我们常说的GPS定位或GPS测量，其实只是GNSS中的一种。GNSS(全球导航卫星系统)是泛指所有利用卫星信号导航定位的系统，GPS只是其中的一个，另外还有三个分别是BDS/COMPASS(中国)，GLONASS(俄罗斯)，Galileo(欧盟)。之所以还如此称呼，主要还是因为GPS的影响最深、应用范围最广、用户最多，我国早期是没有自己的卫星导航系统的，只能使用美国的GPS。不过随着我国的经济实力和航天技术的发展，我们具备了自主研发属于自己的全球导航卫星系统。于是在1994年启动了建设北斗卫星导航系统的建设计划，按照“三步走”计划，终于在2020年7月31日，宣布“北斗三号全球卫星导航系统正式开通”，至此，中国成为了世界上第三个独立拥有全球卫星导航系统的国家(欧盟不属于国家)。
接下来我将从几个方面给大家科普一下有关GNSS测量的相关知识，以及它在不同领域中的应用，尤其是测绘领域。
一、GNSS定义及系统构成
1.定义：全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)，它泛指所有的卫星导航系统，是一个统称。
2.系统构成：空间部分(卫星星座)，地面控制部分(监测站、注入站、主控站)，用户设备部分(接收机)。
①空间部分的功能：可连续向用户播发用于导航定位的测距信号和导航电文，并接收来自地面监控系统的各种信息和命令以维持系统的正常运转。
②地面控制系统的主要功能：主控站的作用是负责管理、协调地面监控系统中的各部分工作，然后根据各监控站对GNSS的观测数据，计算出卫星的星历和卫星钟的改正参数等，并将这些数据编制成导航电文通过注入站注入到卫星中去，同时，它还对卫星进行控制，向卫星发布指令，调整卫星轨道和卫星钟读数，维持卫星的正常工作;注入站是向导航卫星输入导航电文和其他命令的地面设施;监测站的主要功能是对视场中的各GNSS卫星进行伪距观测，自动记录各种气象元素，最后将伪距观测值进行改正后传送给主控站。
③用户：用GNSS接收机来测定从接收机至GNSS卫星的距离，并根据卫星星历所给出的观测瞬间卫星在空间的位置等信息求出自己的三维位置、三维运动速度和钟差等参数。
二、GNSS定位原理及分类
GNSS定位的基本原理原理是：空间后方距离交会。即以GNSS卫星和用户接收机天线之间的距离的观测量为基础，根据已知的卫星瞬间坐标来确定用户接收机所对应的位置，即待定点的三维坐标。
1.依据测距的原理，其定位的方法主要有两种方式，一种是载波相位定位，一种是伪距法定位。
(1)伪距法定位：当卫星发射一组测距码信号，经过时间t后，到达接收机天线，接收机通过码相关技术测定测距码的传播时间，进而测定距离。 (ρ = c*t)
(2)载波相位定位：把卫星信号的载波作为量测对象，对载波进行相位观测，确定卫星信号和接收机参考信号的相位差，推算出相位观测值。继而求出某一时刻卫星到接收机天线相位中心的距离。(ρ = λ*φ)
2.按照观测时接收机的运动状态，可以分为静态定位和动态定位。
3.按照定位方式，又分为绝对定位和相对定位。
三、GNSS定位的几种常见测量方法：
GNSS定位分为绝对定位(单点定位)和相对定位，在测量中主要使用相对定位。GNSS相对定位在施测中主要有静态相对定位和实时动态相对定位。
静态相对定位主要用于精密控制测量;
实时动态定位简称实时动态测量(RTK)，主要用于数据采集、图根控制和施工放样等。RTK又分为单基站RTK和网络RTK(CORS)两种方法。
由于静态相对定位的内容较多且重要，我们放在下一篇文章中讲解，本次主讲RTK的使用。
1.单基站RTK(至少需要两台接收机)
(1)测量原理：将一台接收机作为基准站(亦称参考站)，位置固定不动，另一台或多台接收机作为流动站，可任意移动位置，基准站和流动站同步观测相同的卫星，基准站通过数据链(内置电台)将其相位观测数据及坐标信息实时传送给流动站，流动站利用基准站提供的观测数据同自己接收到的相位观测值进行实时差分处理，从而获得流动站的实时三维坐标。
(2)操作步骤：
第一步：架设基准站。可以架设在已知点上，也可以在任意点上，但要保证该点视野开阔、上空无遮挡、没有信号干扰等。
第二步：启动基准站。作为基站的接收机开机后，利用蓝牙将接收机和测量手簿相连，进行工作模式(基准站模式)、高度截止角(15°)、电台频道(1-115)和数据链模式(内置电台)的设置。
第三步：新建工程，设置坐标系统。在项目中新建作业工程，然后坐标系统设置包括坐标系(CGCS2000、WGS84、北京54、西安80等)，中央子午线设置(可以实时获取)。
第四步：启动流动站。流动站接收机开机后，使手簿与流动站点的接收机的蓝牙连接，连接成功后进行流动站的参数设置，包括：工作模式的选择——移动站、数据链模式(内置电台)、电台频道(与基准站设置相同)。设置完成后，待手簿显示固定解后方可进行下一步操作。
第五步：求转换参数。利用流动站测量至少两个已知点的源坐标(WGS-84)，即大地坐标;然后调用或输入已知点的测区坐标(目标坐标)即平面坐标;计算坐标转换参数(一般选择四参数+高程拟合)，检验计算是否符合要求，主要看尺度K是否接近1.0000或0.9999，符合要求则可以直接点击“应用”，坐标系转换完毕，就可以直接测量了。
2.网络RTK(CORS)
(1)测量原理：采用的是虚拟基准站法，在一个较大的区域均匀地布设多个连续运行的基准站，根据各基准站长期跟踪的观测结果，反演出区域内GNSS定位的一些主要误差模型，用户将自己求出的坐标传送给数据处理中心，数据处理中心随即将该点作为虚拟参考站，估算出相应的误差参数播发给用户，用户再利用虚拟参考站的载波相位观测值及坐标按照常规RTK的方法确定自己的最终位置。
(2)操作步骤：
第一步：启动移动站。移动站开机后，使手簿与移动站点的接收机的蓝牙连接，连接成功后进行移动站的参数设置，包括：工作模式的选择——移动站，数据链模式——手簿差分，选择CORS、运营商、服务器IP、端口、源节点，输入用户名和密码。(不同的端口对于不同的坐标系统)
第二步：新建工程，设置坐标系统。在项目中新建作业工程，然后坐标系统设置包括坐标系(CGCS2000、WGS84、北京54、西安80等)，中央子午线设置(可以实时获取)。
第三步：求转换参数。利用移动站测量至少两个已知点的源坐标(WGS-84)，即大地坐标;然后调用或输入已知点的测区坐标(目标坐标)即平面坐标;计算坐标转换参数(一般选择四参数+高程拟合)，检验计算是否符合要求，主要看尺度K是否接近1.0000或0.9999，符合要求则可以直接点击“应用”，坐标系转换完毕，就可以直接测量了。注：点校验功能的使用条件：
在同一个坐标系统项目下，基站位置发生变化(比如基站更换位置、断电关机、第二天重新架基站测量)，这时就可以使用点校验功能了，用一个已知点做点校验，就可以继续测量，不需要重新进行转换参数的计算。
四、相关名词解释：
1.GNSS卫星发射的信号由载波、测距码和导航电文组成的。
2.载波：可运载调制信号的高频振荡波。(实质就是信号传播的载体，除此之外也可以作为测距信号的工具。)
3.测距码：用于测定从卫星到接收机间的距离的二进制码。
4.导航电文：由GNSS卫星向用户播发的一组反映卫星卫星在空间的运行轨迹、卫星钟的改正参数、电离层延迟修正参数及卫星的工作状态等信息的二进制代码，也称数据码(D码)。
5.固定解：当整周模糊度参数取整数时所求得的基线向量解称为整数解，也称为固定解。它是最精确的解类型，该状态测量的数据精度在厘米级。
6.浮点解：当模糊度参数取实数时所求得基线向量解称为实数解，也称为浮点解。该状态下测量的数据误差较大，精度在米级。
7.单点解：接收机未使用任何差分改正信息计算的三维坐标。该状态下测量的数据误差在百米甚至千米级。
8.失锁：接收机与观测卫星断开连接，无法锁定其位置。
9.数据链：内置电台，外挂电台，内置网络，手簿差分。
①内置电台：当使用单基站RTK测量方法时使用，基准站向流动站实时发送数据的一种方式，需要两者设置相同的频道才可以实现数据的实时传输;
②外挂电台：想要增加基准站辐射的范围时，可以架设外挂电台，作用是增加基准站发送数据的范围，方便流动站接收数据;
③内置网络：将SIM卡插入到接收机中时，手簿中数据链的连接方式为内置网络，接收机就可以通过登录cors账号实现实时动态定位，即网络RTK;
④手簿差分：将SIM卡插入到手簿中或手簿连接无线网络，通过登录cors账号实现实时动态定位，即网络RTK。
10.高度截止角：卫星到接收机的连线与水平线之间的夹角。其目的是为了屏蔽遮挡物及多路径效应的影响，低于此角的卫星不予跟踪，提高测量精度。
11.工作模式：静态模式，基站模式，流动站(移动站)模式。
12.多路径效应：测站周围的反射物所反射的卫星信号进入接收机天线，对直接来自卫星信号(直接波)产生干涉，从而使观测值偏离，产生所谓的“多路径误差”。这种由于多路径的信号传播所引起的干涉时延效应被称作多路径效应。
13.观测时段：观测站上开始接收卫星信号到停止接收，连续观测的时间间隔称为观测时段。简称时段。
14.同步观测：两台或两台以上接收机同时对同一卫星进行的观测。
15.单差解：对两个不同观测站GPS接收机同步观测同一卫星载波相位观测值进行求差的数据处理方法，可以消除或削弱 GPS卫星钟差、轨道误差、电离层时延和对流层时延。
16.双差解：对两个不同观测站GPS接收机同步观测两颗卫星所得的单差进行求差的数据处理方法，可以消除GPS接收机钟差。
17.三差解：对两个不同观测站GPS接收机同步观测两颗卫星所得的双差在不同历元进行求差的数据处理方法，可以消除整周模糊度。
18.整周模糊度：由于载波信号是一个单纯的余弦波，因此在载波相位测量中，接收机无法判定所量测信号的整周数，又称为整周模糊度。
19.周跳：在进行载波相位观测时，计数器由于某种原因使得整周的计数少了n周，但是不足一周的相位仍然正确，这种现象称为周跳。
20.相对定位：确定同步跟踪相同的GPS卫星信号的若干台接收机之间的相对位置的定位方法。用基线向量表示。
五、GNSS技术应用：
1.在大地测量与地球动力学中的应用
(1)建立和维持国际地球参考框架、测定地球自转参数。
由国际GNSS服务IGS所提供的间隔为一星期的时间序列已成为IERS在建立和维持国际地球参考框架ITRF及确定地球自转参数中的一种重要数据源。可以通过该数据源不仅能测定各主要板块之间的运动，还能测定板块内的运动，有助于了解地质构造运动的过程。
(2)建立和维持区域性的动态参考框架。
长期连续运行的CORS系统可以通过定期与周围的IGS站进行联合解算来不断地更新自己的站坐标来建立区域性的动态参考框架，为建立和维持国家、省市等区域性的动态参考基准发挥主导作用。
(3)大地定位
由于GNSS定位技术具有全天候、测站间无需通视、精度高、速度快等优点，现已成为平面控制测量的主要方法。随着高精度的区域似大地水准面的建立，测量中的高程信息也得到广泛的应用，替代精度要求不高的高程测量工作。
2.在工程测量中的应用
(1)布设各种类型的工程测量控制网
GNSS 技术基本上可以满足各种类型的工程测量控制网的精度要求。在《全球定位系统测量规范》中，将GPS测量划分为5个等级，分别为A级、B级、C级、D级、E级，而每一级的划分并不是由用途来确定的，而是以其实际的质量要求来确定的。
A级：国家一等大地控制网，全球性地球动力学研究，地壳形变测量和精密定轨等。
B级：国家二等大地控制网，地方或城市坐标基准框架，区域性地球动力学研究，地壳形变测量，局部形变监测和各种精密工程测量等。
C级：国家三等大地控制网，区域、城市及工程测量的基本控制网等。
D级：国家四等大地控制网
E级：中小城市、城镇及测图、地籍、土地信息、房产、物探、勘测、建筑施工等的控制测量等。
(2)变形监测
变形监测不仅包括对桥梁、水库大坝、海上钻井平台、高层建筑等建筑物的监测，还包括对地震、滑坡、崩塌、泥石流等地质灾害的变形监测。
由于GNSS测量技术具有全天候、实时、无需通视、精度高等诸多优点，所以可以利用该技术实现对变形体的实时自动化变形监测，通过测定监测物体的三维坐标，得到监测点的水平位移和垂直位移的变化情况，为研究变形体的变形情况及灾害预测提供可靠的数据支持。
不过使用时也有一定的限制，监测点的上空不能有遮挡，方便接受卫星信号，周边不能有较高的建筑物，远离高压线、水面等容易产生多路径效应的环境，否则就会影响测量的精度。另外GNSS测量的平面位置精度较高，可以达到厘米级但是高程的位置精度误差较大，不适合做高等级的变形监测。
(3)数字化测图
采用GNSS RTK技术可以省去建立图根控制网这个中间环节，直接进行碎部测量，而且还可以全天候的观测，测量精度高，实时获取地物点的坐标信息，大大加快了测量的速度，提高了工作效率。
缺点是只能采集地面上的地物，无法采集具有一定高度、周围有遮挡卫星信号的独立地物，例如路灯、大树、房屋等。这些地物的测量工作需要借助全站仪才能完成。
(4)施工放样
在工业与民用建筑物施工测量、公路测量、输电线路测量、管线测量等工作中，大多数只需要厘米级的精度，采用RTK技术可以快速地完成上述任务。现在施工放样基本离不开RTK，尤其是线路施工测量，大大提高了工作的效率，不仅可以实现中桩的测设，还可以得到线路的纵断面测量数据。
3.在航测和遥感中的应用
(1)布设测区内的大地控制点(像控点)。
在进行传统的摄影测量工作时，需要在测区内布设一定数量的像控点，以便在后续对影像进行空三加密时图形的坐标纠正，使得最后得到的正射影像图与实际的坐标系统一致。
(2)GPS辅助空中三角测量
利用安置在航测飞机上的GPS接收机来测定每张航片在曝光瞬间的三维坐标，以便于后期内业数据处理时进行图像的拼接和结算。
(3)遥感卫星定轨
利用卫星遥感技术可以快速、方便地获取所需地区的相关地面信息，且不受国界的限制。但是采用这种方法，需要知道观测历元卫星在空间的位置和姿态等信息，在卫星上安装GPS接收机后，就能利用GPS定位的方法相当准确地确定卫星的轨道。
4.在地籍测量中的应用
地籍测量是调查和测定土地(宗地或地块)及其附着物的界线、位置、权属和利用现状等基本情况及其几何形状的测绘工作。不仅可以利用静态GNSS测量的模式进行高等级的地籍控制测量，还可以利用RTK进行低等级的控制测量以及界址点坐标的测定工作。
5.在军事中的应用
GNSS可为导弹和智能炸弹进行精确的制导，使其能准确命中目标，以摧毁对方的指挥中心、通信系统、防空系统、机场等重要军事目标。除此之外，可用于军事侦察卫星，通过在侦察卫星上安装GPS接收机，可以提供任一时间卫星的位置和轨道信息，完成对侦测区域高精度的地形情报数据收集。
6.在交通运输业中的应用
在交通运输业中的应用主要体现在车辆导航定位的功能。在航空领域，通过在飞机上安装GPS接收机，飞机就能按照最短航线进行飞行;车辆上配备车载GPS之后，驾驶员就可以根据导航信息获取到达目的地的最佳路线，同时对于物流公司来说，在货车上安装GPS接收机，公司可以很好地管控车辆，熟悉车辆的运行状况，保证人员和货物的安全。
