流动站控制器。RTK系统的工作流程如图6-8所示。上一页下一页返回第五节GPS一RTK测量2.RTK突出的优点(1)高精度。采用高性能双频机可达到2cm}2ppmXD，性能差的也可达到亚米级。

(2)实时性能。在现场即可得到三维坐标，并能实时放样出设计坐标。(3)轻便灵活。设备都非常轻便，不包括电源基准台只有十几千克，移动台只有几千克，搬迁安装非常灵活。3.应用领域高精度的工程测量，如航道测量、地形测图、道路工程等。(1>地震测线放样。可以根据设计测线的检波点及炮点位置在实地确认。由于有很高的三维坐标精度，在陆地测量中，可以同时得到点位的平面位置和高程。(2)代替常规的UPS静态控制测量。因几厘米或几分米的精度可以满足一般工程测量中的控制精度要求，无须长时间静态测量事后处理。上一页下一页返回第五节GPS一RTK测量4.RTK的局限性(1)作用距离有限。RTK测量在解算整周未知数时，需要一个近似的估值，该估值是由码相位常规差分测量求得的，作用距离太大时，该估值的误差就大，有可能在运动状态下无法搜索到可靠的整周数解，导致作业失败，因此作用距离就非常有限，一般情况下，要得到厘米级精度时，作用距离不能大于10一15km，要得到亚米级精度，作用距离不能大于50km。随着今后研究的深入和技术不断完善，作用距离可能放宽。(2)初始化时间的等待在动态下求解整周模糊度。即初始化需要一定时间(几秒到几分钟)，因此在连续动态作业过程中，一旦信号失锁，需要重新进行初始化。在初始化过程中，精度将降低到常规差分UPS的精度，只有等待初始化完成，精度才能恢复到原有的程度。上一页下一页返回第五节GPS一RTK测量三、R丁K系统工作及数据处理1.GPS-RTK系统工作示意图实时动态测量RTK是基于载波相位观测值的实时动态定位技术。在RTK作业模式下，基准站通过数据链—调制解调器，将其观测值及站点的坐标信息用电磁信号一起发送给流动站。流动站不仅接收来自基准站的数据，同时自身也要采集UPS卫星信号，并取得观测数据，在系统内组成差分观测值进行实时处理，瞬时地给出精度为厘米级(相对于参考站)的流动站点位坐标。GPS-RTK系统外业工作如图6-9所示。2.GPS-RTK数据处理流程示意图上一页下一页返回第五节GPS一RTK测量在RTK作业模式下，基准站通过数据链将其观测值(伪距和载波相位观测值)和测站坐标信息(如基准站坐标和天线高度)一起传送给流动站，流动站在完成初始化后，一方面通过数据链接接收来自基准站的数据;另一方面自身也采集(TPS观测数据，并在系统内组成差分观测值进行实时处理，再经过坐标转换、高程拟合和投影改正，即可给出实用的厘米级定位结果，如图6-10所示。上一页返回第六节GPS测量的作业模式一、静态定位模式静态定位模式是将UPS接收机安置在基线端点上，观测中保持接收机固定不动，以便能通过重复观测取得足够的多余观测数据，以提高定位的精度。这种作业模式一般是采用两套或两套以上UPS接收设备，分别安置在一条或数条基线的端点上，同步观测1颗以上卫星。可观测数个时段，每时段长1-3h。静态定位一般采用载波相位观测量。静态定位模式所观测的基线