CN1967282B - 全站仪与gps单频实时动态组合测量方法及其系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种测量方法及其系统，尤其涉及一种组合电子全站仪及GPS单频实时动态系统的测量方法及其系统。本发明提供一种电子全站仪测量系统与GPS单频实时动态系统组合测量方法，包括：全站仪测量系统与GPS单频实时动态系统间的校准；利用所述全站仪测量系统，得到GPS流动站相对GPS基准站的距离和倾角；利用GPS单频实时动态系统，分别在所述流动站和所述基准站得到观测数据；所述全站仪测量系统与所述GPS单频实时动态系统间的信息传输；所述计算终端利用所述观测数据以及所述测量结果进行计算，完成初始化过程；进行实时动态测量。本发明提供的方法及其系统达到了单频RTK测量速度比双频RTK更快且成本、功耗、重量都比双频RTK低的功效。

Description

全站仪与GPS单频实时动态组合测量方法及其系统

技术领域

本发明涉及一种测量方法及其系统，尤其涉及一种组合电子全站仪及GPS单频实时动态系统的测量方法及其系统。

背景技术

本发明涉及大地测量仪器、工程测量仪器、测绘仪器等领域。现有技术中存在许多测量系统，其中之一为差分GPS(Global Position System，即全球卫星定位系统)测量系统，其测量精度的范围从毫米级到米级。

一个差分GPS测量系统通常由一个基准站(包括GPS接收机及其天线)和至少一个流动站组成。接收机接收GPS卫星广播的无线信号并对其进行处理，得到伪距、载波相位和星历等数据。基准站固定不动，并将自身的GPS观测值发送给流动站。流动站利用自身的观测值和基准站的观测值进行差分解算，将两者之间的一些公共误差抵消，从而可以得到较高精度的流动GPS接收机相对于参考GPS接收机的位置，这个三维的相对位置被称为基线向量，其包括距离、倾角以及方位角。

差分GPS测量可根据观测值的不同分为伪距差分技术和载波相位差分技术，前者精度较低(米级精度)，但非常容易实现；后者精度高(厘米级精度)，但计算相对复杂，其又可称为RTK(Real-time Kinematic，即实时动态)技术。差分GPS测量还可根据观测频率数目的不同分为单频差分和双频差分，前者成本低，但是运算速度相对后者慢且量程小。

现有技术中通常采用GPS双频RTK测量系统，具有精度高、作用距离远、不需要通视、使用方便、测量快捷等优点，但其成本很高。特别是用于短距离测量中，其相对GPS单频RTK测量系统来说，优势仅在于测量速度快，如果能解决后者在此问题上的缺陷，可以说，后者在短距离测量中的市场竞争力是强于前者的。

GPS单频RTK测量系统的测量速度慢的主要原因在于其初始化时间长。在常规RTK作业时，流动站接收到基准站的差分信号后，利用例如Counselman在1981年提出的模糊度函数法(AFM)来解算基线向量，首先出现的是基线向量的浮动解，经过一段时间的观测和计算后得到了GPS整周模糊度(可认为确定了多元多次方程的待定系数)，从而得到基线向量的固定解，这段时间被称为初始化时间。AFM解算GPS整周模糊度时，需要在三维空间内搜索极大值，其计算量太大，但是在已知基线向量长度的情况下，模糊度函数法的搜索空间将由三维变为二维，计算量大大缩短，初始化时间也可因此大大缩短。

现有技术中，GPS单频RTK初始化过程主要有以下几种方法：

1、仅利用GPS接收机实际观测值来进行静态(接收机固定不动)或动态(运动中)初始化。根据基线向量的长短和卫星分布的不同，这个过程通常需要5-15分钟时间。由于需要时间很长，所以这种方法不具有实用性。

2、利用特别制造的初始化板和GPS接收机实际观测值来进行初始化。将两个GPS天线放在初始化板的两个固定点上，即两个GPS天线之间的基线向量已知，其本质在于将模糊度函数法的搜索空间将由三维变为二维。由此初始化时间大大缩短。但是，由于初始化板长度有限(通常为1米)，每次初始化时均需要将流动站从远处移近基准站，实际使用条件也很难满足。

3、利用已知点初始化。此方法本质上与上述方法2相同，要求参考GPS接收机和流动GPS接收机所处位置均已知。这种初始化方法所需时间最短(小于1分钟)，但是，由于初始化时需要两个已知点，在实际使用环境也很难实现。

由此可以看到目前单频RTK主要采用的三种初始化方法都有致命的缺陷，也正是这些缺点使得单频RTK难以普及。

现有技术中的另一种普遍使用的测量系统是电子全站仪测量系统，其主要有由电子全站仪和辅助目标(直角棱镜)构成。电子全站仪通过旋转其横轴和纵轴使其望远镜瞄准辅助目标，能得到全站仪的方位角和倾角。通过测量红外光到辅助目标的来回时间可以得到全站仪到棱镜的距离。全站仪的测量具有比较高的精度，低精度的全站仪(20秒)也能达到厘米级的精度。

与GPS实时动态测量相比，全站仪测量具有下面的一些缺点：

1、要求与辅助目标之间保持通视，而GPS的流动站与基准站之间不需要通视；

2、全站仪在测量时，需要一个由人眼用望远镜瞄准辅助目标的过程。即使使用非常熟练，瞄准目标也不是一件非常容易的事。而GPS实时动态测量仅需要几秒钟就可以测量一个点。

3、由于红外光在空气中传播会衰减，因此辅助目标通常只能在距全站仪3公里内活动(一般在1公里以内)，而GPS实时动态作业可远至数十公里。

4、全站仪比较重，迁站不易。

通过以上几种缺点，可以看出全站仪作业的效率远远低于GPS实时动态测量。

发明内容

本发明提供一种电子全站仪测量系统与GPS单频实时动态系统组合测量方法，包括：

1.全站仪测量系统与GPS单频实时动态系统间的校准，包括：

(1)将所述GPS单频实时动态系统中的流动站置于全站仪测量系统中的反射装置顶端，使所述流动站的相位中心对准所述反射装置的几何中心；

(2)将所述GPS单频实时动态系统中的基准站置于全站仪测量系统中的全站仪顶端，使所述基准站的相位中心对准所述全站仪的几何中心；

2.利用所述全站仪测量系统，得到GPS流动站相对GPS基准站的距离和倾角；

3.用GPS单频实时动态系统，分别在所述流动站和所述基准站得到观测数据；

4.所述全站仪测量系统与所述GPS单频实时动态系统间的信息传输，包括：

(1)所述全站仪将所述全站仪测量系统的测量结果传送给计算终端；

(2)所述GPS基准站将其得到的观测数据传给所述计算终端；

(3)所述GPS流动站将其得到的观测数据传给所述计算终端；

5.所述计算终端利用所述观测数据以及所述测量结果进行计算，完成初始化过程；

6.进行实时动态测量。

本发明还提供一种电子全站仪测量系统与GPS单频RTK系统组合测量系统，包括

基准子系统，包括：

带有软硬件接口的全站仪；

以及基准站，所述基准站的相位中心对准所述全站仪的相位中心；

至少一流动子系统，包括：反射装置以及位于所述反射装置顶部的带有软硬件接口的GPS流动站，其相位中心对准所述反射装置的几何中心；

以及计算终端，其对所述基准子系统及流动子系统的观测数据及测量结果进行计算，以完成初始化过程。

本发明提出了一种新的技术，即利用全站仪测量的结果(倾角和距离)来加快单频GPS实时动态初始化的过程。初始化完成后，用单频RTK代替全站仪进行测量，提高测量的效率。本发明提供的方法及其系统达到了单频RTK测量速度比双频RTK更快且成本、功耗、重量都比双频RTK低的功效。此外，本发明除了提高单频RTK测量速度之外，还可加快全站仪本身的测量。计算终端位于流动站端时，在流动站端的工作人员能知道全站仪的测量结果，这样即使不利用GPS系统，光用全站仪测量，也能提高测量速度。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明，其中：

图1是本发明的系统装置示意图；

图2是本发明的数据传输框图；

图3是本发明的计算流程示意图。

具体实施方式

先请参见图1，图1是本发明的系统装置示意图。如图所示，本发明包括基准子系统1，包括基准站11、带有软硬件接口的全站仪12以及三角架13，基准站11的相位中心对准全站仪12的几何中心且基准站11与全站仪12可通过软硬件接口进行数据传输；流动子系统2，包括对中杆23、位于对中杆23上部的反射棱镜22以及位于对中杆23顶部的带有软硬件接口的GPS流动站21，流动站21的相位中心对准反射棱镜22的几何中心且对中杆23与地面垂直以及计算终端3，流动站21的信息可通过其本身的软硬件接口与计算终端3进行数据传输。

在上述实施例中，流动站21表现为内置天线的GPS接收机。应理解，流动站21可以仅包括天线，只要此时天线的相位中心与反射棱镜22的几何中心对准即可，接收机可通过其他方式与天线相连。

在上述实施例中，计算终端3为手持终端且独立于基准子系统1以及流动子系统2存在。因理解，计算终端3并不仅局限于手持终端，其还可为电脑等其他计算终端，同样，计算终端3并不一定独立于其他子系统，例如其可嵌于流动子系统2中的流动站21内或基准子系统1的全站仪12中。

在上述实施例中只有1个流动子系统存在，但应理解，由于RTK的初始化并非频繁需要的，因此一台参考子系统1可与多个流动子系统2组合进行测量，即本发明可包括多个流动子系统2。

在上述实施例中，存在对中杆23，但应理解，棱镜22并不一定要安装在对中杆23上，安装方式有多种，例如棱镜还可以安装在对点器上，关键在于流动站21位于棱镜的正上方。同样，本实施例采用的反射装置为棱镜22，但其他能起反射作用的反射装置均包含在本发明的范围中。

此外，值得注意的是，上述实施例中的基准站1以及流动站2均可拆卸，即移除基准站1和流动站2后，不影响单独全站仪测量系统的工作。并且，当，基准站1以及流动站2被拆卸后，计算终端3仍可以协助全站仪系统进行测量。

接着，我们基于上述测量系统对其测量方法进行描述。以下所述的电子全站仪测量系统包括全站仪12、反射棱镜22以及对中杆23，GPS单频RTK系统包括基准站11和流动站21。

电子全站仪测量系统与GPS单频RTK系统组合测量方法的第一步为全站仪测量系统与GPS单频RTK系统间的校准，其包括：

(1)使对中杆23保持与地面垂直，将GPS单频RTK系统中的流动站21置于全站仪测量系统中的棱镜22顶端，使流动站21的相位中心对准棱镜22的几何中心，两个中心间的距离为h1。

(2)将GPS单频RTK系统中的基准站11置于全站仪测量系统中的全站仪12顶端，使基准站11的相位中心对准全站仪12的几何中心，两个中心间的距离为h2。

组合测量方法的第二步为利用所述全站仪测量系统，得到GPS流动站21相对GPS基准站11的距离和倾角。(即基线向量中的两个分量)

如图1所示，全站仪测量系统可测出全站仪12的相位中心到棱镜22的几何中心的距离，图上表示为d以及全站仪12相对棱镜22的倾角β。由h1、h2、β、d间的几何关系可以知道GPS流动站21相对GPS基准站11的距离和倾角。当h1＝h2时，β、d分别为GPS流动站21相对GPS基准站11的距离和倾角。

组合测量方法的第三步为利用GPS单频RTK系统，分别在流动站21和基准站11得到观测数据，所述观测数据包括伪距、载波相位和星历。由于全站仪12的方位角是相对的，它与基线向量的方位角的关系不确定，所以，基线向量的方位角不能由全站仪测量结果确定。因此，本发明涉及的组合系统中RTK的初始化仅需要根据GPS观测值确定基线向量

的方位角，这一点，保证了本发明采用的RTK初始化方法比现有的需要确定3个或2个参数的方法更快。

请再参见图2，图2是本发明的数据传输框图。组合测量方法的第四步为全站仪测量系统与GPS单频RTK系统间的信息传输，包括：

(1)全站仪12将全站仪测量系统的测量结果通过短距离通讯方式传送给GPS基准站11。

(2)GPS基准站11将其得到的观测数据以及全站仪12传送的测量结果通过长距离通讯方式传给计算终端3。

(3)GPS流动站21将其得到的观测数据通过短距离通讯方式传给计算终端3。

上述短距离通讯方式指的是有线串行方式或蓝牙通讯方式。长距离通讯方式指的是利用公共无线通讯网进行通讯，包括GSM、GPRS、CDMA或WLAN网络或工作在VHF、UHF等开放频段的无线通讯方式。

现请参见图3，图3是本发明的计算流程示意图。组合测量方法的第五步为计算终端3利用所述观测数据以及所述测量结果进行计算，完成初始化过程。

当计算终端3确认其收到同一时刻的全站仪12测量结果、基准站11以及流动站21的同步测量观测值时，

(1)计算终端3对GPS基准站11以及流动站21的观测数据进行伪距差分。

(2)根据所述伪距差分结果以及所述全站仪系统的测量结果建立搜索圆弧，即得到待求基线向量(如图1中的向量)方位角的范围，所述待求基线向量包括距离、倾角(即图1中的d、β，如果h1＝h2时)以及方位角。

(3)根据模糊度函数法(AFM)，搜索基线向量解。

(4)符合要求的最大值即为所要求的基线向量解，同时确定整周模糊度，至此完成初始化过程。

组合测量方法的第六步是进行RTK测量。我们可以将模糊度函数法看作求几个待定系数未定的多元多次方程。初始化过程即为确定待定系数的过程。当初始化完成，整周模糊度确定后，则可认为确定了多元多次方程的待定系数，而只要接收机不失锁，则整周模糊度不变，即待定系数不变。这样当流动站移到另外点进行测量时，便不必重新确定待定系数(即初始化)，可直接通过载波相位差分得到待测位置的基线向量，这个过程称之为RTK测量。

应理解，上述实施例中的步骤4并不局限于所述步骤，其还可为

(1)GPS基准站11将其得到的观测数据通过短距离通讯方式传给计算终端3。

(2)全站仪12将其测量结果通过短距离通讯方式传给计算终端3。

(3)GPS流动站21通过长距离通讯方式将其得到的观测数据传给计算终端3。

也就是说，只要步骤遵循全站仪12、基准站11、流动站21的数据最终都流入计算终端3的原则，其均可包括在步骤4中。

上述实施例仅为了方便说明而举例而已，并不是对本发明的范围的限制。对于本技术领域的一般人员来说，可以在不脱离本发明的精神的情况下，做出种种变化。因此，本发明所主张的范围应以权利要求书中的权利要求所述的为准。

Claims (10)

1.一种电子全站仪测量系统与GPS单频实时动态系统组合测量方法，包括：

(1)全站仪测量系统与GPS单频实时动态系统间的校准，包括

将所述GPS单频实时动态系统中的流动站置于全站仪测量系统中的反射装置顶端，使所述流动站的相位中心对准所述反射装置的几何中心；

将所述GPS单频实时动态系统中的基准站置于全站仪测量系统中的全站仪顶端，使所述基准站的相位中心对准所述全站仪的几何中心；

(2)利用所述全站仪测量系统，得到GPS流动站相对GPS基准站的距离和倾角；

(3)利用GPS单频实时动态系统，分别在所述流动站和所述基准站得到观测数据；

(4)所述全站仪测量系统与所述GPS单频实时动态系统间的信息传输，包括

所述全站仪将所述全站仪测量系统的测量结果传送给计算终端；

所述GPS基准站将其得到的观测数据传给所述计算终端；

所述GPS流动站将其得到的观测数据传给所述计算终端；

(5)所述计算终端利用所述观测数据以及所述测量结果进行计算，完成初始化过程；

(6)进行实时动态测量。

2.如权利要求1所述的组合测量方法，其特征在于，步骤4还包括所述全站仪将所述全站仪测量系统的测量结果通过短距离通讯方式传送给所述GPS基准站，所述GPS基准站将其得到的观测数据及所述全站仪测量系统的测量结果通过长距离通讯方式传给计算终端，所述GPS流动站通过短距离通讯方式将其得到的观测数据传给所述计算终端。

3.如权利要求1所述的组合测量方法，其特征在于，步骤4还包括所述全站仪将其测量结果通过短距离通讯方式传给所述计算终端，所述基准站将其观测数据通过短距离通讯方式传给所述计算终端，所述GPS流动站通过长距离通讯方式将其得到的观测数据传给计算终端。

4.如权利要求2或3所述的组合测量方法，其特征在于，所述短距离通讯方式包括有线串行方式以及蓝牙通讯方式。

5.如权利要求2或3所述的组合测量方法，其特征在于，所述长距离通讯方式是利用公共无线通讯网进行通讯，包括GSM、GPRS、CDMA或WLAN网络或工作在VHF、UHF开放频段的无线通讯方式。

6.一种电子全站仪测量系统与GPS单频RTK系统组合测量系统，包括基准子系统，包括：

带有软硬件接口的全站仪；

以及基准站，所述基准站的相位中心对准所述全站仪的几何中心；

至少一流动子系统，包括：

反射装置；

以及位于所述反射装置顶部的带有软硬件接口的GPS流动站，其相位中心对准所述反射装置的几何中心；

以及计算终端，其对所述基准子系统及流动子系统的观测数据及测量结果进行计算，以完成初始化过程。

7.如权利要求6所述的组合测量系统，其特征在于所述基准站以及流动站包括GPS接收机天线或内置天线的GPS接收机。

8.如权利要求6所述的组合测量系统，其特征在于所述计算终端独立所述基准子系统以及流动子系统存在，所述计算终端包括电脑或手持终端。

9.如权利要求6所述的组合测量系统，其特征在于所述计算终端嵌于所述流动子系统或基准子系统中。

10.如权利要求6所述的组合测量系统，其特征在于所述基准站以及所述流动站均可拆卸。

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