CN112284356B - 一种基于rtk的墙角坐标自动测量方法 - Google Patents

一种基于rtk的墙角坐标自动测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于RTK的墙角坐标自动测量方法,属于测量技术领域。所述自动测量方法,具体按照以下步骤实施:获得不同测量位点的经纬度数据和三轴加速度数据;根据三轴加速度数据及杆长数据计算出杆在墙角所在水平面上的投影长度;分别以杆的投影长度为半径,与投影分别对应的三个不同测量位点的经纬坐标为圆心,画出的三个圆交于一点O点或交于三点,当交于三点时,所述三点连接成三角形,得出O点或所述三角形的质点坐标;进行多次数据迭代、并对迭代结果进行精度判断;发送墙角坐标的定位结果。本申请的数据比较容易获取,可用于自动测量的计算;用到的测量设备较少,而且数据获取精度高,适合于工程应用。

Description

一种基于RTK的墙角坐标自动测量方法
技术领域
本发明属于测量技术领域,尤其涉及一种基于RTK的墙角坐标自动测量方法。
背景技术
GPS-RTK技术因其高精度的优点,广泛应用于各个行业,特别是导航和测绘方面。RTK(Real Time Kinematic)技术称为实时动态定位技术,是以载波相位观测量为根据,实时处理两个测站载波相位观测量的实时差分GPS(全球定位系统)测量方法。
但是,在建筑墙角的测绘方面,RTK的技术受到了很大的挑战:其一,由于RTK有一定的体积和墙面难以贴附,建筑物的墙角难以用RTK直接测绘;其二,在靠近建筑物的时候,RTK的信号会受到很大的影响,使得其定位的精度难以达到工程的实际应用要求。基于上述原因,很难采用RTK技术直接测量建筑墙角。目前,许多的学者和工程师都是通过寻找辅助的工具和结合精确的算法进行推算,通过间接计算得出建筑墙角的经纬度坐标。
现有测量方法一为:垂直外伸法,是现有的一种比较流行的算法。这种算法有较好的表现和精度,实现起来也较为简单。这种方法是通过在墙角的两个面分别伸出两根长杆,然后利用RTK得出长杆的两端的坐标,根据坐标和三角函数关系测算出墙角的坐标。这种方法简单易行,不过其对长杆有所要求,在长杆相等和不相等的时候有两种不同的计算方法,使得这种方法,在使用的时候不太方便。对于不同长度的杆其计算方式不一样,使得这种办法如果实现自动化的,使用起来比较繁琐。并且他的计算过方式过于简单,其精度依赖于人工对杆的测量,一旦测量误差较大,得出的结果也会有较大误差。
现有测量方法二为:使用了一个自主设计的辅助工具V型尺(见图1所示)。该V型尺用来贴合墙角,用于使得杆子可以正对着墙角。然后延长杆子,在杆子上取A、B两个点,再通过三角函数的计算得出方位角,进而计算出墙角的坐标。该技术方案的缺点在于多加了一个辅助设备,增加了成本,测量的时候操作复杂,速度慢。
现有测量方法三为:球心RTK拟合算法,此方法是设待测点为球心,采集多点数据进行非线性的最小二乘拟合,拟合出球面方程,其中的球心坐标就是待测点的坐标。通过球心的拟合法得到的测量方式在原始数据点的精度足够高的时候,能得到不错确实的精度,但是该测量方法的缺点在于对数据点的实时精度要求较大,当数据点精度不足的情况下,误差较大,难以使用历史数据对其进行补偿。
综上可见,现有测量方法中由于辅助工具的形态各异,使得其算法受到工具的限制,每套工具都需要有一套自己的算法,以适配采集的数据。而且,大多建筑墙角的测绘算法比较繁琐,不能实现自动测量计算,都是需要手工的测量,工作量和工作难度相当大,不利于实际的工作应用。
发明内容
本发明实施例的目的在于提供一种基于RTK的墙角坐标自动测量方法,旨在解决大多建筑墙角的测绘算法繁琐、无法实现自动测量计算的问题。
为实现上述目的,本发明提供了一种基于RTK的墙角坐标自动测量方法,所述自动测量方法基于墙角自动测量装置,所述墙角自动测量装置包括测量杆,以及设置于测量杆第一端的墙角自动测量系统,所述墙角自动测量系统包括主控芯片、数传模块、电源模块、IMU(Inertial Measurement Unit,惯性测量单元) 模块及板卡,所述数传模块、所述电源模块、所述IMU模块及所述板卡分别连接所述主控芯片;所述IMU模块采集提供三轴的加速度和三轴的陀螺仪数据;所述板卡用于采集经纬度坐标;所述数传模块接收差分数据,所述差分数据通过所述主控芯片发送给所述板卡,所述板卡进行高精度RTK的差分解算;
所述自动测量方法,具体按照以下步骤实施:
步骤S01,将测量杆的第二端置于待测墙角位点,通过移动测量杆第一端的墙角自动测量系统,对测量杆第一端的不同测量位点进行数据采集,获得不同测量位点的经纬度数据和三轴加速度数据;
步骤S02,以不同测量点的经纬度数据和三轴加速度数据进行墙角坐标测量计算;所述墙角坐标测量计算的方法为:根据三轴加速度数据及杆长数据计算出杆在墙角所在水平面上的投影长度;分别以杆的投影长度为半径,与投影分别对应的三个不同测量位点的经纬坐标为圆心,画出的三个圆交于一点O点或交于三点,当交于三点时,所述三点连接成三角形,得出O点或所述三角形的质点坐标;
步骤S03,按步骤S02进行多次数据迭代、并对迭代结果进行精度判断;通过最小二乘法对步骤S02中墙角坐标测量计算的结果进行拟合,通过判断拟合的R值大于阈值,其对应的计算结果即为待测墙角点的坐标;
步骤S04,发送墙角坐标的定位结果。
在步骤S01中,所述经纬度数据和三轴加速度数据需为有效的经纬度数据和三轴加速度数据;由于卫星数不够,或者没有进入RTK FIX模式,经纬度数据的误差就会很大,导致经纬度数据和三轴加速度数据无效;当采集的数据无效时,放弃数据,直到采集到的数据是有效的才开始把数据代入步骤S02中的墙角坐标测量计算。
在步骤S02中,所述根据三轴加速度数据及杆长数据计算出杆的投影长度 (半径计算),具体方法为:
Figure BDA0002711356940000031
其中:Acc_z为加速度在Z轴的数值,Acc_x为加速度在X轴的数值;Acc_y 加速度在Y轴的数值;L为杆长。其中一种z轴定位方向为,z轴与杆所在方向一致。
在步骤S03中,所述通过判断拟合的R值大于阈值,优选为判断拟合的R 值,当R值大于0.89,其对应的计算结果即为待测墙角点的坐标。
在步骤S03中,所述的判断迭代数据精度的方法为:
当开始迭代计算的时候,就要开始判断迭代数据的精度,通过最小二乘法对得出的历史数据进行拟合,判断拟合的R值,当R值大于0.89,数据精度足够,这时候就把数据发送给APP,否则精度不足继续迭代。
其中,所述主控芯片优选为STM32F429主控芯片。
所述IMU模块优选为MPU6050,所述MPU6050能提供三轴的加速度和三轴的陀螺仪数据。
所述板卡优选为UB482板卡,所述UB482板卡主要用来采集经纬度坐标。
所述数传模块主要是用来接收差分数据,将差分数据通过主控芯片发送给板卡,让板卡进行高精度RTK的差分解算;本申请中的墙角坐标自动测量方法需要用到加速度的数据和经纬度的数据,通过这两个数据的解算得出结果。
本发明所述基于RTK的墙角坐标自动测量方法的流程如下,当倾斜定位开始的时候,测量杆须左右摇摆,每摆到一个位置就采集一个数据,采集多个不同的经纬度和加速度的数据。接着对经纬度和加速度数据进行判断,看数据是否有效,有时候卫星数不够,或者没有进入RTK FIX模式,经纬度数据的误差就会很大。当采集的数据无效的时候,放弃数据,直到采集到的数据是有效的才开始把数据代入根据前文提到的算法进行迭代计算。当开始迭代计算的时候,就要开始判断迭代数据的精度,通过最小二乘法对得出的历史数据进行拟合,判断拟合的R值,当R值大于0.89,数据精度足够,这时候就把数据发送给APP,否则精度不足继续迭代。
本发明技术方案的有益效果在于:
本申请的数据比较容易获取,可用于自动测量的计算;用到的测量设备较少,而且数据获取精度高,适合于工程应用;操作简单,无须另外的硬件开销,节省时间和金钱成本;可全天候作业,无需局部控制等,本申请的技术方案中的算法仅仅涉及二维计算,相比三维计算减少的大量的计算。
附图说明
图1为现有测量方法二中所用的辅助工具V型尺的结构示意图;
图2为本发明实施例1中所述墙角自动测量系统的信息传递示意图;
图3为本发明实施例1中所述墙角自动测量方法的逻辑步骤示意图;
图4为本发明实施例1中所述测量杆的投影长度计算测量示意图;
图5为本发明实施例1中三个不同测量位点及其经纬度坐标为原点的圆的展示示意图。
图6为本发明实施例1中三圆相较的几种情形示意图;其中,图6a为两个y值相同的情况①;图6b为两个x值相同的情况②;图6c为两个坐标x相同,两个坐标y相同的情况③。
图7为本发明实施例1中当两个测量点的投影所在圆具有一个交点的测量结构示意图;其中7a为测量示意图的侧视图;7b为测量示意图的俯视图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
需要说明,若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后、顶、底……),则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等,如果该特定姿态发生改变时,则该方向性指示也相应地随之改变。
在本申请中,除非另有明确的规定和限定,术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或成一体;可以是机械连接,也可以是电连接;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系,除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言,可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
需要说明的是,当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件,它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件,它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。
另外,若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述,则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此,限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外,各个实施例之间的技术方案可以相互结合,但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础,当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在,也不在本发明要求的保护范围之内。
实施例1
本发明实施例的目的在于提供一种基于RTK的墙角坐标自动测量方法,旨在解决大多建筑墙角的测绘算法繁琐、无法实现自动测量计算的问题。
如图2和图3所示,本发明的实施例提供一种基于RTK的墙角坐标自动测量方法,所述自动测量方法基于墙角自动测量装置,所述墙角自动测量装置包括测量杆,以及设置于测量杆第一端的墙角自动测量系统,所述墙角自动测量系统包括主控芯片、数传模块、电源模块、IMU(Inertial Measurement Unit,惯性测量单元)模块及板卡,所述数传模块、所述电源模块、所述IMU模块及所述板卡分别连接所述主控芯片;所述IMU模块采集提供三轴的加速度和三轴的陀螺仪数据;所述板卡用于采集经纬度坐标;所述数传模块接收差分数据,所述差分数据通过所述主控芯片发送给所述板卡,所述板卡进行高精度RTK的差分解算;
所述自动测量方法,具体按照以下步骤实施:
步骤S01,将测量杆的第二端置于待测墙角位点,通过移动测量杆第一端的墙角自动测量系统,对测量杆第一端的不同测量位点进行数据采集,获得不同测量位点的经纬度数据和三轴加速度数据;
步骤S02,以不同测量点的经纬度数据和三轴加速度数据进行墙角坐标测量计算;所述墙角坐标测量计算的方法为:根据三轴加速度数据及杆长数据计算出杆在墙角所在水平面上的投影长度;分别以杆的投影长度为半径,投影分别对应的三个不同测量位点的经纬坐标为圆心,画出的三个圆交于一O点或交于三点,当交于三点时,所述三点连接成三角形,得出O点或形成三角形的质点坐标;
步骤S03,按步骤S02进行多次数据迭代、并对迭代结果进行精度判断;通过最小二乘法对步骤S02中墙角坐标测量计算的结果进行拟合,判断拟合的 R值,当R值大于0.89,其对应的计算结果即为待测墙角点的坐标;
步骤S04,发送墙角坐标的定位结果。
在步骤S01中,所述经纬度数据和三轴加速度数据需为有效的经纬度数据和三轴加速度数据;由于卫星数不够,或者没有进入RTK FIX模式,经纬度数据的误差就会很大,导致经纬度数据和三轴加速度数据无效;当采集的数据无效时,放弃数据,直到采集到的的数据是有效的才开始把数据代入步骤S02中的墙角坐标测量计算。
如图4所示,在步骤S02中,所述根据三轴加速度数据及杆长数据计算出杆的投影长度(半径计算),具体方法为:
Figure BDA0002711356940000071
其中:Acc_z为加速度在Z轴的数值,Acc_x为加速度在X轴的数值;Acc_y 加速度在Y轴的数值;L为杆长。其中一种z轴定位方向为,z轴与杆所在方向一致。
在步骤S03中,所述的判断迭代数据精度的方法为:
当开始迭代计算的时候,就要开始判断迭代数据的精度,通过最小二乘法对得出的历史数据进行拟合,判断拟合的R值,当R值大于0.89,数据精度足够,这时候就把数据发送给APP,否则精度不足继续迭代。
其中,所述主控芯片优选为STM32F429主控芯片;所述IMU模块优选为 MPU6050,所述MPU6050能提供三轴的加速度和三轴的陀螺仪数据;所述板卡优选为UB482板卡,所述UB482板卡主要用来采集经纬度坐标;所述数传模块主要是用来接收差分数据,将差分数据通过主控芯片发送给板卡,让板卡进行高精度RTK的差分解算;本申请中的墙角坐标自动测量方法需要用到加速度的数据和经纬度的数据,通过这两个数据的解算得出结果。
如图4所示,步骤S02中,所述墙角坐标测量计算的原理和方法如下:
首先是杆的投影长度计算(即其后模拟圆的半径计算),图4中灰色矩形代表墙角自动测量系统,Acc_z指加速度的Z轴的数值,Acc_x和Acc_y指加速度的X轴和Y轴的数值;设杆长为L;G为墙角自动测量系统到墙角所在平面的垂直距离,θ为测量杆与墙角所在平面的夹角。
投影计算的公式:
因为:
Figure BDA0002711356940000072
所以:
Figure BDA0002711356940000073
其次是坐标计算,以两个测量点的RTk坐标分别为圆心,投影长度为半径画圆,两个圆的交点有三种情况:
假设两个圆的圆心坐标为(x1,y1),(x2,y2),两个圆的半径为R1,R2
假设
Figure BDA0002711356940000081
(1):当D<R1+R2且D>|R1-R2|两个圆有两个交点。
(2):当D=|R1-R2|或D=R1+R2两个圆有一个交点。
(3):当D<|R1-R2|或D>R1+R2两个圆没有交点。
第(1)种情况:当圆有两个交点的时候,至少需要三个圆的信息(即三个测量点),才能计算出交点。
拿着装载墙角自动测量系统的测量杆,在三个不同的水平位置分别获取:杆和地面的夹角θ,三个位置的RTK经纬度坐标。根据杆的长度可以计算出杆的投影为夹角θ乘上杆的长度;用杆的投影长度作为半径,三个点的坐标为圆心,就可以画出,如图5所示的图形。在理想情况下,三个圆会交于一点O,这一点就是所要求解的墙角坐标。
假设三个圆的圆心A,B,C和目标点O的坐标为:
O(X,Y)
A(x1,y1)
B(x2,y2)
C(x3,y3)
可以建立如下方程:
A:(X-x1)2+(Y-y1)2=R1 2...............(1)
B:(X-x2)2+(Y-y2)2=R2 2............(2)
C:(X-x3)2+(Y-y3)2=R3 2...............(3)
两个圆的交点所在直线方程,可由两个圆方程相减得到:
L1:(X-x1)2+(Y-y1)2-(X-x2)2-(Y-y2)2=R1 2-R2 2...........(4)
L2:(X-x1)2+(Y-y1)2-(X-x3)2-(Y-y3)2=R1 2-R3 2...............(5)
L3:(X-x2)2+(Y-y2)2-(X-x3)2-(Y-y3)2=R2 2-R3 2..................(6)
因为两个圆坐标相减得出的是一个函数,如图6所示,所以会有几个特殊情况需要考虑:图6a为两个y值相同的情况①;图6b为两个x值相同的情况②;图6c为两个坐标x相同,两个坐标y相同的情况③;④为坐标的y值两两之间不同。
①为两个坐标的y值是相同:
Figure BDA0002711356940000091
Figure BDA0002711356940000092
Figure BDA0002711356940000093
把(7)带入(8)、(9)中得出三个交点中的两点,并通过(8)、(9)算出第三点的坐标:
把上式化简为:
X=C................(10)
Y=k2X+b2................(11)
Y=k3X+b3................(12)
得出三个点的坐标为:
(C,k2C+b2)
(C,k3C+b3)
Figure BDA0002711356940000094
②为两个坐标的x是相同:
Figure BDA0002711356940000095
Figure BDA0002711356940000096
Figure BDA0002711356940000097
把(13)带入(14)、(15)中得出三个交点中的两点,并通过(8)、(9)算出第三点的坐标:
把上式化简为:
Y=D............(16)
Y=k2X+b2................(17)
Y=k2X+b2................(18)
得出三个点的坐标为:
Figure BDA0002711356940000101
Figure BDA0002711356940000102
Figure BDA0002711356940000103
③为两个坐标x相同,两个坐标y相同:
X=C............(19)
Y=D................(20)
Y=k2X+b2................(21)
三个点的坐标为:
(C,k2C+b2)
(C,D)
Figure BDA0002711356940000104
④为坐标的y值两两之间不同,得到的三个直线方程如下所示:
Figure BDA0002711356940000105
Figure BDA0002711356940000106
Figure BDA0002711356940000107
把上面的方程简化为如下的形式:
Y=k1x+b1..
Y=k2x+b2.
Y=k3x+b3.
可以得出相交点的坐标为:
Figure BDA0002711356940000108
Figure BDA0002711356940000109
Figure BDA00027113569400001010
如果这三个点为同一点的话,就能得出结果了。
如果当三个条直线不能交于一个点的时候,三个交点连接出现一个三角形,此时的方法是,用求出所在三角形的质心当作最后的结果。
如图7所示,第(2)种情况:当圆只有一个交点的时候,只需要两个圆就能计算出交点。这种情况需要操作人员在竖直方向上转动,在两个不同竖直位置分别获取:杆和和地面的夹角θ,两个位置的RTK经纬度坐标。
情况(3)当两个圆没有交点的时候,无解,需要重新获取圆的信息,继续进行叠加计算。
本发明所述基于RTK的墙角坐标自动测量方法的流程图如图3所示,当倾斜定位开始的时候,测量杆须左右摇摆,每摆到一个位置就采集一个数据,采集多个不同的经纬度和加速度的数据。接着对经纬度和加速度数据进行判断,看数据是否有效,有时候卫星数不够,或者没有进入RTK FIX模式,经纬度数据的误差就会很大。当采集的数据无效的时候,放弃数据,直到采集到的数据是有效的才开始把数据代入根据前文提到的算法进行迭代计算。当开始迭代计算的时候,就要开始判断迭代数据的精度,通过最小二乘法对得出的历史数据进行拟合,判断拟合的R值,当R值大于0.89,数据精度足够,这时候就把数据发送给APP,否则精度不足继续迭代。
基于此,本申请提供了一种基于RTK的墙角坐标自动测量方法,本申请的数据比较容易获取,可用于自动测量的计算;用到的测量设备较少,而且数据获取精度高,适合于工程应用;操作简单,无须另外的硬件开销,节省时间和金钱成本;可全天候作业,无需局部控制等,本申请的技术方案中的算法仅仅涉及二维计算,相比三维计算减少的大量的计算。
以上所述仅为本发明的优选实施例,并非因此限制本发明的专利范围,凡是在本发明的发明构思下,利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换,或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (6)

1.一种基于RTK的墙角坐标自动测量方法,其特征在于:所述自动测量方法基于墙角自动测量装置,所述墙角自动测量装置包括测量杆,以及设置于测量杆第一端的墙角自动测量系统,所述墙角自动测量系统包括主控芯片、数传模块、电源模块、IMU模块及板卡,所述数传模块、所述电源模块、所述IMU模块及所述板卡分别连接所述主控芯片;所述IMU模块采集提供三轴的加速度和三轴的陀螺仪数据;所述板卡用于采集经纬度坐标;所述数传模块接收差分数据,所述差分数据通过所述主控芯片发送给所述板卡,所述板卡进行高精度RTK的差分解算;
所述自动测量方法,具体按照以下步骤实施:
步骤S01,将测量杆的第二端置于待测墙角位点,通过移动测量杆第一端的墙角自动测量系统,对测量杆第一端的不同测量位点进行数据采集,获得不同测量位点的经纬度数据和三轴加速度数据;
步骤S02,以不同测量点的经纬度数据和三轴加速度数据进行墙角坐标测量计算;所述墙角坐标测量计算的方法为:根据三轴加速度数据及杆长数据计算出杆在墙角所在水平面上的投影长度;分别以杆的投影长度为半径,与投影分别对应的三个不同测量位点的经纬坐标为圆心,画出的三个圆交于一点O点或交于三点,当交于三点时,所述三点连接成三角形,得出O点或所述三角形的质点坐标;
步骤S03,按步骤S02进行多次数据迭代、并对迭代结果进行精度判断;通过最小二乘法对步骤S02中墙角坐标测量计算的结果进行拟合,通过判断拟合的R值大于阈值,其对应的计算结果即为待测墙角点的坐标;
步骤S04,发送墙角坐标的定位结果;
在步骤S02中,所述根据三轴加速度数据及杆长数据计算出杆的投影长度,具体方法为:
Figure FDA0003885525010000011
其中:Acc_z为加速度在Z轴的数值,Acc_x为加速度在X轴的数值;Acc_y加速度在Y轴的数值;L为杆长;
在步骤S03中,所述的判断迭代数据精度的方法为:当开始迭代计算的时候,就要开始判断迭代数据的精度,通过最小二乘法对得出的历史数据进行拟合,判断拟合的R值,当R值大于0.89,数据精度足够,这时候就把数据发送给APP,否则精度不足继续迭代。
2.根据权利要求1所述的基于RTK的墙角坐标自动测量方法,其特征在于:在步骤S01中,所述经纬度数据和三轴加速度数据需为有效的经纬度数据和三轴加速度数据;由于卫星数不够,或者没有进入RTK FIX模式,经纬度数据的误差就会很大,导致经纬度数据和三轴加速度数据无效;当采集的数据无效时,放弃数据,直到采集到的数据是有效的才开始把数据代入步骤S02中的墙角坐标测量计算。
3.根据权利要求1所述的基于RTK的墙角坐标自动测量方法,其特征在于:在步骤S03中,所述通过判断拟合的R值大于阈值,为判断拟合的R值,当R值大于0.89,其对应的计算结果即为待测墙角点的坐标。
4.根据权利要求1所述的基于RTK的墙角坐标自动测量方法,其特征在于:所述主控芯片为STM32F429主控芯片。
5.根据权利要求1所述的基于RTK的墙角坐标自动测量方法,其特征在于:所述IMU模块为MPU6050,所述MPU6050能提供三轴的加速度和三轴的陀螺仪数据。
6.根据权利要求1所述的基于RTK的墙角坐标自动测量方法,其特征在于:所述板卡为UB482板卡,所述UB482板卡主要用来采集经纬度坐标。
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