《GNSS RTK測量技術及其影響因素分析》3500字

GNSSRTK測量技術及其影響因素分析綜述GNSS與RTK的關系是，GNSS是一個復雜的衛(wèi)星系統(tǒng)，而RTK技術則是其用戶段接收機的一種形式，RTK所需要的信息均是由接收衛(wèi)星信號得到。本章首先對GNSS及其定位原理做出介紹，接著對GNSSRTK測量模塊的技術原理做出介紹，最后對會影響GNSSRTK系統(tǒng)測量精度的因素進行研究，為后續(xù)的精度評定做充分的準備。1.1GNSS的組成全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)簡稱為GNSS，它的工作范圍在近地區(qū)域或地球表面，GNSS通過其系統(tǒng)內的全球設施和區(qū)域設施聯合作用，最終為用戶設施提供坐標信息、時間信息、速度信息等REF_Ref104150371\r\h[9]。GNSS泛指目前現有的、正在建設的和即將建造的所有全球、區(qū)域和增強的衛(wèi)星導航系統(tǒng)。該系統(tǒng)由全球設施、區(qū)域設施、用戶設施三部分組成（如圖1.1所示）?？臻g信號段空間信號段用戶設備段地面控制段圖1.1GNSS組成GNSS是個組合系統(tǒng)，以GPS（GlobalPositioningSystem）和BDS（BeiDouNavigationSatelliteSystem）為例，各部分具體介紹如下：1.1.1全球設施（1）空間信號段是由GNSS在軌道上的衛(wèi)星所發(fā)出的無線信號，它能完成導航定位信號的持續(xù)傳輸，接收地面站的導航信息和調度指令。其中GPS的衛(wèi)星星座分為21個導航衛(wèi)星和3個備用衛(wèi)星。BDS的衛(wèi)星星座分為地球同步衛(wèi)星5顆、傾斜地球同步衛(wèi)星3顆、中高度地球衛(wèi)星27顆。（2）地面控制段：由分布在全球的地面觀測站組成，主要包括監(jiān)測站、主控站和信息注入站，以完成對衛(wèi)星的控制與對任務的分配控制。GPS地面控制段構成，按級分布如下監(jiān)控系統(tǒng)——跟蹤站——跟蹤站1個主控站、3個注入站、5個監(jiān)控站。BDS地面控制段由地面監(jiān)控系統(tǒng)和具有星間鏈路的導航星座構成REF_Ref104150425\r\h[10]。1.1.2區(qū)域設施區(qū)域設施以對系統(tǒng)和性能具有特定要求的服務為對象，能夠將地面定位與通訊系統(tǒng)結合起來，可以滿足更多用戶的需求。GPS的區(qū)域設施有印度區(qū)域性導航衛(wèi)星、美國廣域增強系統(tǒng)、歐洲靜止衛(wèi)星導航系統(tǒng)的外部強化系統(tǒng)、日本準天頂衛(wèi)星系統(tǒng)。BDS區(qū)域設施有地基增強系統(tǒng)、星基增強系統(tǒng)。1.1.3用戶設備系統(tǒng)GNSS用戶設備類型：導航型、測量型、授時型（本課題研究的是導航型接收機）其組成分為硬件和軟件兩部分。硬件包括接收機、天線、控制器、計算機、無線通信、終端、手簿等；軟件包括數據采集軟件、基線處理軟件（HGO、SGO等等）、網平差軟件（相關的GNSS數據處理軟件）等。1.2GNSSRTK測量技術1.1.1測量技術（1）RTK技術RTK技術的實現需要兩個站點，基準站和流動站，其是通過對兩個站載波相位觀測值的處理，實時、快速地獲取兩個站點的三維坐標。具體操作是，基準站與流動站之間通過連接，建立通信鏈，然后流動站接收來自衛(wèi)星的信號和基準站實時發(fā)送的載波相位觀測值等信息，結算后，就會得到三維坐標信息。在RTK模式的動作中，基準站接收機會在坐標已知的數據點(或數據站的網絡)上持續(xù)接收所有可視的GNSS衛(wèi)星信號。（2）GNSSRTK技術GNSS-RTK技術是指在GNSS測量過程中采用差分定位技術來進行載波相位觀測的新型GNSS技術REF_Ref104150627\r\h[12]。（3）GNSSRTK工作原理GNSSRTK工作原理是先將基準站A架設在已知點上，而流動站B需要根據具體的測量要求以及測量場來進行架設。兩臺接收機分別架設、設置好參數之后，需要對移動站A進行單獨設置，使其與基準站B之間的數據通信網絡連接，基準站會實時將差分數據和測量數據發(fā)送給流動站，流動站此時還可以接收衛(wèi)星信號。經過流動站的實時解算，能獲取到實時的點位坐標和相關信息。（如圖1.2所示）圖1.2GNSSRTK工作原理1.1.2測量模塊GNSS-RTK系統(tǒng)包括：基準站、移動站、數據通信鏈、終端手薄、數據處理軟件和衛(wèi)星。（1）基準站：接收衛(wèi)星傳輸的改正數據并發(fā)送數據到流動站。（2）流動站：接收基準站發(fā)送的改正數據和衛(wèi)星信號以及基準站的差分數據。通過計算獲取流動站位置的三維坐標等信息的工作。（3）數據通信鏈：是儀器之間的進行數據傳輸的方法。（4）終端手薄：手簿藍牙可以連接GNSS接收機，可通過設置接收機的工作參數，實現碎步測量，點放樣等數據交換功能。（5）數據處理軟件：由兩部分組成，一部分是在野外測量時，手簿自帶的數據采集軟件，同時可以對數據進行實時處理，比如南方銀河6手簿所帶的“工程之星”；另一部分是進行內業(yè)數據處理時，配套的RTK數據后處理軟件，比如南方測繪的“SGO”。（6）衛(wèi)星：發(fā)射衛(wèi)星信號。1.3影響測量精度的因素1.3.1與衛(wèi)星有關的誤差源（1）衛(wèi)星鐘誤差衛(wèi)星上原子鐘的時鐘時間和GNSS的標準時間之間存在差值，即衛(wèi)星鐘誤差。對衛(wèi)星鐘差可以通過對星鐘差改正，保證衛(wèi)星鐘誤差值在20ns以內。也可以用相對定位的方法，利用接收機之間差值來消除衛(wèi)星鐘的余差。（2）衛(wèi)星星歷誤差在GNSS定位過程中，星歷預報所提供的參數，是實時計算衛(wèi)星軌道參數的數據基礎。但無論使用的星歷類型如何，衛(wèi)星的運行均會受到速度和外力的作用，這樣計算出來的位置偏離實際位置而產生誤差，即衛(wèi)星星歷誤差。削弱星歷誤差可以采用相對定位法，利用兩個觀測點間星歷誤差的強關聯性，排除兩站點的共同影響，獲得高精度的相對坐標；也可以建立區(qū)域性衛(wèi)星測軌網，使GNSS衛(wèi)星有自己的獨立軌道，從而使GNSS衛(wèi)星打破對SA政策的依賴性，避免受其干涉。（3）相對論效應衛(wèi)星鐘和停留在地面上的同種類時鐘所處的位置不同，無法保證二者速度同步，這樣產生的時間差，被稱為相對論效應誤差，此誤差是定位計算過程中產生的誤差。1.3.2與信號傳輸有關的誤差源（1）電離層延遲空氣產生電離，在空氣中含有自由電子和正離子的大氣位置叫做電離層。信號穿過電離層因為電磁產生折射，改變了信號傳播路徑，造成了減速、信號延遲現象。削弱電離層延遲可以經過多次實驗，選擇適當的觀測場地與條件來削弱電離層延遲，也可以雙頻改正減小誤差。也可以根據同一區(qū)域傳播介質的相似原理，使得衛(wèi)星信號到達該區(qū)域距離相近的測站時觀測量之間是有關聯的，可以通過相近測站同步觀測來進行誤差改正。（2）對流層延遲對流層位于550km以下，它電離層延遲相似，是大氣層發(fā)生折射對信號產生的延遲。雖然原理相同，但對流層作用區(qū)域更加接近地球表面，其大氣密度與成分更加復雜，誤差處理難度也更大。通過建立數學模型可以有效減小對流層延遲的誤差。也可以用平差法，在數據處理時，將對流層改正數也設為未知量與其他未知量進行聯合處理；還可以用求差法，即對觀測值進行求差，但是其缺點是，如果基線距離過長，其準確性也會下降。（3）多路徑效應除了衛(wèi)星傳播路徑之外的其他因為反射折射產生的路徑都被接收機接收的情況叫多路徑效應，它主要的產生原因是強反射的物體表面，屬于偶然誤差，增長觀測時間能有效減少誤差影響。削弱多路徑效應還可以選擇合適的儀器架設位置，提前對接收機天線周圍的情況進行詳細地勘查，排除多路徑效應大的站點；也可以通過加強對接收機天線的要求，使用功能強的、屏蔽較好的新型天線，比如目前市面上存在的拖流圈天線；1.3.3與接收機有關的誤差源（1）觀測誤差實際觀測的過程中，由于物體都可以反射信號，在進行信號分辨時難免會產生誤差，同時在安置接收機天線時也會產生誤差。削弱觀測誤差可以適當增加觀測時間來減弱；也可以在進行精密定位時，仔細操作來減弱；還可以在變形監(jiān)測中，采取強制對中來減弱。（2）接收機鐘誤差接收機鐘誤差：是GNSS接收機鐘面時與標稱時之間的差異REF_Ref20326\r\h[6]?？梢酝ㄟ^建立改正模型進行誤差改正。還可以通過進行多衛(wèi)星之間同步觀測，求取衛(wèi)星之間的差，以達到消除接收機鐘誤差的目的；還可以在平差時，利用時間多項式求出多項式系數來消除。（3）天線相位中心位置誤差接收機天線相位誤差：儀器在使用一段時間后，天線的相位中心會因為信號的強度起伏和天線方向的不同，此時與理論上的天線相位中心之間會產生差值，就是天線相位中心位置誤差。減少誤差的方法是在兩個測站進行同步觀測相同衛(wèi)星，差分求解即可。此種方法也就是控制變量法，要保證兩測站天線的安置方向、天線類型、接收機批號、天線高度、測站周圍環(huán)境、溫度等變量均保持一致。（4）坐標轉換參數引起的誤差RTK數據采集所使用的，坐標系統(tǒng)是“WGS-84”，但是我們日常測量用到的是“國家2000”或者“北京54”坐標系，所以我們在進行測量參數設置時，要輸入已知點兩套系統(tǒng)下坐標進行坐標轉換工作，而轉換參數不是統(tǒng)一的，改變控制點其計算結果也會受到影響，這樣導致的誤差就是坐標轉換參數引起的誤差。（5）RTK數據傳輸誤差RTK測量時，需要在基準站與流動站之間進行數據傳輸，此過程使用的技術是無線電技術，在傳輸過程中難免會出現數據的丟失或者失真，就會產生RTK數據傳輸誤差。1.3.4其他誤差源（1）GNSS地面控制段的影響GNSS的地面控制段的監(jiān)測站、主控站、信息注入站均是由