CN110187369B - 一种基于gnss卫星位置观测的垂线偏差测量和验证方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于GNSS卫星位置观测的垂线偏差测量和验证方法，所涉及的领域主要为光电跟踪测量领域，高精度测量与标定。针对光电跟踪测量数据，需要修正设备位置的垂线偏差来达到高精度测量的目的。本发明首先通过GNSS系统测量光电设备的大地站址，然后通过对GNSS系统卫星(包括GPS卫星、Glonass卫星、Galileo卫星或北斗卫星等)的位置进行据观测，并比对GNSS卫星广播星历产生的位置引导数，实现垂线偏差的测量。同时也可以在得到垂线偏差数据的条件下，利用GNSS首先定位光电设备的大地站址，然后利用GNSS卫星广播星历计算光电设备的引导数据进行位置观测，比对观测结果，验证垂线偏差的正确性。

Description

一种基于GNSS卫星位置观测的垂线偏差测量和验证方法
技术领域
本发明属于光电跟踪测量领域，具体涉及一种基于GNSS卫星位置观测的垂线偏差测量和验证方法。
背景技术
在光电跟踪测量领域，为得到目标位置的高精度测量数据——尤其在目标交会测量时，需要对设备位置的垂线偏差进行修正。垂线偏差的大小一般在10″量级，最大误差1′。为得到光电设备位置的垂线偏差，需要大地测绘人员使用高精度测绘设备对高精度恒星进行观测和数据处理。但现阶段虽然有较多方法测量垂线偏差，但真正能够达到高精度垂线偏差测量的方法还是天文大地测量法。但采用天文测量法时，为对蒙气差产生的影响进行规避，现阶段无一例外都采用对仪器天顶附近的恒星进行测量，由于要求精度较高，而且天顶附近180°对应的恒星对有限，因而要求设备具有较高的调平精度、较高的轴系精度(或者较高的误差补偿能力)以及较高的探测能力。
天文测量法测量的主要依据是恒星的理论位置精度高，理论上恒星的位置精度远小于0.1″，但由于受恒星光谱、恒星星光弥散以及位置处理方式的影响，使得测量时恒星的定位精度远小于理论精度，因而对垂线偏差的测量需要长时间的工程作业和数据处理操作才能去除随机误差，实现高精度测量的目的。而在当前外场作业中，除恒星位置外，GNSS卫星位置的精度也到达了相应的精度。以北斗为例，其广播星历位置精度：MEO卫星在10m以内，其它卫星在30m以内，而通过增强等技术手段处理后实时北斗卫星的位置精度：MEO卫星精度在5m以内，其它在10m以内。因而从极坐标角度位置上观测卫星，MEO卫星的理论误差＜0.096″(PV)，地球同步轨道卫星的误差＜0.17″(PV)，通过增强技术手段处理后MEO卫星的理论误差＜0.05″(PV)，地球同步卫星误差＜0.06″(PV)。考虑到观测坐标系的径向、切向和法向误差分布以及笛卡尔坐标系与极坐标系之间的转换处理，北斗卫星的实时理论位置误差还要更小——而且这些误差很可能被淹没在大气抖动和探测处理中。其事后精密星历的位置精度远小于0.1m，转换后理论位置精度远远小于0.01″(PV)。因而完全可以使用GNSS卫星位置作为观测基准进行垂线偏差的测量。因此，采用GNSS卫星位置作为测量基准不但具有精度高分布广等优势，而且相对恒星测量基准还具有以下优势：
(1)GNSS卫星是有限距离目标，恒星为无穷远目标，因而理论上，垂线偏差对GNSS卫星位置的影响更大，而对恒星位置影响更小；
(2)GNSS卫星为合作目标，其位置测量手段较多，更可以采用恒星基准进行相对定位，这样可以消除设备测量系统误差和其它误差(包括调平误差，蒙气差)对垂线偏差测量精度的影响。
(3)虽然恒星精度高，但随着时间的推移其精度也将降低，而国际上一般几十年才更新一次星表；而GNSS卫星的广播星历每2个小时(北斗每1个小时)更新一次，精密星历几天后更新，因而GNSS卫星位置的精度不会随时间降低。
发明内容
为解决光电设备高精度测量依赖垂线偏差数据的技术需求，本发明提出一种基于GNSS卫星位置观测的垂线偏差测量和验证方法。该方法利用高精度GNSS系统卫星位置数据，辅以高精度恒星进行指向处理，实现对光电设备所处位置的垂线偏差进行测量和验证的目的。
本发明采用的技术方案为：一种基于GNSS卫星位置观测的垂线偏差测量和验证方法，其特征在于实现步骤如下：
步骤(1)、通过GNSS系统首先确定光电设备所在位置的大地站址，包括经度，纬度和高程；
步骤(2)、读取GNSS系统广播星历数据，并选定可观测的GNSS卫星(包括GPS卫星、Glonass卫星、Galileo卫星或北斗卫星等)，依据当前时间计算卫星的在地心坐标系内的位置，并依据大地站址计算卫星在光电设备地平系内的位置，当需要验证垂线偏差时，依据大地站址和垂线偏差计算卫星在光电设备地平系内的位置；
步骤(3)、当需要测量光电设备的垂线偏差时，需要依据光电设备的大地站址计算设备指向误差；当需要验证垂线偏差时，需要代入垂线偏差数值计算设备当前位置的天文点站址，并计算设备的指向误差；
步骤(4)、依据指向误差和卫星在地平系内的理论位置，驱动设备观测目标；
步骤(5)、计算卫星的测量位置，比对观测数据和理论数据，计算垂线偏差或者计算误差验证垂线偏差。
本发明与现有技术相比的优点在于：
1)本发明采用GNSS卫星位置作为基准，同时辅以高精度的恒星测量基准，进行垂线偏差的测量，因而可以实现降低光电设备的轴系定位精度的需求，也可以规避蒙气差对测量结果的影响；
2)本发明由于采用GNSS卫星作为测量基准，其验证过程和测量过程具有相同的处理，且验证过程形象直观，而传统方法验证过程复杂，往往需要作业人员反复测量，通过测量结果的重复性确认结果的正确性，如果操作过程有误(如设备调平错误)，传统方法则无法验证结果的正确性；
3)本发明实现容易、自主性强，充分利用光电设备本身具有的功能，由于验证过程的优势，因而使得本方法可以大大提高测量的速度，极大降低作业强度。
附图说明
图1为本发明系统进行垂线偏差测量过程的流程图；
图2为光电设备对垂线偏差验证过程的流程图；
图3为由于垂线偏差的存在使得北斗9号卫星理论引导位置和实际位置之间的偏差。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。
如图1-2所示，一种基于GNSS卫星位置观测的垂线偏差测量和验证方法，该方法包括以下步骤：
步骤(1)、通过GNSS系统首先确定光电设备所在位置的大地站址，其数据有：经度L，纬度B和高程H；
步骤(2)、读取GNSS系统广播星历数据，并选定可观测的GNSS卫星(包括GPS卫星、Glonass卫星、Galileo卫星或北斗卫星等)，依据当前时间计算卫星的在地心坐标系内的位置，并依据大地站址计算卫星在光电设备地平系内的位置，当需要验证垂线偏差时，依据大地站址和垂线偏差计算卫星在光电设备地平系内的位置；
步骤(3)、依据大地站址和垂线偏差计算天文站址，如果测量垂线偏差时假设垂线偏差为0，并依据天文站址计算当前光电设备的指向误差，天文站址的计算公式为：
光电设备的大地站址(B,L)，其中B为纬度，L为经度，天文站址(λ)，其中/>为天文纬度，λ为天文经度。大地站址和天文站址之间的差别即为垂线偏差，设定为μ，可以依据公式(1)和(2)将其分解为子午面和卯酉面的分量ξ和η。
步骤(4)、依据指向误差和卫星在地平系内的理论位置，驱动设备观测目标，计算GNSS系统卫星位置的指向偏差[ΔA，ΔE]，并依据指向偏差计算卫星在光电设备坐标系下的位置，驱动设备观测卫星；
Ad＝At-ΔA (3)
Ed＝Et-ΔE (4)
其中[Ad，Ed]为GNSS卫星在光电设备的设备坐标系下的理论引导位置。
步骤(5)、计算卫星的测量位置，比对观测数据和理论数据，计算垂线偏差或者计算误差验证垂线偏差；
ΔAd＝Am-Ad (5)
ΔEd＝Em-Ed (6)
其中[Am，Em]为GNSS卫星在光电设备的设备坐标系下的测量位置，[ΔAd，ΔEd]为光电设备观测目标的残差。可以依据卫星的设备位置和理论引导位置计算垂线偏差；而当需要对垂线偏差进行验证时，需要考虑光电设备观测目标的残差，理论上残差为零即垂线偏差测量误差最小。
图3为由于垂线偏差的存在使得北斗9号卫星理论引导位置和实际位置之间的偏差。其中光电设备的大地站址为：经度120.0°，纬度30°；天文站址为：经度(120.0°+5″)，纬度(30°-1″)；垂线偏差为4.48″，子午面分量为-1″，卯酉面分量为4.33″。

Claims (1)

1.一种基于GNSS卫星位置观测的垂线偏差测量和验证方法，其特征在于，实现步骤如下：
步骤(1)、通过GNSS系统首先确定光电设备所在位置的大地站址，包括经度，纬度和高程；
步骤(2)、读取GNSS系统广播星历数据，并选定可观测的GNSS卫星，依据当前时间计算卫星的在地心坐标系内的位置，并依据大地站址计算卫星在光电设备地平系内的位置，当需要验证垂线偏差时，依据大地站址和垂线偏差计算卫星在光电设备地平系内的位置；
步骤(3)、当需要测量光电设备的垂线偏差时，需要依据光电设备的大地站址计算设备指向误差；当需要验证垂线偏差时，需要代入垂线偏差数值计算设备当前位置的天文点站址，并计算设备的指向误差；
步骤(4)、依据指向误差和卫星在地平系内的理论位置，驱动设备观测目标；
步骤(5)、计算卫星的测量位置，比对观测数据和理论数据，计算垂线偏差或者计算误差验证垂线偏差；ΔAd＝Am-Ad(5)
ΔEd＝Em-Ed (6)
其中，[Am，Em]为GNSS卫星在光电设备的设备坐标系下的测量位置，[ΔAd，ΔEd]为光电设备观测目标的残差，可以依据卫星的设备位置和理论引导位置计算垂线偏差；而当需要对垂线偏差进行验证时，需要考虑光电设备观测目标的残差，理论上残差为零即垂线偏差测量误差最小。
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