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综合训练三

辽宁工程技术大学综合训练报告

综合训练三：

GPS、GLONASS、GALILEO和北斗多系统数据采集和数据预处理

表现

（20%）

报告成绩（50%）

答辩成绩（30%）

总成绩

教学单位

测绘学院

专业

测绘工程

课程名称

GNSS原理与应用

班级

测绘

姓名

学号

指导教师

组别

一、目的和要求

了解GNSS数据系统数据综合处理的区别和联系、利用多系统接收机完成数据采集，进而完成时间和空间基准的转换，奠定多系统联合数据处理的基础。

二、基本情况

1、综合训练时间：

2017年5月

2、综合训练地点：

校园实习基地。

3、方法与过程：

每组学生完成多系统数据的采集，传输和分流过程，利用已有软件和自编软件，实现多系统数据的统一，即转换到一种软件可以综合处理。

注意领会多系统融合处理的时间和空间基准转换的步骤、方法和实现过程。

4、组内成员：

5、测量仪器：

天宝GPSR10R10

简介：

新型的天宝GPSR10GNSS智能接收机，在帮助专业测量员更高效地工作方面，开创了先河。

凭借着在设计新颖的流线型机壳中集成了功能卓越的新技术，高精度定位处理引擎、精密定点控制技术和断点续测技术，使这个强大的系统足以支持全面综合的GNSS，确保测量员有能力更快、更容易地采集更准确的数据，无论是什么任务或者是什么环境。

如图一：

（1）天宝GPSR10HD-GNSS能够更及时更快速地在恶劣的环境中测量点。

（2）天宝GPSR10TrimbleSurePoint电子气泡检测，能够提高测量的可追溯性。

（3）天宝GPSR10xFill技术能够减少由于无线电信号中断而引起的停机时间。

（4）天宝GPSR10先进的Maxwell6定制测量GNSS芯片，具有440个通道。

图一

6、数据处理软件：

TEQC

（1）软件简介:

TEQC（Translation、Editing、andQualityChecking）是功能强大且简单易用的GPS/GLONASS数据预处理软件，是由UNAVCOFacility研制的为地学研究GPS监测站数据管理服务的公开免费软件，主要功能有格式转换、编辑和质量检核。

其中，格式转换可将许多不同厂家的GPS接收机观测（二进制）文件转换为RINEX 文件，也可以在RINEX文件的不同格式之间转换；编辑功能可用于RINEX文件字头块部分，也可进行数据文件的任意切割与合并、观测值类型的删减、卫星系统的选择及特定卫星的禁用；质量检核可以反映出GPS数据的电离层延迟、多路径影响、接收机周跳、卫星信号信噪比等信息，并实现了可视化。

（2）基本功能：

T（ranslation）：

原始二进制文件数据解码，得到RINEX文件；

E（dit）：

数据编辑；RINEX文件头信息编辑、格式修整、分割、整合；

QC（quality check）：

质量检查。

三、主要内容和步骤

卫星导航定位方法的实质是以星地空间距离为半径的三球交汇，以卫星和用户接收机天线之间的距离观测量为基准，根据已知的卫星瞬时坐标确定用户接收机天线的位置。

由于卫星导航系统采用单程测距原理，卫星钟与用户接收机时钟之间难以保持严格同步，受卫星钟和接收机时钟同步差的共同影响，实际观测量是含有误差的伪距。

一般将接收机的钟差作为一个未知参数与观测站坐标在数据处理中一并解出，因此为了实时求解用户位置至少需要同步观测4颗卫星。

北斗、GPS、GLONASS和GALILEO组合导航定位，即接收机同时接收北斗、GPS、GLONASS和GALILEO的导航电文信息，根据接收到的导航电文信息计算得到卫星在空间的瞬时位置坐标，结合测量获得的用户到卫星的相对距离，利用多球定位原理计算出用户在空间的位置，实现高精度的定位和导航。

需要注意的是，由于各系统之间存在时间偏差，以及坐标系不同，在多星座组合导航中首先要统一时间和空间参考系。

多星座卫星组合定位算法基本思路是将各星座卫星的观测量融合到同一个方程组当中，进而联合求出导航解。

1、GLONASS、Galileo、GPS、北斗定位导航系统对比

（1）GLONASS全球导航卫星系统

GLONASS的起步晚于GPS9年。

从前苏联1982年10月12日发射第一颗GLONASS卫星开始，到1996年，13年时间内历经周折，虽然遭遇了苏联的解体，由俄罗斯接替部署，但始终没有终止或中断GLONASS卫星的发射。

1995年初只有16颗GLONASS卫星在轨工作，1995年进行了三次成功发射，将9颗卫星送入轨道，完成了24颗工作卫星加1颗备用卫星的布局。

经过数据加载、调整和检验，已于1996年1月18日．整个系统正常运行。

1卫星星座

GLONASS卫星星座的轨道为三个等间隔椭圆轨道，轨道面间的夹角为120度，轨道倾角64．8度，轨道的偏心率为o．01，每个轨道上等间隔地分布8颗卫星。

卫星离地面高度19100km，绕地运行周期约11小时15分，地迹重复周期8天，轨道同步周期17困。

由于GLONASS卫星的轨道倾角大于GPS卫星的轨道倾角，所以在高纬度（50度以上）地区的可视性较好。

每颗GLONASS卫星上装有艳原子钟以产生卫星上高稳定时标，并向所有星载设备的处理提供同步信号。

星载计算机将从地面控制站接收到的专用信息进行处理，生成导航电文向用户广播。

导航电文包括：

①星历参数；②星钟相对于GLONASS时的偏移值；③时间标记；④GLONASS历书。

GLONASS卫星向空间发射两种载波信号。

L1频率为1.602—1.616MHz．L2频率为1．246—1．256MHz为民用，L2供军用。

2．地面探制系统

地面控制站组包括一个系统控制中心，一个指令跟踪站，网络分布于俄罗斯境内。

CTS跟踪着GLoNAs5可视卫星，它遥测所有卫星，进行测距数据的采集和处理，并向各卫星发送控制指令和导航信息。

3．用户设备

接收GUNASS卫星信号并测量其伪距和速度，同时从卫星信号中选出并处理导航电文。

接收机中的计算机对所有输入数据处理并算出位置坐标的三个分旦、速度矢量的三个分量和时间。

利用两个独立的卫星定位系统进行导航和定位测量，可有效地削弱美俄两国对各自定位系统的可能控制，提高定位的可靠性和安全性。

4伐罗斯联邦政府对GLONA5S系统的使用政策

早在1991年俄罗斯首先宣称；GLoNAs5系统可供国防民间使用、不带任何限制，也不计划对用户收费．该系统将在完全布满星座后遵照已公布的性能运行至少15年。

民用的标准精度通道（csA）精度数据为：

水平精度50一70m，垂直精度75m，并声明不引入选探可用性（sA）。

测速精度15cm／s。

1995年3月7日俄罗斯联邦政府签署了一项法令有关GLONASS面向民用的行动指导”。

此法令确认了GLoNAss系统由民间用户使用的早期启用的可能性。

2004年再发射15颗卫星补充GLONASS系统的完整性。

到那时，GLONASS将有可能进入白运营以来状态最好、发射卫星最多的时期。

下图为GLONASS卫星星座。

图二

（2）伽俐略（Galieo）GNSS系统

从1994年开始，欧盟进行了对伽俐略（Gameo）GN3S系统的方案论证2000年欧盟在世界无线电大会上获得了建立GNss系统的I频段的频率资源。

2002年3月，欧盟15国交通部长一致同意伽俐赂CNsS系统的建设。

伽俐略系统由30颗卫星（27颗工作卫星和3颗备用卫星）组成。

30颗卫星部署在3个中高度阅轨道面上，轨道高度23616km，倾角56度，星座对地面覆盖良好。

在欧洲建立两个控制中心c计划2003年发射购颗试验卫星．2008年完成全系统部署并投入使用。

GNSS系统最主要的设计思想是：

与GPS/GLONASS不同，完全从民用出发，建立—个最高精度的全开放型的新一代GNSS系统；与GPS/GLONASS有机地兼容，增强系统使用的安全性和完善性；建设资金（36亿殴元）由欧洲各国政府和私营企业共同投资。

（3）GPS系统

GPS是英文Global Positioning System（全球定位系统）的简称。

是一个中距离圆型轨道卫星导航系统。

它可以为地球表面绝大部分地区（98%）提供准确的定位、测速和高精度的时间标准。

系统由美国国防部研制和维护，可满足位于全球任何地方或近地空间的军事用户连续精确的确定三维位置、三维运动和时间的需要。

该系统包括太空中的24颗GPS卫星；地面上1个主控站、3个数据注入站和5个监测站及作为用户端的GPS接收机。

最少只需其中3颗卫星，就能迅速确定用户端在地球上所处的位置及海拔高度；所能收联接到的卫星数越多，解码出来的位置就越精确。

（4）北斗系统

2000年底，我国发射了两颗“北斗导航试验卫星“，加L地面中心站和用户一起构成双星导航定位系统（北斗号）。

双星导航定位系统空间部分由三颗地球静止轨道卫星（其中一颗在轨备用）组成；地面中心站包括地面应用系统和测控系统，具有位登报告、双向报文通俏及双向报时功能；用户部分即车辆、船舶、飞机以及各军兵种低动态及静态导航定位的用户。

服务区域在东经70一145度，北纬5—55度范围。

定位精度为：

平面20m，高程10m。

北斗定位导航系统工作原理图：

图三

2、多星座组合系统观测方程和坐标转换

导航卫星测码伪距的观测方程可写为：

式中

和

分别是用户和卫星i在地球坐标系中的位置坐标。

为解算用户的实时位置，对三个坐标系间的直角坐标进行转换，要综合考虑坐标原点的平移、坐标轴之间的旋转以及由于各直角坐标系的刻度单位不尽相同而引起的尺度变化。

目前采用最多的是七参数布尔萨（Bursa）转换公式，其转换公式为：

3、多星座组合系统定位解算

假设将4个系统的时间和坐标都统一到GPS系统，则观测方程可统一成如下形式：

……..

（1）

（1）式中：

用户的实际位置为

，导航星的位置

。

为进行用户位置解算，对观测方程（3）线性化，并采用迭代法求解。

设用户初始位置为

，并记

，将方程式在

处用泰勒级数展开，并取其一次近似表达式，移项后可得：

（2）

（2）式中：

i为星座类型；j为i类星座中的第j颗导航星；

为实际测量得的伪距；

。

由以上模型可知，对于不同的星座和不同的可见星，观测方程组

（2）中包含了六个未知数，当同时观测到6颗以上的导航星时，可得冗余代数方程，用最小二乘法进行迭代求解和补偿，即可实现用户定位解算。

假设观测到n颗GPS卫星、m颗北斗卫星、k颗GLONASS卫星和l颗GALILEO卫星，则组合定位方程的矩阵形式及其解形式可以分别表示为：

从而得到用户的位置为：

数据处理软件

在本次综合训练中，主要分以下步骤：

（1）数据采集

小组成员带好仪器在校园实习基地内找一块信号好，空旷的区域进行数据采集。

首先安置基准站，并设置好其参数，其次对流动站进行设置，设置完成以后，每个小组成员分别采集一到两个点。

（2）数据预处理

利用采集的数据进行预处理：

首先进行轨道方程的标准化，然后进行时钟多项式的拟合和标准化，它包括星钟多项式改正、相对论改正和星钟多项式拟合，最后进行观测值文件的标准化，它包括记录格式的标准化，记录项目的标准化，采样密度的标准化和数据单位的辩护智能化。

（3）静态数据处理

如图四到十三

图四

图五

图六

图七

图八

v

图九

图十

图十一

图十二

图十三

（4）动态处理流程

如图十四

图十四

（5）TEQC数据处理及误差来源

Teqcplotfiles包括以下几个files：

*.azi- 卫星方位角文件

*.ele- 卫星仰角文件

*.i12- d电离层延迟

*.d12- 电离层延迟变化

*.m12- 多路径效应

*.m21- 多路径效应

*.sn1- 载噪比

*.sn2- 载噪比

L1多路径效应截图

L2多路径效应截图

L1信噪比L2信噪比

以上文件通过 teqc+qc+plot 命令生成，plotfile文件格式如下（以*.azi为例，其他文件类似）：

[plain] viewplain copy

1.COMPACT3  

2.GPS_START_TIME 2005  4  2 00 00  0.0000  

3.     0.0000 10 G01 G03 G07 G08 G11 G19 G20 G24 G27 G28  

4.  89.965   103.926   -61.874  -117.106    23.000    86.440   161.200  -114.375  -138.650   -53.262    

5.    30.0000 -1  

6.  89.779   104.081   -61.743  -117.304    23.357    86.653   161.073  -114.171  -138.813   -53.451    

7.    60.0000 -1  

8.  89.591   104.237   -61.612  -117.501    23.710    86.865   160.946  -113.966  -138.976   -53.643    

9.    90.0000 -1  

10.  89.404   104.392   -61.482  -117.698    24.060    87.077   160.817  -113.760  -139.139   -53.837    

11.   120.0000 -1  

12.  89.217   104.546   -61.351  -117.894    24.406    87.289   160.687  -113.553  -139.301   -54.035    

13.   150.0000 -1  

14.  89.029   104.701   -61.222  -118.089    24.748    87.500   160.555  -113.345  -139.464   -54.236    

15.   180.0000 -1  

16.  88.841   104.855   -61.092  -118.284    25.086    87.711   160.422  -113.137  -139.627   -54.439    

17.   210.0000 -1  

18.  88.653   105.009   -60.963  -118.478    25.421    87.922   160.288  -112.927  -139.789   -54.646    

19.   240.0000 -1  

20.  88.464   105.163   -60.834  -118.671    25.753    88.132   160.152  -112.717  -139.951   -54.856    

21.   270.0000 -1  

22.  88.276   105.317   -60.706  -118.864    26.081    88.342   160.015  -112.506  -140.114   -55.069    

23.   300.0000 -1  

24.  88.087   105.470   -60.578  -119.057    26.407    88.552   159.876  -112.294  -140.276   -55.284    

25.   330.0000 -1  

26.  87.898   105.623   -60.450  -119.249    26.729    88.762   159.735  -112.081  -140.438   -55.503    

27.   360.0000 -1  

28.  87.708   105.775   -60.323  -119.440    27.048    88.971   159.593  -111.867  -140.600   -55.725    

29.   390.0000 -1  

30.  87.519   105.928   -60.196  -119.631    27.364    89.180   159.450  -111.652  -140.761   -55.950    

31.   420.0000 -1  

32.  87.329   106.080   -60.069  -119.821    27.678    89.388   159.304  -111.437  -140.923   -56.178    

33.   450.0000 -1  

34.  87.139   106.231   -59.943  -120.011    27.988    89.596   159.157  -111.221  -141.085   -56.410    

35.   480.0000 -1  

36.  86.949   106.383   -59.817  -120.200    28.296    89.804   159.008  -111.003  -141.246   -56.644    

37.   510.0000 -1  

38.  86.758   106.534   -59.692  -120.389    28.602    90.012   158.858  -110.785  -141.408   -56.882    

39.   540.0000 -1  

40.  86.568   106.685   -59.566  -120.577    28.904    90.219   158.706  -110.566  -141.570   -57.123    

41.   570.0010 -1  

42.  86.377   106.835   -59.442  -120.765    29.205    90.425   158.551  -110.347  -141.731   -57.367    

43.   600.0010 -1  

44.  86.185   106.985   -59.317  -120.952    29.502    90.632   158.395  -110.126  -141.892   -57.615    

45.   630.0010 -1  

46.  85.994   107.135   -59.191  -121.139    29.791    90.836   158.238  -109.903  -142.053   -57.861    

47.   660.0010 -1  

48.  85.803   107.285   -59.065  -121.325    30.077    91.041   158.078  -109.679  -142.213   -58.111    

49.   690.0010 11 G01 G03 G07 G08 G11 G19 G20 G24 G27 G28 G14  

50.  85.611   107.434   -58.939  -121.510    30.361    91.245   157.917  -109.455  -142.374   -58.364    48.624    

51.   720.0010 -1  

52.  85.419   107.583   -58.814  -121.695    30.643    91.448   157.754  -109.229  -142.534   -58.620    48.429    

可以看出，文件第一行为格式标识COMPACT3，第2行为分析文件第一个历元的GPS时间。

前两行内容可以看作是文件的头。

从第三行开始每两行组成一条记录。

第一行表征记录的偏移时间和此条记录中的卫星prn号，第二行对应于第一行每颗卫星的每个观测值。

第一行中出现的-1表示此历元的卫星序列和前一历元相同。

TEQC的plotfiles可以通过qcview32进行图形化展示。

但是使用qcview32需要使用DOSBox而且需要输入好些命令，举个例子如下：

mountCE:

\Study\TEQC

C:

Qcview32TN06.ion生成图片如下：

图十五

图十六

图十七

图十八

图十九

图二十

四、体会与总结

在本次综合训练中，主要内容分为3个部分，分别是多系统的数据采集、数据的传输与分流、以及多系统的数据的统一。

此次综合实验，是让我们完成校园网的多系统数据采集和数据预处理。

我们小组团结一致，相互协作，顺利完成。

通过此次实验，我理解并掌握了GPS静态相对测量采集数据的过程和方法，了解GPS观测数据文件的特点和功能。

我通过对此次实验的操作，有了很多收获，感慨良多。

现有的GNSS系统中，可用且可靠的一共有4个系统，分别是GPS、GLONASS、北斗以及伽利略系统，接收机可以接收到以上所有卫星的信号，在可以得到它们发送的准确信息的前提下，如果同时使用几个系统的数据，便可以增加整体测量的精度，但是，这几种系统的精度、数据处理方式、以及使用的原理都不完全相同，所以要想联合使用几种系统的数据，必须首先统一它们的数据到统一时间、空间基准、统一数据格式。

由于时间是一维的，只需要将它们进行尺度的放缩，然后将时间的原点平移到一块儿即可，空间基准要比时间基准稍复杂，这四个坐标系统均使用了地心坐标系，所以只需要对坐标系进行坐标轴旋转、尺度缩放即可。

统一它们之间的时间和空间基准后，它们的数据基本是统一的了，剩下的只是表达方式不同，而表达方式即为它们分别生成数据的格式，这时，使用专业的数据格式转换软件，即可将其转换为同一种数据，进而可以使用一种数据处理软件对它们进行处理。

同时，几种系统的联合使用，或多或少的能够提高整体数据处理的精度，所以，这种处理方式虽然麻烦，但是却很有实际意义。

指

导

教

师

意

见

成绩评定：

指导教师签字：

年月日

实习单位意见

负责人签字：

（单位盖章）

年月日

备注