《GNSS測(cè)量與定位》課件

GNSS測(cè)量與定位全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)是一種利用人造衛(wèi)星群測(cè)量地球表面上任何位置的坐標(biāo)的無(wú)線電導(dǎo)航系統(tǒng)。本課程將探討GNSS測(cè)量的基本原理、技術(shù)及其在各領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。GNSS概述全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)GNSS是利用全球分布的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)提供定位、導(dǎo)航和授時(shí)服務(wù)的空間技術(shù)。定位與導(dǎo)航GNSS可以提供三維空間位置信息和時(shí)間信息,為各類用戶提供定位和導(dǎo)航服務(wù)。衛(wèi)星信號(hào)接收GNSS用戶使用接收機(jī)接收來(lái)自衛(wèi)星的無(wú)線電信號(hào),進(jìn)行位置和時(shí)間的測(cè)量。GNSS的基本原理1衛(wèi)星導(dǎo)航利用太空中的人造衛(wèi)星提供導(dǎo)航定位服務(wù)2測(cè)量原理通過(guò)測(cè)量衛(wèi)星與接收機(jī)之間的距離來(lái)確定位置3信號(hào)傳播接收機(jī)捕獲衛(wèi)星發(fā)射的電磁信號(hào)并進(jìn)行處理GNSS的基本原理是利用分布在太空中的人造導(dǎo)航衛(wèi)星作為參考源,通過(guò)測(cè)量衛(wèi)星信號(hào)的傳播時(shí)間來(lái)計(jì)算接收機(jī)與衛(wèi)星之間的距離,從而確定接收機(jī)的位置坐標(biāo)。這一定位技術(shù)依賴于衛(wèi)星軌道的精確知識(shí)以及衛(wèi)星信號(hào)的準(zhǔn)確傳播。GNSS的歷史發(fā)展120世紀(jì)60年代美國(guó)開始研發(fā)第一代全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)—Transit衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，主要用于海軍和潛艇定位。21978年美國(guó)正式啟動(dòng)全球定位系統(tǒng)(GPS)的研發(fā)工作，并于1994年完成GPS星座。320世紀(jì)80年代蘇聯(lián)(今俄羅斯)開始研發(fā)自己的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)—GLONASS，并于1995年完成星座布設(shè)。42000年代歐盟開始研發(fā)伽利略導(dǎo)航系統(tǒng)，隨后中國(guó)、印度等國(guó)家也開始陸續(xù)布建自己的區(qū)域性衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。GNSS的主要組成部分1衛(wèi)星系統(tǒng)GNSS系統(tǒng)由若干顆人造地球衛(wèi)星組成,這些衛(wèi)星圍繞地球運(yùn)行并發(fā)送導(dǎo)航信號(hào)。2地面控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行監(jiān)控、編程、時(shí)鐘校正等管理操作,確保衛(wèi)星工作正常。3用戶接收設(shè)備利用GNSS信號(hào)進(jìn)行導(dǎo)航定位的地面終端設(shè)備,如智能手機(jī)、車載導(dǎo)航等。4參考站網(wǎng)絡(luò)在已知地理位置布設(shè)的GNSS參考站,用于提供差分修正等增強(qiáng)服務(wù)。GNSS的基本坐標(biāo)系統(tǒng)GNSS常用坐標(biāo)系統(tǒng)GNSS常使用地心地固坐標(biāo)系、地心地理坐標(biāo)系以及大地坐標(biāo)系等基準(zhǔn)系統(tǒng)來(lái)表達(dá)位置信息。GNSS三維坐標(biāo)系GNSS觀測(cè)數(shù)據(jù)可以直接表示為三維空間直角坐標(biāo)系(X,Y,Z)或大地坐標(biāo)系(B,L,H)。GNSS坐標(biāo)系定義GNSS坐標(biāo)系統(tǒng)的定義需要確定坐標(biāo)原點(diǎn)、坐標(biāo)軸方向以及時(shí)間參考系統(tǒng)等基準(zhǔn)。GNSS的觀測(cè)量偽距觀測(cè)GNSS接收機(jī)測(cè)量到的衛(wèi)星發(fā)射信號(hào)到達(dá)接收機(jī)的時(shí)間差,可以計(jì)算出衛(wèi)星到接收機(jī)之間的距離,稱為偽距觀測(cè)。這是GNSS定位的核心觀測(cè)量。相位觀測(cè)GNSS接收機(jī)測(cè)量到的載波信號(hào)相位變化,可以提供更高精度的觀測(cè)量。相位觀測(cè)比偽距觀測(cè)更加精確,但存在整周模糊性。GNSS觀測(cè)精度的影響因素大氣干擾電離層和對(duì)流層中的電子密度變化會(huì)對(duì)衛(wèi)星信號(hào)產(chǎn)生折射和延遲,從而影響觀測(cè)精度。多徑效應(yīng)衛(wèi)星信號(hào)在建筑物、地形等障礙物反射后到達(dá)接收機(jī),會(huì)產(chǎn)生測(cè)量誤差。鐘差誤差由于衛(wèi)星原子鐘和接收機(jī)鐘差的存在,會(huì)給觀測(cè)值帶來(lái)誤差。軌道誤差衛(wèi)星軌道預(yù)報(bào)的不準(zhǔn)確性也會(huì)導(dǎo)致觀測(cè)精度下降。偽距觀測(cè)GNSS衛(wèi)星信號(hào)GNSS衛(wèi)星發(fā)射的電磁波信號(hào)攜帶了衛(wèi)星位置和發(fā)射時(shí)間等信息。接收機(jī)測(cè)量GNSS接收機(jī)通過(guò)接收并測(cè)量這些信號(hào),可以計(jì)算出自身相對(duì)于衛(wèi)星的距離。偽距測(cè)量通過(guò)GNSS信號(hào)的傳播時(shí)間,可以測(cè)量出從衛(wèi)星到接收機(jī)的偽距離,即觀測(cè)值。相位觀測(cè)1GNSS載波相位相位觀測(cè)利用GNSS衛(wèi)星發(fā)射的載波信號(hào),通過(guò)測(cè)量從衛(wèi)星到接收機(jī)的相位差來(lái)獲取距離信息。2高精度定位相位觀測(cè)可以達(dá)到毫米級(jí)的測(cè)量精度,比偽距觀測(cè)更加精確,是GNSS高精度測(cè)量的關(guān)鍵。3整周模糊數(shù)值相位觀測(cè)存在整周模糊數(shù)值問(wèn)題,需要通過(guò)算法確定初始值并解決相位環(huán)繞問(wèn)題。4相位差分技術(shù)利用基準(zhǔn)站和移動(dòng)站之間的相位差,可以進(jìn)一步提高GNSS定位的精度和可靠性。差分GNSS基準(zhǔn)站差分GNSS系統(tǒng)需要一個(gè)基準(zhǔn)站,用于接收GNSS衛(wèi)星信號(hào)并計(jì)算校正數(shù)據(jù),提供給流動(dòng)站使用。流動(dòng)站流動(dòng)站通過(guò)接收基準(zhǔn)站發(fā)送的校正數(shù)據(jù),可以實(shí)現(xiàn)亞米級(jí)到厘米級(jí)的測(cè)量精度。差分技術(shù)差分GNSS利用基準(zhǔn)站與流動(dòng)站接收到的GNSS衛(wèi)星信號(hào)的差異,計(jì)算出測(cè)量誤差并發(fā)送給流動(dòng)站進(jìn)行修正。相對(duì)定位原理基準(zhǔn)站確定確定一個(gè)已知位置的基準(zhǔn)站,用于提供參考數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)接收rover接收基準(zhǔn)站發(fā)送的GNSS觀測(cè)數(shù)據(jù)。差分計(jì)算比較rover接收的數(shù)據(jù)與基準(zhǔn)站數(shù)據(jù),計(jì)算出相對(duì)位置差。實(shí)時(shí)更新實(shí)時(shí)更新rover的位置信息,提高定位精度。GNSS測(cè)量的工作流程1數(shù)據(jù)采集使用GNSS接收機(jī)收集原始觀測(cè)數(shù)據(jù)2數(shù)據(jù)預(yù)處理對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼、濾波等處理3數(shù)據(jù)處理根據(jù)定位方法進(jìn)行計(jì)算定位結(jié)果4數(shù)據(jù)分析評(píng)估定位精度并進(jìn)行質(zhì)量分析GNSS測(cè)量的工作流程包括數(shù)據(jù)采集、預(yù)處理、處理以及分析等步驟。首先使用GNSS接收設(shè)備采集原始觀測(cè)數(shù)據(jù),然后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼、濾波等預(yù)處理,接著根據(jù)不同的定位方法進(jìn)行坐標(biāo)計(jì)算,最后評(píng)估定位結(jié)果的精度并進(jìn)行質(zhì)量分析。整個(gè)過(guò)程環(huán)環(huán)相扣,確保測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。GNSS測(cè)量的儀器設(shè)備GNSS接收機(jī)GNSS接收機(jī)是GNSS測(cè)量的核心設(shè)備,負(fù)責(zé)捕捉并處理GNSS衛(wèi)星信號(hào)。它包含天線、放大器、處理器等關(guān)鍵部件。全站儀全站儀能夠測(cè)量距離、角度和坡度,是常見的輔助GNSS觀測(cè)的測(cè)量設(shè)備。它可以提高GNSS定位的精度。數(shù)據(jù)采集器數(shù)據(jù)采集器用于收集GNSS觀測(cè)數(shù)據(jù)并進(jìn)行初步處理。先進(jìn)的采集器可以實(shí)時(shí)顯示測(cè)量結(jié)果。基準(zhǔn)站設(shè)備基準(zhǔn)站設(shè)備包括GNSS接收機(jī)、通信設(shè)備等,用于提供基準(zhǔn)數(shù)據(jù)以提高GNSS相對(duì)定位的精度。GNSS測(cè)量的錯(cuò)誤來(lái)源外部環(huán)境因素GNSS測(cè)量容易受到大氣層干擾、多路徑效應(yīng)、地形遮擋等外部環(huán)境因素的影響,導(dǎo)致觀測(cè)數(shù)據(jù)存在一定的誤差。設(shè)備本身誤差GNSS接收機(jī)的測(cè)量誤差、天線偏移、接收機(jī)時(shí)間漂移等設(shè)備自身的技術(shù)指標(biāo)均會(huì)對(duì)觀測(cè)結(jié)果產(chǎn)生影響。測(cè)量方法問(wèn)題GNSS測(cè)量過(guò)程中如定點(diǎn)時(shí)間不足、觀測(cè)方法選擇不當(dāng)、數(shù)據(jù)后處理不當(dāng)?shù)?也會(huì)導(dǎo)致最終定位精度降低。用戶操作失誤用戶在GNSS測(cè)量過(guò)程中的操作失誤,如未正確設(shè)置測(cè)量參數(shù)、儀器使用不當(dāng)?shù)?都可能造成測(cè)量結(jié)果偏差。GNSS測(cè)量數(shù)據(jù)的后處理數(shù)據(jù)檢查仔細(xì)檢查測(cè)量數(shù)據(jù)的完整性和準(zhǔn)確性,發(fā)現(xiàn)并修正錯(cuò)誤數(shù)據(jù)。坐標(biāo)轉(zhuǎn)換將原始坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為所需的坐標(biāo)系統(tǒng),確保數(shù)據(jù)的一致性和可比性。數(shù)據(jù)分析運(yùn)用統(tǒng)計(jì)分析方法,深入分析測(cè)量數(shù)據(jù)的精度和可靠性。數(shù)據(jù)建模根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)構(gòu)建數(shù)學(xué)模型,描述空間特征和變化規(guī)律。GNSS測(cè)量數(shù)據(jù)的處理軟件1專業(yè)GNSS軟件專業(yè)的GNSS數(shù)據(jù)處理軟件,如TrimbleBusinessCenter和LeicaInfinity,提供全面的數(shù)據(jù)分析和建模功能。2地理信息系統(tǒng)ArcGIS和QGIS等GIS軟件可以集成GNSS數(shù)據(jù),進(jìn)行空間分析和可視化。3數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換工具GNSS數(shù)據(jù)通常需要轉(zhuǎn)換為常用的數(shù)據(jù)格式,如RINEX和shapefile,專業(yè)的轉(zhuǎn)換工具可以提高工作效率。4云端平臺(tái)一些基于云的GNSS數(shù)據(jù)管理平臺(tái),如TrimbleConnect和LeicaCloudWorx,支持實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)共享和協(xié)作。GNSSRTK技術(shù)高精度GNSS技術(shù)RTK技術(shù)利用基準(zhǔn)站提供的差分修正數(shù)據(jù),可以實(shí)現(xiàn)厘米級(jí)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位,是目前GNSS測(cè)量的最先進(jìn)技術(shù)之一?；鶞?zhǔn)站網(wǎng)絡(luò)多個(gè)基準(zhǔn)站組成的網(wǎng)絡(luò)可以進(jìn)一步提高GNSS定位的精度和可靠性,并覆蓋更廣闊的區(qū)域。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理RTK系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)處理GNSS測(cè)量數(shù)據(jù),為用戶提供及時(shí)、準(zhǔn)確的位置信息,為各種應(yīng)用場(chǎng)景提供強(qiáng)有力的支撐。GNSS測(cè)量的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)Ш蕉ㄎ籊NSS廣泛應(yīng)用于各種導(dǎo)航設(shè)備,如車載導(dǎo)航、航海導(dǎo)航和航空導(dǎo)航等,為用戶提供實(shí)時(shí)的位置和導(dǎo)航信息。工程測(cè)量GNSS技術(shù)在道路、橋梁、隧道等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中發(fā)揮重要作用,提高了工程測(cè)量的效率和精度。農(nóng)業(yè)測(cè)量精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中采用GNSS技術(shù)可實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)施肥、精準(zhǔn)噴灑農(nóng)藥、智能化作業(yè)管理等,提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率。地理信息系統(tǒng)GNSS為地理信息系統(tǒng)提供了位置信息,廣泛應(yīng)用于地圖繪制、資源管理、環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域?；A(chǔ)設(shè)施測(cè)量道路測(cè)量利用GNSS技術(shù)可以精確測(cè)量道路的位置、坡度和曲線等關(guān)鍵參數(shù),確保道路設(shè)計(jì)和施工滿足安全性和舒適性要求。電力網(wǎng)絡(luò)測(cè)量GNSS能夠幫助測(cè)量電力線路的走向和塔架位置,為電網(wǎng)規(guī)劃和維護(hù)提供精準(zhǔn)的空間數(shù)據(jù)支持。管線設(shè)施測(cè)量通過(guò)GNSS技術(shù)可以精準(zhǔn)定位各類管線設(shè)施,如水管、天然氣管線等,提高管線管理的效率和安全性。航空航天測(cè)量GNSS技術(shù)為機(jī)場(chǎng)、航站樓以及航空交通管制設(shè)施提供定位和測(cè)量支持,確保飛行安全。工程測(cè)量精密儀器工程測(cè)量依賴于先進(jìn)的GNSS接收機(jī)、全站儀等精密測(cè)量?jī)x器,提高了測(cè)量的精度和效率。現(xiàn)場(chǎng)建設(shè)GNSS技術(shù)廣泛應(yīng)用于道路、橋梁、隧道等基礎(chǔ)設(shè)施的施工放樣和監(jiān)測(cè),確保工程質(zhì)量。工程設(shè)計(jì)GNSS測(cè)量為工程設(shè)計(jì)提供精準(zhǔn)的空間數(shù)據(jù),用于BIM模型建立和工程圖紙繪制。農(nóng)業(yè)測(cè)量精準(zhǔn)種植GNSS測(cè)量可以幫助農(nóng)民精確控制種植位置,提高作物產(chǎn)量和質(zhì)量。智能灌溉通過(guò)GNSS數(shù)據(jù)分析,可實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)灌溉,合理利用水資源。產(chǎn)量監(jiān)測(cè)GNSS數(shù)據(jù)可跟蹤農(nóng)作物生長(zhǎng)狀況,預(yù)測(cè)產(chǎn)量,優(yōu)化農(nóng)業(yè)管理。地塊繪圖GNSS測(cè)量可幫助繪制詳細(xì)的農(nóng)場(chǎng)地形圖,為精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。物聯(lián)網(wǎng)定位智能設(shè)備定位利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將人、車、物等各種智能設(shè)備連接起來(lái),實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)位置跟蹤和動(dòng)態(tài)管理。倉(cāng)儲(chǔ)管理通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)定位技術(shù)精準(zhǔn)掌握貨物的實(shí)時(shí)位置與存儲(chǔ)狀態(tài),提高倉(cāng)儲(chǔ)管理效率。公共安全在公共場(chǎng)所部署物聯(lián)網(wǎng)定位系統(tǒng),可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)人員分布情況,提高安全管理水平。導(dǎo)航定位導(dǎo)航系統(tǒng)GNSS技術(shù)為導(dǎo)航提供了強(qiáng)大的平臺(tái),可以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位和航線規(guī)劃。各大GNSS系統(tǒng)如GPS、北斗等為用戶提供全球范圍的導(dǎo)航服務(wù)。應(yīng)用場(chǎng)景導(dǎo)航定位廣泛應(yīng)用于交通管理、智能駕駛、航空航天、軍事等領(lǐng)域,為人們提供實(shí)時(shí)的位置信息和路徑規(guī)劃。精密農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)決策精密農(nóng)業(yè)利用GNSS等技術(shù)收集大量農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù),以優(yōu)化決策并提高生產(chǎn)效率。精準(zhǔn)施肥和灌溉根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的土壤水分和養(yǎng)分水平,可針對(duì)性地進(jìn)行精準(zhǔn)施肥和灌溉。智能農(nóng)機(jī)作業(yè)自動(dòng)駕駛農(nóng)機(jī)可根據(jù)精細(xì)地圖自動(dòng)規(guī)劃最優(yōu)作業(yè)路徑,提高作業(yè)效率。產(chǎn)量和環(huán)境監(jiān)測(cè)配合遙感等技術(shù),可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)作物長(zhǎng)勢(shì)及環(huán)境變化,為管理決策提供依據(jù)。BIM測(cè)量BIM建模BIM技術(shù)能夠建立三維建筑信息模型,提高測(cè)量數(shù)據(jù)采集的效率和精度。先進(jìn)設(shè)備利用激光掃描儀、3D相機(jī)等設(shè)備,可快速采集大量測(cè)量數(shù)據(jù),為后續(xù)分析提供依據(jù)。流程優(yōu)化BIM技術(shù)將測(cè)量、建模、分析等環(huán)節(jié)有機(jī)結(jié)合,提高了整個(gè)工作流程的效率和準(zhǔn)確性。地理信息系統(tǒng)全球視野地理信息系統(tǒng)利用衛(wèi)星遙感技術(shù),提供了全球范圍內(nèi)的地理空間信息,為各行業(yè)應(yīng)用提供了廣闊的視野。數(shù)據(jù)分析地理信息系統(tǒng)擁有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析能力,可以對(duì)各種地理信息進(jìn)行集成、處理和分析,為決策提供有力支持?？梢暬故镜乩硇畔⑾到y(tǒng)提供了豐富的可視化工具,可以將復(fù)雜的地理空間數(shù)據(jù)以直觀形式呈現(xiàn),提高信息傳達(dá)效果。未來(lái)GNSS的發(fā)展趨勢(shì)1精確性提升隨著技術(shù)不斷進(jìn)步,未來(lái)GNSS的定位精度將進(jìn)一步提高,可以實(shí)現(xiàn)厘米級(jí)甚至毫米級(jí)的高精度定位。2多系統(tǒng)融合未來(lái)GNSS將實(shí)現(xiàn)多種定位系統(tǒng)的融合,如GPS、北斗、G