基于GNSS技术的高精度工程测量方法研究

基于GNSS技术的高精度工程测量方法研究

李华兵

绵阳恒博岩土工程勘察设计有限公司    四川绵阳621000

摘要：全球导航卫星系统（GNSS）技术在工程测量领域中扮演了关键角色，提供了多种高精度定位方法。静态定位技术通过长时间观测获得高精度结果，主要用于基准点建设和地壳形变监测。实时动态定位技术（RTK）利用移动站和基站之间的差分信号，实现厘米级实时定位，适用于道路施工、土地测绘等。差分GNSS（DGNSS）通过参考站网络提供改正信息，提高定位精度，广泛应用于水利、林业等领域。多系统融合定位技术结合多个卫星系统，提高在复杂环境下的定位可靠性和精度。各技术的操作流程均包含设备设置、数据采集及后处理展示了GNSS技术的多样性和灵活性。

关键词：GNSS技术；静态定位技术；实时动态定位技术（RTK）

1. GNSS技术概述

全球导航卫星系统（GNSS）是利用卫星群提供定位、导航和时间同步服务的空间基础设施。包括GPS、GLONASS、Galileo和BDS。GNSS接收器通过接收多颗卫星的信号，能精确计算出位置和时间。GNSS广泛应用于各个领域，为现代社会的关键应用提供支持。随着技术发展，其精度、可靠性和可用性不断提高，对全球经济发展和生活质量提升起到重要作用。

2. GNSS技术的高精度工程测量方法

2.1 静态定位技术

2.1.1 静态定位技术的原理

静态定位技术作为GNSS高精度测量方法之一，其原理建立在对卫星信号进行长期观测的基础上。通过布设GNSS接收器对固定地点连续观测长达几小时，可采集海量卫星数据。对这些资料进行了精密后处理，其中采用了双差分算法以消除卫星与接收器钟差，大气延迟以及多路径效应等影响，显着提高了位置信息精度。该技术取决于至少2个接收器，其中1个为已知点参考站和1个或更多为待确定点。

2.1.2 静态定位技术的操作流程

静态定位技术在操作过程中需要严谨，准确。首先，需要选择一个合适的观测点，确保该点有良好的天空可见性，以减少建筑物或天然障碍物对信号的遮挡。二是GNSS接收器放置于点位，开始采集资料，一般这一过程需历时几小时才能保证数据完整准确。在搜集资料之后，接收器所搜集的原始观测资料会被传送给后处理软件中，软件中一般都含有准确的轨道资料以及大气模型来进行资料处理以及误差消除。最后利用后处理所得结果确定观测点准确坐标。从全过程来看，维持设备的稳定与同步时间非常关键，才能确保数据一致可靠。

2.1.3 静态定位技术在工程测量中的应用

静态定位技术广泛应用于工程测量，特别是对要求极高的定位精度。在高速公路，大型桥梁，水坝及高层建筑等大型建设项目施工过程中，采用静态定位技术构建控制网为后续施工提供准确参考坐标系统。该技术还广泛应用于地壳形变监测，大地测量及边界划分。由于静态定位能实现极高的测量精度，因此，在以上应用场合，静态定位就成了保证工程质量与安全的一个关键手段。

2.2 实时动态定位技术（RTK）

2.2.1 RTK技术的原理

实时动态定位技术（RTK）是基于GNSS原理开发的，它通过使用两个或更多的接收器，即一个基准站和一个或多个流动站，能够实时计算出流动站的精确位置。基准站在已知坐标点上，向流动站实时地发出差分校正信息，该差分方法能够对卫星信号存在的大气延迟，电离层干扰和轨道误差进行实时修正。RTK系统采用载波相位测量来代替单纯对卫星信号进行编码，使其可以提供厘米级乃至毫米级定位精度。RTK关键在实时，即测量与校正几乎在瞬间进行，为解决动态环境中高精度定位要求提供一种解决途径。

2.2.2 RTK技术的操作流程

RTK技术运行过程首先是建立基准站，该基准站在准确已知位置点上，既要求能发出实时差分数据又要求能覆盖工作区通信范围。此后，流动站沿工作区运动，一边从基准站接收差分信号，一边直接从卫星接收信号。流动站上的接收器把两种信号合成在一起，并实时解算出各自准确位置。在运行过程中要保证数据传输连续稳定，一般采用无线电波，移动电话网络等通讯技术。RTK高效性表现为它具有快速初始化、实时解算等功能，使得测量人员在收到信号之后就能马上启动测量工作。

2.2.3 RTK技术在工程测量中的应用

就工程测量而言,RTK技术因具有精度高，实时性强的特点，在土地测绘，工程建设，基础设施监测以及农业管理方面得到了广泛的应用。以道路施工为例,RTK可以实时地提供准确的机械位置以指导准确地挖掘，铺设以及平整作业。桥梁建设时采用RTK监测结构位置变化保证施工精度。RTK在自动驾驶拖拉机，作物映射以及土地管理等精密农业中也有应用。它具有工作效率高、省时省力等特点，使RTK在现代工程测量过程中必不可少，从而提高工程质量和生产效率。

2.3 差分GNSS（DGNSS）

2.3.1 DGNSS的原理

差分全球导航卫星系统（DGNSS）的工作原理是利用参考站已知的位置来修正附近用户接收器的误差。参考站接收来自卫星的信号，并计算其自身的伪距误差，即由于卫星轨道偏差、信号传播时间延迟（包括电离层与对流层的延迟）以及接收机延误等因素产生的误差。由于参考站准确位置已知，因此能够准确地计算出上述误差，产生差分修正信息。接着，这些修正后的信息会通过无线电或其他通信手段，实时地传送到附近的移动接收站。

2.3.2 DGNSS的操作流程

DGNSS运行过程始于在准确的已知坐标位置上设置1个或1个以上固定参考站。参考站接收GNSS信号并不断计算其与真实位置的误差产生差分修正信息。然后，通过具体通信系统，将上述信息实时地发送到需精确定位移动接收站。在移动接收站端点，所接收的GNSS信号与参考站接收的差分信号结合，并且移动站接收器内的处理系统将使用该信息来校正位置误差。

2.3.3 DGNSS在工程测量中的应用

在工程测量领域，DGNSS是常用的提高定位精度的技术。例如，在海洋测绘、港口建设和维护、河流和海岸线监测等领域，DGNSS被用来确保导航和定位的精确性。在土地测量、道路建设和管线布设等工程项目中，利用DGNSS进行定位可以有效减少建设过程中的误差，保障工程质量。

2.4 多系统融合定位技术

2.4.1 多系统融合定位的原理

多系统融合定位技术是指将全球多个卫星导航系统比如GPS（美国）、GLONASS（俄罗斯）、Galileo（欧盟）和北斗（中国）等的数据综合起来，以提高定位的精度、可靠性和可用性。这种融合技术可以弥补单一系统的不足，如信号阻隔、多路径效应和大气延迟等问题。通过整合多个系统，可以增加可用卫星的数量和几何分布，从而增强信号覆盖，提供更加稳定和连续的定位服务。多系统融合定位涉及到复杂的数据处理，包括时钟差异的同步、不同系统间的系统偏差校正以及多系统数据的权重分配等，以确保各种数据在融合过程中的一致性和准确性。

2.4.2 多系统融合定位的操作流程

多系统融合定位的操作流程通常开始于接收机，它能够同时跟踪接收多个卫星导航系统的信号。这些数据首先经过预处理，包括去除噪声、校正时间和卫星轨道误差等。接着，融合算法会对来自不同系统的数据进行整合，包括时间同步，以及利用各种数学模型和滤波技术，如卡尔曼滤波，来优化信号的组合。在此基础上，系统还会考虑环境因素对信号的影响，进行相应的修正。最后，通过这些处理步骤，计算出用户的位置、速度和时间（PVT）解。

结束语

综上所述，GNSS技术在工程测量中展现出高度的精确性和灵活性。无论是静态定位技术，实时动态定位技术（RTK），差分GNSS（DGNSS），还是多系统融合定位技术，每种方法都有其独特的原理、操作流程和应用场景。随着技术的不断进步和新系统的整合，GNSS在工程测量领域的应用将更加广泛，精度和效率也将持续提高，为未来的工程项目打下坚实的测量基础。

参考文献

[1]董莉, 张慧. GNSS技术在水利工程测绘中的应用[J]. 产业科技创新, 2023, 5 (04): 83-85.

[2]李龙江. 基于机器学习的GNSS水汽反演及其在降雨预报中的应用研究[D]. 中国矿业大学, 2023.

[3]李玉豪. GNSS桥梁形变监测系统在水位反演中的应用研究[D]. 南京信息工程大学, 2023.