我們常說的GPS定位或GPS測量，其實只是GNSS中的一種。GNSS(全球導航衛星系統)是泛指所有利用衛星信號導航定位的系統，GPS只是其中的一個，另外還有三個分別是BDS/COMPASS(中國)，GLONASS(俄羅斯)，Galileo(歐盟)。之所以還如此稱呼，主要還是因為GPS的影響最深、應用范圍最廣、用戶最多，我國早期是沒有自己的衛星導航系統的，只能使用美國的GPS。不過隨著我國的經濟實力和航天技術的發展，我們具備了自主研發屬于自己的全球導航衛星系統。于是在1994年啟動了建設北斗衛星導航系統的建設計劃，按照“三步走”計劃，終于在2020年7月31日，宣布“北斗三號全球衛星導航系統正式開通”，至此，中國成為了世界上第三個獨立擁有全球衛星導航系統的國家(歐盟不屬于國家)。

　　接下來我將從幾個方面給大家科普一下有關GNSS測量的相關知識，以及它在不同領域中的應用，尤其是測繪領域。

　　一、GNSS定義及系統構成

　　1.定義：全球導航衛星系統(Global Navigation Satellite System,GNSS)，它泛指所有的衛星導航系統，是一個統稱。

　　2.系統構成：空間部分(衛星星座)，地面控制部分(監測站、注入站、主控站)，用戶設備部分(接收機)。

　　①空間部分的功能：可連續向用戶播發用于導航定位的測距信號和導航電文，并接收來自地面監控系統的各種信息和命令以維持系統的正常運轉。

　　②地面控制系統的主要功能：主控站的作用是負責管理、協調地面監控系統中的各部分工作，然后根據各監控站對GNSS的觀測數據，計算出衛星的星歷和衛星鐘的改正參數等，并將這些數據編制成導航電文通過注入站注入到衛星中去，同時，它還對衛星進行控制，向衛星發布指令，調整衛星軌道和衛星鐘讀數，維持衛星的正常工作;注入站是向導航衛星輸入導航電文和其他命令的地面設施;監測站的主要功能是對視場中的各GNSS衛星進行偽距觀測，自動記錄各種氣象元素，最后將偽距觀測值進行改正后傳送給主控站。

　　③用戶：用GNSS接收機來測定從接收機至GNSS衛星的距離，并根據衛星星歷所給出的觀測瞬間衛星在空間的位置等信息求出自己的三維位置、三維運動速度和鐘差等參數。

　　二、GNSS定位原理及分類

　　GNSS定位的基本原理原理是：空間后方距離交會。即以GNSS衛星和用戶接收機天線之間的距離的觀測量為基礎，根據已知的衛星瞬間坐標來確定用戶接收機所對應的位置，即待定點的三維坐標。

　　1.依據測距的原理，其定位的方法主要有兩種方式，一種是載波相位定位，一種是偽距法定位。

　　(1)偽距法定位：當衛星發射一組測距碼信號，經過時間t后，到達接收機天線，接收機通過碼相關技術測定測距碼的傳播時間，進而測定距離。 (ρ = c*t)

　　(2)載波相位定位：把衛星信號的載波作為量測對象，對載波進行相位觀測，確定衛星信號和接收機參考信號的相位差，推算出相位觀測值。繼而求出某一時刻衛星到接收機天線相位中心的距離。(ρ = λ*φ)

　　2.按照觀測時接收機的運動狀態，可以分為靜態定位和動態定位。

　　3.按照定位方式，又分為絕對定位和相對定位。

　　三、GNSS定位的幾種常見測量方法：

　　GNSS定位分為絕對定位(單點定位)和相對定位，在測量中主要使用相對定位。GNSS相對定位在施測中主要有靜態相對定位和實時動態相對定位。

　　靜態相對定位主要用于精密控制測量;

　　實時動態定位簡稱實時動態測量(RTK)，主要用于數據采集、圖根控制和施工放樣等。RTK又分為單基站RTK和網絡RTK(CORS)兩種方法。

　　由于靜態相對定位的內容較多且重要，我們放在下一篇文章中講解，本次主講RTK的使用。

　　1.單基站RTK(至少需要兩臺接收機)

　　(1)測量原理：將一臺接收機作為基準站(亦稱參考站)，位置固定不動，另一臺或多臺接收機作為流動站，可任意移動位置，基準站和流動站同步觀測相同的衛星，基準站通過數據鏈(內置電臺)將其相位觀測數據及坐標信息實時傳送給流動站，流動站利用基準站提供的觀測數據同自己接收到的相位觀測值進行實時差分處理，從而獲得流動站的實時三維坐標。

　　(2)操作步驟：

　　第一步：架設基準站。可以架設在已知點上，也可以在任意點上，但要保證該點視野開闊、上空無遮擋、沒有信號干擾等。

　　第二步：啟動基準站。作為基站的接收機開機后，利用藍牙將接收機和測量手簿相連，進行工作模式(基準站模式)、高度截止角(15°)、電臺頻道(1-115)和數據鏈模式(內置電臺)的設置。

　　第三步：新建工程，設置坐標系統。在項目中新建作業工程，然后坐標系統設置包括坐標系(CGCS2000、WGS84、北京54、西安80等)，中央子午線設置(可以實時獲取)。

　　第四步：啟動流動站。流動站接收機開機后，使手簿與流動站點的接收機的藍牙連接，連接成功后進行流動站的參數設置，包括：工作模式的選擇——移動站、數據鏈模式(內置電臺)、電臺頻道(與基準站設置相同)。設置完成后，待手簿顯示固定解后方可進行下一步操作。

　　第五步：求轉換參數。利用流動站測量至少兩個已知點的源坐標(WGS-84)，即大地坐標;然后調用或輸入已知點的測區坐標(目標坐標)即平面坐標;計算坐標轉換參數(一般選擇四參數+高程擬合)，檢驗計算是否符合要求，主要看尺度K是否接近1.0000或0.9999，符合要求則可以直接點擊“應用”，坐標系轉換完畢，就可以直接測量了。

　　2.網絡RTK(CORS)

　　(1)測量原理：采用的是虛擬基準站法，在一個較大的區域均勻地布設多個連續運行的基準站，根據各基準站長期跟蹤的觀測結果，反演出區域內GNSS定位的一些主要誤差模型，用戶將自己求出的坐標傳送給數據處理中心，數據處理中心隨即將該點作為虛擬參考站，估算出相應的誤差參數播發給用戶，用戶再利用虛擬參考站的載波相位觀測值及坐標按照常規RTK的方法確定自己的最終位置。

　　(2)操作步驟：

　　第一步：啟動移動站。移動站開機后，使手簿與移動站點的接收機的藍牙連接，連接成功后進行移動站的參數設置，包括：工作模式的選擇——移動站，數據鏈模式——手簿差分，選擇CORS、運營商、服務器IP、端口、源節點，輸入用戶名和密碼。(不同的端口對于不同的坐標系統)

　　第二步：新建工程，設置坐標系統。在項目中新建作業工程，然后坐標系統設置包括坐標系(CGCS2000、WGS84、北京54、西安80等)，中央子午線設置(可以實時獲取)。

　　第三步：求轉換參數。利用移動站測量至少兩個已知點的源坐標(WGS-84)，即大地坐標;然后調用或輸入已知點的測區坐標(目標坐標)即平面坐標;計算坐標轉換參數(一般選擇四參數+高程擬合)，檢驗計算是否符合要求，主要看尺度K是否接近1.0000或0.9999，符合要求則可以直接點擊“應用”，坐標系轉換完畢，就可以直接測量了。注：點校驗功能的使用條件：

　　在同一個坐標系統項目下，基站位置發生變化(比如基站更換位置、斷電關機、第二天重新架基站測量)，這時就可以使用點校驗功能了，用一個已知點做點校驗，就可以繼續測量，不需要重新進行轉換參數的計算。

　　四、相關名詞解釋：

　　1.GNSS衛星發射的信號由載波、測距碼和導航電文組成的。

　　2.載波：可運載調制信號的高頻振蕩波。(實質就是信號傳播的載體，除此之外也可以作為測距信號的工具。)

　　3.測距碼：用于測定從衛星到接收機間的距離的二進制碼。

　　4.導航電文：由GNSS衛星向用戶播發的一組反映衛星衛星在空間的運行軌跡、衛星鐘的改正參數、電離層延遲修正參數及衛星的工作狀態等信息的二進制代碼，也稱數據碼(D碼)。

　　5.固定解：當整周模糊度參數取整數時所求得的基線向量解稱為整數解，也稱為固定解。它是最精確的解類型，該狀態測量的數據精度在厘米級。

　　6.浮點解：當模糊度參數取實數時所求得基線向量解稱為實數解，也稱為浮點解。該狀態下測量的數據誤差較大，精度在米級。

　　7.單點解：接收機未使用任何差分改正信息計算的三維坐標。該狀態下測量的數據誤差在百米甚至千米級。

　　8.失鎖：接收機與觀測衛星斷開連接，無法鎖定其位置。

　　9.數據鏈：內置電臺，外掛電臺，內置網絡，手簿差分。

　　①內置電臺：當使用單基站RTK測量方法時使用，基準站向流動站實時發送數據的一種方式，需要兩者設置相同的頻道才可以實現數據的實時傳輸;
       ②外掛電臺：想要增加基準站輻射的范圍時，可以架設外掛電臺，作用是增加基準站發送數據的范圍，方便流動站接收數據;
       ③內置網絡：將SIM卡插入到接收機中時，手簿中數據鏈的連接方式為內置網絡，接收機就可以通過登錄cors賬號實現實時動態定位，即網絡RTK;
       ④手簿差分：將SIM卡插入到手簿中或手簿連接無線網絡，通過登錄cors賬號實現實時動態定位，即網絡RTK。

　　10.高度截止角：衛星到接收機的連線與水平線之間的夾角。其目的是為了屏蔽遮擋物及多路徑效應的影響，低于此角的衛星不予跟蹤，提高測量精度。

　　11.工作模式：靜態模式，基站模式，流動站(移動站)模式。

　　12.多路徑效應：測站周圍的反射物所反射的衛星信號進入接收機天線，對直接來自衛星信號(直接波)產生干涉，從而使觀測值偏離，產生所謂的“多路徑誤差”。這種由于多路徑的信號傳播所引起的干涉時延效應被稱作多路徑效應。

　　13.觀測時段：觀測站上開始接收衛星信號到停止接收，連續觀測的時間間隔稱為觀測時段。簡稱時段。

　　14.同步觀測：兩臺或兩臺以上接收機同時對同一衛星進行的觀測。

　　15.單差解：對兩個不同觀測站GPS接收機同步觀測同一衛星載波相位觀測值進行求差的數據處理方法，可以消除或削弱 GPS衛星鐘差、軌道誤差、電離層時延和對流層時延。

　　16.雙差解：對兩個不同觀測站GPS接收機同步觀測兩顆衛星所得的單差進行求差的數據處理方法，可以消除GPS接收機鐘差。

　　17.三差解：對兩個不同觀測站GPS接收機同步觀測兩顆衛星所得的雙差在不同歷元進行求差的數據處理方法，可以消除整周模糊度。

　　18.整周模糊度：由于載波信號是一個單純的余弦波，因此在載波相位測量中，接收機無法判定所量測信號的整周數，又稱為整周模糊度。

　　19.周跳：在進行載波相位觀測時，計數器由于某種原因使得整周的計數少了n周，但是不足一周的相位仍然正確，這種現象稱為周跳。

　　20.相對定位：確定同步跟蹤相同的GPS衛星信號的若干臺接收機之間的相對位置的定位方法。用基線向量表示。

　　五、GNSS技術應用：

　　1.在大地測量與地球動力學中的應用

　　(1)建立和維持國際地球參考框架、測定地球自轉參數。

　　由國際GNSS服務IGS所提供的間隔為一星期的時間序列已成為IERS在建立和維持國際地球參考框架ITRF及確定地球自轉參數中的一種重要數據源。可以通過該數據源不僅能測定各主要板塊之間的運動，還能測定板塊內的運動，有助于了解地質構造運動的過程。

　　(2)建立和維持區域性的動態參考框架。

　　長期連續運行的CORS系統可以通過定期與周圍的IGS站進行聯合解算來不斷地更新自己的站坐標來建立區域性的動態參考框架，為建立和維持國家、省市等區域性的動態參考基準發揮主導作用。

　　(3)大地定位

　　由于GNSS定位技術具有全天候、測站間無需通視、精度高、速度快等優點，現已成為平面控制測量的主要方法。隨著高精度的區域似大地水準面的建立，測量中的高程信息也得到廣泛的應用，替代精度要求不高的高程測量工作。

　　2.在工程測量中的應用

　　(1)布設各種類型的工程測量控制網

　　GNSS 技術基本上可以滿足各種類型的工程測量控制網的精度要求。在《全球定位系統測量規范》中，將GPS測量劃分為5個等級，分別為A級、B級、C級、D級、E級，而每一級的劃分并不是由用途來確定的，而是以其實際的質量要求來確定的。

　　A級：國家一等大地控制網，全球性地球動力學研究，地殼形變測量和精密定軌等。

　　B級：國家二等大地控制網，地方或城市坐標基準框架，區域性地球動力學研究，地殼形變測量，局部形變監測和各種精密工程測量等。

　　C級：國家三等大地控制網，區域、城市及工程測量的基本控制網等。

　　D級：國家四等大地控制網

　　E級：中小城市、城鎮及測圖、地籍、土地信息、房產、物探、勘測、建筑施工等的控制測量等。

　　(2)變形監測

　　變形監測不僅包括對橋梁、水庫大壩、海上鉆井平臺、高層建筑等建筑物的監測，還包括對地震、滑坡、崩塌、泥石流等地質災害的變形監測。

　　由于GNSS測量技術具有全天候、實時、無需通視、精度高等諸多優點，所以可以利用該技術實現對變形體的實時自動化變形監測，通過測定監測物體的三維坐標，得到監測點的水平位移和垂直位移的變化情況，為研究變形體的變形情況及災害預測提供可靠的數據支持。

　　不過使用時也有一定的限制，監測點的上空不能有遮擋，方便接受衛星信號，周邊不能有較高的建筑物，遠離高壓線、水面等容易產生多路徑效應的環境，否則就會影響測量的精度。另外GNSS測量的平面位置精度較高，可以達到厘米級但是高程的位置精度誤差較大，不適合做高等級的變形監測。

　　(3)數字化測圖

　　采用GNSS RTK技術可以省去建立圖根控制網這個中間環節，直接進行碎部測量，而且還可以全天候的觀測，測量精度高，實時獲取地物點的坐標信息，大大加快了測量的速度，提高了工作效率。

　　缺點是只能采集地面上的地物，無法采集具有一定高度、周圍有遮擋衛星信號的獨立地物，例如路燈、大樹、房屋等。這些地物的測量工作需要借助全站儀才能完成。

　　(4)施工放樣

　　在工業與民用建筑物施工測量、公路測量、輸電線路測量、管線測量等工作中，大多數只需要厘米級的精度，采用RTK技術可以快速地完成上述任務。現在施工放樣基本離不開RTK，尤其是線路施工測量，大大提高了工作的效率，不僅可以實現中樁的測設，還可以得到線路的縱斷面測量數據。

　　3.在航測和遙感中的應用

　　(1)布設測區內的大地控制點(像控點)。

　　在進行傳統的攝影測量工作時，需要在測區內布設一定數量的像控點，以便在后續對影像進行空三加密時圖形的坐標糾正，使得最后得到的正射影像圖與實際的坐標系統一致。

　　(2)GPS輔助空中三角測量

　　利用安置在航測飛機上的GPS接收機來測定每張航片在曝光瞬間的三維坐標，以便于后期內業數據處理時進行圖像的拼接和結算。

　　(3)遙感衛星定軌

　　利用衛星遙感技術可以快速、方便地獲取所需地區的相關地面信息，且不受國界的限制。但是采用這種方法，需要知道觀測歷元衛星在空間的位置和姿態等信息，在衛星上安裝GPS接收機后，就能利用GPS定位的方法相當準確地確定衛星的軌道。

　　4.在地籍測量中的應用

　　地籍測量是調查和測定土地(宗地或地塊)及其附著物的界線、位置、權屬和利用現狀等基本情況及其幾何形狀的測繪工作。不僅可以利用靜態GNSS測量的模式進行高等級的地籍控制測量，還可以利用RTK進行低等級的控制測量以及界址點坐標的測定工作。

　　5.在軍事中的應用

　　GNSS可為導彈和智能炸彈進行精確的制導，使其能準確命中目標，以摧毀對方的指揮中心、通信系統、防空系統、機場等重要軍事目標。除此之外，可用于軍事偵察衛星，通過在偵察衛星上安裝GPS接收機，可以提供任一時間衛星的位置和軌道信息，完成對偵測區域高精度的地形情報數據收集。

　　6.在交通運輸業中的應用

　　在交通運輸業中的應用主要體現在車輛導航定位的功能。在航空領域，通過在飛機上安裝GPS接收機，飛機就能按照最短航線進行飛行;車輛上配備車載GPS之后，駕駛員就可以根據導航信息獲取到達目的地的最佳路線，同時對于物流公司來說，在貨車上安裝GPS接收機，公司可以很好地管控車輛，熟悉車輛的運行狀況，保證人員和貨物的安全。