GNSS在控制测量中的应用

全球导航卫星系统（GlobalNavigationSatelliteSystem，GNSS），是中国的北斗系统、美国的GPS系统、俄罗斯的GLONASS系统、欧盟的Galileo系统等卫星导航定位系统的统一称谓，它的应用为测绘工作提供了崭新的测量手段。GNSS定位技术因其精度高、速度快、费用省、操作简便等优良特性，广泛应用于控制测量。特别是RTK技术，在小区域控制测量中比导线测量更灵活，更快捷，是目前使用最广泛的图根控制测量方法。

一、GNSS的组成

全球导航卫星系统都是由空间、地面、用户三大部分组成，其中美国建立的全球定位系统（GPS）最成熟，应用最广泛，因此本节以GPS为例，介绍全球导航卫星系统的组成。

GPS系统包括三大部分：空间部分——GPS卫星星座；地面控制部分——地面监控系统；用户设备部分——GPS信号接收机，具体组成如下。

1.GPS卫星星座

美国共发射24颗GPS卫星，距离地面20200km。24颗卫星中有21颗工作卫星，3颗备用卫星。其中，21颗卫星均匀分布在6个轨道平面内，轨道倾角为55°，各个轨道平面之间相距60°，即各轨道面升交点赤经相差60°。

GPS卫星在两万多公里高空，当地球对恒星来说自转一周时，它们绕地球运行二周，即绕地球一周的时间为12恒星时。位于地平线以上的卫星颗数随着时间和地点的不同而不同，最少可见到4颗，最多可见到11颗。在用GPS信号导航定位时，为了解算测站的三维坐标，必须观测4颗GPS卫星，称为定位星座。这4颗卫星在观测过程中的几何位置分布对定位精度有一定的影响。

2.地面监控系统

对于导航定位来说，GPS卫星是动态已知点。星的位置依据卫星发射的星历（描述卫星运动及其轨道的参数）算得。每颗GPS卫星所播发的星历由地面监控系统提供。卫星上的各种设备是否正常工作，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。地面监控系统的另一重要作用是保持各颗卫星处于同一时间标准——GPS时间系统。这就需要地面站监测各颗卫星的时间，求出钟差，然后由地面注入站发给卫星，卫星再由导航电文发给用户设备。GPS工作卫星的地面监控系统包括一个设在美国科罗拉多的主控站、三个分布在大西洋、印度洋和太平洋美国军事基地的注入站和五个分设在夏威夷和主控站及注入站的监测站。

3.用户设备部分

用户设备部分主要是GPS接收机，主要任务是捕获、跟踪、锁定并处理卫星信号，测量出卫星信号到接收机天线的传播时间，解译GPS卫星导航电文，实时计算接收机天线的三维坐标、速度、时间，完成导航与定位任务。同时用户设备部分还包括数据处理软件和相应的处理器。GPS接收机一般由天线、主机、电源3个部分组成。

GPS接收机按用途可分导航型接收机、测地型接收机、授时型接收机和姿态测量型接收机；按应用领域可分为手持型、车载型、船载型、机载型、星载型接收机；按载波频率可分为单频接收机和双频接收机。

二、GNSS定位原理与方法

（一）GNSS定位原理

GNSS卫星定位的实质是空间距离后方交会，将卫星视为空间“动态已知点”，地面接收机可以在任何点、任何时间、任何气象条件下进行连续观测，在时钟控制下，测出卫星信号到达接收机的时间，计算出GNSS卫星和用户接收机天线之间的距离，进行空间距离交会，从而确定用户接收机天线所处的位置，即待定点的（X，Y，Z）。

根据测距原理的不同，GNSS定位分为伪距测量定位、载波相位测量定位。

1.伪距测量定位

伪距测量定位是通过测定某颗卫星发射的测距码信号（C/A码或P码）到达用户接收机天线的传播时间（即时间延迟），计算卫星到接收机天线的空间距离见式（6-32）：

式中：c是电磁波在大气中的传播速度。

由于各种误差的存在，由卫星发射的测距码信号到达GPS接收机的传播时间乘以光速所得出的测量距离并不等于卫星到测站的实际几何距离，故称为伪距。

设第i颗卫星观测瞬间在空间的位置为（X i，Y i，Z i）T，接收机观测瞬间在空间的位置为（X，Y，Z）T，从卫星至接收机的几何距离可以写成

观测值方程式（6-33），未考虑卫星钟差、接收机钟差以及大气层折射等影响，卫星钟差、大气层折射可以采用适当的模型进行改正。把接收机钟差看成一个未知数，加上测站3个坐标未知数，共有4个未知数，因此在同一观测历元，至少需要观测到4颗卫星，获得4个观测方程，求解出4个未知数。实际工作中，一般应观测尽可能多的卫星，组成较好的空间分布图形，以提高定位的精度和可靠性。

2.载波相位测量定位

若某卫星S发出一载波信号的相位为φS，该信号向各处传播。在某一瞬间，该信号到达接收机R处的相位为φR，则卫地距ρ为

式中：λ为载波的波长。

载波相位测量以波长λ作为“尺子”来测量卫星至接收机的距离。接收机并不量测载波相位φS，而是通过接收机振荡器中产生的一组与卫星载波频率及初始相位完全相同的基准信号（即复制载波），来量测相位差（φS-φR），用Δφ来表示相位差（φS-φR），N 0表示整周数，Δφ（t）表示不到一周的余数。载波相位观测时，可以获得Δφ（t），但整周未知数N 0需要通过其他途径求解。若在跟踪卫星过程中，卫星信号暂时中断或受电磁信号干扰造成失锁，整周计数器无法连续计数，但不到一周的相位观测值Δφ（t）仍正确，这种现象称为周跳，这时需要修复周跳。若此时不到一周的相位观测值Δφ（t）也不正确，则需要重新初始化进行观测。具体内容请参考相关书籍。

（二）卫星定位方式

GNSS按定位模式的不同可以分为绝对定位和相对定位。

1.绝对定位

绝对定位也叫单点定位，是指直接确定观测站在协议地球坐标系WGS-84中绝对坐标的定位方式。如图6-25所示，GNSS绝对定位是在一个待定点上，用一台接收机独立跟踪4颗或4颗以上卫星，用伪距测量或载波测量方式，利用空间距离后方交会的方法，测定待测点（GNSS接收机相位中心）的绝对坐标。单点定位按接收机的运动状态可分为静态单点定位和动态单点定位。

2.相对定位

相对定位又称为差分定位，如图6-26所示，相对定位模式采用两台或两台以上的接收机同步跟踪相同的卫星信号，以载波相位测量方式确定接收机天线间的相对位置（三维坐标差或基线向量）。根据一个测站的坐标值，可以推算其余各点的坐标。由于各台接收机同步观测相同的卫星，卫星钟差、接收机钟差、卫星星历误差、电离层延迟和对流层延迟改正等观测条件几乎相同，通过多个载波相位观测量间的线性组合，计算各测站时可以有效地消除或大幅度削弱上述误差，从而得到较高的相对定位精度（10-7～10-6），广泛应用于大地测量、精密工程测量等领域。

图6-25　GNSS绝对定位

图6-26　GNSS相对定位

值得注意的是，目前生产常用通过CORS网进行的RTK测量，表面上只利用一台接收机，采用绝对定位模式，但实际上是以CORS作为基准站的相对定位模式。

三、GNSS控制网的布设形式

目前GNSS测量主要分为静态测量与动态RTK测量，静态测量主要用于精度较高的控制测量和变形监测等，动态RTK测量主要用于图根级控制测量、碎部测量或工程上的施工放样测量。

若要进行GNSS静态测量，就要进行GNSS网的技术设计，包括精度指标、网形设计等。

GNSS网设计的出发点是在保证质量的前提下，尽可能地提高效率，努力降低成本。因此，在进行GNSS网的布设和测量时，既不能脱离实际的应用需求，盲目地追求不必要的高精度和高可靠性；也不能为追求高效率和低成本，而放弃对质量的要求。

根据不同的用途，GNSS网有以下4种布设形式。

1.点连式

如图6-27所示，点连式是指相临同步图形之间仅由一个公共点的连接，其图形几何强度很弱，没有或极少有非同步图形闭合条件，一般不单独使用。

2.边连式

如图6-28所示，边连式是指同步图形之间由一条公共基线连接，图形几何强度较高，有较多的复测边和非同步图形闭合条件，其几何强度和可靠性均优于点连式。

图6-27　GNSS点连式示意图

图6-28　GNSS边连式示意图

3.混连式

图6-29　混连式示意图

如图6-29所示，混连式是指把点连式与边连式有机地结合起来，组成GNSS控制网，既保证了网的图形强度，又能减少外业工作量，降低成本，所以该方式是较为理想的布网方式。

4.网连式

网连式是指相邻同步图形之间有两个以上的公共点相连，需要4台以上GNSS接收机，网的图形几何强度和可靠性相当高，花费的经费和时间较多，一般仅适用于较高精度的控制测量。

四、GNSS控制测量的外业工作

GNSS控制测量分为静态测量与动态RTK测量。

（一）静态控制测量的外业工作

1.外业测量准备

（1）测区踏勘。

（2）资料收集。

（3）技术设计书的编写：①项目、测区和测量概述；②作业依据；③技术要求、布网方案；④测区资料、选点埋石、数据处理、保证措施。

（4）设备的准备与人员安排。

（5）观测计划的拟定。

（6）GNSS仪器的选择与检验。

2.GNSS控制网布设要求

（1）点位周围+15°以上天空无障碍物。

（2）避免周围有强烈反射无线电信号的物体，如玻璃幕墙、水面、大型建筑等。

（3）与电台、发射塔等大功率无线电发射源的距离应大于200m，与高压线、变电所等的距离应大于50m。

（4）交通方便，有利于其他测量和联测。

（5）地面基础条件稳定，便于点的保存。

3.技术要求

GNSS观测技术要求，见表6-10。

表6-10　GNNS观测技术要求

外业观测时段长度应根据同步观测点间距离、观测条件等情况作适当的时间延长，但同步观测时间不得少于表6-10的规定。观测前应编制GPS卫星可见性预报表，研究观测的最佳时间段，并制定工作计划。

4.GNSS控制测量外业数据采集

（1）拟订工作计划。外业观测计划的拟订对于能否顺利完成数据采集、保证观测精度、提高工作效率至关重要。拟订观测计划的主要依据是：GNSS网的规模大小，点位精度，GNSS卫星星座几何图形强度，参加作业的接收机数量，交通、通信及后勤保障。

计划内容：编制GNSS卫星可预见性预报图；选择卫星的几何图形强度；选择最佳观测时间段；设计与划分测区；编制作业调度表。

（2）安置接收机：①在控制测量中，接收机应该用三脚架或强制对中装置直接安装在标石中心垂直上方，对中误差小于3mm，特殊情况进行偏心观测，需要精确测定归心元素；②在觇标顶部安置天线进行测量时，卸掉觇标顶，按照投影点安置天线，投影示误三角形边长小于5mm；③有寻常标的控制点安置天线前，应先放到寻常标；④天线指北定向误差小于3°～5°，以消除相位中心偏差；⑤圆水准气泡应居中；⑥天线高不小于1.5m，在3个不同方向上量高误差小于3mm，时段测量前后分别量取，取平均结果作为天线高。

（3）外业数据采集：①观测小组严格按照调度指令，按照规定时间同时作业；②测量过程应该严格填写测量手簿；③测量过程中，测量人员不得离开测站，并应随时检查接收卫星状态和测量信息；④各时段开始和结束时，应记录观测卫星号、天气、PDOP等；⑤测量过程中，应避免接收机碰撞、信号遮挡等；⑥观测过程中，50m内不准使用电台，10m内不准使用对讲机。

（二）RTK测量

1.RTK测量相关概念

实时动态测量简称RTK测量，是全球卫星导航定位技术与数据通信技术相结合的载波相位实时动态差分定位技术，包括基准站和移动站。基准站将其差分数据通过电台或网络传输传给移动站，移动站进行差分解算，实时提供测站点坐标，RTK技术根据差分信号传播方式的不同（即数据链不同），分为电台模式和网络模式两种。

（1）电台模式。电台又分为内置电台和外挂电台。

内置电台安装在接收机内，无需单独架设，作业时携带设备较少，使用方便，但覆盖范围较小，无法满足大面积测区使用，可作应急使用。观测时，基准站与移动站都要安装天线。

相对于内置电台，外挂电台信号更强，覆盖范围更大，适合大面积作业，一般10km范围内使用较多，覆盖范围内盲区少，差分数据延迟稳定。缺点是需携带配件较多，电瓶、主机、天线、三脚架等缺一不可；架设仪器费时费力；架设基站时对地形要求高，要求地形开阔，位置高，不能有遮挡物，如图6-30所示。

（2）网络模式。网络模式分为传统1+1、1+N网络模式和CORS模式。传统网络模式的工作原理是基站通过网络上传、接收数据，并将接收到的差分校正数据传送给一个或多个移动站，移动站解算以后准确定位。传统网络模式可在任意位置架设基站，无需架设电台，仪器配置简单，工作时携带的设备较少，降低了外业作业强度，大大增加了施测范围，但需要配置SIM流量数据卡。

图6-30　外挂电台的基准站

图6-31　移动站

CORS模式的工作原理和传统网络模式相似，但作业时基站被连续运行参考站（CORS）替代，不需自己架设基站，只需要一台移动站登录CORS系统以后就可以作业。CORS模式采用连续基站，可以随时观测，无需频繁平移基站，作业效率更高。CORS模式除需配置SIM流量数据卡外，还需要CORS系统账号，现在部分省份已免费向公众开放，未来CORS模式的使用将更加广泛。

网络模式和电台模式相比，工作效率更高，作业范围更大，缺点是成本较高，信号稳定性较差，容易受一些外部电磁信号干扰，信号强度取决于移动通信的网络覆盖度，在一些干扰源较多的区域和偏远地带可能无法使用。

2.RTK测量的外业工作

RTK测量外业工作，分为传统RTK测量模式和RTK测量CORS模式，区别在于是否需要架设基准站。

（1）传统RTK测量模式的外业工作。

1）架设基准站：基准站架设在视野比较开阔，周围环境比较空旷，地势比较高的地方；应避免架在高压输变电设备、无线电通信设备收发天线以及大面积水域附近；并量取仪器高。

2）手薄上新建项目，设置相应的坐标系统和中央子午线。

3）设置基准站：连接相应GNSS接收机并设置为基站模式，设置差分格式，选择数据链模式，若数据链选择电台模式，则需设置电台频道；若选择网络模式，则要选择网络服务器地址，设置用户名、密码等，进行仪器高（天线高）设置并平滑。

4）架设移动站：打开移动站主机，将其并固定在碳纤对中杆上，安装UHF差分天线（对电台模式而言）；安装好手簿托架和手簿，如图6-31所示。

5）移动站设置：连接相应GPS接收机，设置为移动站，确认移动站电台频道和基站电台频道一致或者设置与基准站相同的用户名、密码等，同时选择与基准站一致的差分数据格式，修改天线高。

另外若数据链采用网络传输模式，则基准站、移动站接收机内都要放置通信卡；近几年，GNSS接收机具有Wi-Fi热点功能，接收机内就不一定要放置通信卡。

6）参数求解：求解四参数或七参数，需要2～3个已知点，分别在已知点上进行数据采集，之后进行参数求解。

7）测量数据的导出：选择相应记录点库，建立文件并命名，选择相应的数据格式，将手簿里的数据拷贝到电脑上。

（2）RTK测量CORS模式的外业工作。

CORS作业模式跟传统1+1电台作业模式相比，省去了自己架设的基站，改用固定的CORS系统中的基站，所以首先需要设置网络参数，包括IP地址、端口、源列表、CORS用户名、密码、APN等参数，此外，跟传统模式一样，需要设置椭球系及中央子午线。如果CORS系统播发的差分数据中含有七参、高程拟合等参数，则不需要再设置，反之则需要输入或现场求解相关的参数。

以上简单介绍了RTK测量外业工作的一般流程，具体的操作需要根据GPS接收机型号，对照说明书进行操作。

（三）GNSS内业数据处理

内业数据处理一般采用与接收机配套的后处理软件，主要工作内容有基线的解算、观测成果的质量检核、GPS网平差及成果输出等。