《GNSS測(cè)量概述》課件

GNSS測(cè)量概述GNSS測(cè)量是現(xiàn)代測(cè)繪技術(shù)中不可或缺的一部分，應(yīng)用廣泛。利用衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行定位，測(cè)量精度高，效率高。GNSS概述全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)GNSS是全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)的簡(jiǎn)稱(chēng)，由多個(gè)國(guó)家獨(dú)立研制定位導(dǎo)航GNSS提供高精度定位，可用于導(dǎo)航、測(cè)繪、交通等時(shí)間同步GNSS衛(wèi)星攜帶精密原子鐘，提供高精度時(shí)間信號(hào)GNSS系統(tǒng)介紹11.GPS全球定位系統(tǒng)，美國(guó)研制，提供全球范圍內(nèi)的定位服務(wù)。22.GLONASS全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)，俄羅斯研制，提供全球范圍內(nèi)的定位服務(wù)。33.Galileo伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，歐盟研制，提供全球范圍內(nèi)的定位服務(wù)。44.BeiDou北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，中國(guó)研制，提供全球范圍內(nèi)的定位服務(wù)。GPS美國(guó)全球定位系統(tǒng)GPS是由美國(guó)國(guó)防部研發(fā)的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，它由31顆衛(wèi)星組成，繞地球運(yùn)行，覆蓋全球。應(yīng)用廣泛GPS廣泛應(yīng)用于導(dǎo)航、測(cè)繪、交通、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、災(zāi)害監(jiān)測(cè)等多個(gè)領(lǐng)域。GLONASS俄羅斯全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)GLONASS是俄羅斯的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)，提供全球定位和時(shí)間同步服務(wù)。星座結(jié)構(gòu)GLONASS由24顆衛(wèi)星組成，分布在3個(gè)軌道面，每個(gè)軌道面上8顆衛(wèi)星。優(yōu)勢(shì)GLONASS在高緯度地區(qū)的覆蓋范圍比GPS更廣，精度更高，可用性更強(qiáng)。應(yīng)用GLONASS在導(dǎo)航、測(cè)繪、氣象、交通等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。Galileo歐洲全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)伽利略是由歐盟委員會(huì)和歐洲航天局共同開(kāi)發(fā)的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，具有高精度、高可靠性和高安全性的特點(diǎn)。獨(dú)立的民用系統(tǒng)伽利略系統(tǒng)不受任何軍事控制，并提供開(kāi)放的公共信號(hào)，為全球用戶(hù)提供免費(fèi)服務(wù)。廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域伽利略系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于導(dǎo)航、定位、授時(shí)、通信、交通、農(nóng)業(yè)等各個(gè)領(lǐng)域，具有巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。北斗系統(tǒng)中國(guó)自主研發(fā)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)北斗系統(tǒng)提供全球定位、導(dǎo)航和授時(shí)服務(wù)。覆蓋全球北斗系統(tǒng)覆蓋全球，提供精準(zhǔn)的定位和導(dǎo)航服務(wù)。廣泛應(yīng)用北斗系統(tǒng)應(yīng)用廣泛，在交通運(yùn)輸、農(nóng)業(yè)、測(cè)繪等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。GNSS信號(hào)結(jié)構(gòu)GNSS信號(hào)通常由載波信號(hào)和數(shù)據(jù)信號(hào)組成。載波信號(hào)是衛(wèi)星向地面發(fā)送的連續(xù)波，數(shù)據(jù)信號(hào)則包含了衛(wèi)星的軌道信息、時(shí)間信息等。載波信號(hào)頻率穩(wěn)定，數(shù)據(jù)信號(hào)采用不同的編碼方式進(jìn)行調(diào)制，以確保信號(hào)的可靠性。GNSS信號(hào)結(jié)構(gòu)由多個(gè)部分組成，包括載波信號(hào)、導(dǎo)航數(shù)據(jù)、衛(wèi)星時(shí)鐘信息、衛(wèi)星軌道信息等。信號(hào)結(jié)構(gòu)的具體形式由不同的GNSS系統(tǒng)決定，如GPS、GLONASS、Galileo和北斗等系統(tǒng)。GNSS測(cè)量原理GNSS測(cè)量是利用衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行定位的技術(shù)。測(cè)量原理基于測(cè)量衛(wèi)星信號(hào)到達(dá)接收機(jī)的時(shí)間差和相位差，計(jì)算出接收機(jī)與衛(wèi)星之間的距離，再通過(guò)多顆衛(wèi)星的距離信息，利用幾何原理計(jì)算出接收機(jī)的三維坐標(biāo)。1接收機(jī)定位計(jì)算接收機(jī)坐標(biāo)2距離測(cè)量計(jì)算接收機(jī)與衛(wèi)星之間的距離3衛(wèi)星信號(hào)接收接收衛(wèi)星發(fā)射的信號(hào)偽距測(cè)量衛(wèi)星信號(hào)傳播時(shí)間偽距測(cè)量利用衛(wèi)星信號(hào)從衛(wèi)星發(fā)射到接收機(jī)的時(shí)間來(lái)計(jì)算衛(wèi)星與接收機(jī)之間的距離。衛(wèi)星時(shí)鐘偏差衛(wèi)星和接收機(jī)的時(shí)鐘誤差會(huì)影響信號(hào)傳播時(shí)間測(cè)量的準(zhǔn)確性。大氣延遲誤差電離層和對(duì)流層會(huì)影響衛(wèi)星信號(hào)的傳播速度，造成額外的延遲。地球形狀和重力場(chǎng)地球不是完美的球體，其形狀和重力場(chǎng)也會(huì)影響衛(wèi)星信號(hào)傳播時(shí)間。相位測(cè)量相位測(cè)量原理相位測(cè)量利用接收機(jī)接收到的衛(wèi)星信號(hào)載波相位變化來(lái)測(cè)量距離。相位測(cè)量精度更高，但需要精確的初始相位信息。相位測(cè)量步驟接收機(jī)接收衛(wèi)星信號(hào)測(cè)量信號(hào)載波相位計(jì)算相位變化量根據(jù)相位變化量計(jì)算距離GNSS觀測(cè)方程GNSS觀測(cè)方程是描述衛(wèi)星信號(hào)到達(dá)接收機(jī)的時(shí)間或相位與衛(wèi)星位置、接收機(jī)位置、信號(hào)傳播時(shí)間等因素之間關(guān)系的數(shù)學(xué)模型。觀測(cè)方程可以用于計(jì)算衛(wèi)星的位置、接收機(jī)的位置、衛(wèi)星鐘差等參數(shù)，是GNSS數(shù)據(jù)處理的基礎(chǔ)。GNSS定位原理1觀測(cè)數(shù)據(jù)GNSS接收機(jī)獲取衛(wèi)星信號(hào)，測(cè)量偽距、載波相位等觀測(cè)數(shù)據(jù)。2坐標(biāo)解算基于觀測(cè)數(shù)據(jù)和已知衛(wèi)星軌道信息，解算接收機(jī)坐標(biāo)。3誤差修正考慮衛(wèi)星鐘差、電離層延遲、對(duì)流層延遲等誤差，提高定位精度。單點(diǎn)定位11.獨(dú)立定位基于單臺(tái)接收機(jī)獲取衛(wèi)星信號(hào)。22.坐標(biāo)計(jì)算利用接收機(jī)與衛(wèi)星之間的距離和時(shí)間信息，計(jì)算出接收機(jī)坐標(biāo)。33.廣泛應(yīng)用應(yīng)用于導(dǎo)航、測(cè)繪、地理信息系統(tǒng)等領(lǐng)域。44.測(cè)量精度受限于接收機(jī)精度和衛(wèi)星信號(hào)誤差，單點(diǎn)定位精度一般較低。相對(duì)定位測(cè)量原理相對(duì)定位利用兩個(gè)或多個(gè)接收機(jī)同時(shí)觀測(cè)同一顆或多顆衛(wèi)星，通過(guò)測(cè)量接收機(jī)之間的距離差，消除大部分共性誤差。應(yīng)用場(chǎng)景相對(duì)定位主要用于高精度測(cè)量，如工程測(cè)量、大地測(cè)量和精密導(dǎo)航。優(yōu)勢(shì)相對(duì)定位精度高，能夠有效消除大氣延遲、衛(wèi)星鐘差等誤差，提高測(cè)量結(jié)果的可靠性。實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量過(guò)程中，GNSS接收機(jī)持續(xù)接收衛(wèi)星信號(hào)，并實(shí)時(shí)計(jì)算位置信息。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理接收到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)進(jìn)行處理，包括數(shù)據(jù)校正、濾波、平滑等，以提高精度。實(shí)時(shí)信息顯示處理后的位置信息可以實(shí)時(shí)顯示在地圖或其他可視化界面上，方便用戶(hù)了解目標(biāo)的動(dòng)態(tài)變化。實(shí)時(shí)控制應(yīng)用實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量可用于控制車(chē)輛、無(wú)人機(jī)等移動(dòng)目標(biāo)，例如自動(dòng)駕駛、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)等。GNSS測(cè)量誤差分析衛(wèi)星鐘差誤差衛(wèi)星鐘差誤差會(huì)導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果的偏差，需要進(jìn)行校正。電離層延遲誤差電離層延遲誤差會(huì)影響信號(hào)傳播時(shí)間，需要通過(guò)模型或觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。對(duì)流層延遲誤差對(duì)流層延遲誤差會(huì)導(dǎo)致信號(hào)傳播路徑改變，需要采用相應(yīng)的模型進(jìn)行補(bǔ)償。多路徑效應(yīng)誤差多路徑效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致信號(hào)發(fā)生反射和折射，影響測(cè)量精度，需要采取措施進(jìn)行抑制。衛(wèi)星鐘差誤差衛(wèi)星鐘差衛(wèi)星內(nèi)部的原子鐘會(huì)產(chǎn)生誤差，導(dǎo)致時(shí)間偏差，影響測(cè)量精度。鐘差模型利用鐘差模型，可以對(duì)衛(wèi)星鐘差進(jìn)行修正，減小其對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。鐘差改正通過(guò)接收機(jī)接收衛(wèi)星廣播的鐘差信息，可以對(duì)衛(wèi)星鐘差進(jìn)行改正，提高測(cè)量精度。電離層延遲誤差電離層結(jié)構(gòu)電離層是地球大氣層的一部分，包含帶電粒子，可影響GNSS信號(hào)傳播。電離層密度變化會(huì)使信號(hào)傳播速度發(fā)生變化，導(dǎo)致信號(hào)到達(dá)接收機(jī)的時(shí)間延遲。延遲誤差電離層延遲誤差主要取決于電離層電子密度、信號(hào)頻率以及衛(wèi)星到接收機(jī)的仰角。誤差會(huì)影響定位精度，尤其是低仰角衛(wèi)星。對(duì)流層延遲誤差11.大氣折射對(duì)流層是地球大氣層最低層，大氣密度隨高度變化，造成電磁波傳播路徑彎曲，導(dǎo)致信號(hào)延遲。22.濕度影響濕度越高，對(duì)流層延遲越明顯，因?yàn)樗恼凵渎时雀煽諝飧?，影響信?hào)傳播時(shí)間。33.天氣變化溫度、氣壓變化會(huì)影響對(duì)流層延遲，在不同天氣條件下，延遲值存在差異，需要考慮修正。44.模型修正利用氣象數(shù)據(jù)建立對(duì)流層模型，對(duì)觀測(cè)值進(jìn)行修正，提高定位精度。多路徑效應(yīng)誤差信號(hào)反射衛(wèi)星信號(hào)在傳播過(guò)程中遇到建筑物、植被等障礙物時(shí)，會(huì)發(fā)生反射，導(dǎo)致接收機(jī)同時(shí)接收到來(lái)自不同路徑的信號(hào)。地面反射衛(wèi)星信號(hào)到達(dá)地面后，會(huì)發(fā)生反射，形成多條信號(hào)路徑，影響接收機(jī)對(duì)信號(hào)的精確測(cè)量。接收機(jī)噪聲誤差接收機(jī)噪聲接收機(jī)噪聲是指接收機(jī)內(nèi)部電子元件產(chǎn)生的隨機(jī)噪聲。噪聲會(huì)干擾信號(hào)，導(dǎo)致測(cè)量誤差。影響因素接收機(jī)類(lèi)型、工作環(huán)境、信號(hào)強(qiáng)度都會(huì)影響噪聲。低噪聲接收機(jī)可降低噪聲誤差。GNSS測(cè)量精度評(píng)估GNSS測(cè)量精度評(píng)估是保證測(cè)量結(jié)果可靠性的重要環(huán)節(jié)，需要綜合考慮各種誤差源的影響。通過(guò)分析誤差源和評(píng)估精度，可以確定測(cè)量結(jié)果的置信度，并根據(jù)需要采取相應(yīng)的措施提高精度。1cm水平精度靜態(tài)測(cè)量2cm垂直精度動(dòng)態(tài)測(cè)量5mm相對(duì)精度基線測(cè)量GNSS數(shù)據(jù)處理流程1數(shù)據(jù)采集接收衛(wèi)星信號(hào)2數(shù)據(jù)預(yù)處理去除誤差3坐標(biāo)解算計(jì)算坐標(biāo)4精度評(píng)估檢驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)采集接收機(jī)GNSS接收機(jī)接收衛(wèi)星信號(hào)并記錄觀測(cè)數(shù)據(jù)。天線天線接收衛(wèi)星信號(hào)并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。數(shù)據(jù)記錄器記錄接收機(jī)接收的觀測(cè)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)預(yù)處理數(shù)據(jù)質(zhì)量控制檢查數(shù)據(jù)完整性、一致性和有效性，識(shí)別并剔除異常數(shù)據(jù)。坐標(biāo)轉(zhuǎn)換將不同坐標(biāo)系下的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一坐標(biāo)系，方便數(shù)據(jù)融合和分析。時(shí)間同步對(duì)不同時(shí)間采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行同步處理，確保數(shù)據(jù)的時(shí)間一致性。數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換將不同格式的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一格式，方便后續(xù)處理和分析。坐標(biāo)解算11.數(shù)據(jù)準(zhǔn)備首先，需要將預(yù)處理后的GNSS觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換，并根據(jù)不同的坐標(biāo)系進(jìn)行轉(zhuǎn)換和轉(zhuǎn)換。22.坐標(biāo)解算方法常用的坐標(biāo)解算方法包括最小二乘法、卡爾曼濾波等，根據(jù)不同的精度要求選擇合適的解算方法。33.坐標(biāo)轉(zhuǎn)換將解算得到的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為目標(biāo)坐標(biāo)系，例如WGS-84坐標(biāo)系、國(guó)家大地坐標(biāo)系等。44.結(jié)果輸出最終輸出結(jié)果包括坐標(biāo)、精度等信息，并可以生成相應(yīng)的圖形。精度評(píng)估精度指標(biāo)評(píng)估GNSS測(cè)量精度指標(biāo)，例如水平精度、垂直精度和時(shí)間精度。誤差分析分析各種誤差來(lái)源，包括衛(wèi)星鐘差、電離層延遲和多路徑效應(yīng)。數(shù)據(jù)處理方法使用數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行精度評(píng)估，包括濾波、平差和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量在工程測(cè)量中的應(yīng)用實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量在工程測(cè)量中應(yīng)用廣泛，特別是在道路、橋梁、隧道等工程建設(shè)中。實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量可以提高工程測(cè)量效率和精度，有效控制工程進(jìn)度和質(zhì)量。高精度定位實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)自動(dòng)化測(cè)量GNSS測(cè)量在工程測(cè)量中的案例分析GNSS測(cè)量在工程