1、第8章 GNSS测量的原理与方法 GNSSGlobal Navigation Satellite System 全球导航卫星系统缩写 GNSS美国GPS、俄罗斯GLONASS 中国Compass(北斗)、欧盟Galileo(伽利略)已投入商业运行的卫星定位测量系统 美国GPS，俄罗斯GLONASS。2012年10月25日,我国发射第16颗北斗卫星(5+30)“北斗”系统将于2012年前具备亚太地区服务能力 2020年左右具备覆盖全球的服务能力。1)GPS GPS始建于1973年，1994年投入运营 24颗卫星均匀分布在6个相对于赤道倾角为 55o的近似圆形轨道上，每个轨道有4颗卫星运行 卫星距
2、地球表面的平均高度20181km 运行速度3800m/s，运行周期11h58min2s 每颗卫星可覆盖全球38的面积 卫星的分布，可保证在地球上任意地点、任何时刻 高度15o以上的天空能同时观测到4颗以上卫星。GPS卫星星座(6轨道4颗=24颗)GPS卫星 GPS卫星 GPS卫星 美国最新型GPS卫星洛马公司GPS-III卫星 2010年6月发射入轨，定位精度提高2倍。美国最新型GPS卫星波音公司GPS-IIF卫星 2010年5月发射入轨，定位精度提高2倍。2)GLONASS GLONASS始建于1976年，2004年投入运营 设计使用24颗卫星均匀分布在3个相对于赤道的 倾角为64.8o的近
3、似圆形轨道上 每个轨道上有8颗卫星运行 它们距地球表面的平均高度19061km 运行周期11h16min。GLONASS卫星星座(3轨道8颗=24颗)GLONASS卫星 GLONASS卫星 GLONASS-M卫星模型 3)Compass(北斗)5颗静止轨道卫星，30颗非静止轨道卫星组成 提供两种服务开放服务和授权服务 开放服务服务区免费提供定位,测速和授时服务 定位精度10m，授时精度50ns 测速精度0.2m/s 2012年12月27日开始正式为亚太区域提供导航服务 预计2020年左右具备覆盖全球的服务能力。Compass卫星运行轨道 Compass卫星 Compass卫星 西昌卫星发射中心
4、“长征三乙”运载火箭发射 第16颗北斗导航卫星(2012年10月25日23时33分)4)欧盟Galileo系统 2002年3月24日欧盟决定研制组建自己的 民用卫星导航定位系统 Galileo系统 Galileo卫星27颗工作卫星+3颗备用卫星 30颗卫星均匀分布在3个轨道面,运行周期12h 卫星高度23616km,轨道倾角56o,总投资34亿欧元 2005年12月28日第一颗Galileo试验卫星进入轨道 2006年1月12日,卫星开始向地面发送信号。Galileo系统是一种多功能的卫星导航定位系统 有公开服务,安全服务,商业服务,政府服务功能 只有前两种服务是自由公开的 后两种服务需要经过
5、批准后才能使用。Galileo卫星运行轨道altitude 23616 kmSMA 29993.707 kminclination 56 degrees period 14 hours 4 min ground track repeat about 10 daysG G G GALI LEOALI LEOALI LEOALI LEOD ATAD ATAD ATAD ATA27+3 satellites in three Medium Earth Orbits(MEO)Walker 27/3/1Constellation 欧盟Galileo卫星 欧盟Galileo卫星 欧盟Galileo卫星 8
6、.1 GPS概述 GPS定位原理空间测距交会 P点安置GPS接收机，接收卫星发射的测距码信号 在接收机时钟控制下 解出测距码从卫星接收机的时间t 乘光速c、加卫星时钟与接收机时钟不同步改正 算出卫星接收机的空间距离 vt卫星钟差，vT接收机钟差 GPS测距方式单程测距 接收机接收到的测距信号不再返回卫星 接收机直接解算传播时间t 并算出卫星接收机的距离。)(tTvvctc 要求卫星和接收机时钟严格同步 卫星在严格同步时钟控制下发射测距信号 实际卫星钟与接收机钟不严格同步钟误差 两个时钟不同步对测距结果的影响c(vTvt)卫星广播星历含卫星钟差vt已知 接收机钟差vT未知观测方程解算 卫星接收机
7、的空间距离 未考虑大气电离层，对流层折射误差影响 不是卫星接收机的几何距离伪距)(tTvvctc 测距时刻ti 接收卫星Si广播星历解算出 Si在WGS-84坐标系的三维坐标xi，yi，zi 则Si卫星P点的空间距离 伪距观测方程 4个未知数xP，yP，zP，vT 应同时锁定4颗卫星观测，解算。222)()()(iPiPiPiPzzyyxxR222)()()()(iPiPiPiPTitiPiPzzyyxxRvvctc 观测A，B，C，D四颗卫星的伪距方程 解方程算出P点坐标xP，yP，zP222222222222)()()()()()()()()()()()()()()()(DPDPDPTDt
8、DPDPCPCPCPTCtCPCPBPBPBPTBtBPBPAPAPAPTAtAPAPzzyyxxvvctczzyyxxvvctczzyyxxvvctczzyyxxvvctc 8.2 GPS的组成 工作卫星，地面监控系统，用户设备。1)地面监控系统 卫星广播星历包含描述卫星运动及其轨道的参数 每颗卫星广播星历由地面监控系统提供 地面监控系统1个主控站,3个注入站,5个监测站(1)监测站 主控站控制的数据自动采集中心 设备双频GPS接收机、高精度原子钟 气象参数测试仪、计算机 功能对GPS卫星信号连续观测 搜集当地气象数据，观测数据经处理后传送到主控站(2)主控站 协调和管理所有地面监控系统工作
9、 根据观测数据，推算编制卫星星历、卫星钟差 大气层修正参数，数据传送到注入站 提供时间基准。各监测站和GPS卫星原子钟应与 主控站原子钟同步，或测量出其间钟差 将钟差信息编入导航电文，送到注入站 调整偏离轨道的卫星，使之沿预定的轨道运行 启动备用卫星，以代替失效的工作卫星(3)注入站 主控站控制下 将主控站推算和编制的卫星星历、钟差、导航电文 控制指令注入卫星存储器，监测注入信息的正确性 除主控站外，整个地面监控系统无人值守。2)用户设备 GPS接收机和相应的数据处理软件 GPS接收机包括接收天线、主机、电源。GPS接收机任务 捕获卫星信号，跟踪并锁定卫星信号 处理接收到的信号 测量测距信号从
10、卫星传播到接收机天线的时间间隔 译出卫星广播的导航电文 实时计算接收机天线三维坐标、速度和时间 按用途分类导航型，测地型，授时型 载波频率单频接收机(用1个载波频率)双频接收机(用2个载波频率)南方测绘NGS9600测地型单频静态GPS接收机 8.3 GPS定位的基本原理 测距原理伪距，载波相位测量，GPS差分定位 待定点位运动状态静态定位，动态定位。8.3.1 卫星信号 载波,测距码(C/A码P码),数据码(导航电文或称D码)同一原子钟频率f0=10.23MHz下产生。1)载波信号 频率用无线电波段两种不同频率电磁波 L1载波：f1=154f0=1575.42MHz，1=19.03cm L2
11、载波：f2=120f0=1227.60MHz，2=24.42cm 载波L1调制有C/A码、P码、数据码 载波L2调制有P码、数据码 测距码由0，1组成的二进制编码 一位二进制数比特(bit)每秒钟传输比特数称为数码率 卫星的两种测距码C/A码和P码属于伪随机码 具有良好自相关特性和周期性，容易复制 测距码卫星时钟控制发射某结构测距码 经t时间传播后到达GPS接收机 接收机产生同结构测距码复制码 复制码延迟时间后与接收的卫星测距码比较 调整延迟时间使两个测距码完全对齐 复制码延迟时间=t C/A码码元宽度对应距离293.1m 卫星与接收机测距码对齐精度1/100,测距精度2.9m P码码元宽度对
12、应距离29.3m 卫星与接收机测距码对齐精度1/100,测距精度0.29m P码测距精度高于C/A码10倍 C/A码粗码，P码精码 P码受美国军方控制，一般用户只能用C/A码测距。2)数据码 导航电文D码 含卫星星历，卫星工作状态，时间系统，卫星时钟运行状态，轨道摄动改正，大气折射改正 由C/A码捕获P码信息 导航电文二进制码 依规定格式按帧发射 每帧电文长度1500bit，播送速率50bit/s 8.3.2 伪距定位 1)单点定位 GPS接收机安置于测点，锁定4颗以上卫星 将收到的卫星测距码与接收机产生的复制码对齐 测量与锁定卫星测距码到接收机传播时间ti 求出卫星至接收机的伪距 从锁定卫星
13、广播星历获取卫星空间坐标 距离交会原理解算天线点三维坐标 伪距观测方程有4个未知数 锁定4颗卫星时方程有唯一解 没考虑大气电离层和对流层折射误差、星历误差影响，单点定位精度不高 C/A码定位精度25m，P码定位精度10m 2)多点定位 多台GPS接收机(23台)安置在不同测点 同时锁定相同卫星进行伪距测量 大气电离层和对流层折射误差、星历误差 影响基本相同 计算各测点间坐标差x,y,z 可消除上述误差影响 测点之间的点位相对精度大大提高。8.3.3 载波相位定位 载波L1，L2频率比测距码(C/A码和P码)频率高 波长比测距码短1=19.03cm,2=24.42cm 使用载波L1，L2作测距信
14、号 将卫星传播到接收机天线的正弦载波信号 与接收机基准信号比相求出相位延迟计算伪距 可获得很高测距精度 测量L1载波相位移误差1/100 伪距测量精度19.03cm/100=1.9mm 1)载波相位绝对定位 相位测量只能测出不足一整周期相位移 存在整周数N0不确定问题，N0整周模糊度 t0时刻(历元t0)，某卫星发射载波信号 到接收机相位移2N0+该卫星接收机距离 载波波长 对卫星连续跟踪观测，接收机内有多普勒计数器 只要卫星信号不失锁，N0不变 故在tk时刻，该卫星发射载波信号到接收机相位移 变成2N0+int()+int()接收机内多普勒计数器自动累计求出22200NN 考虑钟差改正c(v
15、Tvt)大气电离层折射改正ion 大气对流层折射改正trop 的载波相位观测方程 虽然对锁定卫星进行连续跟踪观测 可修正ion和trop 但整周模糊度N0始终未知 能否准确求出N0成为载波相位定位的关键。RvvcNtropiontT)(20(2)载波相位相对定位 两台GPS接收机分别安置在两测点 两测点连线基线 同步接收卫星信号 相同卫星相位观测值线性组合 解算基线向量在WGS-84坐标系增量x,y,z 确定它们的相对位置 一个测点坐标已知，可推算出另一个测点坐标 按相位观测的线性组合形式 载波相位相对定位单差法、双差法、三差法 只介绍前两种。(1)单差法 基线两端点安置两台GPS接收机 对同
16、一颗卫星同步观测方程 设基线两端的大气电离层改正ion 大气对流层改正trop相等 得单差观测方程 单差方程消除了卫星Si的钟差改正数itropionTitiiitropionTitiiRvvcNRvvcN2222020211110101)(2)(2iTTiiRvvcN12211212)(2itv(2)双差法 安置在基线端点上的两台GPS接收机 同时对Si与Sj两颗卫星进行同步观测 观测Sj卫星的单差观测方程 求差双差观测方程 消除基线两端接收机相对钟差改正数vT1vT2 差分法可减少计算中的未知数数量 消除或减弱测站共同误差影响，提高定位精度。jTTjjRvvcN12211212)(2iji
17、jijRN1212122 将 化算为基线端点 坐标增量(x12,y12,z12)的函数 有3个坐标增量未知数 如两台GPS接收机同步观测了n颗卫星 则有n1个整周模糊度，未知数总数3+n1 对每颗卫星观测m个历元时 就有m(n1)个双差方程 为求出3+n1个未知数 要求双差方程数未知数个数ijR12ijijijRN1212122 m(n1)3+n1 一般取m=2，也即每颗卫星观测2个历元即可。为提高相对定位精度，同步观测的时间应比较长 具体时间与基线长、所用接收机类型(单频/双频)和解算方法有关 在15km短基线上使用双频机观测 用快速处理软件 野外每个测点同步观测时间只需1015分钟 即可使
18、测量基线精度达到5mm+1ppm 8.3.4 实时差分定位 已知点安置一台GPS接收机基准站 已知坐标和卫星星历算出观测值的校正值 通过无线电台(数传电台)数据链 将校正值发送给运动中的GPS接收机移动站 移动站用收到的校正值对自身GPS观测值进行改正 消除卫星钟差、接收机钟差、大气电离层和对流层折射误差 应用带实时差分功能的GPS接收机才能进行。8.4 GNSS控制测量的实施 方案设计、外业观测、内业数据处理 工程测量规范 1)精度指标 载波相位静态相对定位法 两台或两台以上GNSS接收机 同时对一组卫星进行同步观测 控制网精度指标是以网中基线观测误差定义 mD=a+b10-6D a固定误差
19、，b比例误差，D基线长 2)观测要求 同步观测，测站从开始接收卫星信号 到停止数据记录观测时段 卫星与接收机天线连线与水平面夹角卫星高度角 点位图形强度因子PDOP一组卫星 与测站构成的几何图形形状与定位精度关系数 PDOP与观测卫星高度角及观测卫星空间分布有关 观测卫星高度角越小,分布范围越大PDOP越小 卫星高度角设为15o，点位PDOP值6 GNSS接收机锁定一组卫星后 自动计算出PDOP值并显示于屏幕上。NGS-9600 GNSS单频机 3)网形要求 GNSS接收机观测，不要求各站点间相互通视 网形设计，根据控制网用途、现有GNSS接收机台数 三种观测方案两台接收机同步观测 多台接收机
20、同步观测，多台接收机异步观测。介绍两台接收机同步观测方案(1)静态定位 两台接收机轮流安置在各基线端点 同步观测4颗卫星1h左右 或同步观测5颗卫星20min 用于精度要求较高的控制网 如桥梁控制网或隧道控制网(2)快速静态定位 测区中部选一测点为基准站 安置一台接收机 连续跟踪观测5颗以上卫星 另一台接收机 依次到其余各点流动设站观测 不必保持对所测卫星连续跟踪 每点观测12min 控制网加密，一般工程测量 控制点天空视野开阔,交通便利,远离高压线,变电所 及微波辐射干扰源的地点 WGS-84坐标系与测区坐标系的坐标转换 至少有2个及以上GNSS控制网点 与测区坐标系已知控制网点重合 坐标转换计算由GNSS附带数据软件自动完成。
