Z-BLADE技術在GNSS接收儀中的應用

Ashtech/Spectra (阿什泰克/光譜) 在2012年推出獨特的Z-BLADE定位技術，它允許測量員在有GNSS系統的地方就可以工作，使得在以前是不可能的或低效的地方，如茂密的樹冠或市區工作更富有成效。這項新技術已經成功的運用在了ProMark800/220 GNSS接收儀中。本文介紹了如何在困難的環境中，提高了定位的可用性，並對比沒有Z-BLADE技術的產品。

關鍵字 ASHTECH/SPECTRA；Z-BLADE；障礙物、密林惡劣環境下定位；GNSS定位系統

引言

內置Z-BLADE技術的接收儀可以在具有挑戰性的，甚至是傳統GNSS設備不可能完成的環境下測量，例如工作在城市的高樓峽谷中，或在森林茂密的樹冠下。這些都是測量員工作越來越頻繁的地方，他們想在這樣的地方獲得數據，而不僅僅是在開闊的環境下測量。阿什泰克回應這一需求，開發的Z-BLADE定位技術，這是目前唯一可在GNSS覆蓋範圍內即可工作的接收儀。這種獨特的技術，精心優化組合不同的GNSS的訊號和數據處理，由此產生的“GNSS-中心”的演算法帶來了不依賴於GPS系統的獨立性，並允許GNSS的衛星訊號的任意組合一起使用。Z-BLADE GNSS-中心的技術增強了在收星困難的條件下的RTK定位可用性，這反過來又使測量員的工作更富有成效。Z-BLADE的獨特方法具有明顯的優勢和超過傳統的“GPS - 中心”的GNSS解決方案。

Z--BLADE 技術介紹

Z-BLADE GNSS -中心的定位技術的開發，基於多年GNSS經驗和知識 。目的是更好地利用未來所有的GNSS衛星訊號，避免不必要的依賴單獨的GPS衛星訊號。大多數高精度GNSS設備製造商展示他們的產品作為GNSS接收儀，通過展示他們如何跟蹤和使用GPS以外的訊號。其他則證明GNSS衛星帶來額外的性能改進（位置精度，可用性和可靠性），和所有的人得出結論相同，GLONASS，伽利略和北斗系統提供了寶貴的擴增。但他們的方法是“GPS-為中心”的，在這個意義上，依然依賴於GPS訊號，並且必須需要的最低的4，5或6個GPS衛星才可以進行位置計算。

Z-BLADE GNSS-中心技術相對比較簡單，它假定在天空中的每顆衛星之間是相等的，可以互換使用衛星訊號，進行位置計算。在這種方法中，解決了GPS訊號的基本依賴，且RTK定位可以沒有GPS衛星。這種方法顯著增加了潛在的衛星可用性，即使是在多顆GPS衛星不可見或完全不可見的地方，只要有足夠的剩餘GNSS衛星，RTK接收儀依然可以獲得固定解。圖1說明了GPS-中心演算法和GNSS-中心演算法的區別。

圖1：大多數GNSS接收儀GPS-中心演算法（左圖）。如果沒有足夠的GPS衛星，則不能計算出位置。Z-BLADE GNSS-中心演算法（右圖），GLONASS和GPS衛星定位一視同仁 ,只要有5顆衛星，則位置就可以計算。

上面這兩張照片之間的差異是很清楚的，首先介紹了標準的GPS-為中心的方法，目前市場上的大多數GNSS接收儀採用了這種演算法。如果沒有足夠的可見的GPS衛星（例如，只有3個GPS衛星），那麼沒有位置可以被計算出來，即使一些其他的GNSS（GLONASS）的衛星可見。第二張圖片顯示的Z-BLADE的GNSS - 為中心的方法。在這種方法中，所有可用的衛星被認為是彼此相等的。沒有要求有一個最小的GPS衛星數量，提供了所有可用的衛星的總數就足夠了，RTK定位是可能的。

Z-BLADE GNSS -中心技術帶來了一些重要的優勢。首先，它使他們能夠工作在受阻的地區，即使那裏以前GNSS的可用性是非常有限的，甚至是不可能的。感謝Z-BLADE的能力，利用所有可用的衛星訊號，並計算出位置，而不必依賴於GPS訊號的最小數目，Z-BLADE用戶受益擴大的GNSS的工作環境。Z-BLADE還提供了GPS訊號由於外部干擾（如強抗干擾GPS L1/L2頻率上），這些訊號可能不適合位置計算，這樣的情況下 Z-BLADE能夠使接收儀繼續輸出位置，只要使用其他GNSS的訊號（如GLONASS）就可以了。此外，GNSS -中心的能力帶來了額外的能力和獨特的計算位置，只使用一個特定的GNSS（非GPS）系統。Z-BLADE可以使GNSS接收儀工作在只有GLONASS的模式或北斗模式。雖然這不是一個典型的操作模式，但是客戶需要保證他們的設備隨時可以使用，即使GPS系統停運或拒絕服務。我們可以列出以下Z-BLADE技術測量的好處和優勢：

- 在惡劣，阻撓，衛星能見度較差的環境中的位置計算。

- 位置計算，即使在GPS L1/L2受到干擾的情況下。

- GLONASS ，北斗或伽利略單獨模式，在特殊的情況下。

- 快速和強大的RTK修復甚至包括VRS -遠距離基線，MAC和FKP網路。

- 優化與第三方基站運行。

應用實例對比測試

為了證明Z-BLADE技術優勢，我們進行了廣泛的測試，採用ProMark220對比採用了傳統的GPS-中心技術的其他廠家的類似產品。GNSS-核心的好處在嚴重阻礙的條件下是尤為明顯的，我們選擇了一個試驗現場，見圖2。

圖2：測試區域和測試軌跡。

圖3：測試設置-在控制點（A點）。

整個測試區域在亭子和樹冠下方。此外測試軌跡的一部分經過一個夏天房子下的金屬屋頂，從而徹底阻止GNSS的訊號接收。軌跡如左圖2中所示的路徑，而圖3和圖4在點A，B和C中的測試設備和環境。ProMark220和對比的產品，分別使用自己配套的外置天線，並安裝在一個單杆上，如圖5所示。測試從控制點（A）開始，穿過軌跡（點B和C），返回到控制點（A），並停止在那裏兩分鐘。

圖4：B點（頂部）和點C（底部）的測試軌跡。

進行15個連續迴圈測試，以確保統計意義。在測試過程中，採用同一個基站和相同的GPS/ GLONASS的RTCM-3差分數據格式，測試現場距離基站1.3公里。進行了兩個測試，用兩種不同的參考站：第一個是ProMark800接收儀作為基站，然後用對比產品的基站進行第二組測試。這種方法使我們能夠測量基站接收儀對試驗結果的影響，並確保測試的基站，沒有接收儀品牌的偏見。

圖5：PROMARK220和對比的產品在同一杆固定，每個使用自有品牌天線。

圖6顯示了固定RTK位置，而圖7顯示了固定和浮動的位置。藍色圓點表示ProMark220位置，而黃點表示對比產品的位置。在圖7中，顏色較深的點表示固定RTK位置，而顏色較淺的圓點表示浮動位置。

圖6：固定RTK位置 - PROMARK220藍色（頂部）和黃色（底部）對比產品。

ProMark220和對比產品之間的差異可以清楚地看到。 PROMARK220內置Z-BLADE技術，提供固定和浮動位置，如表1固定解的比例要高得多。

表1，結果，PROMARK220取得了54％的固定RTK位置，而對比產品只實現了25％的固定RTK位置。此外，PROMARK220在樹冠下固定RTK的位置，對比產品的固定的RTK位置是零！

圖7：固定和浮動位置 - PROMARK220藍色（頂部）和黃色（底部）的對比產品。

根據表1的數據，我們可以得出以下結論：

- PROMARK220表現出更好的可用性固定RTK位置：固定解比例是對比產品的2倍以上。

- PROMARK220取得了比對比產品近3倍以上的固定和浮動解。

結論

今天的測量員正在尋找從新的GNSS 系統中受益，如GLONASS，北斗和伽利略。阿什泰克是第一個把這些新的GNSS訊號與GPS訊號具有同等價值進行定位計算的GNSS定位設備提供商。 GNSS-中心Z-BLADE技術目前內置在PROMARK800，PROFLEX800和ProMark220接收儀中。 Z-BLADE GNSS-為中心的方法解決了測量員在嚴重阻礙的條件下，GPS-為中心的產品和生產效率較低的地方的工作問題。 Z-BLADE技術還可以確保更短的時間內進行首次定位（甚至更長的基線），以及與其他廠商的基站最佳的聯合操作。

Z-BLADE產品有助於測量員在具有挑戰性的環境中工作，並儘量減少採用替代測量工具（例如，光學儀器）。這種獨特的技術使測量員提高他們的準確性，效率和生產力，從而最大限度地發揮他們的GNSS設備投資的價值。

參考文獻

[1]  Ashtech/Spectra Z-Blade White Paper。

[2]  Ashtech/Spectra ProMark800/220 Manuals。

[3]  ProMark 800/220 Technical Note_File Management。

[4]  周忠谟，等，GPS卫星测量原理与应用，北京：测绘出版社，1997：215-217