工程测量GNSS测量技术

工程测量GNSS测量技术

张杰

山东省济宁市邹城市自然资源综合执法大队 山东 济宁 273500

摘要：本论文旨在研究工程测量中的全球导航卫星系统（GNSS）测量技术，并探讨其在现代工程测量领域中的应用。通过回顾相关的学术文献和实际案例，我们分析了GNSS测量的优势和局限性，并提出了一些解决现有问题的方法。我们的研究显示，GNSS测量技术在工程测量中具有广泛的应用前景。

关键词：工程测量、全球导航卫星系统、GNSS测量技术、应用前景

引言：工程测量是现代工程建设过程中不可或缺的环节，它为工程项目的规划、设计、监测和验收提供了重要的数据支持。传统的测量方法往往需要大量的人力和时间投入，且受到地理环境和天气等因素的制约。然而，随着全球导航卫星系统的发展与普及，特别是GNSS技术的成熟应用，工程测量领域出现了革命性的变化。

一、GNSS基本原理与体系结构

GNSS（全球导航卫星系统）是一种利用空间中的一组卫星和地面控制站来提供全球定位、导航和定时服务的技术。其基本原理和体系结构如下：GNSS的基本原理是通过测量从卫星发送的信号的时间和距离，以确定接收器的位置。每颗卫星都以已知的轨道运行，并向地球发射精确的无线电信号。接收器接收多颗卫星的信号，通过计算信号传播的时间延迟来确定距离，进而计算出其位置。GNSS由一组卫星、地面控制站和用户接收器组成。卫星：GNSS系统通常由多颗卫星组成，例如美国的GPS（全球定位系统）、俄罗斯的GLONASS（格洛纳斯）、欧盟的Galileo（伽利略）和中国的北斗导航系统等。这些卫星分布在地球轨道上，并以精确的轨道运行，向用户发送定位信号。地面控制站：地面控制站负责监控和管理卫星系统。它们接收卫星信号，检查和校正卫星钟的精度，并将修正数据传输给卫星，以确保其精确性和可靠性。地面控制站还负责计算卫星的轨道参数和时钟校准，并向用户提供导航辅助数据。用户接收器：用户接收器是GNSS系统的终端设备，用于接收、解码和处理卫星发送的信号。用户接收器可以确定其在地球上的位置、速度和时间，并为用户提供定位和导航服务。用户接收器通常由天线、接收电路和数据处理单元组成。GNSS系统通过将多颗卫星的测量数据与地面控制站提供的辅助信息进行计算和处理，使用户能够准确地确定其三维位置（经度、纬度和海拔）和时间。需要注意的是，不同的GNSS系统可能有略微不同的体系结构和工作原理，但它们都基于类似的基本原理，以提供全球定位、导航和定时服务。

二、工程测量GNSS测量技术存在的问题

1.GNSS测量在城市峡谷、高层建筑和密集林地等环境中的性能下降

城市区域通常由高楼大厦、狭窄的街道和金属结构等构成，这些构造物会对卫星信号的传播产生阻碍和衰减。主要的问题是多径效应，即卫星信号在到达接收机前经过建筑物反射产生额外的路径。这些多径信号的干扰会导致测量误差和不稳定性，并影响定位精度。在峡谷或山区进行测量时，由于周围高地的遮挡作用，卫星信号的接收受到限制。峡谷地形会造成信号的阻塞和多次反射，导致信号强度变弱、相位延迟变化等问题，进而影响GNSS定位的准确性。在森林或密集植被覆盖的区域，树木和植被会阻碍卫星信号的穿越。树冠和叶子对信号的衰减、散射和反射作用使得信号质量下降，甚至无法正常接收到足够的卫星信号进行定位。

2.GNSS定位结果的可靠性和鲁棒性

多径效应：多径效应是指由于信号在到达接收机前经过建筑物、地形等障碍物反射或折射产生额外路径，使得接收机接收到多个相位延迟不同的信号。这会导致定位结果的误差和不稳定性，特别是在城市环境和密集植被区域。天线相位中心偏移：天线相位中心偏移是指天线的相位参考点与天线实际位置之间的偏差。如果没有对相位中心偏移进行准确的校正，将导致定位结果的偏差和不准确性。多路径抑制：多路径抑制是指通过信号处理算法抑制或消除多径效应的方法。然而，在复杂环境中，多路径抑制的效果可能不理想，导致定位结果的误差。卫星遮挡和几何约束：卫星遮挡是指建筑物、山体等物体阻挡卫星信号的情况。当接收机无法接收到足够数量和良好质量的卫星信号时，定位结果的可靠性会下降。如果卫星几何配置较差（如低角度卫星），也会影响定位精度。系统误差和环境干扰：系统误差包括钟差、电离层延迟等，这些误差会引入到GNSS观测中并影响定位结果。环境中的电磁干扰、多路径信号干扰等也可能对定位结果造成负面影响。

三、解决问题的措施

1.多系统、多频率接收机的应用，以提高测量的可靠性和精度

使用多系统接收机可以同时接收多个GNSS系统（如GPS、GLONASS、Galileo、BeiDou等）。由于不同GNSS系统具有不同的卫星分布和观测几何特性，多系统接收机能够增加可见卫星的数量，提高测量的可靠性和精度。当一个系统的信号受到遮挡或干扰时，其他系统的信号可以作为备份，并提供更多的观测信息，从而减少定位误差。传统的GNSS测量通常只使用L1频率进行定位。L1频率容易受到多径效应和信号干扰的影响，从而影响测量精度。多频率接收机具有额外的L2、L5、E5等频率接收功能，这些频率具有较高的抗多径效应能力和较低的信号干扰水平。通过利用多频率的观测数据，可以更好地处理多径效应、减小信号干扰，并提高测量精度。将多系统和多频率结合起来使用，可以进一步提高测量的可靠性和精度。多系统联合应用可以充分利用不同GNSS系统的优势，并通过多系统间的差分处理消除系统误差。多频率联合应用可以提供更多的观测数据，用于抑制多径效应和减小信号干扰，从而提高定位精度。综上所述，工程测量中的GNSS测量技术多系统和多频率接收机的应用可以显著提高测量的可靠性和精度。这些技术不仅扩大了卫星观测的范围和数量，还增加了抗多径效应能力和减少了信号干扰的能力，为工程测量提供了更可靠、更精确的定位结果。

2.引入辅助定位技术，如惯性导航系统（INS）和地面参考站（CORS）等，提高定位结果的可靠性

惯性导航系统结合加速度计和陀螺仪等惯性传感器，可以通过测量运动物体的加速度和角速度来估计位置和姿态。在工程测量中，将INS与GNSS系统结合使用，可以实现惯性导航与卫星导航的融合定位。INS可以提供高频率的位置和姿态信息，并且不受GNSS信号遮挡或干扰的影响，从而改善GNSS测量结果的可靠性和连续性。地面参考站是指布置在地面上、具有已知位置和高质量观测的GNSS接收站。地面参考站可以通过接收卫星信号并进行准确观测，提供差分修正数据。工程测量中，使用地面参考站与待测位置处的移动接收机进行差分处理，可以消除大部分系统误差，包括钟差、电离层延迟等。这样能够提高定位结果的精度和可靠性。将INS和CORS等辅助定位技术与GNSS系统进行信息融合，可以充分利用各个定位系统的优势。通过融合不同系统的数据，可以减小单一系统的局限性，提高定位结果的可靠性和精度。常见的融合算法包括扩展卡尔曼滤波（EKF）和粒子滤波（PF）等。在一些工程测量场景中，要求实现对运动物体的实时动态定位，如车辆、船舶等。此时，引入INS和CORS等辅助定位技术可以提供高频率的位置和姿态估计，以及差分修正数据，实现实时动态定位需求，并提高定位结果的准确性和可靠性。工程测量中引入辅助定位技术，如惯性导航系统（INS）和地面参考站（CORS）等，可以显著提高GNSS测量结果的可靠性和精度。通过融合不同系统的数据，消除系统误差和信号遮挡干扰，获得更准确的定位结果，满足工程测量对可靠性和精度的要求。

结论：

GNSS测量技术在工程测量中具有广泛的应用前景，并且随着技术的不断发展和完善，其在解决现有问题方面的潜力也越来越大。然而，仍然需要进一步研究和改进，以适应不同环境条件下的工程测量需求。

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