专利名称：基于gnss的位置坐标实时动态组合测量装置及方法
技术领域：
本发明涉及大地测量仪器、工程测量仪器、测绘仪器领域，特别涉及卫星定位 导航测绘技术领域，具体是指一种基于GNSS(全球导航卫星系统，Global Navigation Satellite System)的位置坐标实时动态组合测量装置及方法。
背景技术：
现有技术中存在许多测量系统，其中之一为GNSS(全球导航卫星系统，Global NavigationSatellite System)测量系统，其测量精度的范围从毫米级到米级。GNSS是一 个广义的概念，它是所有卫星导航定位系统的总称，包括目前的GPS卫星全球定位系统、 GL0NASS全球导航卫星系统、北斗卫星导航系统、WAAS广域增强系统、EGNOS欧洲静地卫星 导航重叠系统、DORIS星载多普勒无线电定轨定位系统、PRARE精确距离及其变率测量系 统、QZSS准天顶卫星系统、GAGAN GPS静地卫星增强系统，以及正在建设的Galileo卫星导 航定位系统、Compass卫星导航定位系统和IRNSS印度区域导航卫星系统，以及未来还可能 出现的其它一切利用卫星进行定位和导航的系统。在实际测量操作中，如需对地面某点进行测量，就将GNSS接收机接在对中杆上， 将对中杆置于地面该点，并且利用对中杆附带的液泡调整对中杆，使对中杆保持垂直，从而 保证GNSS接收机天线相位中心位于待测点的正上方。解算出该位置的三维坐标后，用坐标 减去对中杆的高度与GNSS接收机的天线高就是待测点的坐标。在上述操作过程中，需要根据液泡不断调整对中杆，使得对中杆垂直于水平面，这 时GNSS接收机天线位于待测点正上方。这个过程在通常情况下每测量一个点都需要花费 数秒甚至更长时间，在某些特殊天气情况下(如大风)，上述对中过程甚至难以实现。这个 对中过程在每个点的测量过程中都要花费一定的时间，如果能够通过某种方法简化这个对 中过程，测量的效率将得到大幅度的提高。之所以需要进行对中，是因为在对中以后，GNSS接收机的天线相位中心位于待测 点的正上方，GNSS接收机的测量结果能够很方便的换算成待测点的坐标。如果不进行对中， 或者对中误差大，在没有其它辅助工具和手段的情况下，GNSS接收机的测量结果在换算成 待测点的坐标时，则会带来水平方向和垂直方向上额外的误差。目前，几乎所有的利用GNSS接收机实时动态测量系统进行的测量都是按照上述 传统方法进行的，即在对中的情况下，将的测量结果减去对中杆的高度和GNSS接收机的天 线高作为待测点的测量结果。上述传统方式存在两大缺点一是在测量时需要不断调整液 泡需要花费一定的时间。正常情况下，利用GNSS接收机进行点的测量，花在测量上的时间 约为5秒钟，而调整液泡的时间需要几秒甚至十几秒，也就是说每个点的测量都要花费超 过百分之五十以上的时间进行液泡调整，造成了时间上的巨大浪费。第二个缺点是液泡的 位置难以保持，上述GNSS接收机的水平状态精度难以保证。由于液泡的调整是操作员手动 进行的，操作员要一边进行测量操作，一边保持液泡的位置处于中心状态是有难度的，难免 在测量时由于接收机的晃动带来额外的测量误差。
如果能够通过某种方法简化这个过程，则对测量工作来说可以节省大量时间，提
高测量效率。

发明内容
本发明的目的是克服了上述现有技术中的缺点，提供一种能够自动对测量结果进 行校对修正、结构简单实用、测量效率和精度较高、误差较小、工作性能稳定可靠、适用范围 较为广泛的基于GNSS接收机的位置坐标实时动态组合测量装置及方法。为了实现上述的目的，本发明的基于GNSS接收机的位置坐标实时动态组合测量 装置及方法如下该基于全球导航卫星系统的位置坐标实时动态组合测量装置，包括全球导航卫星 系统的接收机和对中杆，所述的接收机固定设置于所述的对中杆上，其主要特点是，所述的 装置中还设置有姿态角传感测量模块，且所述的姿态角传感测量模块与所述的接收机之间 相互通信连接。该基于全球导航卫星系统的位置坐标实时动态组合测量装置中的姿态角传感测 量模块设置于所述的对中杆上或者内置于所述的GNSS接收机内部。该基于全球导航卫星系统的位置坐标实时动态组合测量装置中的姿态角传感测 量模块为同时具有测量航向角、俯仰角和横滚角的姿态角传感器或者变相间接获得航向 角、俯仰角和横滚角的多个传感器的组合或者某种测量方法，如电子水泡、电子罗盘、陀 螺、以及由几个GNSS天线组成的姿态测量系统，这些传感器或者传感器的组合均能实时测 出航向角、俯仰角和横滚角，其中所述的航向角为运动载体绕垂直轴的转动角；俯仰角为运 动载体绕侧轴线的转动角；横滚角为运动载体绕体轴线的转动角。该基于全球导航卫星系统的位置坐标实时动态组合测量装置中的姿态角传感测 量模块与所述的GNSS接收机之间具有有线通信连接或者无线通信连接。该基于全球导航卫星系统的位置坐标实时动态组合测量装置中的接收机为单频 全球导航卫星系统接收机、双频全球导航卫星系统接收机或者未来即将出现的三频全球导 航卫星系统接收机甚至更多频率接收功能的接收机。该利用上述的装置实现基于全球导航卫星系统的位置坐标实时动态组合测量的 方法，其主要特点是，所述的方法包括以下步骤(1)将所述的对中杆设置于待测点处；(2) GNSS接收机利用全球导航卫星系统得到位置观测数据；(3)所述的GNSS接收机利用所述的全球导航卫星系统的数据信息进行解算处理， 并得到所述的天线相位中心的三维坐标(Xant，yant，hant)；(4)通过所述的姿态角传感测量模块测量得到所述的GNSS接收机的航向角、俯仰 角和横滚角，并将所测量到的航向角、俯仰角和横滚角信息传送给所述的GNSS接收机；(5)所述的GNSS接收机根据所述的姿态角传感测量模块传送得到的航向角、俯仰 角和横滚角信息对所述的天线相位中心的三维坐标(Xant，yant, hant)进行实时校正处理，并 得到待测点的位置三维坐标(χ。，I0, h。)。该实现基于全球导航卫星系统的位置坐标实时动态组合测量的方法中的对天线 相位中心的三维坐标(Xant，yant，hant)进行实时校正处理，包括以下步骤
(11)所述的GNSS接收机根据所述的航向角Ψ、俯仰角θ和横滚角W言息通过以 下公式转换得到所述的对中杆的方位角α和倾角β <formula>formula see original document page 6</formula>；其中<formula>formula see original document page 6</formula>上式中倾角β为所述的对中杆与待测点所在水平面之间的夹角，所述的方位角 α为所述的对中杆在待测点所在水平面上的投影与以待测点0为原点的当地水平坐标系 的Y轴之间的夹角；(12)根据以下公式得到待测点的三维坐标校正量Δχ、Ay和Ah <formula>formula see original document page 6</formula>其中，hd为所述的对中杆的高度与所述GNSS接收机的天线高度之和；(13)根据以下公式得到待测点的位置三维坐标(X。，y。，h。)<formula>formula see original document page 6</formula>采用了该发明的基于GNSS接收机的位置坐标实时动态组合测量装置及方法，由 于其中所具有的姿态角传感器可以进行实时测量，并实时将测量结果传送给所述GNSS接 收机，从而GNSS接收机可以进行实时校正，使得省略了传统测量方式的调整液泡的过程， 因此在实际操作中能够大幅度缩短操作时间，提高操作的效率；同时，由于减小了从GNSS 接收机到待测点的换算误差，从而提高了测量点的测量精度，不仅结构简单实用，而且工作 性能稳定可靠，适用范围较为广泛。


图1为本发明的基于GNSS接收机的位置坐标实时动态组合测量装置的示意图。图2是本发明的实现基于全球导航卫星系统的位置坐标实时动态组合测量的方 法的测量关系示意图。
具体实施例方式为了能够更清楚地理解本发明的技术内容，特举以下实施例详细说明。请参阅图1所示，该基于全球导航卫星系统的位置坐标实时动态组合测量装置， 包括全球导航卫星系统的接收机11和对中杆13，所述的接收机11固定设置于所述的对中 杆13上，其中，所述的装置中还设置有姿态角传感测量模块12，且所述的倾角传感测量模 块12与所述的接收机11之间相互通信连接。其中，所述的姿态角传感测量模块12设置于所述的对中杆13上或者内置于所述的接收机11内部；所述的姿态角传感测量模块12为同时具有测量航向角、俯仰角和横滚角 功能的姿态角传感器或者能够变相间接实现测量航向角、俯仰角和横滚角的多个传感器组 合或者相应的某种测量方法，如电子水泡、电子罗盘、陀螺、以及由几个GNSS天线组成的 姿态测量系统，这些传感器或者传感器的组合均能实时测出航向角、俯仰角和横滚角。所述的姿态角传感测量模块12与所述的接收机11之间具有有线通信连接或者无 线通信连接；
同时，所述的接收机11通过固定设置于所述的对中杆13上；所述的接收机11为 全球导航卫星系统接收机或者双频全球导航卫星系统接收机，以及多频接收机。在实际使用当中，本发明的基于全球导航卫星系统的位置坐标实时动态组合测量 装置，包括GNSS接收机11、姿态角传感器12、对中杆13。倾角传感器12可以如图1所示安 装与对中杆13上，也可以内置于GNSS接收机11中，并且能与GNSS接收机11进行通信。再请参阅图2所示，该利用上述的装置实现基于全球导航卫星系统的位置坐标实 时动态组合测量的方法，其中包括以下步骤(1)将所述的对中杆设置于待测点处；(2)GNSS接收机利用全球导航卫星系统得到观测数据，；(3)所述的接收机利用所述的全球导航卫星系统发来的数据信息进行解算处理， 并得到所述的天线相位中心的三维坐标(Xant，yant，hant)；(4)通过所述的姿态角传感测量模块测量得到所述的接收机的航向角、俯仰角和 横滚角，并将所测量到的航向角、俯仰角和横滚角信息传送给所述的接收机；(5)所述的GNSS接收机根据所述的姿态角传感测量模块传送得到的航向角、俯仰 角和横滚角信息对所述的天线相位中心的三维坐标(Xant，Yant, hant)进行实时校正处理，并 得到待测点的位置三维坐标(X。，I0, h。)，包括以下步骤(a)所述的接收机根据所述的航向角Ψ、俯仰角θ和横滚角列言息通过以下公式
转换得到所述的对中杆的方位角α和倾角β，
(R^
a - arctan -s^-I 尺J— ；其中，iRu ^cos^sin+ sin^sin6*COS^ 上式中倾角
β _ arctan ^33^ R23 = sin ψ sin φ- cos ψ sin θ cos φ ；
Iv ^Rf3 +i 223 J、R33 = cos θ cos φ
β为所述的对中杆与待测点所在水平面之间的夹角，所述的方位角α为所述的对中杆在 待测点所在水平面上的投影与以待测点0为原点的当地水平坐标系的Y轴之间的夹角；(b)根据以下公式得到待测点的三维坐标校正量Δχ、Ay和Ah
Δχ 二 九 _ cos β · cos a
^ Ay = hd ■ cos ρ -sm α ； Nh 二 hd * sin a其中，hd为所述的对中杆的高度与所述GNSS接收机的天线高度之和；(c)根据以下公式得到待测点的位置三维坐标(x。，y。，h。)<formula>formula see original document page 8</formula>在实际使用当中，本发明的姿态角传感器模块与GNSS实时动态系统组合的测量 方法的基本过程如下(1)利用所述GNSS接收机得到观测数据；(2)所述GNSS接收机用收到的GNSS信息数据进行解算；(3)利用所述姿态角传感器测量得到GNSS接收机的航向角、俯仰角和横滚角，并 将测量信息传输给所述GNSS接收机；(4)所述GNSS接收机利用所述姿态角传感器的信息对前述的解算结果进行实时 校正，校正结果作为待测点的坐标。如图2所示，0为待测点，0'为所述GNSS接收机天线的相位中心，实际操作中对 中杆位于00'上；XJJ^为以待测点0为原点的当地水平坐标系，X' LY' LZ' ^是以所述 GNSS接收机的天线相位中心0'为原点的当地水平坐标系，XbYbZb是以所述GNSS接收机为 载体建立的载体坐标系。定义载体主基线矢量为0' Yb ；航向角Ψ为载体主基线矢量在当地水平面上的投 影与当地水平坐标系Y轴的夹角，即图2中ZYb' 0' Yl'；俯仰角Θ为载体主基线矢量绕 载体侧基线旋转与当地水平面的夹角，即图2中ZYbO' Yb'；横滚角^为沿载体主基线矢量 旋转，载体坐标系\轴与当地水平面的交线与载体坐标系Xb的夹角，即图2中ZXbO' Xb'。由图2可知，要将所述GNSS接收机的天线相位中心0'的坐标转换到待测点0的 坐标，只需要知道00'的长度，α, β角即可。00'的长度为对中杆的长度与所述GNSS接 收机的天线高之和，是已知量；α，β角是未知量，需要测量。如传感器直接测得α，β角，则可以很方便地得到补偿量。但在很多情况下，直接 测量α，β角不方便，而测量所述GNSS接收机的航向角、横滚角和俯仰角相对较为容易。 测出航向角、横滚角和俯仰角后，将其转化为α，β角，这样就可以将GNSS接收机的天线相 位中心坐标转化为待测点坐标。请参阅图2所示，其中当地水平坐标系(LLS)与载体坐标系(BFS)的原点是相同 的，都位于接受机天线的相位中心，二者之间的变换参数实际上就是三个欧拉角(航向角 Ψ、俯仰角θ、横滚角ρ )，而知LLS坐标与BFS坐标的关系式为
Xlls(O)R1y (φ)ΧΗΙ.,其中，分别为绕Y轴、X轴和Z轴的旋转矩阵为
<formula>formula see original document page 8</formula>
<formula>formula see original document page 9</formula>当地水平坐标系由载体坐标系可以按Ψ、θ、炉的顺序旋转得到的转换矩阵如下h、’=圮Ibfs,其中:<formula>formula see original document page 9</formula>由于三维姿态角Ψ、θ、炉由倾角传感器已经测得，所以转换矩阵Rbl已知。对中杆 的方位角α和倾角β只与载体坐标系的Zb轴在当地水平坐标系的坐标有关，所以，只要 求得Zb轴的单位向量在当地水平坐标系中的坐标，即可算出对中杆的方位角α和倾角β。 4轴的单位向量的坐标为W，0，1]，则
<formula>formula see original document page 9</formula>则
<formula>formula see original document page 9</formula>本发明的测量方法如下第一步为利用GNSS接收机获得观测数据。应理解，所述GNSS接收机不仅包括目 前市场上已有的各种单频、双频GNSS接收机和多频接收机，还包括可能出现的各种形式的 GNSS接收机。倾角传感器与GNSS接收机实时动态组合测量方法的第二步为所述GNSS接收机 利用GNSS卫星的数据信息进行解算，得到所述GNSS接收机天线相位中心的坐标Xant、ymt、hgnt。利用所述姿态角传感器得到所述GNSS接收机的航向角、俯仰角和横滚角，并将信 息传输给所述GNSS接收机。应理解，姿态角传感器可以内置于GNSS接收机，也可以置于对 中杆上。所述姿态角传感器可以为几个独立布置的倾角传感器，也可以是同时具有测量航 向角、俯仰角和横滚角功能的一个器件，以及其它所有能够实现航向角、横滚角和俯仰角测 量的方式方法，如电子水泡、电子罗盘、陀螺、以及由几个GNSS天线组成的姿态测量系统， 这些传感器或者传感器的组合均能实时测出航向角、俯仰角和横滚角。所述姿态角传感器 通过短距离通讯方式将测量信息发送给GNSS接收机，所述短距离通讯方式包括有线通讯 方式或无线通讯方式等。
实际操作时，测量接收机的航向角、俯仰角和横滚角可以通过各种方法实现，如可 在GNSS接收机上加装几个独立的传感器实现上述三个姿态角的测量，或者可以直接安装 一具有同时测量方向角、俯仰角、横滚角的传感器，这样甚至可以无需任何对准，将测量得 到的三个角转换成校正量进行校正。然后根据姿态角传感器测量出的横滚角和俯仰角转换 成对中杆的α角和β角，这样，利用对中杆的α角和β角就可以很方便的计算出所述 GNSS接收机相位中心与待测点的偏差量。
倾角传感器与GNSS接收机实时动态组合测量方法的第四步为GNSS接收机利用所 述倾角传感器的信息对前述的解算结果进行实时校正。应理解，GNSS接收机解算得到的坐 标为其天线相位中心的坐标xant、yant> hmt，而实际需要测量的待测点为对中杆与地面的接 触点坐标x0、y0、h0。在以前的传统测量方式中，利用液泡调整对中杆，以保证GNSS接收机位于待测点 的正上方，所以GNSS接收机的测量结果可以方便的换算成待测点的坐标，换算关系如下
<formula>formula see original document page 10</formula>
其中，hd为对中杆的高度与所述GNSS接收机天线高之和。利用本发明的方法不仅可以省略上述传统测量方式所必须进行的调整液泡的过 程，节省大量的时间；同时，利用姿态角传感器的测量信息，可以将上述GNSS接收机的测量 结果校正到待测点坐标，提高测量点的精度。上述对中杆在倾角为β，对中杆的方位角为α的情况下，可以利用下述转换关系 将上述GNSS接收机的测量坐标转换到待测点的坐标
<formula>formula see original document page 10</formula>其中，Δ X、Ay、Ah为校正量
<formula>formula see original document page 10</formula>
应该可以理解，采用了上述的基于GNSS接收机的位置坐标实时动态组合测量装 置及方法，由于其中所具有的姿态角传感器可以进行实时测量，并实时将测量结果传送给 所述GNSS接收机，从而GNSS接收机可以进行实时校正，使得省略了传统测量方式的调整液 泡使对中杆保持垂直的过程，本方法的操作更简单，也更容易，因此在实际操作中能够大幅 度缩短操作时间，提高了操作的效率；同时，由于减小了从GNSS接收机到待测点的换算误 差，从而提高了测量点的测量精度，不仅结构简单实用，而且工作性能稳定可靠，适用范围 较为广泛。在此说明书中，本发明已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出 各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的 而非限制性的。
权利要求
一种基于全球导航卫星系统的位置坐标实时动态组合测量装置，包括全球导航卫星系统的接收机和对中杆，所述的接收机固定设置于所述的对中杆上，其特征在于，所述的装置中还设置有姿态角传感测量模块，所述的姿态角传感测量模块与所述的接收机之间相互通信连接。
2.根据权利要求1所述的基于全球导航卫星系统的位置坐标实时动态组合测量装置， 其特征在于，所述的姿态角传感测量模块设置于所述的对中杆上或者内置于所述的接收机 内部。
3.根据权利要求1所述的基于全球导航卫星系统的位置坐标实时动态组合测量装置， 其特征在于，所述的姿态角传感测量模块为同时具有测量航向角、俯仰角和横滚角功能的 传感器或者能够间接获得航向角、俯仰角和横滚角的多个传感器的组合，或电子水泡、电子 罗盘、陀螺、以及由几个GNSS天线组成的姿态测量系统，其中所述的航向角为运动载体绕 垂直轴的转动角；俯仰角为运动载体绕侧轴线的转动角；横滚角为运动载体绕体轴线的转 动角。
4.根据权利要求1所述的基于全球导航卫星系统的位置坐标实时动态组合测量装置， 其特征在于，所述的倾角传感测量模块与所述的接收机之间具有有线通信连接或者无线通 信连接。
5.根据权利要求1所述的基于全球导航卫星系统的位置坐标实时动态组合测量装置， 其特征在于，所述的装置中还设置有姿态角传感器。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的基于全球导航卫星系统的位置坐标实时动态组 合测量装置，其特征在于，所述的接收机为单频全球导航卫星系统接收机、双频全球导航卫 星系统接收机及多频全球导航卫星系统接收机。
7.一种利用权利要求1所述的装置实现基于全球导航卫星系统的位置坐标实时动态 组合测量的方法，其特征在于，所述的方法包括以下步骤(1)将所述的对中杆设置于待测点处；(2)全球导航卫星系统接收机利用全球导航卫星系统得到观测数据，并进行解算，得到 所述的天线相位中心的三维坐标Uant，yant，hant)；(3)利用所述的姿态角传感测量模块测量得到所述的接收机的航向角、俯仰角和横滚 角，并将所测量得到的航向角、俯仰角和横滚角的信息传送给所述的接收机；(4)所述的接收机根据所述的倾角传感测量模块传送得到的航向角、俯仰角和横滚角 信息对所述的天线相位中心的三维坐标Uant，Yant, hant)进行实时校正处理，并得到待测点 的位置三维坐标(χ。，y。，h。)。
8.根据权利要求7所述的实现基于全球导航卫星系统的位置坐标实时动态组合测量 的方法，其特征在于，所述的对天线相位中心的三维坐标(Xant，Yant, hant)进行实时校正处 理，包括以下步骤(11)所述的接收机根据所述的航向角Ψ、俯仰角θ和横滚角一言息通过以下公式转换 得到所述的对中杆的方位角α和倾角β <formula>formula see original document page 3</formula>上式中倾角β为所述的对中杆与待测点所在水平面之间的夹角，所述的方位角α为 所述的对中杆在待测点所在水平面上的投影与以待测点O为原点的当地水平坐标系的Y轴 之间的夹角；(12)根据以下公式得到待测点的三维坐标校正量Δχ、Ay和Ah: <formula>formula see original document page 3</formula>其中，hd为所述的对中杆的高度与所述接收机的天线高度之和；(13)根据以下公式得到待测点的位置三维坐标(x。，y。，h。)<formula>formula see original document page 3</formula>
全文摘要
本发明涉及一种基于全球导航卫星系统的位置坐标实时动态组合测量装置，包括全球导航卫星系统的接收机、对中杆、姿态角传感测量模块，接收机固定设置于对中杆上，姿态角传感测量模块与接收机间相互通信连接。本发明还涉及一种利用该装置实现基于全球导航卫星系统的位置坐标实时动态组合测量的方法。采用该种基于GNSS接收机的位置坐标实时动态组合测量装置及方法，省去了传统的调整液泡使对中杆保持垂直的过程，大幅度缩短了操作时间，提高了操作的效率；减小了从GNSS接收机到待测点的换算误差，从而提高了测量点的测量精度，不仅结构简单实用，而且工作性能稳定可靠，适用范围较为广泛。
文档编号G01C1/00GK101806906SQ201010146600
公开日2010年8月18日 申请日期2010年4月14日 优先权日2010年4月14日
发明者刘杰, 刘若普, 宋阳, 朱亚宁, 王杰俊, 王永泉 申请人:上海华测导航技术有限公司