学习GNSS测量定位必备知识

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1、第一部分 RTK 八大基础知识RTK作为现代化测量中的测绘仪器，已经非常普及.RTK在测量中的优越性 也是不言而喻为了能让RTK的优越性能在使用中充分的发挥出来，为了能让 RTK使用人员能灵活的应用RTK,我认为RTK使用人员必须了解以下的基本知 识：1.GPS的概念及组成GPS (GlobalPositioning System)即全球定位系统，是由美国建立的一 个卫星导航定位系统，利用该系统，用户可以在全球范围内实现全天候、连续、 实时的三维导航定位和测速；另外，利用该系统，用户还能够进行高精度的时间 传递和高精度的精密定位。GPS计划始于1973年，已于1994年进入完全运行状态(FOC

2、 2)。 GPS的整个系统由空间部分、地面控制部分和用户部分所组成：空间部分GPS的空间部分是由24颗GPS工作卫星所组成，这些GPS工作卫星共同 组成了 GPS卫星星座，其中21颗为可用于导航的卫星,3颗为活动的备用卫星。 这24颗卫星分布在6个倾角为55的轨道上绕地球运行。卫星的运行周期约为 12恒星时。每颗GPS工作卫星都发出用于导航定位的信号。GPS用户正是利 用这些信号来进行工作的。控制部分GPS的控制部分由分布在全球的由若干个跟踪站所组成的监控系统所构 成，根据其作用的不同，这些跟踪站又被分为主控站、监控站和注入站。主控站 有一个，位于美国克罗拉多(Colorado)的法尔孔(Fa

3、lc on)空军基地，它的作 用是根据各监控站对GPS的观测数据，计算出卫星的星历和卫星钟的改正参数 等，并将这些数据通过注入站注入到卫星中去;同时，它还对卫星进行控制，向 卫星发布指令，当工作卫星出现故障时，调度备用卫星，替代失效的工作卫星工作; 另外，主控站也具有监控站的功能。监控站有五个，除了主控站外，其它四个分 别位于夏威夷(Hawaii)、阿松森群岛(Ascencion)、迭哥伽西亚(Diego Garcia)、卡瓦加兰(Kwajalein)，监控站的作用是接收卫星信号，监测卫星 的工作状态;注入站有三个，它们分别位于阿松森群岛(Asce ncio n)、迭哥伽 西亚(Diego G

4、arcia)、卡瓦加兰(Kwajalein),注入站的作用是将主控站计 算出的卫星星历和卫星钟的改正数等注入到卫星中去。用户部分GPS的用户部分由GPS接收机、数据处理软件及相应的用户设备如计算机 气象仪器等所组成它的作用是接收GPS卫星所发出的信号，利用这些信号进行 导航定位等工作。以上这三个部分共同组成了一个完整的GPS系统。2。GPS发射的信号GPS卫星发射两种频率的载波信号，即频率为1575.42MHz的L1载波和 频率为1227.60HMZ的L2载波，它们的频率分别是基本频率10。23MHz的154倍和120倍，它们的波长分别为19.03cm和24。42cm.在L1和L2上 又分别调

5、制着多种信号，这些信号主要有：C/A码C/A码又被称为粗捕获码，它被调制在L1载波上，是1MHz的伪随机噪声 码(PRN码),其码长为1023位(周期为1ms)。由于每颗卫星的C/A码都不 一样，因此，我们经常用它们的PRN号来区分它们。C/A码是普通用户用以测 定测站到卫星间的距离的一种主要的信号.P码P码又被称为精码，它被调制在L1和L2载波上，是10MHz的伪随机噪声 码，其周期为七天。在实施AS时，P码与W码进行模二相加生成保密的Y码, 此时，一般用户无法利用P码来进行导航定位。Y码见P码.导航信息导航信息被调制在L1载波上，其信号频率为50Hz,包含有GPS卫星的轨 道参数、卫星钟改

6、正数和其它一些系统参数。用户一般需要利用此导航信息来计 算某一时刻GPS卫星在地球轨道上的位置，导航信息也被称为广播星历.3。GPS定位的原理GPS定位的基本原理是根据高速运动的卫星瞬间位置作为已知的起算数 据，采用空间距离后方交会的方法，确定待测点的位置。如下图所示，假设t时 刻在地面待测点上安置GPS接收机，可以测定GPS信号到达接收机的时间厶t， 再加上接收机所接收到的卫星星历等其它数据可以确定以下四个方程式：上述四个方程式中待测点坐标x、y、z和Vto为未知参数，其中di=CA ti（i=1、2、3、4）.di （i = 1、2、3、4）分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4到接收机之间

7、 的距离。 ti （i = 1、2、3、4）分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4的信号到达 接收机所经历的时间。c为GPS信号的传播速度（即光速）。四个方程式中各个参数意义如下：x、y、z为待测点坐标的空间直角坐标.xi、yi、zi （i = 1、2、3、4）分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4 在t时刻的空间直角坐标，可由卫星导航电文求得。Vt i （i=1、2、3、4） 分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4的卫星钟 的钟差，由卫星星历提供。Vto为接收机的钟差。由以上四个方程即可解算出待测点的坐标x、y、z和接收机的钟差Vto。目前GPS系统提供的定位精度是优于10米，而为得到更高的定位精

8、度，我 们通常采用差分GPS技术:将一台GPS接收机安置在基准站上进行观测.根据 基准站已知精密坐标，计算出基准站到卫星的距离改正数，并由基准站实时将这 一数据发送出去。用户接收机在进行GPS观测的同时，也接收到基准站发出的 改正数，并对其定位结果进行改正，从而提高定位精度。差分GPS分为两大类: 伪距差分和载波相位差分。http:/www.3s8。cn中国3S专业站1. 伪距差分原理这是应用最广的一种差分。在基准站上，观测所有卫星，根据基准站已知坐 标和各卫星的坐标，求出每颗卫星每一时刻到基准站的真实距离。再与测得的伪 距比较，得出伪距改正数，将其传输至用户接收机，提高定位精度。这种差分，

9、能得到米级定位精度，如沿海广泛使用的信标差分。2载波相位差分原理载波相位差分技术又称RTK（Real Time Ki nematic）技术，是实时处理两 个测站载波相位观测量的差分方法。即是将基准站采集的载波相位发给用户接收 机，进行求差解算坐标。载波相位差分可使定位精度达到厘米级。大量应用于动 态需要高精度位置的领域。4。GPS定位的误差源我们在利用GPS进行定位时，会受到各种各样因素的影响.影响GPS定位 精度的因素可分为以下四大类：一、与GPS卫星有关的因素1。SA政策美国政府从其国家利益出发，通过降低广播星历精度（技术）、在GPS基 准信号中加入高频抖动（技术）等方法，人为降低普通用户

10、利用GPS进行导航定 位时的精度。2。卫星星历误差在进行GPS定位时，计算在某时刻GPS卫星位置所需的卫星轨道参数是 通过各种类型的星历提供的，但不论采用哪种类型的星历，所计算出的卫星位置 都会与其真实位置有所差异，这就是所谓的星历误差。3卫星钟差卫星钟差是GPS卫星上所安装的原子钟的钟面时与GPS标准时间之间的 误差。4卫星信号发射天线相位中心偏差卫星信号发射天线相位中心偏差是GPS卫星上信号发射天线的标称相位中 心与其真实相位中心之间的差异。二、与传播途径有关的因素1。电离层延迟由于地球周围的电离层对电磁波的折射效应，使得GPS信号的传播速度发 生变化，这种变化称为电离层延迟。电磁波所受电

11、离层折射的影响与电磁波的频 率以及电磁波传播途径上电子总含量有关.2对流层延迟由于地球周围的对流层对电磁波的折射效应，使得GPS信号的传播速度发 生变化，这种变化称为对流层延迟。电磁波所受对流层折射的影响与电磁波传播 途径上的温度、湿度和气压有关。3多路径效应由于接收机周围环境的影响，使得接收机所接收到的卫星信号中还包含有各 种反射和折射信号的影响，这就是所谓的多路径效应。三、与接收机有关的因素1。接收机钟差接收机钟差是GPS接收机所使用的钟的钟面时与GPS标准时之间的差异。 2接收机天线相位中心偏差接收机天线相位中心偏差是GPS接收机天线的标称相位中心与其真实的相 位中心之间的差异。3。接收

12、机软件和硬件造成的误差在进行GPS定位时，定位结果还会受到诸如处理与控制软件和硬件等的影 响。四、其它1。GPS控制部分人为或计算机造成的影响由于GPS控制部分的问题或用户在进行数据处理时引入的误差等。2。数据处理软件的影响数据处理软件的算法不完善对定位结果的影响。5.GPS测量中坐标系统、坐标系的转换过程引用：摘要:GPS在测量领域得到了广泛的应用，本文介绍将GPS所采集到的WGS84坐标转换成工程所需的坐标的过程。关键词：GPS坐标系统坐标系转换一、概述GPS及其应用GPS即全球定位系统(Global Positioning System)是美国从本世纪70年始研制，历时20年，耗资200

13、亿美元，于1994年全面建成的卫星导航定位 系统。作为新一代的卫星导航定位系统经过二十多年的发展，已成为在航空、航 天、军事、交通运输、资源勘探、通信气象等所有的领域中一种被广泛采用的系 统。我国测绘部门使用GPS也近十年了，它最初主要用于高精度大地测量和控制 测量,建立各种类型和等级的测量控制网，现在它除了继续在这些领域发挥着重 要作用外还在测量领域的其它方面得到充分的应用，如用于各种类型的工程测 量、变形观测、航空摄影测量、海洋测量和地理信息系统中地理数据的采集等。 GPS以测量精度高；操作简便，仪器体积小，便于携带；全天候操作；观测点之 间无须通视；测量结果统一在WGS84坐标下，信息自

14、动接收、存储，减少繁 琐的中间处理环节、高效益等显著特点，赢得广大测绘工作者的信赖。二、GPS测量常用的坐标系统1. WGS84坐标系WGS-84坐标系是目前GPS所采用的坐标系统，GPS所发布的星历参数 就是基于此坐标系统的。WGS-84坐标系统的全称是World Geodical System84（世界大地坐标系一84）,它是一个地心地固坐标系统。WGS84 坐标系统由美国国防部制图局建立，于1987年取代了当时GPS所采用的坐标 系统一WGS72坐标系统而成为GPS的所使用的坐标系统。WGS-84坐标系 的坐标原点位于地球的质心，Z轴指向BIH1984.0定义的协议地球极方向，X 轴指向

15、BIH1984。0的启始子午面和赤道的交点，Y轴与X轴和Z轴构成右手 系采用椭球参数为：a = 6378137m f =1/298.2572235632。1954年北京坐标系1954年北京坐标系是我国目前广泛采用的大地测量坐标系,是一种参心坐 标系统。该坐标系源自于原苏联采用过的1942年普尔科夫坐标系。该坐标系采 用的参考椭球是克拉索夫斯基椭球，该椭球的参数为:a = 6378245m f = 1/298。3我国地形图上的平面坐标位置都是以这个数据为基准推算的.3地方坐标系（任意独立坐标系）在我们测量过程中时常会遇到的如一些某城市坐标系、某城建坐标系、某港 口坐标系等，或我们自己为了测量方便而临时建立的独立坐标系。三、坐标系统的转换在工程应用中使用GPS卫星定位系统采集到的数据是WGS-84坐标系数 据，而目前我们测量成果普遍使用的是以1954年北京坐标系或是地方（任意） 独立坐标系为基础的坐标数据。因此必须将WGS84坐标转换到BJ54坐 标系或地方（任意）独立坐标系。目前一般采用布尔莎公式（七参数法）完成WGS-84坐标系到北京54坐标 系的转换，得到北京54坐标数据。XBJ54=XWGS84+KXWGS84+&+YWGS84EZ/pZWGS84gY7 P”YBJ54=YWGS84+KYWGS84+AYXWGS84EZ/p+ZWG