嘉兴南洋职业技术学院 嘉兴 314000
摘要：随着GNSS技术的发展，卫星定位测量越来越多的影响着我们的生活，在土木工程领域，随着建筑工程向结构更高、更复杂发展，传统的测量技术在误差控制、工作效率等方面的缺点不断凸显，而GNSS（RTK）在这些方面却有着很好的表现。
本文首先针对当下全球GNSS发展的现状进行了全面地统计分析，同时分析了GNSS测量的误差来源，并提出了控制措施。
关键词：GNSS，工程测量，RTK，建筑施工
近年来，多个国家或地区在竞相发展各自的卫星导航系统，目前在太空中已经有多个卫星导航系统在运行，GNSS领域的竞争日趋激烈。GPS和GLONASS系统正在进行现代化改造，我国的北斗系统和欧洲的Galileo系统正在积极组网阶段，目标是实现全球星座部署并投入运行，印度的IRNSS和日本的QZSS也将不断推进建设。
1 GNSS测量应用现状
在未来几年，多个卫星导航系统的运行，将使GNSS领域的竞争进入白热化。GPS和GLONASS系统将陆续完成现代化改造，我国的北斗和Galileo系统将实现全球星座部署并投入运行，印度的IRNSS和日本的QZSS也将建设完毕。
1.1 美国GPS更新
截至2013年底，美国GPS星座共有32颗卫星，其中31颗在轨运行，1颗超期服役。31颗卫星中包括8颗2A卫星，12颗2R卫星，7颗2RM卫星，4颗2F卫星。2013年5月15日，美国用宇宙神－5火箭将一颗GPS－2F卫星送入轨道，用于替换1996年发射的超期服役卫星。
美国计划在2018年发射第一颗GPS－3卫星。洛马公司8月27日宣布，美国空军抗干扰能力更强的新型大功率GPS-3型卫星的首星已在8月20日运往卡纳维拉尔角，为定于12月份进行的发射做准备。GPS-3由洛马设计建造，精度将是现役GPS-2型卫星的3倍，抗干扰能力将8倍于GPS-2，并将首次广播新的L1C民用信号。洛马握有10颗GPS-3型卫星的建造合同。
1.2 俄罗斯改进GLONASS卫星技术
格洛纳斯全球导航卫星系统，策划始于1976年，首次发射是1982年，1995年该星座全面投入使用。目前正在使用的是第二代Glonass-M卫星和Glonass-K1卫星，而Glonass-K2和KM卫星正在开发中。格洛纳斯全球卫星导航系统的在轨卫星总数已达26颗。格洛纳斯全球导航卫星系统，为全球地表、海洋和空中物体提供实时定位数据，民用精度为100米，军用精度为10-20米，时间精度低于1000纳秒，与美国GPS、欧盟（EU）伽利略和中国北斗，并称为全球四大卫星导航系统。
1.3 中国“北斗”系统完成区域部署，着力实施应用推广
北斗卫星导航系统由5颗静止卫星和30颗非静止轨道卫星组成，卫星设计寿命8年。2012年底，“北斗”系统完成区域组网，正式提供区域导航服务。目前系统运行连续、稳定，覆盖能力达到设计指标要求，定位精度10m。2013年，“北斗”系统开始进入星座全球部署阶段，将在2020年实现星座的全球组网。
1.4 欧洲“伽利略”卫星
欧洲原计划于2013年发射4颗由德国OHB公司建造的“伽利略”（Galileo）全面运行能力（FOC）卫星，但因准备工作延迟，这4颗FOC卫星不能按期发射入轨，而这将影响Galileo星座的部署。按照计划，到2014年完成另外14颗FOC卫星发射后，Galileo系统就可以投入运行，提供公开服务、公共特许服务和搜索与营救服务；到2019年，30颗卫星全部发射完成，就可以实现全球覆盖。其中27颗为工作卫星，3颗为备用卫星，定位导航系统的精度达到10～15m。
1.5 印度研制并发射首颗导航卫星
2013年7月1日，首颗IRNSS由极轨卫星运载火箭－C22成功发射。这颗IRNSS－1A卫星质量约1.4t，设计工作寿命10年。卫星发射后不久，印度对其有效载荷进行了为期1周的测试，然后在轨进行3～4个月的试验。IRNSS－1A卫星的成功发射使印度跻身于拥有卫星导航系统的国家行列。
1.6 日本优先实施QZSS项目
日本国家航天政策办公室将“准天顶卫星系统”（QZSS）作为最高优先级项目。2013年3月日本内务省宣布，分别与三菱电机公司和日本电气公司（NEC）签订合同，为日本的QZSS建造卫星和地面控制系统。三菱电机公司所签订合同价值500亿日元（约合5.4亿美元），根据合同规定，该公司将建造1颗地球静止轨道卫星和2颗倾斜轨道卫星。
日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）于2017年6月初发射了准天顶卫星“向导-2号”（QZS-2）。日本准天顶卫星系统（QZSS）是日本版的区域卫星定位系统，于2010年9月发射QZS-1号星。根据计划，2017年发射2号星和3号星，2018年发射4号星，从而形成四星运行的应用体制。至2023年，该系统计划由7颗卫星构成，以便增强连续性和更好的可持续定位。日本QZSS系统定位精度自称可达到厘米级，具有显著的精度优势，有望取得国际领先地位。
2 GNSS工程测量误差分析
GNSS卫星定位结果的误差主要来源于GNSS卫星、卫星信号的传播过程和地面接收设备。按误差性质可分为系统误差和偶然误差两大类。系统误差主要包括卫星星历误差、卫星钟差、接收机钟差以及大气折射误差等。偶然误差主要包括信号的多路径效应。其中系统误差无论是从误差的大小，还是对定位结果的危害性都比偶然误差要大得多。系统误差存在着一定的规律性，可以采取一定措施加以消除，只要措施得当，偶然误差也是可以避免的。
2.1 GNSS星座的卫星本身存在误差
这类误差主要体现在卫星星历误差、卫星钟的钟误差以及相对论效应等方面。由于卫星星历误差的出现，我们测量时，星历给出的卫星坐标与实际的卫星瞬时坐标间有偏差，所以会导致我们的“已知坐标点”不是一个精确值；再加上卫星钟的误差和相对论效应，会使得我们在测算卫星到GNSS接收机的距离时出现偏差。
（1）卫星星历误差。由广播星历或其它轨道信息所给出的卫星位置与卫星的实际位置之差称为卫星星历误差。在一个观测时间段内星历误差属系统误差特性，是一种起算数据误差，它将严重影响定位的精度，也是施工相对定位的重要误差源。
星历误差的大小，主要取决于卫星定轨系统的质量，如定轨站的数量及其分布、观测值的数量及其精度、定轨时所有的数学力学模型和定轨软件的完善成都等。此外，与星历的外推时间间隔也有直接关系。
（2）卫星钟误差。卫星钟误差包括有钟差、频偏、频移等产生的误差，也包含钟的随机误差。是高层建筑施工GNSS定位误差的主要来源之一。
在GNSS施工定位时，无论是通过何种观测量或测量模式，均要求卫星钟和接收机保持严格同步，尽管GNSS卫星均设有高精度的原子钟（比如铷钟、铯钟），但与理想的GNSS时间之间仍存在着偏差或漂移。
相对论效应误差。相对论效应是由于卫星钟和接收机钟所处的状态（运动速度和重力位）不同而引起卫星钟和接收机钟之间产生相对钟误差的现象。因此，将其归入与卫星有关的误差并不完全准确。但由于相对论效应主要取决于卫星的运动速度和重力位，并且是以卫星钟的误差这一形式出现，将其纳入卫星系统误差加以考虑是必要的。
狭义相对论。由于卫星钟被安置在高速运动的卫星中，根据狭义相对论的观点会产生时间膨胀的现象。一个频率为f的振荡器安装在飞行的载体上，由于载体的运动，对地面的观测者来说将产生频率偏移，因此在地面上具有频率为f0的时钟安设在以速度Vs运行的卫星上后，其频率fs将变为：
（2.1）
频率改变量为：
（2.2）
若将GNSS卫星的平均运动速度Vs=3874m/s和C=299792458m/s代入上式中，则
。
由此可见，卫星钟比静止在地球上同类钟慢了。
‚广义相对论。由广义相对论可知，若卫星所处的重力为Ws，地面测站处的重力位为WT，那么同一台钟放在卫星上和地面上时钟频率将相差：
（2.3）
式中，μ=3.986005×1014m3/s2，为万有引力常数和地球质量的乘积；R为接收机离地心的距离，近似取6378km；r为卫星离地心的距离，近似取26560km，则
。
由此可以看出，对于GNSS卫星而言，广义相对论效应的影响要比狭义相对论效应的大得多，且符号相反。总的相对论效应频率误差为：
（2.4）
2.2 信号传播有关的误差
与卫星信号传播有关的误差主要体现在大气折射误差和多路径效应。同时电磁干扰也对信号传输影响较大。RTK测量时通过电磁波进行数据传输和数据采集的，电离层和对流层的折射误差、多路径效应是主要影响因素。双频技术和引入对流模型能够降低信号的传播误差。
电离层延迟。由于太阳的强烈辐射，电离层中的部分气体分子将被电离形成大量的自由电子和正离子。当电磁波信号穿过电离层时，信号的路径会产生弯曲，传播速度也会发生变化。此时用信号的传播时间乘以真空中光速而得到的距离将不等于卫星至接收机间的几何距离，从而形成电离层折射误差。其误差的大小主要取决于电子总量和信号频率。
对流层延迟。对流层与地面接触并从地面得到辐射热能，其温度随高度的上升而降低。GNSS信号通过对流层时，也使传播的路径发生弯曲，从而使测量距离产生对流层折射误差。
多路径误差。多路径误差是经某些物体表面反射后到达接收机的信号，如果与直接来自卫星的信号叠加干扰后进入接收机，就将使测量值产生系统误差。多路径效应严重影响GNSS测量的精度，严重时还将引起信号失锁，是GNSS测量中一个重要的误差源。
2.3与接收机有关的误差
与接收机有关的误差主要体现在接收机的钟误差、接收机的位置误差、接收机的测量误差和天线相位中心的位置偏差。
（1）接收机钟误差分析
接收机钟误差原因分析GNSS接收机一般采用高精度的石英钟，其稳定度约为10-11。若接收机钟与卫星钟之间的同步差为1µs，则由此引起的等效距离误差约为300m。
（2）接收机位置误差分析
接收机天线相位中心相对测站标石中心位置的误差，叫做接收机位置误差。它包括天线置平和对中误差，量取天线高误差等。
（3）天线相位中心位置误差分析
在GNSS定位时，观测值都是以接收机天线的相位中心位置为准的。而天线的相位中心与其几何中心，在理论上应保持一致。然而实际上天线的相位中心随着信号输入的强度和方向不同而有所变化，即观测时相位中心的瞬时位置与理论上的相位中心有所不同。天线相位中心的偏差对相对定位结果的影响，根据天线性能的好坏可达数毫米至数厘米。所以对于精密相对定位来说，此影响也是不可忽略的，而如何减少相位中心的偏移是GNSS测量中一个重要的问题。
2.4与基准站有关的误差
主要体现在基准站已知坐标的误差和基准站载波相关误差。
2.5与数据链有关的误差
主要体现在差分信号调制解调误差和外界环境干扰影响。
3.6与流动站有关的误差
天线对中等人为误差和天线姿态影响。
2.7与数据处理有关的误差
主要体现在坐标系统转换误差、高程拟合误差、模糊度解算误差、动态基线解算误差。
3 结论
近年来，全球导航卫星系统（GNSS）发展迅速，GNSS技术以其测站间无需通视、可提供三维坐标、操作简便、全天候作业、定位精度高等特点著称。由于全球导航卫星系统实时动态定位（GNSS RTK）测量技术的完善，给土木工程施工带来了巨大的变化。RTK测量因为高效、方便、优质的优势特别突出，在工程项目测量中发挥越来越重要的作用。
在应用方面，GNSS系统在越来越多的领域被采用。行业涉及大地控制测量、精密工程测量及变形监测、航空摄影测量、线路勘测及隧道贯通测量、地形、地籍及房地产测量、海洋测绘、智能交通、地球动力学及地震研究、气象信息、航海航空导航、农业领域、林业管理、旅游及野外考察等。
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【资助项目】浙江省教育厅科研项目：GNSS测量在建筑施工中的应用研究；编号：Y201636502
作者简介：聂宝磊，1981年03月，男，江苏，就职于嘉兴南洋职业技术学院，讲师，工程师，硕士。张青艳，1981年12月，女，吉林，就职于嘉兴南洋职业技术学院，讲师，工程师，硕士研究生。
论文作者:聂宝磊,张青艳
论文发表刊物:《建筑模拟》2018年第19期
论文发表时间:2018/10/1
标签：误差论文; 接收机论文; 测量论文; 系统论文; 相位论文; 日本论文; 信号论文; 《建筑模拟》2018年第19期论文;