GNSS技术

GNSS技术（精选10篇）

GNSS技术 篇1

摘要：GNSS系统已被广泛应用于科技、城市建设、工程和能源勘测等多个领域。本文主要阐述了《全球定位系统 (GPS) 测量规范》 (GB/T18314-2009) 对不同GNSS控制网静态测量的技术要求, 并对不同控制网的技术指标做了相应比较, 分析了不同技术规范对GNSS控制网作业过程和作业结果的影响。

关键词：GNSS系统,GNSS测量规范,技术要求比较分析

1 GNSS系统

GNSS全球定位系统具有高效、准确、全球等特点, 随着观测技术和数据处理方法的不断优化, 在大于1000km的距离上, 其相对定位精度可以达到0.01ppm, 其达到的测量精度是惊人的。GNSS主要包括美国的GPS、俄罗斯的GLONASS、中国的北斗、欧盟的GALILEO等多个定位系统, 其中以GPS系统最为成熟。

1.1 GNSS系统构成和定位原理

GNSS系统主要由空间星座、地面监控、用户设备三部分组成。其基本定位原理是以GNSS卫星和用户接收机天线之间的距离 (或距离差) 的观测量为基础, 根据已知的卫星瞬时坐标来确定用户接收机所对应的点位。其定位的关键是测定用户接收机天线至GNSS卫星之间的距离。

1.2 GNSS静态定位工作流程

根据待定点位的运动状态, GNSS定位方法可分为静态定位和动态定位。静态定位是在定位过程中, 接收机天线的位置相对于周围地面点而言处于静止状态, 是通过大量的重复观测来提高精度的, 是一种高精度的定位方法。其作业流程:用两台或多台接收机同步接收相同的GNSS卫星信号, 以确定多条空间基线向量, 在一个端点坐标已知的情况下, 可以用基线向量推求另一待定点的坐标。

2 GNSS静态测量技术要求

2.1 静态测量的规范规定

根据国家标准《全球定位系统 (GPS) 测量规范》 (GB T18314-2009) , GNSS测量按其精度和用途可分为A、B、C、D、E五级。国家控制网的布设按照“从高级到低级, 从整体到局部”的原则。其中A、B级GNSS网主要用于建立国家一、二等大地控制网, 其目的主要用于地球动力学研究、地壳形变测量、卫星精密定轨测量;C、D级GNSS网主要用于建立国家三、四等大地控制网, 其目的主要用于区域、城市和工程测量;E级GNSS网主要用于测图、工程施工等。根据《规范》, A级控制网是卫星定位连续运行基准站。静态测量的技术要求主要是从卫星截止高度角、同时观测有效卫星数、有效观测卫星总数、观测时段数、观测时段长度、采样间隔等几个方面进行规定, 《规范》对静态观测具体技术规定见表1。

2.2 静态测量技术规定的比较

(1) 卫星截止高度角:是指为了屏蔽遮挡物 (如建筑物、树木等) 及多路径效应的影响所设定的角度阀值, 低于此角度视野域内的卫星不予跟踪。由表1可知, B级网的卫星截止高度角最小, 为10°, C、D、E控制网都是15°。

(2) 同时观测有效卫星数:是在一个观测时段内能被接收机同时进行观测的在轨卫星数。由以上规范规定可知, 各等级控制网对同时观测有效卫星数都得大于等于4, 说明当卫星数小于4颗时就不具备观测条件, 应停止观测。

注: (1) 计算有效观测卫星总数时, 应将各时段的有效观测卫星数扣除期间的重复卫星数; (2) 观测时段长度应为开始记录数据到结束记录的时间段; (3) 观测时段数≥1.6, 指每站观测一时段, 至少60%测站再观测一时段。

(3) 有效观测卫星总数:由表1中注释可知, 有效观测卫星总数是指各时段的有效观测卫星数扣除期间的重复卫星数。对有效观测卫星总数要求数量最多的是B级控制网, 大于等于20颗, D、E级控制网要求大于等于4颗, C级控制网要求大于等于6颗。

(4) 观测时段数:是由两个或两个以上接收机同时对同一组卫星进行观测的时段数。由表1可知, 对观测时段数要求最多的是B级控制网, 大于等于3个, D、E级控制网要求大于等于1.6个, C级控制网要求大于等于2个。

(5) 观测时段长度:是接收机开始记录到结束记录的时间长度。由表1可知, 对观测时段长度要求最多的是B级控制网, 大于等于23h, D、E级控制网要求大于等于60min、40min, C级控制网要求大于等于4h。

(6) 采样间隔:是接收机静态观测时对卫星信息的采集间隔。由表 (1) 可知, B级控制网要求是30s, C级控制网要求是10~30s, D、E级控制网要求是5~15s。

3 GNSS静态测量技术指标对作业过程和作业结果的影响

本《规范》对2001年《全球定位系统 (GPS) 测量规范》 (GB/T18314-2001) 进行了全面修订, 比2001年《全球定位系统 (GPS) 测量规范》更简洁、更严谨。做为GNSS行业的国家标准, 其对测量施测单位的具体作业有着权威的指导意义。

3.1 对作业过程的影响

(1) 对A级控制网, 本《规范》明确规定只做为连续运行参考站使用, 一般测量单位是没有做A级控制网的机会。而2001年《全球定位系统 (GPS) 测量规范》对AA级、A级控制网的施测项目都有具体的数据要求。

(2) 对B级控制网, 2009年版《规范》比2001年版《规范》规定更严格。具体体现在卫星截止高度角从15°降为10、观测时段长度从4h提高到23h、有效观测卫星总数更是从9个提高到20个。

(3) 对C级控制网, 2009年版《规范》比2001年版《规范》只是在时段长度上从1h延长到4h, 其他项目没有改变。

(4) 对D级控制网, 2009年版《规范》比2001年版《规范》在时段长度上从45min延长到60min、采样间隔从10~30s提高到5~15s, 其他项目没有改变。

(5) 对E级控制网, 2009年版《规范》比2001年版《规范》在采样间隔上从10~30s提高到5~15s, 其他项目没有改变。

可见2009年版《规范》在野外作业时间上更长, 特别是做B级控制网, 作业时间从4h大幅提升到23h。可以看出延长观测时间是提高观测精度的必要选择。对精度要求相对较低的D、E级控制网缩短采样间隔也是提高观测精度的首要考虑因素。

3.2 对作业结果的影响

由2009年版《规范》, 得到各级GNSS控制网精度, A级见表2, 其他各级见表3。

从表2、表3可以看到, 按照2009年版《规范》, GNSS静态测量技术指标在2001年版《规范》的基础上做了进一步完善, 各级控制网的精度有了较大提高, 就从精度稍低的E级控制网来说, 其水平分量的相邻点基线中误差达到了20mm, 垂直分量的相邻点基线中误差达到了40mm, 边长相对中误差也达到了1/150000, 已经是相当高的精度。

4 结语

GNSS的出现引起了测绘技术的一场革命, 使传统的测绘理论和方法产生了深刻变革, 促进了测绘科学技术的现代化。随着该技术的普及和发展, 在测绘领域和相关行业GNSS都得到了广泛的应用, 显示了广阔的发展前景。本文从GNSS系统的工作原理、2009版《规范》静态测量技术指标及指标对比等方面做了一定探讨, 对野外作业过程及结果产生的影响做了相应论证, 以期对测绘同行有所裨益。

GNSS技术 篇2

Compass纳入GNSS运行可行性探讨

根据全球卫星导航系统及我国“北斗”系统的`建设和发展,阐述了国际民航组织对GNSS的定义及性能要求.结合当前GNSS运行情况,探讨了将“北斗二号”纳入GNSS运行的可行性及必然性,阐明了GNSS多系统兼容运行的优势.

作 者：张光明 ZHANG Guang-ming  作者单位：中国民航飞行学院,四川,广汉618307 刊 名：全球定位系统 英文刊名：GNSS WORLD OF CHINA 年，卷(期)： 34(2) 分类号：P228 关键词：“北斗二号”   GNSS   区域导航   完好性   基于性能导航  

GNSS基线向量网平差研究 篇3

关键词：GNSS测量；特点；数据处理

1 GNSS测量的特点

（1）各个系统内可提供全球统一的三维地心坐标

经典大地测量将平面和高程采用不同方法分别施测。GPS测量中，可提供统一WGS-84下的坐标，可以精确测量观测站的大地高程。GLONASS 提供统一的PE-90坐标系下坐标，GNSS测量的这一特点，不仅为研究大地水准面的形状和确定地面点的高程开辟了新途径，同时也为其在航空物探、航空摄影测量及精密导航中的应用，提供了重要的高程数据。

GPS定位是在全球统一的WGS-84坐标系统中计算的，因此全球不同点的测量成果是相互关联的。我国使用CGCS2000坐标系统后，也便于WGS-84到CGCS2000坐标系统的转换，都是地心坐标系，转换精度更高。

（2）实时定位

利用全球定位系统进行导航，即可实时确定运动目标的三维位置和速度，可实时保障运动载体沿预定航线运行，亦可选择最佳路线，特别是对军事上动态目标的导航，具有十分重要的意义。

（3）观测时间短

目前，利用经典的静态相对定位模式，观测20Km以内的基线所需观测时间，对于单频接收机在1h左右，对于双频接收机仅需15～20min。采用实时动态定位模式，流动站初始化后，可随时定位，每站观测仅需几秒钟。利用GNSS技术建立控制网，可缩短观测时间，提高作业效益。

2 GPS基线向量网平差

由于GNSS系统中得到基线向量以后，再进行GNSS基线向量网平差，网平差解算原理是相似的，本文以GPS基线向量网平差处理的分析为例。

2.1GPS基线向量网三维平差

因为GPS基线向量观测值是WGS-84坐标系中的三维坐标的空间直角坐标，本文讨论不含地面观测数据和地面起算数据的GPS网在WGS-84坐标系中的三维平差。

对不含地面数据的GPS网在WGS-84坐标系中进行三位平差有如下作用：

1）检验GPS基线数据有没有粗差或明显的系统误差，并考察GPS网的内部精度和GPS基线向量的观测值精度。

2）为了利用某些点的正常高和GPS大地高差，确定GPS网中其它点的正常高，提供大地高差数据。

3）在WGS-84坐标系中进行三维平差之后，可以再用地面数据将其平差结果转换到地面坐标系统。

其中：

需要注意的是，无论是取那一点的单点定位值作为位置基准，还是秩亏平差法，因GPS单点定位值的精度不高，所以，经GPS网平差后，各个GPS点在WGS-84坐标系中的坐标值精度也较低。但是，它们相对于网的位置基准，则有相当高的精度。

2.2三维联合平差

GPS与地面测量数据的三维联合平差包含两种不同的形式。其一是地面测量数据仅包含作为联合平差定位基准、定向基准和尺度基准的固定点坐标、固定方位和固定边长。而以由GPS相位观测值解算得到的WGS-84系统中的三维基线向量（）作为观测量。我们把这种形式的三维联合平差称为GPS网在地面参考坐标系中的三维约束平差，以下简称为三维约束平差。其二是地面网测量数据除了上述作为基准的固定值外，还包含了空间距离，方向，天文方位角，水准高差，或天顶距，乃至天文经纬度等观测数据。GPS测量仍然以其基线向量作为观测值，这是严格意义下的GPS与地面测量数据的联合平差，以下简称为三维联合平差。

兩种三维联合平差的形式一般均以地面参考系统的某些已知数据作为平差基准，而以待定点的大地经纬度和大地高以及坐标系统的转换参数作为未知参数。

2.2.1 三维约束平差

在GPS网的网平差阶段，由于作为观测量的GPS基线向量本身包含了尺度基准信息和在WGS-84系中方位基准信息，而这些基准信息与地面测量系统的已知基准信息之间存在着系统差异，因此，在约束平差中，是以地面测量的某些量作为基准，来建立GPS三维向量的观测方程的。

1） GPS基线向量的观测方程

结束语：本文根据GNSS数据向量网所采用的平差方法，构建GNSS数据向量网观测数据平差处理模型，同时分析观测成果的可靠性和计算成果的合理性，并实现数据的自动化处理，在输出系统中实现成果文本、可视化等多种形式输出，满足工程实际管理需要。

参考文献

[1] 乔仰文，赵长胜，夏春林，（等）.GPS卫星定位原理及其在测绘中的应用[M].北京：测绘科学出版社，2003.

[2] 王慧南.GPS导航原理与应用[M].第一版.北京：科学出版社，2005.

[3] 马耀昌，辛国.GPS测量误差与数据处理的质量控制[J].地理空间信息，2006，14（2）.

GNSS基线解算的优化技术 篇4

关键词：GNSS,基线解算,基线向量,固定解,精细化处理

0引言

GNSS基线向量是GNSS同步观测的直接结果, 也是进行GNSS网平差, 获取最终点位的观测值。在基线解算时, 常碰到个别短基线难以处理合格, 在此情况, 有必要对基线进行优化处理。

1影响GNSS基线解算结果的因素及解决方案

1.1基线解算时所设定的起点坐标精度不高, 导致基线向量发生偏差。其影响程度可用公式表示:

式中△D为基线向量偏差, D为基线长度, △S为已知点坐标偏差, H为卫星轨道高度, 可见基线向量偏差与起算点误差成正比。

解决方案:作业时尽量收集测区附近精度较高的已知点, 测区附近的高等级点均进行联测。如果测区的七参数已知, 可以在整网平差时, 所有基线起点的坐标均由一个点坐标衍生而来, 使得基线结果均具有某一系统偏差, 然后在GNSS网平差处理时, 输入已知七参数参与平差。

1.2少数卫星的观测时间太短, 导致与该卫星有关的整周未知数固定困难。

打开卫星相位跟踪图, 如图1所示, 横轴代表观测时间, 纵轴代表卫星编号, G代表GPS卫星, R代表格洛纳斯卫星, 红色线和蓝色线分别代表L1和L2载波的观测量。解算时可以屏蔽掉观测时间短的卫星数据, 如图1中R18号卫星跟踪时间太短, 可以不让其参加基线解算。

1.3在整个观测时段里, 有个别卫星或个别时间段里周跳太多, 致使周跳修复不完善, 整周未知数固定困难, 严重影响基线向量的质量。

如图2所示, G12卫星在第11个历元时间段里残差值超过0.060米, 解算时可以屏蔽掉残差较大的时间段数据。

1.4多路径效应, 对流层折射或电离层折射影像, 致使观测值的改正数普遍较大。多路径效应对基线向量的水平方向影响较大, 大气折射对基线的垂直方向影响较大。多路径效应和大气折射的影响均可通过残差图分析, 可在卫星相位跟踪窗口里删除掉质量较差的时间段数据。

1.5其它因素:接收机本身的精度不高, 致使数据质量太差。比如接收机的测相精度的降低, 接收机的时钟不准确等。

2基线精细化处理实例

在基线解算中, 有时发现基线处理不合格的情况, 当长基线Ratio<3, 短基线Ratio<1.8时, 认为该基线不合格, 在这种情况下, 需要多次修改基线处理设置或编辑时段。

下面以某镇E级控制网为例说明基线精细化处理的基本原则和操作, 解算软件为南方测绘Gnssadj。

该项目为E级网, 点位平均距离5km, 用5台南方S86T GNSS接收机同步观测, 采样间隔为15秒, 高度截止角15度, 同步观测时间为80分钟。图3为软件默认设置解算的结果, 其中基线GN01-GN02, GN02-CF20, GN01-CF20三条基线均为浮动解。

以基线GN02-CF20为例, 分析其残差图, 如图2, 部分时间段残差较大, 从数据编辑中查看卫星相位跟踪图, 如图1, 看到历元有中断的地方较多, 中断处表示当时卫星信号失锁, 为无效历元。删除无效历元时点中, 然后按住鼠标左键拖拉框选中有历元中断的地方即可剔除无效历元, 点中可恢复剔除历元。退出数据编辑框, 重新解算剔除无效历元后的基线, 基线解仍为浮动解。

再分析GN02-CF20基线, 其基线长度为5.4km, 同步观测时间为96分钟, 可知基线较长, 同步观测时间较长, 可以尝试把高度截止角和采样间隔调大。通过基线解算设置中 (如图4) 调整高度截止角为25度, 历元间隔设置为30秒, 重新解算该基线, 基线解仍为浮动解。

再尝试调整观测组合方案分别为L1 (GPS) , L2 (GPS) 及Iono Free (GPS) , 解算结果如表1所示。当选择Iono Free (GPS) 解算时, 解算结果合格。

综上所述, 基线精细化处理一般采用以下四种措施:

2.1剔除无效历元

参考基线解算报表, 对于卫星的健康状况恶劣, 卫星信号经常失锁, 整周模糊度搜索失败, 禁用无效历元, 当基线的某处参差超过±0.1m时, 可以考虑删除相应时间段的卫星数据, 同时注意同一时段观测值的数据剔除率不能大于数据总量的10%。

2.2确定合适的历元间隔

采集高质量的载波相位观测值是解决周跳问题的根本途径, 适当增加采集密度是诊断和修复周跳的重要措施。

2.2.1对基线同步观测时间较短时, 可缩小历元间隔, 让更多的数据参与解算。同步观测时间较长时, 要增加历元间隔, 让更少的数据参与解算。

2.2.2数据周跳较多时, 可增加历元间隔, 使解算时跳过中断的数据继续解算。

2.2.3确定合适的高度截止角

如果更改历元间隔来解算无法使基线方差比增加, 再来调整高度截止角。确定合适的高度截止角原则:

(1) 若同步观测时间较长, 观测卫星数较多, GDOP值较小, 根据点位环视图有障碍, 增加高度截止角解算;

(2) 若同步观测时间较短, 观测卫星数较少, GDOP值较大, 点位环视条件好, 可降低高度截止角解算。

2.2.4调整观测组合方案

对于短基线 (<10km) 通常选择L1, 长基线 (>10km) 通常选择L2。L1测量噪声小, 但不利于求解模糊度;L2利于求解模糊度, 但测量噪声大。如果GPS观测值是双频观测值, 则可采用无电离层观测值 (Iono-free) 来进行基线解算。

用以上四种方法综合交叉使用来解算基线合格后再检核异步环、同步环和重复基线限差合格后才能网平差。

所述四种基线精细化方法只是一个大致的原则, 可以根据基本原则合理的相互配合进行设置, 以使基线解算达到要求。在基线解算中还要求同步环中各条基线解算设置条件尽量保持一致, 而修改了基线设置后又很难使其保持一致从而造成闭合环差过大。因此, 一般只对基线方差比小于解算通过条件的基线进行重解, 其他基线不作改动。

3结论

基线优化并非万能, 在控制网设计和观测时必须严格按照规范执行;对于个别不能得到合格解的基线, 可以通过删除无效历元, 设置合适的高度截止角和历元间隔及观测组合方案, 通常都能得到合格解。按这种方法重新优化基线, 一般就不需要再进行外业重测, 从而节省大量的返工时间。优化后的基线参与网平差, 能有效提高网的精度和可靠性。

参考文献

[1]李征航, 黄劲松.GPS测量与数据处理 (第二版) [M].武汉大学出版社, 2010.

[2]杨润书.GPS基线解算的优化技术[J].测绘通报, 2005 (05) .

[3]王国祥.GPS基线解算与质量控制[J].铁道勘察, 2005 (06) .

GNSS技术 篇5

【摘 要】本文以某矿区数据为例介绍如何应用TBC 2.5软件解决上述的坐标转换问题。

【关键词】TBC软件；坐标正反算；坐标转换

The process of the data processing and coordinate system conversion based on the TBC software

Zhang Zhen-lin，Lu Xin，Zhang Ling-xia

（Survey and Design Institute ， Shandong Yellow River Jinan Shandong 250013）

【Abstract】This article describes that how to use the data of an example of a mining area basing TBC 2.5 software to solve the problem of coordinate transformation.

【Key words】TBC software；Coordinates of the positive and negative balance；Coordinate transition

1. 坐标系及其相互转换的原理方法

1.1 大地坐标和空间直角坐标的转换。

将同一参考坐标系的大地坐标（B，L，H）转换成空间直角坐标系（X，Y，Z）的公式为

XYZ =（N+H）cosβcosL（N+H）cosβsinL[N（1-e2）+H]sinβ

公式中N为卯酉圈的半径；a为参考椭球的长半轴；b为参考椭球的短半轴；e为参考椭球的第一偏心率；f为参考椭球的扁率 f=a-ba。

1.2 不同大地坐标系三维转换。

1.2.1 三参数法。

三参数转换模型是在假设二个坐标轴相互平行的基础上提出的，轴间不存在二套坐标轴的旋转角即欧勒角，而在实际应用中，如果旋转角不大，可以用三参数法近似得进行空间直角坐标系统的转换。

1.2.2 四参数法。

在我们实际应用中，四参数法也是比较常用的，包含了二个平移参数（ΔX0，ΔY0 ），一个旋转参数（ α）和一个尺度因子（M）。四参数法不需要已知地方椭球和地图通用模型就可以利用最少的点计算出转换参数。

1.2.3 七参数法。

（1）同样我们假设有二个不同椭球即不同原点但是坐标轴相互平行的空间直角坐O1 -X1Y1Z1与O2-X2Y2Z2 ，三个平移参数（ X0，Y0，Z0）、三个欧勒角（εx，εy，εz） 、一个尺度变化参数M，我们称之为七参数法。

（2）用七参数进行空间直角坐标转换常用的是布尔莎公式，其公式如下所示：

X2Y2Z2 =（1+M）X1Y1Z1+0 εz -εy-εz 0 εxεy -εx 0 X1Y1Z1+X0Y0Z0

（3）七参数是应用比较广泛的一种坐标转换方法。转换参数可以通过联测一些公共点获得，一般要求不少于三组需要转换的二个坐标系下的公共点坐标对，利用最小二乘法初步计算坐标转换参数，再分析残差重新计算直到满足一定的精度为止。

2. TBC软件的设置

2.1 GNSS数据的导入。

默认模板下新建工程，在“文件”→“导入”，然后浏览文件夹选择好需要导入的数据文件。

2.2 文本数据导入导出格式的建立与编辑。

按照要求都要选择或者新建一个导入导出的数据格式，以大地坐标文本数据文件体为例，点击文件-导入格式编辑器，然后点击新建按按钮，然后点下一步，再进入格式体编辑，编辑字段：[名称][要素代码][北坐标][东坐标][高程]， 完成新导入导出格式的编辑。

2.3 建立坐标系。

例如在TBC软件里面建立北京54坐标系统，过程如下：在菜单栏上点击“工具”→“coordinate system manager” 进入坐标管理器窗口，在窗口上的菜单栏上点击“编辑”→“增加椭球”输入北京54的椭球参数，输入长半轴和扁率之后软件会自动计算短半轴和偏心率。然后在点击“编辑”→“增加基准转换”→“七参数”，在本文之前已经通过联测的方法求得二组坐标系的公共点坐标，该区域的七参数，输入兖矿地区的七参数。

3. 坐标转换

3.1 同一椭球上的坐标正反算。

（1）兖矿地区属于中央子午线117度，所以下面以北京54椭球，117度带为例介绍高斯投影的正反算。

（2）坐标正反算是高斯直角坐标系和大地坐标之间进行转换，该转换模型可根据软件自带工具计算即可。

3.2 换代计算。

（1）例：选择西安80 117。和120。两个相邻的投影带，输入相应的西安80的IAG 75地球椭球参数建立二个坐标系统：xian117和xian120。

（2）新建项目-选择坐标系统xian117→导入xian117高斯平面坐标文件→导出大地坐标。将xian117下的直角坐标通过高斯反算转换为大地坐标，然后根据高斯正算计算中央子午线120下的直角坐标。

3.3 把WGS84坐标转换成北京54空间直角坐标。

（1）该数据是通过在某矿区CORS系统建设的过程当中所测得的，测量者所用的测量设备是GPS流动站，测得的是WGS84坐标，但是在工程建设当中常需要把WGS84坐标转换成当地的国家坐标，因此在这以北京54（YKBJ54）坐标为例用七参数方法进行转换。

（2）本次导入的数据文件是天宝的“.dc”WGS84测量文件，导出来的是网格坐标即为北京54坐标再和经过用当地已知点起算并且整体平差的成果数据进行对比如表1所示：

（3）运用同样的方法，也可以在TBC软件里建立新的基准转换和坐标系统然后把大地坐标转换成80坐标和当地的矿区54坐标。

3.4 TBC相对TGO的改进。

TBC较以前的天宝公司的GPS处理软件TGO有些许改进，比如说：TBC软件除了能够处理处理GNSS（包括GPS和GLONASS）数据，在基线处理的精度方面也是优于TGO的，还集成了功能强大的可视工具和建模工具，利用多种视图全面反映数据信息，可以从网络上下载参考站数据、精密星历数据、天线和接收机更新文件等，可以进行表面建模，处理道路、水路数据，进行土石方体积计算，还有个比较新颖的功能就是可以导出叠加到Google Earth里的图像，形象方便得展示成果数据，还可以转换TGO新项目到TBC可用的格式。

4. 结语

利用天宝新一代GNSS数据处理软件TBC进行批量的坐标转换的方法同以前的软件如TGO和LGO进行坐标转换是有相似之处的，测绘学中有种类繁多的坐标系，同时随之产生的就是坐标转换的问题。我们要理解和掌握各种坐标系及其相互转换的方法，利用TBC软件只是其中的一种方法，需要我们去学习和研究其他的转换方法。相信在GPS测量技术迅猛的今天，掌握TBC这种软件可以更好得为我们解决数据处理方面的问题。

参考文献

[1] 吴敏 赵勇 利用TGO软件实现国外不同坐标系成果之间转换的探讨[J].南京：矿山测量，2011.

[2] 魏二虎，黄劲松 GPS测量操作与数据处理[M].武汉：武汉大学出版社，2004.

[3] Trimble Business Center软件v2.40培训教程[M].北京：北京麦格天渱科技有限公司，2011.

[4] 徐仕琪， 张晓帆， 周可法，赵同阳 关于利用七参数法进行WGS- 84和BJ- 54坐标转换问题的探讨[J].新疆：测绘与空间地理信息，2007.

[5] 夏广岭，王美英 基于GPS数据处理系统TGO的坐标转换问题[J].北京：煤炭工程，2009.

GNSS技术 篇6

1978年,Charlie Trimble先生和来自HewlettPackard公司的另外两位合作伙伴,在硅谷古老的Los Altos戏院创建了天宝公司。

经过几十年的快速发展,天宝公司目前共有3600多名员工,分布在全球18个国家。天宝产品主要应用在以下几个领域:测绘、汽车导航、工程建设、机械控制、资产跟踪、农业生产、无线通讯平台以及通信基础设施等方面。

2全球专利态势

在GNSS定位技术方面,天宝公司的申请量几乎占据了全球总申请量的1/4,这与其卫星导航产业霸主地位是相匹配的。下面详细分析天宝公司在全球的专利态势,包括申请量和目标国家分析。

2.1申请量

天宝是卫星定位产业的龙头企业,GNSS定位技术方面的申请基本占据了天宝公司总申请量的一半,尤其是2000年之前,GNSS定位技术方面的申请量占据他们公司总申请量的80%。这说明在2000年之前,天宝公司的研发团队主要专注于GNSS定位技术的研发。

针对卫星定位技术而言,2000年之前该技术分支的申请量是最大的,尤其是1997年达到申请量的最大值,由此也贴合了我们在卫星导航高精度定位技术领域的分析,在1990—2000年这10年之间,以相关技术和RTK技术为代表的卫星定位技术的研究取得了重大突破,因此与之相关的专利申请量也迅速增长,尤其是在1997年左右以相关技术来消除多径效应的技术发展达到高峰,与之相对应的专利申请量也达到最大值。可见,天宝公司在卫星定位技术上的专利申请量的变化情况与卫星定位技术的发展趋势是相吻合的。

2000年之后,为了扩大市场,突破技术限制,天宝可以说在走一条并购与合作之路。为了拓展在高精度GNSS专业市场的业务,天宝相继在全球并购了在建筑、农业、GIS、机械控制、移动与现场员工管理、先进设备等领域的技术先进企业,也与多家行业领先企业进行合作。可以说,一直到目前,公司并购在天宝的发展战略中一直扮演着非常重要的角色,主要作为一种发展机制,在新的市场空间建立桥头堡,填补产品线空白,或者向解决方案中增添新技术。

2.2目标国家

天宝公司是一家美国公司,在卫星定位技术的研发上具有先天优势,它在美国的申请量是最多的,天宝公司在美国提出的申请最多,可见其最重视美国市场,而且实际情况也是天宝公司在美国的高精度卫星定位市场中具有绝对优势。

对于一家发展非常成功的国际化大型商业公司来说,利益是驱动其申请专利的最大动力,天宝公司最近几年在中国进行如此大量的专利申请,说明天宝公司非常看好中国的卫星定位市场的发展前景,而且已经开始了针对国内公司的专利布局,这是国内公司需要引起重视的地方。另外,该公司在德国和欧洲的申请量紧随中国其后,而且数量非常接近,表明其也非常重视欧洲市场。在日本的申请量远小于德国和欧洲,主要是因为日本市场较小。

2.3中国专利态势

虽然天宝公司在高精度专业接收机市场一直占据主导地位,但在2004年之前天宝公司并没有在中国申请专利,从2004年在中国进行申请开始其申请量一直在迅速增长,这表明该公司从只关注销售产品进入到专利保护,而且这也和中国开始建设北斗卫星导航系统是有密切关系。

2.4整体技术态势

我们对天宝公司截至2013年6月公开的1 013篇专利进行仔细阅读,然后按照他们分别涉及的技术领域进行了技术标引,以帮助我们更好的了解该公司的技术发展情况,希望可以让我国卫星导航定位领域的企业在发展方向的把握上有所借鉴。

申请量最大的依次是测绘、导航、农业、建筑和机械五大领域。作为一家从测绘行业起家的企业,天宝公司的所有专利申请中与测绘相关的专利申请占据了全部申请的52.2%,可见,测绘一直是该公司的主业。

除了测绘行业,与GNSS定位技术紧密相关的导航技术方面的专利申请占据了总申请量的22.5%,其中大部分是基于位置的服务(Location Based Service,简称LBS),占总申请量的20.2%,占“导航”的90%,单独面向飞机导航和航海的申请则比较少,这也反映出LB应用是目前导航领域的研发重点。

3技术发展路线

3.1重点专利

首先根据“专利被引频次”的统计,分别根据年代和被引用频次设定筛选条件,引用频次筛选条件的设定随年代向前推进而随之降低。在对天宝公司的GNSS领域的重要专利筛选过程中,从表1可以看出,引用频次超过120次的专利的申请共有14篇,全部是2000年之前的申请。但卫星定位技术从1990年开始至今也只是发展20多年的时间,因此对于1995年之前的重点专利可以主要依靠被引用频次进行评估,而对于1995年之后的重点专利的筛选仅依靠被引用频次进行筛选是不可靠的。考虑到卫星定位产品的高度市场化,技术的发展与市场应用密不可分,因此我们对天宝公司的主要产品进行相应分析,再结合被引用频次从而获取相关的重要专利。

3.2技术路线

基于重要专利与被引用频次的关系以及前面对专利申请、技术状况的分析,我们构建出天宝公司在GNSS技术的应用领域的技术发展图。

可见,天宝公司开始是以GPS接收机起家,以GNSS定位技术为核心,不断丰富定位手段,提高定位精度,不断的把高精度定位技术向导航、建筑、农业、机械等应用领域进行扩展。

4结论

北斗导航定位技术与GPS定位的原理基本是相同的,尤其是中国政府对北斗导航定位系统的重视以及大力的应用推广,天宝公司前所未有地重视中国市场。需要引起中国企业重视的是,国外公司为了更好地巩固市场,通常通过知识产权尤其是专利策略来对自己的技术和市场进行保护,现在天宝公司正在加大在中国的专利布局,这给国内企业发出了警告。实际上,无论是诺瓦泰公司还是天宝公司,以及导航定位及相关领域的其他国外公司,目前基本上都在抓紧针对中国的专利布局,这对国内企业、尤其是北斗技术的推广应用来说是一个非常关键的问题,迫切需要引起重视。

摘要：天宝公司是高精度卫星定位领域的龙头企业,该公司在GNSS定位领域中的专利申请量是全球最多的,在中国的申请量仅次于美国本土的申请量。本文基于天宝公司的所有专利,通过对申请量、目标国、技术分支和重点专利的分析,得出了该公司的全球专利态势和整体技术发展路线,不仅可以梳理出下一步GNSS定位技术的发展方向,而且可以为国内GNSS接收机厂商的发展提供借鉴。

关键词：天宝,卫星定位,申请量,专利态势,技术路线

参考文献

GNSS技术 篇7

码头的整体形变是关系到港口码头结构健康状况的重要参数。行业规范中对码头整体位移监测方法有相应的规定, 但实际操作中却依然不能达到理想的精度, 如何预知码头的变形趋势、准确判断结构的安全状况依然是个难题。根据水运工程水工建筑物的特点和环境条件, 一般选用GPS测量法、全站仪三维坐标法和水准测量法对码头整体变形进行监测。

测量方法是首先在码头上布设固定测量标志, 求得变形观测点的三维坐标 (X0, Y0, Z0) 作为首期观测值, 然后每次采用相同的观测线路和观测方法, 并在观测方法规定的环境条件下进行观测。第i个观测期内的变形量Δμ为:

采用这种方法对码头进行变形观测的缺点是:1) 码头面装卸作业繁忙, 其结构不停的震动, 架设仪器的工作基点也不停的在抖动, 无法取得理想的观测数据。2) 码头处于的海洋动力环境复杂, 特别是潮汐对码头结构变形有较大影响, 无法固定的选取一个潮位, 对各观测点同时进行观测。3) 码头的一个结构段是由大面积混凝土构成, 受温度影响较大, 没有理想的数据来判断哪些变形是塑性变形。

1 监测方案设计

在码头监测方案设计阶段, 遵照先进、实用、可靠、经济合理、数据共享、模块化设计等原则, 从硬件集成上完成基本功能任务。其设计内容分为三部分。

1.1 基于多体制GNSS技术的实时监控管理系统设计与实现

为了充分对码头的健康状况与安全度进行实时监测, 设计由6个子系统构成的监控系统。

数据采集子系统包括一台或者多台数据采集器, 数据采集器可以为GNSS接收机以及各种专用仪器, 还可结合TPS进行联测。数据采集方式可分为自动采集方式与人工采集方式, 以自动采集为主, 人工采集为辅。所有采集的数据存入到系统数据库中, 并按需调用后续的各子系统完成预处理、分析评价等工作。

报表输出子系统可以把数据采集器采集的原始数据以及各种分析成果经过审查、考证、编辑, 形成各种规格化的表格、图形, 通过打印机输出, 或者形成文件, 保存到计算机硬盘上, 或者刻制成光盘永久保存。

1.2 系统通讯链路设计研究应用

监测系统工作期间, 硬件采集设备工作在无人值守的环境中, 其测量的数据需要远距离传输到监控计算机中, 因此需要实现计算机对采集设备的远程自动控制。监测系统可以采取无线通讯方式, 也可以采取有线通讯方式。

有线通讯方式可以通过RS232串口对控制指令及监测数据进行短距离的传输, 适合监测点采集器与控制器间的数据通讯;还可以通过光电隔离模块、光纤进行长距离的传输, 这种方法则适合监测点与监控系统中心间的数据通讯;无线通讯方式可以采用数传电台、GPRS无线网络以及基于RDSS技术的卫通技术来实现, 本系统将结合工程实践, 综合衡量上述数据通讯方式的优劣, 研究监测数据、控制数据、工况信息、报警信息等应当采取的通讯方式以及这期间的通讯链路设计问题。

1.3 系统控制服务器及备份方案设计及应用

系统控制服务器是监测系统的重要组成部分, 是评价航运枢纽安全性状、变化规律及产生原因的数据基础及控制中心。它包含设计、施工、运行期间的所有数据和资料, 系统的管理人员能对其完成添加、更新及备份等各种操作。其内容主要包括:工程概况信息、用户信息、监测仪器信息/参数设置、监测数据、分析数据、预报预警数据、成果整编数据等。

本系统将采用SQL Server 2000构建基于客户机/服务器体系结构的系统控制服务器。客户机负责管理用户界面、接收用户数据、处理应用逻辑、生成数据库服务请求, 然后将这些请求发送给服务器, 并且接收服务器返回的结果, 最后再将这些结果按照一定的格式返回给用户。服务器接收客户机的请求, 处理这些请求, 返回处理结果给客户机, 这些处理结果包括访问数据库的数据结果和执行状态, 例如成功或失败。

2 数据的处理

码头结构变形监测的数据处理, 关键是确定观测序列在时间域上的变化特征, 也就是不同时间上的观测点形变量。但是, 观测的时间序列常受各种因素的周期性干扰, 为了查明干扰的主要周期成分, 估计其影响大小, 还要研究该时间序列在周期变化上的特征, 一般称之为频率上的特征。现场观测所得的连续曲线, 其函数式是难以确定的, 而在计算时所需要的也是离散观测数据。离散傅里叶分析是有效解决形变数据无规律性的有效手段。

连续的傅里叶变换公式为:

为将其转为离散形式, 将时间长度T分为N个等分, 其步长Δt, 即T=NΔt, 则其离散数字序列为xk=kΔt, k=0, 1, …, N-1, 相应地函数f (kΔt) , 简记为f (k) , 离散值为f (0) , f (1) , …, f (N-1) 。对于F (f) , 同理取频率间隔, 令j=0, 1, …, N-1, 则离散值记为F (jΔf) , 简记为F (j) , 此时由式 (1) 可得相应的离散傅里叶变换公式为:

则傅里叶变换可写为:

3 实际工程应用

某码头位于天津港三突堤西侧, 南北向布置, 北侧与21段的东无梁板区相接, 南面至三突堤堤头, 全长530 m, 承台总宽40.8 m。设计标高+5.8 m (天津港理论深度基准面, 下同) , 为3个万吨级泊位。2013年公司在原有码头的基础上进行了结构升级改造, 改造内容为在原有码头结构前沿以外区域新建一个15.5 m宽的前方承台, 原有的宽度为13.78 m的前承台改造后作为后承台使用。

在实际检测中在码头表面布设6个GNSS多模接收机, 一个TPS观测机房, 选取某个时间段有大型船舶停靠时对其跟踪监测, 采样频率设定为10 min观测一次。为了直观的分析码头的变形情况, 选取其中2号点的观测数据绘制成图, 多模GNSS观测数据见图1, TPS观测数据见图2, 由于码头是南北方向布局, 故Y位移量为负时表示结构向陆侧移动。

从图1和图2分析可知, 采用TPS对码头进行观测, 所得的数据较为杂乱, 不能反映出码头的真实变形情况, 且数据具有一定的延迟性, 不能及时的对设定的预警值进行报警。而采用多模GNSS所取得的数据非常稳定, 且能迅速的反映出码头结构的变形情况, 根据时程曲线还能有效的判断码头的健康状况和结构变形趋势。

4 结论和建议

1) 结构整体变形是沿海码头健康监测需要取得的重要参数, 监测方法设计必须遵照先进、实用、可靠、经济合理、数据共享、模块化设计等原则, 才能建立科学有效的监测系统, 此项工作正在探索完善当中。

2) 码头结构的整体变形监测, 采用全站仪甚至固定式的TPS全站仪都无法取得高精度的观测数据, 不能有效的分析码头的变形情况和变形趋势。

3) 采用多体制GNSS技术, 可以有效的解决海港地区, 无高精度基准点的问题, 同时能取得高精度的结构变形数据, 可以实时的监测码头的变形情况, 预判码头的变形趋势。

4) 多体制GNSS监测技术是当代高新技术, 如能在水运行业特别是结构监测领域推广, 能有效的解决码头等水工建筑物无高精度变形数据积累等问题, 结合有限元计算等方法, 可以有效的预判码头的变形趋势, 从而为港口建设和维护管理中的防灾减灾工作做出贡献。

摘要：针对码头变形监测多采用人工监测, 存在较多缺点的问题, 提出了采用基于多体制GNSS技术的实时监控管理系统设计、现代通讯技术, 对监测方案的设计内容作了介绍, 并通过实例, 分析研究了数据处理技术, 以达到实时高精度监测码头变形变位的目的。

关键词：GNSS,码头监测,数据处理

参考文献

[1]黄长虹, 韦灼彬.海港码头结构健康监测[J].水运工程, 2009 (4) :34-35.

[2]王浩, 吴振君.水工监测软件开发中数据库和数据结构设计问题[J].岩土力学, 2006, 27 (5) :201-202.

GNSS技术 篇8

关键词：GNSS-RTK,测量技术,公路工程测量,应用

1 GNSS-RTK技术的作业原理

GNSS—RTK技术系统中关于用户的部分主要有:数据链、流动站和基准站。其作业原理是:基准站接收机架设在已知或未知坐标的参考点上, 连续接收所有可视GNSS卫星信号, 基准站将测量的站点坐标、载波相位观测值、接收机工作状态、伪距观测值、卫星跟踪状态等情况借助无线数据链传送到流动站, 然后流动站进入初始化状态, 搜索求解整周未知数, 最后进入动态作业。流动站接收基准站传入的数据, 并且同步观测采集GNSS卫星载波相位数据, 通过系统内差分处理求解载波相位整周模糊度, 根据基准站和流动站的相关性, 得出流动站的平面坐标X、Y和高程H。

2 公路测量中的GNSS测量技术

公路工程测量向纵向延伸, 且比较长, 而横向延伸比较窄。现阶段, 用于公路测量的技术主要有:遥感测量技术、GNSS技术、光电测量技术等, 并且这些发展得非常成熟, 特别是GNSS技术。下文将对公路测量中的GNSS测量技术进行论述。

2.1 公路控制测量

公路测量中传统的控制网采用导线形式的布设方法, 其精度直接受点分布、所用仪器设备、导线长度的影响。而若工程测量中采用GNSS技术, 则控制网只与GNSS卫星的分布、处理基线的情况、卫星的观测时间、质量相关。所以, 控制网的点位分布没有固定的地点。因此, 需要对施工现场的放样仪器—全站仪进行考虑, 同时对点位之间的通视进行考虑, 这样施工放样会更加简洁。然后在对工程的精度需要、专业的技术人员、经费成本和现有的仪器设备进行考虑, 从而恰当准确的布设GNSS控制网。

GNSS控制网点在野外进行埋设, 埋设完成之后, 接下来就是观测GNSS控制网, 而对于野外作业通常运用GNSS载波相位静态相对定位测量。而如果是重点、特大工程项目, 则采用现场试验的观测方法。然后是选择合适的控制网观测方法, 主要依据于卫星的数量、星历分析、卫星信号的质量、现场信号的干扰情况等等。处理野外作业数据前, 需要对各个控制点观测卫星时卫星的信号质量进行检查, 如果发现存在质量较差点的卫星, 在处理数据前需要对其进行重点查看, 倘若基线不达标则需要重新测量或是补测, 如若不然会降低整个GNSS控制网的精度。所以说, 对GNSS控制网的数据进行处理, 同样是一个重要的环节。

2.2 绘制大比例带状地形图

大比例尺 (1∶1000或1∶2000) 带状地形图, 是高等级公路选线、设计的基础, 所以, 必须为设计人员准备精度高的数字带状地形图。采用传统的测图方法, 需要首先建立控制, 其次测量碎部, 最后, 绘制成比例尺大的地形图, 这一过程需要大量的工作时间。绘制线路带状地形图, 运用GNSS-RTK技术采集碎部点数据, 这样不用建立图根控制, 只需在碎部点上停留一两分钟, 或是更少仅需几秒钟, 就能得到关于该点坐标和高程的数据。采集速度快, 大大降低了测图的难度, 既省时又省力。

2.3 中线测量

中线测量时工程测量中的重要环节, 是指测设直线和曲线, 在现场明确标出道路中心线的平面位置, 并测量工程的实际里程。中线测量为测绘平面图和宗、横断面图提供依据, 同时是公路设计、施工和其他公路的依据。首先是设计人员对带状地形图上的中线进行设计, 然后设计路线中的起点、转点和终点的坐标, 并将其在地面上标注出来。采用GNSS技术, 将中桩点坐标输入电子手簿中即可, 接下来软件会放样点的点位进行自动定位。点测量独自完成, 因此, 不会出现累计误差, 同时各点的放样精度基本一样。高等级公路路线主要包括直线、圆曲线和缓和曲线。因此, 放样时, 只需输入各主控点桩号、起终点的方位角、直线段与缓和曲线的距离、圆曲线的半径即可, 接下来就能轻松的进行放样。

2.4 道路的纵横断面放样测量和土石方计算

纵横断面放样时、先把需要放样的数据输入到电子手簿中, 生成一个施工预放样点的文件, 并储存起来, 随时可以到现场测量所用;横断面放样时, 先确定横断面作业形式 (挖、填、半挖半填) , 然后把横断面设计有关数据输入电子手簿中 (边坡坡度、路肩宽度、设计高) 也生成一个施工预放样文件, 储存起来, 并随时到现场测量放样。还可利用软件自动与地面线衔接进行所谓的“载帽”工作, 并利用“断面法”计算填挖土方量。利用绘图软件可以测绘出各点的横断面图和沿线的纵断面图。加之所利用的数据都是测绘地图时采集得到的, 因此, 不需要到现场对横、纵断面进行测量, 这样大大降低了工作量, 并且必要的话, 可以采用动态的GNSS技术到现场检验复合, 与传统方法相比, 该方法既经济又容易实现。

2.5 施工测量

利用GNSS-RTK测量技术进行工程施工放样, GNSS定位平面精度一般能达到2-3cm, 高面测量精度要低点, 但完全能够满足前期的测量放样工作, 因此, 对于等级要求不高的公路, 其现场施工的测量放样可以采用GNSS—RTK技术。对于高程精度要求较高的公路施工测量放样, 平面位置采用GNSS-RTK定点, 利用水准测量方法测定高程。

GNSS-RTK对于工程的放样定位, 其优点是:速度快、定位精准、精度稳定等等, 因此, 在公路放样定位中, 需要获得的精度信息进行点位放样。GNSS技术用于公路施工测量时, 不仅具=具备良好的硬件, 而且可选择丰富的软件。施工中关于点、线、面和坡度的放样都非常便捷。

3 结束语

总之, GNSS-RTK技术运用于公路测量, 标志着公路的作业手法和测量手段发生了巨大的变革, 使测量的工作效率和测点的精度大大提升, 极大的促进了工程建设的进度及质量。但是在实际应用中仍然受到某些限制因素的影响, 不利于工作的有效开展, 但相信随着科技的发展, 将会对GNSS-RTK技术进行不断优化与改善。

参考文献

[1]曾涛.《浅析GPS-RTK技术在公路工程测量中的应用》[J].《黑龙江交通科技》2013, 02∶26+28.

[2]韩棚举, 王经国:《GPS-RTK测量技术在公路工程测量中的优势》[J].《科技视界》, 2013, 05∶84+102.

[3]原宜坤, 汪洋.《浅谈GPS-RTK技术在工程测量中的应用》[J].《山西建筑》, 2007, 11.

GNSS技术 篇9

关键词：GNSS,公路勘测设计,路线施工放样

1 GNSS发展现状及应用前景

“GNSS”是“Global Navigation Sate Llite System”的缩写, 中文译名为“全球导航卫星系统”, 包含了美国的GPS、俄罗斯的GLONASS、中国的Compass (北斗) 、欧盟的Galileo系统, 目前该系统可用卫星数目达到了100颗以上。作为新一代卫星导航与定位系统, 它在一些领域的应用取得了较大的成效, 特别是近年来各种卫星的逐步投入使用, 软硬件的开发, 使得导航定位技术进入了全新时代。同时该技术具有定位精度较高, 测站之间不需要通视、观测速度快、全天候作业的特点, 对测绘行业的影响很大。

最典型的是目前RTK技术在测量中的应用逐渐成熟, 该技术是单基站载波相位差分GNSS测量, 属于差分技术的一种, 即将GNSS与数传技术相结合, 实时处理两个测站载波相位观测量的差分方法, 经实时解算进行数据处理, 在1-2s的时间里得到高精度位置信息的技术。自20世纪90年代初这项技术一经问世, 就极大地拓展了GNSS的使用空间, 使GNSS从只能做控制测量的局面中摆脱出来, 开始广泛运用于工程测量。直到今天, 如果没有网络RTK的出现, RTK技术仍代表着高精度GNSS的最高水平。

GNSS误差的空间相关性随参考站和移动站距离的增加而逐渐失去线性, 因此在较长距离下 (一般双频大于30km) , 经过差分处理后的用户数据仍含有误差。而网络RTK (network RTK) 是在一定区域内建立多基准站 (一般为三个或三个以上) , 反解出基准站间的残余误差项, 然后用户根据自己的概略坐标内插出自己与基准站间的残余误差项 (常规RTK将其视为零) , 进行实时厘米级精度的定位方式, 又称为多基准站RTK。随着GNSS技术的飞速进步和应用普及, 它在城市测量中的作用越来越重要。当前, 利用多基准站网络RTK技术建立的连续运行参考站系统 (continuous operational reference system, CORS) 已成为城市GNSS应用的热点之一。

2 GNSS技术的基本原理和测量方法

2.1 GNSS基本原理

测量学中有测距交会确定点位的方法, 卫星定位系统也是利用测距交会的原理确定点位的。

GNSS卫星发射测距信号和导航电文, 导航电文中含有卫星的位置信息。用户用GNSS接收机在某一时刻同时接收三颗以上的GNSS卫星信号, 测量出测站点 (接收机天线中心) P至三颗以上GNSS卫星的距离并解算出GNSS卫星的空间坐标, 利用距离交会法解算出测站P的位置。

2.2 GNSS-RTK测量作业方法

实时动态 (Real Time Kinematic, RTK) 定位技术, 即单基准站载波相位DGNSS测量是一种将GNSS与数传技术相结合, 实时处理两个测站载波相位观测量的差分方法, 经实时解算进行数据处理, 其在1~2s的时间里可得到高精度位置信息。

2.2.1 RTK工作原理

实时动态测量的基本原理是在基准站上安置一台GNSS接收机, 另在基准站上安置一台GNSS接收机, 对所有可见GNSS卫星进行连续地观测, 并将其观测数据, 通过无线电传输设备, 实时地发送给用户观测站。GNSS接收机在接收GNSS卫星信号的同时, 通过无线电接收设备, 接收基准站传输的观测数据, 然后根据相对定位的原理, 实时地计算并显示用户站的三维坐标及其精度。

2.2.2 RTK作业方法

1) 基准站设置

RTK系统基准站由基准站GNSS接收机及卫星接收天线、无线电数据链电台及发射天线、直流电源等组成, 如图1所示。将基准站GNSS接收机安置在开阔的地方, 架设脚架、安置基座和卫星天线, 对中、整平, 用天线高量尺在天线相隔120°的三个位置量取天线高, 并记录。将基准站GNSS接收机通过电缆与无线电数据链电台连接、电台与发射天线连接后, 即可开机进行基准站设置, 此时可通过电子手簿控制器来完成相应设置。基准站设置完成后可将电子手簿与基准站联系断开, 进行流动站设置。

2) 流动站设置

RTK系统流动站由流动站GNSS接收机及卫星接收天线、无线电数据链接收机及天线、电子手簿控制器等组成, 如图2所示。基准站设置完成后即可对流动站通过电子手簿控制器进行设置, 设置完成后当手簿显示屏出现固定解时就可以进行测量作业了。

3) RTK的作业内容

RTK定位测量有两种主要形式, 即测量点和放样点 (包括点的放样、直线的放样和道路的放样) 。以上功能的实现由测量工作者通过对电子手簿控制器和流动站的操作来实现。

3 GNSS在公路勘测设计和路线施工放样中的应用

3.1 工程控制测量

应用GNSS建立控制网, 对于特大桥、隧道、互通式立交等进行控制, 宜采用静态GNSS测量。对于一般路线的控制, 可采用实时GNSS动态测量 (RTK) 。

目前, 国内已逐步采用GNSS技术布设各等级的路线带状平面控制网、桥梁及隧道平面控制网。很多高速公路在建设中先利用GNSS建立首级控制网, 然后用常规方法布设导线加密。实践证明, 在几十千米范围内的点位误差只有2cm左右, 达到了常规方法难以实现的精度, 同时可大大缩短工期。GNSS技术同样应用于特大桥梁的控制测量中, 由于无需通视, 可构成较强的网形, 提高点位精度, 同时对检测常规测量的支点也非常有效。实践证明, 采用GNSS对用常规方法建立的高精度边角网进行检测, GNSS检测网达到了毫米级精度。

3.2 绘制大比例尺地形图

高等级公路建设之前都必须利用中比例尺地形图进行路线选线设计, 路线选定后要由测量部门按所选路线走向测绘大比例尺地形图, 以便设计人员进行详细设计。用传统方法测图, 先要建立控制网, 然后进行碎部测量, 绘制成大比例尺地形图。其工作量大, 速度慢、花费时间长。采用GNSS技术以卫星作为共同基准, 各点间无需通视, 为点址的选择提供了极大的方便, 在进行路线勘测设计或进行测图控制测量时, 具有布网灵活, 不受气候候条条件件限限制制, , 测测量精度高, 工作效率高和成本低等诸多优点。用实实时时动动态态测测量量 ( (RTK) , 在沿线每个碎部点上仅需停留较短时间, 即即可可获获得得每每点点坐坐标, 结合输入的点特征编码及属性信息, 构成碎部部点点的的数数据据, , 在在室内即可由绘图软件成图。由于只需要采集碎部点点的的坐坐标标并并输输入入其属性信息, 而且采集速度快, 大大降低了测图的的难难度度, , 既既省省时时又省力。

33..33路路线线中中线线放样

进进行行路路线线中中线放样, 可应用实时动态测量 (RTK) 。目前, RTK中中都都配配备备有有丰丰富富的专业软件可供选择, 例如专门为道路测量设计的的软软件件, , 它它内内置置有道路设计程序, 只需事先将路线交点的里程和坐坐标标及及曲曲线线要要素素输入, 便可由程序自动生成道路中线。采用RTK测测量量系系统统在在野野外外测设中线时, 可按中桩里程逐一调出待放样的中桩桩点点坐坐标标, , 根根据据移动台RTK控制器屏幕显示的导引, 把需要放样的点逐一测设到地面上, 精度可达1cm。这样可以一次性地完成全部中桩的测设, 每放样一个点只需几分钟, 而且成果可靠。由于每个点的测量都是独立完成的, 不会产生累积误差, 各点放样精度趋于一致。在中桩放样的同时还可得到各中桩的地面高程, 同时完成纵断面的测量。事实证明, 应用RTK测量可大大地提高中线测设的效率。

3.4 路线纵、横断面测量

路线中线确定后, 可以利用测绘得到的带状数字地形图, 并根据中桩点坐标, 通过绘图软件, 绘出路线纵断面和各桩点的横断面。由于不需要再到现场进行纵、横断面测量, 从而大大减少了外业工作, 即使需要到现场进行断面测量, 也可采用RTK快速完成。同时采集回的数据还可以进行土石方量计算。

4 结语

随着GNSS技术的不断发展及其在道路工程测量中的广泛应用, 道路工程测量的手段和作业方法产生了革命性的变革, 卫星定位测量在道路勘测、施工放样、工程监理、竣工测量等方面有着广阔的应用前景。

参考文献

[1]李仕东.GPS-RTK技术在高等级公路横断面测量中的应用[J].测绘工程, 2013, 14 (1) :23-25.

[2]黄欣祥.GPS及其RTK技术在公路勘测中的应用探讨[J].地矿测绘, 2014, 21 (1) :27.

[3]石雪冬.GPS在高速公路测量中的应用[J].测绘通报.2012 (11) :29.

GNSS技术 篇10

自1980年第一台商品GPS信号接收机问世以来, GPS信号接收机不断更新换代, 特别是20世纪90年代第一春以来, 由于微波集成电路和计算机技术的迅速发展, 致使GPS信号接收机日新月异。GPS信号接收机的种类虽然如此之多, 但是, 从仪器结构的角度来分析, 则可概括为天线单元和接收单元两大部分。对于大多数非便携式的GPS信号接收机而言, GPS信号接收机的这两个部分被分别安装成两个独立的部件, 以便天线单元能够安设在运动载体或地面的适当点位上, 接收单元置于运动载体内部或测站附近的适当地方, 进而用长达10m~100m的天线电缆将两者联接成一个整机, 仅由一个电源对该机供电。

具有30余年使用历史的现行GPS信号接收机, 面临来自两大方面的挑战:一是GPS现代化的信号扩大;二是在轨飞行的导航卫星日渐增多。2020年, 将有140余颗GNSS导航卫星在天空飞行。这给现行GPS信号接收机提出一个重大的改型问题:能否仅用一个天线单元, 接收、跟踪、变换和测量多种卫星导航定位信号?软件无线电技术的发展, 为解决这个难题奠定了技术基础。它的核心技术是用宽频带无线接收机来代替原来的窄带接收机, 将宽带的A/D和D/A变换器尽可能地靠近天线, 而尽可能多地采用软件来实现电台的功能。本文论述了基于软件无线电技术的GNSS信号接收机软件化的实现方法及其相关问题。

2 GNSS信号软件接收机的基本结构

基于软件无线电技术的设计, 软件化的GNSS信号接收机 (简称为GNSS信号软件接收机) , 其基本构成如图1A所示, 图1B给出了一个基于PC平台的软件GPS信号接收机框图。

软件GNSS信号接收机具有结构上的灵活性, 利用它的结构灵活性, 可以实现在传统GNSS信号接收机上无法实现的复杂而高效的信号处理算法。传统GNSS信号接收机由于硬件制造工艺限制等多种因素, 往往只能在机内实现一些比较简单的信号处理算法, 而软件接收机则可以突破这些限制, 实现复杂而高效的信号处理算法, 快速捕获/跟踪GNSS信号。因此, 设计优秀的信号处理算法, 是GNSS信号接收机软件化研究的重要内容。纵观现有研究成果, GNSS信号软件接收机的优点如下所述:

(1) 便于更新换代。GNSS信号软件接收机, 是一种基于软件无线电技术的卫星信号接收设备, 它用通用的硬件天线单元, 而用软件编程实现GLONASS, Galileo, 北斗, IRNSS, QZSS, GPS L5, L2 - C和L1- C等信号的导航定位。相对于现行GPS信号接收机而言, GNSS信号软件接收机的更新换代, 不仅时间短, 而且成本低。

(2) 适应软件无线电设备的发展。自20世纪90年代初期以来, 无线电设备正处在由硬件为主体到软件化的大变革时代, GNSS信号软件接收机能够适应这种大变革的发展, 与软件无线电设备集成一体, 而获得更加广泛的应用。

(3) 便于研发新型的卫星导航信号接收机。GNSS信号软件接收机, 关键在于如何用软件实现GNSS信号的捕获与跟踪, 因此, 能够充分发挥软件作用, 验证新的卫星导航信号可用性, 研发新型的卫星导航信号接收机。

(4) 便于航天器的集成应用。当航天器使用GNSS时, 能够精确测定航天器在轨飞行的实时位置、速度和姿态, 能够实现在轨航天器的自主导航, 能够为航天器上的其他设备提供高精度的时间基准。用于航天器的低功耗的GNSS信号软件接收机, 不仅能够达到上述应用目的, 而且能够在与其他设备共用一台电子计算机的情况下, 充分发挥GNSS测量数据的作用。

3 捕获/跟踪GNSS信号的相关器软件化

相对于现行GPS信号接收机而言, GNSS信号软件接收机主要是研制软件化的用于捕获/跟踪GNSS信号的相关器和导航算法。在现行GPS信号接收机中, 导航算法和PVT (位置、速度、时间) 信息应用, 已有成熟的软件产品可供借鉴。因此, GNSS信号接收机软件化, 关键是用于捕获/ 跟踪GNSS信号的相关器软件化。GNSS信号的捕获, 主要有下列方法:

(1) 串行搜索算法, 它是一种逐一预置多普勒频移和对测距码作相关运算的逐步逐行搜索算法, 也是现行GPS信号接收机广泛采用的GPS信号捕获法, 如图2所示。其优点是算法简单, 容易实现;缺点是捕获时间长, 例如, 若多普勒频移搜索步长为1k Hz, 而C/A码相位搜索步长是一个码元宽度, 需要进行21, 483次相关运算, 才能够捕获到GPS信号。

(2) 并行频率空间搜索算法, 它的基本方法是, 用离散傅立叶变换将原本在时域中进行的多普勒频移搜索过程转换到频域下进行搜索, 而将多普勒频移搜索过程作并行化处理, 如图3所示。其优点是捕获速度快, 只需要对1, 023个不同C/A码相位进行步进搜索, 而不需要像串行搜索那样对不同的多普勒频移值也进行步进搜索;缺点是每次循环都要进行一次离散傅立叶变换, 因此, 它比串行搜索法复杂一些。

(3) 并行码相位空间搜索算法, 它的基本方法是, 用环形相关技术来进行接收码与本地码的相关运算, 而不是通过改变本地码的码相位来进行搜索捕获。即, 通过离散傅立叶变换, 将时域下接收码与本地码的相关运算转换为频域下接收码与本地码共轭信号的乘法运算, 进而用离散傅立叶逆变换将结果转换到时域中来实现GPS信号捕获, 如图4所示。它的优点是并行码相位搜索算法使搜索循环数进一步减少, 只需要对21个不同的多普勒频移进行搜索, 每次相关计算仅需要进行一次离散傅立叶变换和一次离散傅立叶逆变换, 捕获速度明显提高;缺点是算法复杂度高。

上述三种捕获算法的执行时间, 通过我们所设计的基于Matlab GUI的GPS信号相关器仿真计算, 得到如表1所示的结果。由表1数据可见, 并行码相位空间搜索算法的循环次数最少 (21次) , 仅为串行搜索算法的0.098%。

C /A码的上述搜索, 只能解决本地码和本地载波基本上分别对准接收码和接收载波的问题, 换言之, 只能解决GPS信号接收机的“测量冷启动”。两者的一一精确对齐 (跟踪) , 还需依靠下述的伪噪声码跟踪环路和载波跟踪环路 (Costas环) 。伪噪声码跟踪环路, 一般采用延时锁定环路 (DLL, Delay-Locked Loop) , 它是跟踪两个相关波形时延差的最佳电路, 而用它获得扩频信号。载波跟踪环路, 是依据来自伪噪声码跟踪环路的扩频信号, 解调出数据码, 进而解译出卫星导航电文。图5表示伪噪声码跟踪环路和载波跟踪环路的集成方框图, 并由此引发两个相关概念:

(1) 捕获灵敏度 (acquisition sensitivity) 。捕获, 是接收机内部生成的本地伪噪声码 (测距码) 及其载波, 与接收到的卫星伪噪声码 (测距码) 及其载波实现“初步对准” (基本同步) 的过程, 它所需要的卫星导航信号的最低功率, 叫做捕获灵敏度 (例如-160d Bm) 。

(2) 跟踪灵敏度 (tracking sensitivity) 。跟踪, 是接收机内部生成的本地伪噪声码 (测距码) 及其载波, 与接收到的卫星伪噪声码 (测距码) 及其载波实现“准确对准” (完全同步) 的过程, 它所需要的卫星导航信号的最低功率, 叫做跟踪灵敏度 (例如-169d Bm) 。

4 基于Matlab GUI的GPS信号相关器仿真成果

表2给出了一个实用的GPS信号软件相关器的输入特性。用我们研制的GPS信号相关器的实际搜索结果表明, 对实测的GPS卫星PRN03, 06, 15, 16, 21, 22, 26, 29而言, 捕获到C/A码的所需变更的码元数, 最少是6个码元, 最多为863个码元, 详见表3和图6所示。从综观算法执行时间和参数估计性能这两个指标可见, 在上述三种搜索算法中, 并行码相位空间搜索算法的执行效率最优, 值得参考使用之。

5 结束语

GNSS信号接收机的软件化, 是以软件无线电技术为基础的, 它用通用的硬件天线单元, 而用软件编程实现GLONASS, Galileo, 北斗, IRNSS, QZSS, GPS L5, L2- C和L1- C等信号的导航定位。相对于现行GPS信号接收机而言, GNSS信号软件接收机的更新换代, 不仅时间短, 而且成本低。

GNSS信号接收机软件化的核心, 在于对信号相关器单元进行软件化设计。我们利用Matlab GUI设计并实现了一个功能较为完备的单频、可视化、事后处理型软件GPS信号相关器模拟平台。该平台能够对保存在存储器中的GPS采样数据进行信号捕获与跟踪操作。并通过更改各种参数的设置, 可以重构捕获与跟踪算法进行测试。通过实际卫星数据测试, 该平台捕获结果正确无误, 跟踪稳定, 具有较高的仿真程度, 最终能够给出卫星电文输出。并对三种捕获算法进行了效率比较研究, 试验结果表明, 从算法执行时间和参数估计性能等两个指标可见, 并行码相位空间搜索算法在所述三种搜索算法中执行效率最优。因此, 本文所述不仅为初学者打开了深入学研通途, 而且为GNSS信号接收机软件化研究人员提供了相关算法研发的参考。

摘要：基于软件无线电技术的GNSS信号软件接收机, 是近年来GNSS技术研究的一个热点, 也是GNSS用户设备的一个重要发展方向。本文综析了GNSS信号软件接收机的四大优点, 以及研发GNSS信号软件接收机的关键技术, 并用我们研发的GPS软件相关器模拟平台给出了仿真结果。

关键词：GNSS信号软件接收机,软件无线电技术,GPS软件相关器

参考文献

[1]刘基余.全球导航卫星系统及其应用.北京:北京测绘出版社, 2015.5

[2]刘基余, 田云辉.GPS信号接收机的软件化研究.黑龙江工程学院学报, Vol.21, No.3, 2007, P.1-6