1、GNSS 測量原理及應用一、GNSS®量原理（以GPS為代表）（一）、GPS基本原理GPS導航系統的基本原理是測量出已知位置的衛星到用戶接收機之間的距離， 然后綜合多顆衛星的數據就可知道接收機的具體位置。要達到這一目的，衛星的位 置可以根據星載時鐘所記錄的時間在衛星星歷中查出。而用戶到衛星的距離則通過 記錄衛星信號傳播到用戶所經歷的時間，再將其乘以光速得到（由于大氣層電離層 的干擾，這一距離并不是用戶與衛星之間的真實距離，而是偽距（PR:當GPS衛星 正常工作時，會不斷地用 1和 0二進制碼元組成的偽隨機碼（簡稱偽碼）發射導航 電文。GPS系統使用的偽碼一共有兩種，分別是民用的 C/

2、A碼和軍用的P（Y）碼。C/A 碼頻率，重復周期一毫秒，碼間距 1微秒，相當于300m P碼頻率，重復周期天， 碼間距微秒，相當于30m而Y碼是在P碼的基礎上形成的，保密性能更佳。導航 電文包括衛星星歷、 工作狀況、 時鐘改正、 電離層時延修正、 大氣折射修正等信息。 它是從衛星信號中解調制出來，以 50b/s 調制在載頻上發射的。導航電文每個主幀 中包含5個子幀每幀長6s。前三幀各10個字碼；每三十秒重復一次，每小時更新 一次。后兩幀共15000b。導航電文中的內容主要有遙測碼、轉換碼、第 1、2、3數 據塊，其中最重要的則為星歷數據。當用戶接受到導航電文時，提取出衛星時間并 將其與自己的時

3、鐘做對比便可得知衛星與用戶的距離，再利用導航電文中的衛星星 歷數據推算出衛星發射電文時所處位置，用戶在WGS-8軟地坐標系中的位置速度等 信息便可得知。可見GPS導航系統衛星部分的作用就是不斷地發射導航電文。然而，由于用戶接受機使用的時鐘與衛星星載時鐘不可能總是同步，所以除了用戶 的三維坐標x、y、z夕卜，還要引進一個厶t即衛星與接收機之間的時間差作為未知 數，然后用 4 個方程將這 4 個未知數解出來。所以如果想知道接收機所處的位置， 至少要能接收到 4 個衛星的信號。GPS接收機可接收到可用于授時的準確至納秒級的時間信息；用于預報未來幾個月內衛星所處概略位置的預報星歷；用于計算定位時所需衛

4、星坐標的廣播星歷， 精度為幾米至幾十米（各個衛星不同，隨時變化）；以及GPS系統信息，如衛星狀況 等。GPS接收機對碼的量測就可得到衛星到接收機的距離，由于含有接收機衛星鐘 的誤差及大氣傳播誤差，故稱為偽距。對 0A碼測得的偽距稱為UA碼偽距，精度約 為20米左右，對P碼測得的偽距稱為P碼偽距，精度約為2米左右。GPS接收機對收到的衛星信號， 進行解碼或采用其它技術， 將調制在載波上的信息去掉后， 就可以恢復載波。嚴格而言，載波相位應被稱為載波拍頻相位，它是收到的受多普 勒頻 移影響的衛星信號載波相位與接收機本機振蕩產生信號相位之差。 一般在接收 機鐘確定的歷元時刻量測，保持對衛星信號的跟蹤，

5、就可記錄下相位的變化值，但 開始觀測時的接收機和衛星振蕩器的相位初值是不知道的，起始歷元的相位整數也 是不知道的，即整周模糊度，只能在數據處理中作為參數解算。相位觀測值的精度 高至毫米，但前提是解出整周模糊度，因此只有在相對定位、并有一段連續觀測值 時才能使用相位觀測值，而要達到優于米級的定位 精度也只能采用相位觀測值。按定位方式，GPS定位分為單點定位和相對定位（差分定位）。單點定位就是根 據一臺接收機的觀測數據來確定接收機位置的方式，它只能采用偽距觀測量，可用 于車船等的概略導航定位。相對定位（差分定位）是根據兩臺以上接收機的觀測數 據來確定觀測點之間的相對位置的方法，它既可采用偽距觀測量

6、也可采用相位觀測 量，大地測量或工程測量均應采用相位觀測值進行相對定位。在GPS觀測量中包含了衛星和接收機的鐘差、大氣傳播延遲、多路徑效應等誤差，在定位計算時還 要受到衛星廣播星歷誤差的影響， 在進行相對定位時大部分公共誤差被抵消或削弱， 因此定位精度將大大提高，雙頻接收機可以根據兩個頻率的觀測量抵消大氣中電離 層誤差的主要部分， 在精度要求高， 接收機間距離較遠時 （大氣有明顯差別） ，應選 用雙頻接收機。（二）、GPS的組成部分1. 空間部分GPS的空間部分是由24顆衛星組成（21顆工作衛星；3顆備用衛星），它位于距地表20200km的上空，均勻分布在6個軌道面上(每個軌道面 4顆),軌道

7、傾角 為 55°。衛星的分布使得在全球任何地方、任何時間都可觀測到4 顆以上的衛星，并能在衛星中預存導航信息，GPS的衛星因為大氣摩擦等問題；隨著時間的推移， 導航精度會逐漸降低。2. 地面控制系統地面 控制 系統 由監 測站 (Monitor Station )、主控制 站( Master Monitor Station )、地面天線( Ground Antenna )所組成，主控制站位于美國科羅拉多州春 田市( Colorado Spring )。地面控制站負責收集由衛星傳回之訊息，并計算衛星星 歷、相對距離，大氣校正等數據。3. 用戶設備部分用戶設備部分即GPS信號接收機。其主

8、要功能是能夠捕獲到按一定衛星截止角 所選擇的待測衛星，并跟蹤這些衛星的運行。當接收機捕獲到跟蹤的衛星信號后， 就可測量出接收天線至衛星的偽距離和距離的變化率， 解調出衛星軌道參數等數據。 根據這些數據，接收機中的微處理計算機就可按定位解算方法進行定位計算，計算 出用戶所在地理位置的經緯度、高度、速度、時間等信息。接收機硬件和機內軟件 以及GPS數據的后處理軟件包構成完整的 GPS用戶設備。GPS接收機的結構分為天 線單元和接收單元兩部分。接收機一般采用機內和機外兩種直流電源。設置機內電 源的目的在于更換外電源時不中斷連續觀測。在用機外電源時機內電池自動充電。 關機后機內電池為RAM存儲器供電，

9、以防止數據丟失。目前各種類型的接受機體積 越來越小，重量越來越輕，便于野外觀測使用(典型接收機專門介紹) 。(三) 、RTK原理RTK( Real - time kin ematic)實時動態差分法。這是一種新的常用的 GPS測量方法，以前的靜態、快速靜態、動態測量都需要事后進行解算才能獲得厘米級的 精度，而RTK是能夠在野外實時得到厘米級定位精度的測量方法，它采用了載波相 位動態實時差分方法，是GPS應用的重大里程碑，它的出現為工程放樣、地形測圖， 各種控制測量帶來了新曙光，極大地提高了外業作業效率。高精度的GPS測量必須采用載波相位觀測值，RTK定位技術就是基于載波相位 觀測值的實時動態定

10、位技術，它能夠實時地提供測站點在指定坐標系中的三維定位 結果，并達到厘米級精度。在 RTK乍業模式下，基準站通過數據鏈將其觀測值和測 站坐標信息一起傳送給流動站。流動站不僅通過數據鏈接收來自基準站的數據，還 要采集GPS觀測數據，并在系統內組成差分觀測值進行實時處理，同時給出厘米級 定位結果，歷時不足一秒鐘。流動站可處于靜止狀態，也可處于運動狀態；可在固 定點上先進行初始化后再進入動態作業，也可在動態條件下直接開機，并在動態環 境下完成整周模糊度的搜索求解。在整周末知數解固定后，即可進行每個歷元的實 時處理，只要能保持四顆以上衛星相位觀測值的跟蹤和必要的幾何圖形，則流動站 可隨時給出厘米級定位

11、結果。（四）RTK技術如何應用及注意事項1各種控制測量傳統的大地測量、工程控制測量采用三角網、導線網方法來施測，不僅費工費 時，要求點間通視， 而且精度分布不均勻， 且在外業不知精度如何， 采用常規的 GPS 靜態測量、快速靜態、偽動態方法，在外業測設過程中不能實時知道定位精度，如 果測設完成后，回到內業處理后發現精度不合要求，還必須返測，而采用RTK來進行控制測量，能夠實時知道定位精度，如果點位精度要求滿足了，用戶就可以停止 觀測了，而且知道觀測質量如何，這樣可以大大提高作業效率。如果把RTK用于公路控制測量、電子線路控制測量、水利工程控制測量、大地測量、則不僅可以大大 減少人力強度、節省費

12、用，而且大大提高工作效率，測一個控制點在幾分鐘甚至于 幾秒鐘內就可完成。2地形測圖過去測地形圖時一般首先要在測區建立圖根控制點，然后在圖根控制點上架上 全站儀或經緯儀配合小平板測圖，現在發展到外業用全站儀和電子手簿配合地物編 碼，利用大比例尺測圖軟件來進行測圖，甚至于發展到最近的外業電子平板測圖等 等，都要求在測站上測四周的地貌等碎部點，這些碎部點都與測站通視，而且一般 要求至少 2-3 人操作，需要在拼圖時一旦精度不合要求還得到外業去返測，現在采用RTK寸，僅需一人背著儀器在要測的地貌碎部點呆上一二秒種，并同時輸入特征 編碼，通過手簿可以實時知道點位精度，把一個區域測完后回到室內，由專業的軟

13、 件接口就可以輸出所要求的地形圖，這樣用RTK僅需一人操作，不要求點間通視,大大提高了工作效率，采用 RTK配合電子手簿可以測設各種地形圖，如普通測圖、 鐵路線路帶狀地形圖的測設，公路管線地形圖的測設，配合測深儀可以用于測水庫 地形圖，航 海海洋測圖等等。3放樣工程放樣是測量一個應用分支，它要求通過一定方法采用一定儀器把人為設計 好的點位在實地給標定出來，過去采用常規的放樣方法很多，如經緯儀交會放樣， 全站儀的邊角放樣等等，一般要放樣出一個設計點位時，往往需要來回移動目標， 而且要 2-3 人操作，同時在放樣過程中還要求點間通視情況良好，在生產應用上效 率不是很高，有時放樣中遇到困難的情況會借

14、助于很多方法才能放樣， 如果采用 RTK 技術放樣時，僅需把設計好的點位坐標輸入到電子手簿中，背著GPS接收機，它會提醒你走到要放樣點的位置，既迅速又方便，由于 GPS是通過坐標來直接放樣的， 而且精度很高也很均勻，因而在外業放樣中效率會大大提高，且只需一個人操作。二、典型測量型GNS取收機目前市場上測量型GNS取收機品牌多、型號多。就幾種具有代表性的產品做一 下介紹（一）進口 GNS取收機天寶R8系列、徠卡GS12 GS15系列、拓普康HiPer Ga/Gb系列（二）國產GNS取收機基準站內置發射電臺（典型代表南方靈銳 S86系列）技術特點：1）、一體化工業三防設計全合金外殼，堅固耐沖擊，抗

15、2m自然跌落，防水防塵IP67級雙電池組設計，無須拆裝，主機充電，超長工作時間，提供最可靠的電源 保證。2）、UHF電臺、GPRS/CDM網絡數傳模式的強強聯手業內認可，國際水平的UHF電臺數據鏈核心技術和成熟網絡數據傳輸技術 同時兼備，革新技術集成，無縫切換。用戶可以根據現場作業環境的不同需要 靈活選擇。3）先進多路徑干擾抑制技術和RTK解算模型滿足超長距離作業新靈銳S86T采用的主板擁有先進的PAC與 VISION技術，能夠利用信號的 特性建模來識別多路徑反射影響，配合南方獨有的四饋點接收天線、嚴格的電 子屏蔽和特殊的內部構造設計來實現對多路徑干擾的抑制。再加上主板采用的 長距離解算模型，

16、可以達到超長的作業效果。4 ）、無縫兼容CORSS統對所有品牌的COR系統都可以實現無縫接入，成熟應用。5）即插即用的主機ARM系統架構主機系統基于32位處理器的ARM架構，采用多任務的操作系統，數據處 理更快，更安全。即插即用 USB高速下載數據。6）、適應GPS現代化，支持 GLONASS當GPS現代化實現以后，在不需要增加硬件的情況下即可具備跟蹤新一代 GPS衛星信號的能力。同時，在惡劣的接收環境下，新靈銳S86T能夠結合GLONAS觀測數據與GPS數據來為定位解算提供更多的衛星信息，增強了定位 時衛星空間分布的圖形結構，提高定位的可靠性。7）、基準站內置發射電臺不斷創新的南方GPS核心

17、數據鏈技術，內置基準站發射電臺后，仍然能滿 足典型距離內的測量作業，使得基準站擺脫沉重電瓶和線纜并實現全無線作 業。8 ）、兩個國內領先新靈銳S86T是國內同類產品中第一款采用四饋點雙頻雙星天線的GPS接收機之一，可有效防止多路徑效應。擁有更強的接收信號能力。此外，它隨身 標配（內置、的藍牙是國內第一家通過 EMC（藍牙組織）認證產品，藍牙連接 更加穩定。9 ）、機身液晶顯示128X64分辨率，2英寸液晶顯示。用戶可通過顯示屏靈活進行儀器設置 和觀察儀器運行情況。10 ）、強大的RTK操作軟件系統得益于南方軟件在業界的巨大優勢，南方 RTK軟件系統在保持強功能、人 性化、多樣化的同時不斷細化軟件功能，針對不同行業的