BR112015008424B1 - sistema de medição para medir a posição de um ponto de medição no solo, kit de atualização para um sistema de medição, módulo de medição e método de medição - Google Patents

Abstract

MÉTODO E SISTEMA DE AGRIMENSURA. Trata-se de um sistema de agrimensura para medir a posição de um ponto de medição (1) no solo, que compreende uma baliza topográfica (10) com um corpo (13) com uma ponta de apontador (12) para contatar o ponto de medição (1) e meios fornecedores de posição para tornar disponível a determinação coordenativa de uma posição referenciada, sendo colocados sobre o corpo (13) com uma relação espacial definida em relação à ponta (12), meios de determinação para determinar repetidamente a posição referenciada dos meios fornecedores de posição e meios de avaliação (17) para derivar a posição do ponto de medição (1), em que a baliza topográfica (10) compreende adicionalmente uma unidade de medição inercial (18) colocada sobre o corpo (13) com uma relação espacial definida em relação aos meios fornecedores de posição, em que o sistema compreende adicionalmente meios de processamento de IMU para determinar repetidamente dados de estado inercial com base nas medições tomadas pela unidade de medição inercial, e os meios de avaliação (17) são configurados adicionalmente para alimentar um algoritmo de filtro predefinido com a posição referenciada e os dados de estado inercial determinados repetidamente e derivar dos mesmos os dados de atitude referenciados para a baliza topográfica (10), com o uso de um DDF no (...).

Description

[001] A invenção pertence a um sistema de medição e um méto do de medição para medir a posição de um ponto no solo com a ajuda de uma baliza topográfica. O mesmo também pertence a um kit de atualização e um módulo de medição para esse sistema de medição e a um produto de programa de computador para executar as etapas desse método de medição.

[002] Em aplicações de exame topográfico que usam o equipa mento de GNSS, a medição tomada pelo receptor de GNSS não corresponde diretamente ao ponto-alvo a ser submetido a medição; em vez disso, é uma medição de posição do assim chamado "centro de fase" da antena de GNSS. A prática atual é montar a antena em uma baliza e se assegurar de que a baliza está perfeitamente vertical sobre o ponto de interesse e compensar a posição pelo comprimento da baliza. Nivelar a baliza, entretanto, consome tempo e seria desejável fazer as medições da posição alvo sem a necessidade de nivelar a baliza.

[003] Neste documento, um método é detalhado quanto à com pensação precisa da inclinação da baliza com o uso de uma fusão de sensores inerciais de custo relativamente baixo (acelerômetros e gi- roscópios) e medições de GNSS. Os mesmos têm vantagens sobre outros métodos revelados como os sensores inerciais são de custo substancialmente inferior e erros de sensor são estimados explicitamente no tempo de execução.

[004] Os Sistemas de Satélite de Navegação Global (GNSS), como o Sistema de Posicionamento Global NAVSTAR (GPS) são usados rotineiramente em aplicações de exame topográfico com o uso de algoritmos de Cinemática em Tempo Real (RTK), os quais corrigem uma posição do receptor com o uso de informações de uma ou mais estação(ões)-base próxima(s).

[005] A posição medida pelo receptor de GNSS está na, assim chamada, "centro de fase" da antena de GNSS, a qual para uma antena de exame topográfico de alta qualidade é uma localização bem quantificada, genericamente próxima ao centro mecânico da antena. Entretanto, o local de interesse para o topógrafo não está na antena, mas em um ponto no solo; a antena é geralmente montada em uma baliza para otimizar a recepção de sinais de GNSS.

[006] A menos que a baliza esteja perfeitamente ereta em rela ção ao solo, a posição horizontal da antena será desviada em comparação ao local no solo de interesse. Um dispositivo de nivelação, seja um nível de bolha tradicional ou uma disposição mais sofisticada de sensores, pode ser usado para determinar se uma baliza está ereta até certo grau de tolerância suficiente para fazer uma medição. Alternativamente, se for possível medir com precisão a orientação angular (a "atitude") da baliza, esse erro pode ser compensado, presumindo-se que se sabe o comprimento da baliza.

[007] A medição do ângulo da baliza em relação ao solo não é um exercício trivial. Enquanto que a medição do ângulo da baliza da vertical (a inclinação e rolagem) pode ser alcançada com precisão através de diversos métodos (notavelmente, a medição da gravidade de local com o uso de acelerômetros ou inclinômetros), medir a orientação da baliza em relação ao Norte Verdadeiro (a guinada ou azimute) é consideravelmente mais difícil.

[008] A forma mais óbvia de ser alcançar uma medição de azimu te é com o uso de uma bússola eletrônica, que tem a capacidade de medir a orientação em relação ao Norte Magnético. Entretanto, apesar do desvio entre o Norte Magnético e o Norte Verdadeiro, a leitura de bússola também pode ser afetada por perturbações de campo magné- tico como metais férreos e correntes elétricas, ambas as quais são comuns ao redor de alguns sítios de construção. Para evitar essas desvantagens, outro método de determinação de guinada é desejável.

[009] Quando instalado em um veículo terrestre convencional como um carro, o ângulo de azimute tem a capacidade de ser inferido a partir da velocidade de GNSS, visto que o veículo está normalmente alinhado com a direção de deslocamento. Entretanto, visto que uma antena montada em baliza pode se mover em uma direção arbitrária, a velocidade de GNSS não é um meio confiável de determinação de azimute.

[0010] Quando estacionários, os sensores inerciais de grau alto têm a capacidade de medir a taxa de rotação da Terra, que pode então ser usada para encontrar o norte. Quando se usa giroscópios de alta qualidade ("giros"), um procedimento conhecido como "orientação por girobússola" pode ser usado enquanto estacionário para determinar norte comparando-se a taxa de rotação medida em cada eixo geométrico.

[0011] Uma vez que uma posição inicial e atitude são conhecidos, um INE de alta qualidade pode navegar sem referência a GNSS ou outras medições externas, tornando as mesmas úteis para aplicações de exame topográfico quando o GPS está indisponível. Isso é descrito, por exemplo, no documento US 2009 024 325 A1 que descreve um INS usado em uma aplicação de exame topográfico com uma solução de GNSS indisponível. Entretanto, como uma solução de navegação inercial gira matematicamente e integra as medidas de sensor inercial brutas, erros pequenos irão se acumular e a solução de posição (e solução de azimute, que deve ser mantida como um subproduto) irá se afastar sem limite.

[0012] O problema do afastamento de um INS foi estudado exten sivamente por algum tempo. O afastamento na solução de posição e atitude (e através disso os meios para compensar a inclinação de baliza) pode ser contida fundindo-se, de forma inteligente, GNSS ou outras medições externas com um sistema de navegação inercial - o assim chamado "Sistema de Navegação Inercial Auxiliado" (AINS) - que existe há muito tempo na indústria aeroespacial e é usado agora em aplicações de exame topográfico.

[0013] Embora os sensores inerciais de "grau de navegação" e "grau tático" de alta qualidade - grau de navegação se refere a sensores que podem ser úteis para a navegação independente por muitas horas, por exemplo, incluindo Giroscópios a Laser em Anel (RLG), enquanto que o grau tático se refere, de modo geral, a requisitos de navegação para voos curtos, por exemplo, incluindo Giroscópios de Fibra Óptica (FOG) - são, sem dúvida, úteis na determinação de posição e atitude (seja GNSS auxiliado ou de outra forma), eles também são muitos custosos, pesados, volumosos e sofrem de consumo de potência alta. Em contraste, a última década viu o surgimento de sensores inerciais baseados em tecnologia de MEMS (Sensores Microeletrome- cânicos), que têm um desempenho substancialmente inferior em comparação a dispositivos de grau alto tradicionais, mas têm a vantagem de serem pequenos, leves e de potência baixa, e mais de uma ordem de magnitude menos custosa do que os sensores inerciais de grau al-to. Os sensores inerciais de MEMS são agora integrados rotineiramente em aplicações de consumidor de baixa precisão como controles de console de jogos e telefones móveis. Os sensores de MEMS são normalmente de "grau de consumidor" ou "grau industrial", embora alguns MEMS de silício de alto desempenho também possam ser considerados como grau tático. O grau de consumidor se refere a sensores baratos que têm uma detecção de movimento grosseira para aplicações como detecção de choque, detecção de queda livre, telefones móveis ou controles de jogos de computador. O grau industrial se refere a sensores que são úteis para aplicações em que algum grau de detecção de movimento é requerido, como fabricação de robôs, controle de máquina, estabilidade eletrônica automotiva, Sistemas de Referência de Atitude e Rumo (AHRS) de assistência para começo de subida e nível de entrada.

[0014] Os sensores de MEMS, como muitas tecnologias de circuito integrado, tiveram o desempenho substancialmente aprimorado ao longo do tempo. Embora eles atualmente permaneçam inadequados para a navegação inercial independente, eles podem ser fundidos com as medições de GNSS de uma forma semelhante a uma solução de AINS de grau alto para manter uma solução de atitude de precisão suficiente para compensar a inclinação de uma baliza topográfica. Ademais, a combinação de GNSS e INS é maior do que soma de suas partes - a integração inteligente dos dois permite que os erros mais substanciais que existem nos sensores de MEMS inerciais sejam estimados e removidos.

[0015] A desvantagem de usar dispositivos de MEMS é que os mesmos dependem de uma solução de GNSS de qualidade boa para estarem disponíveis, o que é geralmente o caso para exame topográfico e muitas atividades relacionadas como vigilância. Geralmente, mais do que alguns segundos sem uma solução de GNSS irá fazer com que a atitude se afaste da tolerância, dependendo do grau do sensor. Geralmente, uma posição de alta qualidade é requerida para aplicações de exame topográfico e, portanto, o afastamento da atitude durante as interrupções de GNSS não é comumente problemático. Uma vez que o GNSS é readquirido, um menor afastamento irá acelerar a reconver- gência da solução de atitude. Depende do projetista realizar a troca entre estabilidade e custo.

[0016] A atitude pode ser interpretada como uma combinação de três rotações diferentes - rolagem, que (quando relacionada a uma aeronave) é "asas para cima, asas para baixo"; inclinação, que é "nariz para cima, nariz para baixo" e guinada, que corresponde ao rumo que a plataforma está apontando. Classicamente, inclinação e rolagem são observadas através de medições do vetor de gravidade local (que induz uma medição de aceleração nos acelerômetros) e guinada é observada através do uso de uma bússola magnética.

[0017] Embora na técnica anterior - por exemplo, nos documentos US 2003 046 003 Al, US 5, 512, 905 A, EP 2 040 029 Al, EP 1 726 915 Al e JP 2005 043 088 A - um acelerômetro ("sensor de inclinação") e uma bússola tenham sido usados anteriormente para compensar a inclinação de uma baliza, isso é limitado pela precisão dos sensores e está sujeito a perturbações de campo magnético locais. Por exemplo, um acelerômetro de MEMS típico pode ter quatro graus ou mais em erro sem calibração cuidadosa de fábrica, que é inaceitável para as aplicações de exame topográfico. Ademais, sem uma fidelidade alta e modelo magnético computacionalmente dispendioso, até mesmo o ângulo de declinação de local (o ângulo entre o norte verdadeiro e norte magnético) pode ser em erro por até três graus, até mesmo sem quaisquer campos de perturbação local causados por (por exemplo) carros e linhas de potência.

[0018] Quando as medições de sensor inercial são combinadas de forma inteligente com GPS, tanto o ângulo de guinada (até mesmo sem o auxílio de uma bússola magnética) e erros de sensor fazendo com que os erros em inclinação e rolagem possam ser estimados quando submetidos a condições de movimento particulares. No ângulo de guinada particular, geralmente considerado como o mais difícil de se estimar, foi mostrado na literatura acadêmica convergir para seu valor verdadeiro quando os sensores inerciais são submetidos a mudanças em aceleração no plano horizontal, que é frequentemente o caso durante operações de exame topográfico. A situação é adicio- nalmente complicada para dispositivos de MEMS, que têm erros significativos em comparação a dispositivos de grau alto. Nos sensores de alto grau, erros de polarização no giroscópio vertical são naturalmente observáveis através da rotação da Terra. Nos dispositivos de MEMS, o sinal causado pela rotação da Terra é enterrado em ruído e polarização. Portanto, os MEMS requererão uma manobragem mais agressiva para tornar a guinada observável, mas o fato básico que é observável sob o movimento é inalterado.

[0019] Com essa observação em mente, pode ser observado que uma bússola magnética não é estritamente necessária para a estimação de guinada (e, portanto, pode ser removida se o custo for uma preocupação), mas ainda pode ser usado para uma inicialização grosseira de guinada ou para fornecer medições complementares se a guinada tiver se afastado devido à falta de movimento por algum tempo.

[0020] A notação usada neste documento é conforme a seguir:

[0021] Uma matriz de identidade de tamanho k é denotada por Ik. A matriz de rotação do quadro a para o quadro b é denotada por 5?:.

[0022] ííí:. denota uma quantidade de vetor α do quadro b em re lação ao quadro a, expressa em termos do quadro c.

[0023] [A]x é uma matriz antissimétrica construída a partir do vetor A de modo que quando multiplicado pelo vetor B o resultado seja equivalente ao produto cruzado de A e B, ou seja [A] xB = AxB.

[0024] Os derivados de tempo de uma quantidade são expressos com o uso da notação de pontos (por exemplo, :/--), quantidades es-timadas (como distinto de seus valores verdadeiros) são denotadas com um chapéu (por exemplo, ?-;.?).

[0025] Neste documento, o quadro b é o quadro fixo de corpo, o quadro n é um quadro tangente local fixado à terra (norte, leste, para baixo), o quadro e é o quadro da Terra Centralizada e Terra fixa (ECEF) e o quadro i é o quadro Inercial de Terra Centralizada (ECI).

[0026] O GPS/INS estima uma posição no ponto de referência do INS,reeb. A posição no solo na extremidade da baliza, /,, é desejada. Visto que o desvio do ponto de referência de INS a partir da ponta da baliza, , é conhecido (isto é o comprimento de baliza e a localização do ponto de referência de INS na extremidade da baliza), pode-se calcular o ponto na ponta da baliza com o uso de:

[0027] A chave para a compensação precisa da inclinação é a es-timativa de atitude. Claramente, quaisquer erros em atitude se associarão aos erros no ponto de solo.

[0028] A observação de erros de sensor e atitude depende da comparação da diferença entre a posição de GPS e a posição de INS. velocidade de GPS também pode ser usada. Sob movimento, os erros de posição associados pelos erros de atitude podem ser separados indiretamente. Observe que um INS deve manter uma representação de atitude precisa como um subproduto do cálculo de uma solução de posição.

[0029] Os sistemas de navegação de GPS/INS integrados têm si do muito utilizados no domínio aeroespacial, devido às características complementares das duas fontes de navegação. Como tal, múltiplos livros de texto foram publicados sobre o assunto que recomenda um assim chamado sistema de estado de erro fracamente associado, por exemplo Robert M. Rogers: Applied Mathematics in Integrated Navigation Systems. AIAA Education, 3a edição, 2007.

[0030] Existem diversos componentes na arquitetura de integração:

[0031] 1. Uma Unidade de Medição Inercial (IMU), que compreen de três acelerômetros, três giroscópios em uma configuração nomi-nalmente ortogonal, circuitos de apoio associados para a aquisição de sinal, pré-processamento, sincronização de tempo e remoção de erro determinístico;

[0032] 2. A mecanização de Sistema de Navegação Inercial (INS), que gira e integra matematicamente as medições de taxa de rotação e acelerações da IMU para estimar a posição e atitude;

[0033] 3. Um receptor de GPS, que mede a posição e velocidade da antena;

[0034] 4. Um filtro de Kalman, que estima os erros de posição, er ros em velocidade, erros em atitude, polarizações de giroscópios e polarizações de acelerômetro, com base nas dinâmicas de erro do sistema e diferença observada entre o GPS e posições de INS; e

[0035] 5. Opcionalmente, um magnetômetro de dois ou três eixos geométricos para medir o campo magnético da Terra.

[0036] O recurso chave do estimador de estado de erro fracamen te associado clássico é a linearização das dinâmicas, que permite o uso de um filtro de Kalman linear. A desvantagem principal do uso dessa arquitetura é a suposição de que os erros são pequenos e por conseguinte o erro introduzido por linearização é desprezível. Enquanto isso pode ser verdade com o uso de sensores de alta qualidade e um procedimento de inicialização específico, as aplicações de exame topográfico (e especialmente exame topográfico para construção) é significativamente mais sensível ao custo do que o domínio aeroespacial e por conseguinte os métodos de estimação projetados para sensores de alta qualidade não são necessariamente aplicáveis a sensores de MEMS inerciais de custo inferior descritos na introdução. Em particular, a suposição de erro pequeno resulta em um fraco desempenho quando se usa sensores de baixo custo. É inerentemente claro que um melhor estimador é requerido para o uso com sensores de baixo custo.

[0037] Em particular, os métodos padrão de integração de GPS/INS, como por exemplo, revelado no documento US 2009 024 325 Al, têm desempenhos insuficientes para determinar, de forma confiável, a atitude da baliza quando se usa sensores de grau industrial. Portanto, esses métodos são fundamentalmente não viáveis para sensores de grau industrial.

[0038] É, portanto, um objetivo da presente invenção fornecer um sistema de medição aprimorado e um método de medição aprimorado para medir a posição de um ponto de medição no solo.

[0039] É outro objetivo da presente invenção fornecer esse siste ma de medição e esse método de medição para medir de forma rápida, confiável e precisa a posição de um ponto de medição no solo.

[0040] Um objetivo adicional da invenção é fornecer esse sistema de medição em custos inferiores.

[0041] De acordo com a invenção, um sistema de medição para medir a posição de um ponto de medição no solo compreende uma baliza topográfica. A baliza topográfica compreende um corpo que tem uma ponta de apontador para contatar o ponto de medição e meios fornecedores de posição para tornar disponível a determinação coordenativa de uma posição referenciada. Os meios fornecedores de posição - por exemplo, um receptor de GNSS, como uma antena de GPS, ou um retrorrefletor para uso com uma estação total - são colocados sobre o corpo da baliza topográfica com uma relação espacial definida em relação à ponta. A baliza topográfica compreende adicionalmente uma unidade de medição inercial que é colocada sobre o corpo com uma relação espacial definida em relação aos meios fornecedores de posição e é projetada na forma de um sistema microele- tromecânico e compreende sensores de IMU que incluem acelerôme- tros e giroscópios.

[0042] O sistema de medição compreende meios de determinação para determinar repetidamente a posição referenciada dos meios for- necedores de posição e meios de processamento de IMU para deter-minar repetidamente os dados de estado inercial com base nas medi-ções feitas pela unidade de medição inercial. O sistema de medição compreende, ademais, meios de avaliação para derivar a posição do ponto de medição pelo menos com base na posição referenciada de-terminada e na relação espacial definida dos meios fornecedores de posição em relação à ponta. Os meios de avaliação também são con-figurados para alimentar um algoritmo de filtro predefinido com a posição referenciada determinada repetidamente e os dados de estado inercial determinados repetidamente e derivar dos mesmos os dados de atitude referenciados para a baliza topográfica, levando-se em conta a relação espacial definida da unidade de medição inercial em relação aos meios fornecedores de posição, e para usar os dados de atitude referenciados para derivar a posição do ponto de medição.

[0043] De acordo com a invenção, os meios de avaliação são con figurados para usar um Filtro de Diferença Dividida (DDF) no algoritmo de filtro predefinido.

[0044] De preferência, a unidade de medição inercial é projetada na forma de um sistema microeletromecânico e compreende sensores de IMU que incluem acelerômetros e giroscópios.

[0045] Em uma modalidade preferencial a unidade de medição inercial compreende três acelerômetros em uma configuração mutuamente ortogonal e três giroscópios em uma configuração mutuamente ortogonal.

[0046] Em uma modalidade, a unidade de medição inercial com preende sensores inerciais de "grau tático" ou inferior, isto é, que têm tipicamente:

[0047] • uma estabilidade de polarização de giroscópio de > 0,1 grau/hora,

[0048] ••um fator de escala de giroscópio de > 10 ppm,

[0049] • um ruído de giroscópio de > 0,01 grau/rtHr,

[0050] • uma estabilidade de polarização de acelerômetro de > 0,1 mg,

[0051] • um fator de escala de acelerômetro de > 100 ppm e

[0052] • um ruído de acelerômetro de > 20 ug/rtHz.

[0053] Em uma modalidade preferencial, os sensores inerciais são de "grau industrial" ou "grau automotivo", isto é, têm tipicamente:

[0054] • uma estabilidade de polarização de giroscópio de > 1 grau/hora,

[0055] • um fator de escala de giroscópio de > 1.000 ppm,

[0056] ••um ruído de giroscópio de > 1 grau/rtHr,

[0057] • uma estabilidade de polarização de acelerômetro de > 1 mg,

[0058] • um fator de escala de acelerômetro de > 1.000 ppm e

[0059] • um ruído de acelerômetro de > 100 ug/rtHz.

[0060] Em outra modalidade preferencial os meios de processa mento de IMU são configurados para determinar os dados de posição inercial e os dados de atitude inercial como parte dos dados de estado inercial, particularmente, além disso, os dados de velocidade inercial e parâmetros de erro de sensor de IMU.

[0061] Em uma modalidade preferencial adicional a unidade de medição inercial compreende adicionalmente pelo menos um magne- tômetro, particularmente dois ou três magnetômetros em uma configuração mutuamente ortogonal, e os meios de processamento de IMU também são configurados para determinar os dados de bússola- atitude como parte dos dados de estado inercial.

[0062] De preferência, os meios de processamento de IMU são configurados para determinar repetidamente os dados de estado iner- cial com uma taxa superior aos meios de determinação da posição referenciada, e os meios de avaliação são configurados para alimentar o algoritmo de filtro predefinido com os dados de estado inercial deter-minados repetidamente com uma taxa superior àquela com a posição referenciada determinada repetidamente.

[0063] Em uma modalidade preferencial, os meios fornecedores de posição compreendem um retrorrefletor, e os meios de determinação compreendem uma estação total ou um taqueômetro para medir a posição referenciada do retrorrefletor.

[0064] Em outra modalidade preferencial, os meios fornecedores de posição compreendem uma antena de GNSS, em particular um receptor de GPS, e os meios de determinação compreendem uma unidade de processamento de GNSS para processar os sinais de saída da antena de GNSS e derivar dos mesmos a posição referenciada da antena de GNSS.

[0065] Em outra modalidade preferencial, os meios de avaliação são configurados adicionalmente para derivar dados de atitude refe-renciados, que, por exemplo, podem ser representados por um ângulo de guinada referenciado, isto é, um rumo referenciado ou ângulo de azimute, bem como um ângulo de arfagem referenciado e um ângulo de rolagem referenciado, isto é, ângulos de inclinação referenciados, da baliza topográfica.

[0066] Outro aspecto da invenção é um kit de atualização para um sistema de medição, sendo que o kit de atualização é adaptado para detectar dados de atitude, em que o sistema de medição compreende uma baliza topográfica com um corpo que tem uma ponta de apontador para contatar o ponto de medição e meios fornecedores de posição para tornar disponível a determinação coordenativa de uma posição referenciada, sendo que os meios fornecedores de posição são colocados sobre o corpo com uma relação espacial definida em relação à ponta, particularmente em que os meios fornecedores de posição compreendem um retrorrefletor e/ou uma antena de GNSS, meios de determinação para determinar repetidamente a posição referenciada dos meios fornecedores de posição e primeiros meios de avaliação para derivar a posição do ponto de medição pelo menos com base na posição referenciada determinada e na relação espacial definida dos meios fornecedores de posição em relação à ponta. De acordo com a invenção, o kit de atualização compreende uma unidade de medição inercial a ser colocada sobre o corpo com uma relação espacial definida em relação aos meios fornecedores de posição, em que a unidade de medição inercial compreende sensores de IMU que incluem acele- rômetros e giroscópios, meios de processamento de IMU para determinar repetidamente os dados de estado inercial com base nas medições feitas pela unidade de medição inercial, e segundos meios de avaliação configurados para alimentar um algoritmo de filtro predefini- do com a posição referenciada determinada repetidamente e os dados de estado inercial determinados repetidamente e derivar dos mesmos os dados de atitude referenciados para a baliza topográfica, levando- se em conta uma relação espacial definida da unidade de medição inercial em relação aos meios fornecedores de posição, de preferência com o uso de um Filtro de Diferença Dividida no algoritmo de filtro pre- definido, e com o uso adicional dos dados de atitude referenciados para derivar a posição do ponto de medição.

[0067] De preferência, o kit de atualização compreende meios pa ra fixar o kit de atualização ou partes do mesmo, em particular a uni-dade de medição inercial, à baliza topográfica.

[0068] Em uma modalidade preferencial o kit de atualização com preende meios para detectar e/ou definir uma relação espacial da unidade de medição inercial em relação aos meios fornecedores de posição.

[0069] Outro aspecto da invenção é um módulo de medição para um sistema de medição, sendo que o módulo de medição é adaptado para detectar dados de atitude, em que o sistema de medição com- preende uma baliza topográfica com um corpo que tem uma ponta de apontador para contatar o ponto de medição. O módulo de medição compreende meios fornecedores de posição para tornar disponível a determinação coordenativa de uma posição referenciada, em que os meios fornecedores de posição devem ser colocados sobre o corpo com uma relação espacial definida em relação à ponta, particularmente em que os meios fornecedores de posição compreendem um retror- refletor e/ou uma antena de GNSS, os meios de determinação para determinar repetidamente a posição referenciada dos meios fornecedores de posição e meios de avaliação para derivar a posição do ponto de medição pelo menos com base na posição referenciada determinada e na relação espacial definida dos meios fornecedores de posição em relação à ponta. De acordo com esse aspecto da invenção o módulo de medição compreende adicionalmente uma unidade de medição inercial a ser colocada sobre o corpo com uma relação espacial definida em relação aos meios fornecedores de posição, em que a unidade de medição inercial compreende sensores de IMU que incluem acelerômetros e giroscópios, e meios de processamento de IMU para determinar repetidamente dados de estado inercial com base nas medições feitas pela unidade de medição inercial. Os meios de avaliação são configurados para receber a posição referenciada determinada repetidamente e os dados de estado inercial determinados repetidamente, alimentar um algoritmo de filtro predefinido com a posição referenciada determinada repetidamente e os dados de estado inercial determinados repetidamente e derivar dos mesmos os dados de atitude referenciados para a baliza topográfica, levando-se em conta a relação espacial definida da unidade de medição inercial em relação aos meios fornecedores de posição, usar um Filtro de Diferença Dividida no algoritmo de filtro predefinido, e usar os dados de atitude referenciados para derivar a posição do ponto de medição.

[0070] O método de medição de acordo com a invenção compre ende:

[0071] • determinar repetidamente a posição referenciada dos meios fornecedores de posição,

[0072] • derivar a posição do ponto de medição pelo menos com base na posição referenciada determinada e na relação espacial definida dos meios fornecedores de posição, por exemplo, um retrorrefle- tor ou um receptor de GNSS, em relação à ponta,

[0073] • determinar repetidamente os dados de estado inercial com base nas medições feitas pela unidade de medição inercial e

[0074] • alimentar um algoritmo de filtro predefinido com a posição referenciada determinada repetidamente e os dados de estado inercial determinados repetidamente e derivar dos mesmos os dados de atitude referenciados para a baliza topográfica, levando-se em conta a relação espacial definida da unidade de medição inercial em relação aos meios fornecedores de posição, e

[0075] • usar, adicionalmente, os dados de atitude referenciados para derivar a posição do ponto de medição.

[0076] Em uma modalidade preferencial do método de acordo com invenção um Filtro de Diferença Dividida (DDF) é usado no algoritmo de filtro predefinido.

[0077] Em outra modalidade preferencial do método, os dados de atitude referenciados são derivados, os quais, por exemplo, podem ser representados por um ângulo de guinada referenciado, isto é, um rumo referenciado ou ângulo de azimute, bem como um ângulo de arfagem referenciado e um ângulo de rolagem referenciado, isto é, ângulos de inclinação referenciados, da baliza topográfica.

[0078] Em outra modalidade preferencial, os dados de posição inercial e os dados de atitude inercial são determinados como parte dos dados de estado inercial, além disso, de preferência os dados de velocidade inercial e parâmetros de erro de sensor de IMU, especial-mente em que os parâmetros de erro de sensor de IMU são determi-nados com base em um modelo de erro para os sensores de IMU que incluem pelo menos um dentre:

[0079] • polarização de sensor,

[0080] • erros de sensibilidade,

[0081] • desalinhamento e

[0082] • erros de não linearidade,

[0083] • bem como - em relação a giroscópios - sensibilidade à aceleração.

[0084] O processo de navegação inercial é tomar as medições de taxa angular e força específica, corrigir quaisquer erros, e integrar os sensores conforme requerido para produzir uma solução de posição, velocidade e atitude em relação a um quadro de referência. A mecanização de INS pode ser realizada em inúmeros quadros de referência, mas uma escolha conveniente é o quadro da Terra Centralizada e Terra Fixa (ECEF) já que é o sistema de coordenada natural para GPS.

[0085] Visto que as medições inerciais são tomadas em relação ao espaço inercial, uma correção para a taxa de rotação da Terra é re-querida. As equações de mecanização de INS no quadro de ECEF podem ser declaradas como:

[0086] em que ge (;•£.) é o vetor de gravidade no quadro de ECEF como uma função de posição, , ’5:- é a velocidade no quadro de ter-ra e é a matriz de rotação entre o corpo e quadros de terra. A ex pressões equivalentes podem ser derivadas para outros quadros de referência e/ou representações de atitude.

[0087] Visto que sempre existirá um braço de alavanca entre o Centro de Navegação (CoN) da IMU e a antena de GPS, as equações de observação relacionadas à posição da antena de GPS devem levar isso em conta, isto é

[0088] em que é.é a posição da antena no quadro da Terra.

[0089] A mecanização de INS e equações de observação assumi ram conhecimento perfeito das medições de taxa angular e força específica. Entretanto, os sensores inerciais contêm diversos erros que precisam ser levados em conta.

[0090] Para uma tríade de acelerômetros, a medição de força es pecífica, j4, consiste não somente na força específica verdadeira 4-, mas também inclui diversos erros determinísticos e aleatórios.

[0091] em que Sa é o fator de escala e matriz de desalinhamento, ba é o vetor de polarização de longo prazo, Na é a matriz de não linearidade e nα é um vetor de ruído branco.

[0092] Uma tríade de giroscópios exibirá erros semelhantes aos acelerômetros, mas terá um erro adicional induzido por acelerações. Portanto, um modelo de medição para as medições de taxa angular de corpo <:.é conforme a seguir:

[0093] em que ?.■<- representa as taxas de corpo angular verdadei ras e Gg é a sensibilidade a aceleração.

[0094] Nem todos os termos podem ser significativos e podem ser acumulados no ruído branco e termos de polarização que varia com o tempo. Outro, como não linearidade podem ser adequados para a compensação e medição de produção, mas não para estimação online. Alguns erros podem ser modelados de forma adequada como uma constante aleatória enquanto que outros podem ser consistentes com um processo de Gauss-Markov ou um Passeio Aleatório.

[0095] A polarização é um desvio em cada um dos sensores e consiste em diversos componentes de diferença: I>,; = br 4- bt 4- bo

[0096] em que bT é um termo de polarização dependente de tem peratura, bt é um termo de polarização que varia lentamente com o tempo e b0 é uma polarização constante, em que consiste em uma polarização de fabricação (isto é, constante a partir da fabricação) e polarização de ativação (isto é, muda cada vez que o dispositivo é ativado). É geralmente considerada essencial para estimar polarizações de instrumento, até mesmo para sensores de alta qualidade inerciais.

[0097] O fator de escala e matriz de desalinhamento (SFA) Sa re presenta dois erros comuns nos sensores; fator de escala (algumas vezes chamado de erros de sensibilidade) e erros de sensibilidade de eixo geométrico cruzado (algumas vezes chamados de desalinhamen- tos). Os erros de sensibilidade de eixo geométrico cruzado são uma combinação de montagem não ortogonal (isto é, os sensores montados não perfeitamente a 90°) e sensibilidade de instrumento a componentes de aceleração ortogonal. Portanto, os erros podem ser escritos como:

[0098] em que [s,, são os erros de fator de escala indivi- duais para os eixos geométricos de acelerômetro (três componentes) e ' ' são os componentes de sensibilidade de eixo geomé trico cruzado.

[0099]A sensibilidade também é dependente da temperatura.

[00100]Os efeitos de erro de ordem zero e de primeira ordem são levados em conta na polarização e componentes de SFA, respectivamente. Entretanto, visto que os dispositivos de MEMS têm, tipicamente, não linearidade na ordem de 1%, vale descrever o modelo de erro, pelo menos para propósitos de calibração de fábrica. O modelo de erro, que inclui acoplamento cruzado não linear é conforme a seguir:

[00101] em que £. = [fj-N]'. Os giroscópios também são sensí-veis à aceleração para a ordem de 0,1°/s/g, que é a mesma ordem de magnitude que a polarização de ativação quando submetida a gravi- dade. Portanto, pode valer modelar para determinar seu efeito. A sensibilidade à aceleração (algumas vezes chamada de g-sensibilidade), incluindo efeitos de segunda ordem são dados por:

[00102] Outros erros são algumas vezes referidos ou modelados na literatura. Os mesmos incluem assimetria de fator de escala, aprisionamento [lock-in] (tipicamente visto em giroscópios ópticos), erro de quantização, ruído sinusoidal, ruído de cintilação, ruído correlacionado e ruído de taxa de rampa; os últimos são tipicamente mencionados no contexto de um gráfico de variância de Allan. O passeio aleatório an- gular (ou passeio aleatório de velocidade para acelerômetros) se refere ao ruído branco no ponto de 1 Hz do gráfico de variância de Allan.

[00103] Geralmente, esses erros serão pequenos em comparação ao ruído branco na geração atual de dispositivos de MEMS, ou podem ser incorporados em um componente de polarização de passeio aleatório, a menos que haja prova convincente de que eles deveriam ser modelados individualmente.

[00104] Dentre as possíveis fontes de erro dos sensores inerciais, algumas precisarão ser estimadas online enquanto que outras são estáveis e pequenas o suficiente para serem ignoradas ou medidas e compensadas na produção. Cada termo de erro se torna um estado adicional no filtro e, por conseguinte, aumenta o requisito computacional para estimar online. Os termos de polarização serão quase sempre estimados online. Os termos de fator de escala e desalinhamento são algumas vezes estimados online. Outros termos são estimados online somente raramente. A seleção de erros de instrumento para estimar online é uma troca de engenharia entre qualidade de sensor, recursos computacionais e precisão de sistema desejada.

[00105] As equações de mecanização de INS e as medições de GNSS juntas constituem um modelo de processo e medição na seguinte forma:

[00106] em que o vetor de estado x(t) consiste nos parâmetros de erro de posição, velocidade, atitude e sensor com covariância P(k), u(t) é um "vetor de controle" que consiste nas medições de IMU, e v(t) é um vetor de ruído branco com covariância Q(k), modelar o ruído de medição de IMU e acionar qualquer modelo de processo das dinâmicas de erro de sensor. De forma semelhante, y(t) consiste nas medi- ções de GNSS (posição e, opcionalmente, velocidade) como uma função do estado atual (verdadeiro) e o vetor de ruído de medição w(t) com covariância R(k).

[00107] A tarefa de estimação é inferir o vetor de estado x(t), dado um conjunto de medições com ruído y(k), y(k-l),..., y(k-n). Para uma função não linear geral, uma estimativa ideal de geral para x(t) não é possível e, por conseguinte, filtros subideais são de interesse. Conforme notado anteriormente, uma aproximação linearizada pode funcionar de forma deficiente com sensores de baixo custo e esquemas mais sofisticados são desejáveis.

[00108] O estimador adotado para essa tarefa é o Filtro de Diferença Dividida (DDF), primeiro publicado por Norgaard (M. Norgaard, N. Poulsen, O. Ravn: "New developments in state estimation for nonlinear systems". Automatica, 36 (11): 1.627 a 1.638, 2000) e mostrou-se ter desempenho superior ao (linearizado) Filtro de Kalman Estendido (EKF). Conceitualmente, o princípio subjacente ao DDF lembra aquele do EKF e seus relativos de ordem superior. A implantação é, entretanto, bem diferente. A diferença principal entre o DDF e o EKF é que o DDF recupera o meio e covariância a partir de diversas amostras propagadas através das dinâmicas não lineares completas do sistema. As amostras são selecionadas com base na fórmula de interpolação de Stirling que é conceitualmente semelhante à aproximação de Taylor, mas com resultados muito diferentes. Ademais, essas amostras po-dem levar em conta as dinâmicas não lineares de como o ruído de processo propaga através do sistema. Em comparação a isso, o EKF propaga uma única amostra através das dinâmicas não lineares com zero ruído para estimar o meio, e a covariância propagada por meio de uma linearização das dinâmicas de estado.

[00109] Por razões de eficácia computacional e estabilidade numérica, as matrizes de covariância são implantadas em termos de seus fatores de Cholesky em vez de matrizes simétricas, isto é

[00110] A atualização a priori é então realizada conforme a seguir.

[00111] Suponha que a j-ésima coluna da matriz Sx é denotada Sx,j. Quatro matrizes de "diferença dividida" são então construídas como:

[00112] em que h é um fator de ajuste que controla a dispersão da covariância. Note que somente as avaliações funcionais são requeridas, não quaisquer derivadas. Um total de 2 (Nx+Nv) +1 avaliações funcionais são requeridas, em que Nx é o comprimento do vetor de estado e Nv é o comprimento do vetor de ruído de processo.

[00113] O meio previsto, x(k+1 | k), pode então ser calculado como:

[00114] O fator de Cholesky de covariância prevista é então calculado como:

[00115] em que S = triag(A) produz uma matriz triangular de modo que SST = AAT. A atualização a priori é realizada de forma semelhante.

[00116] Suponha que s* ~sÁk + 1\k)' x-e(k + l\k) e Um conjunto de quatro matrizes é definido com as colunas sendo:

[00117] Note novamente que nenhum derivado é requerido - somente 2 (Nx+Nv) +1 avaliações funcionais.

[00118] A medição prevista é dada como:

[00119] Com o fator de covariância de medição prevista (note que não é triangularizado) dado por:

[00120] A covariância cruzada das medições e dos estados é dada por:

[00121] Com o Ganho de Kalman calculado como:

[00122] O vetor de estado é então atualizado como:

[00123] Com o fator de Cholesky de estado atualizado como:

[00124] Um componente chave do filtro de GPS/INS é a estimação de atitude. A suposição implícita do DDF é que as variáveis no vetor de estado pertencem ao espaço de vetor (adição, escalonamento e outras operações matemáticas se aplicam). Entretanto, a atitude não pertence ao espaço de vetor visto que pode ser mostrado com facilidade que os ângulos de atitude não são aditivos. Em vez disso, a atitude pertence ao grupo ortogonal especial e, portanto, as operações de vetor que embasam o DDF não podem ser usadas diretamente.

[00125] Ademais, algumas representações de atitude são de reco- brimento (mais de um valor numérico para a mesma atitude) que é problemático para um filtro em que os pontos são ponderados e calculados em média. Por exemplo, o meio aritmético de vetores de rotação [π 0 0] e [-π 0 0] (que representam a mesma rotação) resulta em [0 0 0], enquanto que a média de ângulo verdadeiro deveria resultar em [π 0 0] ou [-π 0 0].

[00126] A representação direta de atitude como um estado em um DDF é, portanto, problemática. A solução da presente invenção foi adaptada da literatura de navegação de espaçonave desenvolvida originalmente para um filtro de estimação diferente: J. Crassidis, F. Markley: "Unscented filtering for spacecraft atitude estimation. Journal of Guidance Control and Dynamics, 26 (4) : 536, 2003. Embora ângulos grandes não sejam aditivos, ângulos pequenos denotados em uma representação de três parâmetros são aproximadamente aditivos. Portanto representar o estado de atitude como um desvio de uma atitude nominal (isto é, um estado de erro) permitirá que o mesmo seja aplicado e a armação de DDF pode ser usada com somente modificações mínimas. Vale a pena notar a diferença dessa abordagem àquela revelada no documento US 2005 0 251 328, em que a atitude de quatérnio é usada diretamente no vetor de estado. Essa representação é problemática por duas razões: primeiro, conforme discutido, os quatérnios certamente não pertencem ao espaço de vetor; e segundo, o requisito para manter a magnitude de unidade do quatérnio torna uma média ponderada dos pontos difícil de se aplicar.

[00127] Por razões técnicas, a atitude da baliza é mantida como um quatérnio unitário, que é uma representação de quatro parâmetros de atitude. Os quatérnios são discutidos em detalhes em J. A. Farrell, Aided Navigation: GPS with High Rate Sensors. McGraw Hill, 2008, e outras representações de atitude são discutidas em Malcolm D. Shuster, A survey of attitude representations. Journal of the Astronautical Sciences, 41(4): 439 a 517, 1993.

[00128] Para uma representação de atitude de três parâmetros, os Parâmetros de Rodrigues Generalizados (GRP) são escolhidos, os quais têm uma conversão simples de um Quatérnio com base em dois parâmetros a e f os quais controlam o local da singularidade nos GRP. Todas as representações de três parâmetros têm uma singularidade ou outra representação ambígua em ângulos específicos. Dependendo do projetista assegurar que o(s) ponto(s) singular(es) não será(ão) en- contrado(s).

[00129] Para um quatérnio , a conversão entre um q = [q0,q]T , a conversão entre um Quatérnio e GRP pode ser alcançada conforme a seguir:

[00130] De forma semelhante, um Quatérnio pode ser construído a partir de um GRP conforme a seguir:

[00131] Para ilustrar a implantação do filtro, o vetor de estado para o filtro de GNSS/INS é escolhido conforme a seguir:

[00132] em que é o erro de atitude de GRP, é a posição do Centro de Navegação (CoN) em relação ao quadro de ECEF, é a velocidade do CoN em relação à terra e os termos remanescentes são erros de sensor inercial conforme descrito acima. Opcionalmente, o projetista de sistema pode escolher implantar outros erros de sensor inercial como o Fator de Escala ou Sensibilidade de Eixo Geométrico Cruzado, ou o braço de alavanca entre a IMU e antena de GNSS, de-pendendo da qualidade dos sensores e recursos de computação disponíveis.

[00133] O quatérnio de atitude ç* é mantido separadamente do ve- tor de estado e será descrito adicionalmente abaixo.

[00134] Note que visto que o erro de atitude forma parte do vetor de estado, a atitude nominal inicial ç* em relação ao qual está o desvio, e a atitude prevista central < i (k + 1 | k) deve ser parte da "entrada de controle" para as Equações de mecanização de INS modificada, que são descritas abaixo.

[00135] Para um dado erro de atitude a priori -fj:. (k | k) no tempo k, um quatérnio de erro é gerado (reduzindo-se os parâmetros de GRP a e f):

[00136] O quatérnio de erro gerado é usado para ajustar o quatér- nio de atitude nominal

[00137] A atitude ajustada i (k | k) é então propagada através das equações de Mecanização de INS normais (conforme descrito acima) para (k +1 | k). A anomalia do ponto sigma previsto central (k +1 | k).

[00138] O erro de atitude que forma o estado previsto é gerado a partir da anomalia de atitude prevista central

[00139]

calculado é então propagado através das equações, que irão produzir uma anomalia de meio,

anomalia de meio computada é convertida em quatérnio:

[00140] antes de ser usado para corrigir o quatérnio previsto centralmente:

[00141] Visto que a anomalia de atitude de meio é usada par corrigir a atitude mantida externamente, a mesma redefinida para zero no fim dessa operação. Observe que visto que somente o meio é alterado, a covariância permanece inalterada.

[00142] O assunto remanescente é como obter o quatérnio previsto central, (k +1 | k). O mesmo é obtido simplesmente propagando-se o vetor de estado com ruído zero através das equações de mecanização de INS. Nesse ponto, por definição, o GRP de anomalia de atitude é zero.

[00143] Uma atualização de medição pode ser realizada através de um processo semelhante. Uma anomalia de quatérnio é gerada a partir do GRP para um dado vetor de estado

[00144] A atitude usada para prever a medição pode então ser calculada como:

[00145] As equações de medição para o DDF são calculadas ;.í (k +1|k), produzindo uma estimativa de estado atualizada

que pode então ser convertida em um quatérnio:

[00146] O quatérnio

é então usado para atualizar o quatérnio previsto

[00147] A invenção a seguir será descrita em detalhes referindo-se a modalidades exemplificativas que são acompanhadas por figuras, em que:

[00148] a Figura 1a mostra uma primeira modalidade de uma baliza topográfica de acordo com a invenção;

[00149] a Figura 1b mostra uma segunda modalidade de uma baliza topográfica de acordo com a invenção;

[00150] a Figura 2 ilustra o método de medição para medir a posição de um ponto de medição de acordo com a invenção;

[00151] a Figura 3 mostra um sistema de medição com a primeira modalidade de uma baliza topográfica de acordo com a invenção;

[00152] a Figura 4 mostra um sistema de medição com a segunda modalidade de uma baliza topográfica de acordo com a invenção;

[00153] a Figura 5 mostra um kit de atualização para um sistema de medição; e

[00154] a Figura 6 mostra um módulo de medição de um sistema de medição.

[00155] A Figura 1a mostra uma primeira modalidade de uma baliza topográfica 10 como parte de um sistema de medição de acordo com a invenção. A baliza topográfica 10 tem um corpo rígido em formato de haste 13 com uma ponta de apontador 12 para contatar um ponto de medição no solo. O corpo 13 define um eixo geométrico de baliza 15. A baliza 10 compreende meio de retrorrefletor 11 como meios fornecedores de posição para tornar disponível a determinação coordenativa de uma posição referenciada, sendo que o meio de retrorrefletor 11 é posicionado sobre o corpo 13 em uma posição conhecida em relação à ponta 12. O sistema também compreende meios de determinação para determinar repetidamente a posição referenciada dos meios fornecedores de posição. A baliza topográfica 10 compreende adicionalmente uma unidade de medição inercial 18 colocada sobre o corpo 13 com uma relação espacial definida em relação aos meios fornecedores de posição, em que a unidade de medição inercial 18 é projeta-da na forma de um sistema microeletromecânico e compreende sensores de IMU que incluem acelerômetros e giroscópios. A baliza 10 compreende meios de avaliação 17 para derivar a posição do ponto de medição 1 pelo menos com base na posição referenciada determinada e na relação espacial definida dos meios fornecedores de posição em relação à ponta 12.

[00156] A unidade de medição inercial 18 compreende três acele- rômetros em uma configuração mutuamente ortogonal, isto é em uma configuração de modo que seus eixos geométricos de medição sejam ortogonais entre si, e três giroscópios em uma configuração mutuamente ortogonal, isto é, em uma configuração de modo que seus eixos geométricos sejam ortogonais entre si.

[00157] A Figura 1b mostra uma segunda modalidade de uma bali- za topográfica 10 com parte de um sistema de medição de acordo com a invenção. A baliza topográfica 10 tem um corpo rígido em formato de haste 13 com uma ponta de apontador 12 para contatar um ponto de medição no solo. O corpo 13 define um eixo geométrico de baliza 15. A baliza 10 compreende um receptor de GNSS 19 como meios fornecedores de posição para tornar disponível a determinação coordenativa de uma posição referenciada, em que o receptor de GNSS 19 é po-sicionado sobre o corpo 13 em uma posição conhecida em relação à ponta 12. O sistema também compreende meios de determinação para determinar repetidamente a posição referenciada dos meios fornecedores de posição. A baliza topográfica 10 compreende adicionalmente uma unidade de medição inercial 18 colocada sobre o corpo 13 com uma relação espacial definida em relação aos meios fornecedores de posição, em que a unidade de medição inercial 18 é projetada na forma de um sistema microeletromecânico e compreende sensores de IMU que incluem acelerômetros e giroscópios. A baliza 10 compreende meios de avaliação 17 para derivar a posição do ponto de medição 1 pelo menos com base na posição referenciada determinada e na relação espacial definida dos meios fornecedores de posição em relação à ponta 12.

[00158] A unidade de medição inercial 18 compreende três acele- rômetros em uma configuração mutuamente ortogonal, isto é em uma configuração de modo que seus eixos geométricos de medição sejam ortogonais entre si, e três giroscópios em uma configuração mutuamente ortogonal, isto é, em uma configuração de modo que seus eixos geométricos de medição sejam ortogonais entre si.

[00159] Embora a unidade de medição inercial 18 nas Figuras 1a e 1b seja retratada como um recurso externo da baliza 10, obviamente também pode ser integrada no interior do corpo 13. Ademais, os meios de avaliação 17, que são retratados nas Figuras 1a e 1b como um re- curso externo da baliza 10, também podem ser parte da unidade de medição inercial 18 ou do receptor de GNSS 19, ou integrados no interior do corpo 13.

[00160] A Figura 2 ilustra o método de medição de acordo com a invenção. Uma baliza topográfica 10 é retratada com um corpo 13 com uma ponta de apontador 12 para contatar o ponto de medição 1 e um receptor de GNSS 19 como meios fornecedores de posição para tornar disponível a determinação coordenativa de uma posição referenciada. O receptor de GNSS 19 é colocado sobre o corpo 13 com uma relação espacial definida em relação à ponta 12.

[00161] A baliza topográfica 10 compreende adicionalmente uma unidade de medição inercial 18 colocada sobre o corpo 13 com uma relação espacial definida em relação ao receptor de GNSS 19. A unidade de medição inercial 18 é projetada na forma de um sistema mi- croeletromecânico e compreende sensores de IMU que incluem acele- rômetros e giroscópios. Os meios de avaliação 17 são fornecidos para derivar a posição do ponto de medição 1 pelo menos com base na posição referenciada determinada e na relação espacial definida dos meios fornecedores de posição em relação à ponta 12.

[00162] O fluxo de dados é retratado com setas de linha quebrada: O receptor de GNSS 19 fornece dados de posição referenciados e a unidade de medição inercial 18 fornece dados de estado inercial. Alimentando-se esses dados em um algoritmo de filtro predefinido dos meios de avaliação 17, os Dados de Atitude Referenciados para a baliza topográfica 10 são derivados. Esses Dados de Atitude Referenciados e os dados de dados de posição referenciados fornecidos pelo re-ceptor de GNSS 19 são usados para derivar a posição do ponto de medição 1. Em vez disso os dados de posição referenciados fornecidos pelo receptor de GNSS 19, a posição da unidade de medição iner- cial 18 calculada pelo filtro pode ser usada. A relação espacial está então entre o CoN da unidade de medição inercial 18 e a ponta 12, mas o requisito para a atitude é inalterado.

[00163] O método de medição de acordo com a invenção compreende

[00164] • determinar repetidamente a posição referenciada dos meios fornecedores de posição,

[00165] • derivar a posição do ponto de medição 1 pelo menos com base na posição referenciada determinada e na relação espacial definida dos meios fornecedores de posição, por exemplo, o retrorrefletor 11 ou o receptor de GNSS 19, em relação à ponta 12,

[00166] • determinar repetidamente os dados de estado inercial com base nas medições feitas pela unidade de medição inercial 18 e

[00167] • alimentar um algoritmo de filtro predefinido com a posição referenciada determinada repetidamente e os dados de estado inercial determinados repetidamente e derivar dos mesmos os dados de atitude referenciados para a baliza topográfica 10, levando-se em conta a relação espacial definida da unidade de medição inercial 18 em relação aos meios fornecedores de posição, e

[00168] • usar, adicionalmente, os dados de atitude referenciados para derivar a posição do ponto de medição 1.

[00169] Na Figura 3, um sistema de medição que compreende a primeira modalidade da baliza topográfica 10 (conforme mostrado na Figura 1a) e uma estação total 20 é retratada.

[00170] A baliza topográfica 10 compreende um corpo rígido em formato de haste 13 que tem uma ponta de apontador 12 para contatar um ponto de medição 1 no solo, sendo que o corpo 13 define um eixo geométrico de baliza 15. Os meios de retrorrefletor 11 são posicionados sobre o corpo 13 em uma posição conhecida em relação à ponta 12. Um visor portátil e um dispositivo de controle que compreende meios de avaliação 17 são retidos por um usuário que opera a baliza 10.

[00171] A estação total 20 compreende uma unidade de telescópio que é adaptada para medir uma distância até o retrorrefletor 11 da baliza inclinada 10.

[00172] O usuário posiciona a ponta 12 da baliza topográfica 10 em um ponto de medição 1, cuja posição deve ser determinada. Por meio da estação total 20 e do retrorrefletor 11 os dados de posição referenciados da baliza topográfica 10 são fornecidos. A unidade de medição inercial 18 fornece dados de estado inercial da baliza topográfica 10. Os meios de avaliação 17 desses dados derivam os Dados de Atitude Referenciados para a baliza topográfica 10. Os Dados de Atitude Referenciados são então usados para derivar uma posição do ponto de medição 1.

[00173] Na Figura 4, um sistema de medição que compreende a segunda modalidade da baliza topográfica 10 (conforme mostrado na Figura 1b) é revelado.

[00174] A baliza topográfica 10 compreende um corpo rígido em formato de haste 13 que tem uma ponta de apontador 12 para contatar um ponto de medição 1 no solo, sendo que o corpo 13 define um eixo geométrico de baliza 15. Um receptor de GNSS 19 é posicionado sobre o corpo 13 em uma posição conhecida em relação à ponta 12. Um visor portátil e dispositivo de controle que compreende meios de avaliação 17 é retido por um usuário que opera a baliza 10.

[00175] O usuário posiciona a ponta 12 da baliza topográfica 10 em um ponto de medição 1, cuja posição deve ser determinada. Por meio de satélites 9 e do receptor de GNSS 19 os dados de posição referenciados da baliza topográfica 10 são fornecidos. Os meios de avaliação 17 a partir desses dados derivam Dados de Atitude Referenciados para a baliza topográfica 10. Os Dados de Atitude Referenciados são então usados para derivar uma posição do ponto de medição 1.

[00176] Na Figura 5, um kit de atualização 30 para um sistema de medição é retratado. O sistema de medição compreende uma baliza topográfica 10 com um corpo 13 que tem uma ponta de apontador 12 para contatar o ponto de medição 1 e uma antena de GNSS 19 os meios fornecedores de posição para tornar disponível a determinação coordenativa de uma posição referenciada. A antena de GNSS 19 é posicionada sobre o corpo 13 com uma relação espacial definida em relação à ponta 12.

[00177] O sistema também compreende meios de determinação para determinar repetidamente a posição referenciada dos meios fornecedores de posição e primeiros meios de avaliação 17 para derivar a posição do ponto de medição 1 pelo menos com base na posição referenciada determinada e na relação espacial definida dos meios fornecedores de posição em relação à ponta 12. O kit de atualização 30 compreende uma unidade de medição inercial 38 a ser colocada sobre o corpo 13 da baliza topográfica 10 com uma relação espacial definida em relação aos meios fornecedores de posição, em que a unidade de medição inercial 38 compreende sensores de IMU que incluem acelerômetros e giroscópios, meios de processamento de IMU para determinar repetidamente dados de estado inercial com base nas medições feitas pela unidade de medição inercial, e segundos meios de avaliação 37.

[00178] Os segundos meios de avaliação 37 são configurados para receber a posição referenciada determinada repetidamente e os dados de estado inercial determinados repetidamente, alimentar um algoritmo de filtro predefinido com a posição referenciada determinada repetidamente e os dados de estado inercial determinados repetidamente e derivar dos mesmos os dados de atitude referenciados para a baliza topográfica 10. Para esse propósito um Filtro de Diferença Dividida é usado no algoritmo de filtro predefinido, e a relação espacial definida da unidade de medição inercial 38 em relação aos meios fornecedores de posição é levada em conta. Os dados de atitude referenciados são usados para derivar a posição do ponto de medição 1.

[00179] O kit de atualização 30 compreende meios de fixação 33 para fixar o kit de atualização 30 ao corpo 13 da baliza topográfica 10. Embora o kit de atualização 30 na Figura 5 seja fixado ao corpo 13 na seção intermediária da baliza 10, obviamente também é possível fixar o mesmo próximo aos meios fornecedores de posição ou próximo à ponta 12.

[00180] A Figura 6 mostra um módulo de medição 40 para um sistema de medição. O sistema de medição compreende uma baliza topográfica 10 com um corpo 13 que tem uma ponta de apontador 12 para contatar o ponto de medição 1. O módulo de medição 40 compreende uma antena de GNSS 49 como meios fornecedores de posição para tornar disponível a determinação coordenativa de uma posição referenciada, em que a antena de GNSS 49 deve ser colocada sobre o corpo 13 da baliza topográfica 10 com uma relação espacial definida em relação à ponta 12. O módulo de medição 40 também compreende meios de determinação para determinar repetidamente a posição referenciada dos meios fornecedores de posição e meios de avaliação 37 para derivar a posição do ponto de medição 1 pelo menos com base na posição referenciada determinada e na relação espacial definida dos meios fornecedores de posição em relação à ponta 12.

[00181] Ademais, o módulo de medição 40 compreende uma unidade de medição inercial 48 que deve ser colocada sobre o corpo 13 da baliza topográfica 10 com uma relação espacial definida em relação aos meios fornecedores de posição, em que a unidade de medição inercial 48 compreende sensores de IMU que incluem acelerômetros e giroscópios, e meios de processamento de IMU para determinar repetidamente os dados de estado inercial com base nas medições feitas pela unidade de medição inercial.

[00182] Os meios de avaliação 47 são configurados para receber a posição referenciada determinada repetidamente e os dados de estado inercial determinados repetidamente, alimentar um algoritmo de filtro predefinido com a posição referenciada determinada repetidamente e os dados de estado inercial determinados repetidamente e derivar dos mesmos os dados de atitude referenciados para a baliza topográfica 10. Para esse propósito um Filtro de Diferença Dividida é usado no algoritmo de filtro predefinido, e a relação espacial definida da unidade de medição inercial 48 em relação aos meios fornecedores de posição é levada em conta. Os dados de atitude referenciados são usados para derivar uma posição do ponto de medição 1.

[00183] Alternativamente, os meios de avaliação 47 e a unidade de medição inercial 48 do módulo de medição 40 podem ser integrados no receptor de GNSS 49. Alternativamente, o módulo de medição 40 pode ser uma forma de duas partes, por exemplo, uma parte que compreende os meios fornecedores de posição e a outra parte que compreende a unidade de medição inercial 48.

[00184] O módulo de medição 40 compreende meios de fixação 43 para fixar o módulo de medição 40 ao corpo 13 da baliza topográfica 10. Os meios de fixação 43 também podem ser adaptados para aparafusar o módulo de medição 40 na extremidade de topo da baliza topográfica 10.

[00185] Embora a invenção seja ilustrada acima, parcialmente com referência a algumas modalidades preferenciais, deve ser compreendido que várias modificações e combinações de recursos diferentes das modalidades podem ser feitas.

Claims (14)

1. Sistema de medição para medir a posição de um ponto de medição (1) no solo, o sistema de medição compreende, • uma baliza topográfica (10) com ° um corpo (13) que tem uma ponta de apontador (12) para contatar o ponto de medição (1) e ° meios fornecedores de posição para tornar disponível a determinação coordenativa de uma posição referenciada, sendo que os meios fornecedores de posição são colocados sobre o corpo (13) com uma relação espacial definida em relação à ponta (12), particularmente em que os meios fornecedores de posição compreendem um retrorrefletor (11) e/ou uma antena de GNSS (19), • meios de determinação para determinar repetidamente a posição referenciada dos meios fornecedores de posição e • meios de avaliação (17) para derivar a posição do ponto de medição (1) pelo menos com base na posição referenciada determinada e na relação espacial definida dos meios fornecedores de posição em relação à ponta (12), sendo que, • a baliza topográfica (10) compreende adicionalmente uma unidade de medição inercial (18) colocada sobre o corpo (13) com uma relação espacial definida em relação aos meios fornecedores de posição, em que a unidade de medição inercial (18) compreende sensores de IMU que incluem acelerômetros e giroscópios, e • o sistema de medição compreende adicionalmente meios de processamento de IMU para determinar repetidamente dados de estado inercial com base nas medições tomadas pela unidade de medição inercial, os dados de estado inercial incluem um estdo de atitude, sendo que, • os meios de avaliação (17) são configurados adicionalmente para ° alimentar um algoritmo de filtro predefinido com a posição referenciada determinada repetidamente e os dados de estado inercial determinados repetidamente e derivar dos mesmos os dados de atitude referenciados para a baliza topográfica (10), levando-se em conta a relação espacial definida da unidade de medição inercial (18) em relação aos meios fornecedores de posição, ° usar adicionalmente os dados de atitude referenciados para derivar a posição do ponto de medição (1), caracterizado pelo fato de que, os meios de avaliação (47) são adicionalmente configurados para usar um Filtro de Diferença Dividida dentro de um algoritmo de filtro predefinido, e o estado de atitude é representado como um desvio de uma atitude nominal em uma representação de três parâmetros.

2. Sistema de medição, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a unidade de medição inercial (18), • é projetada na forma de um sistema microeletromecânico e compreende sensores de IMU que incluem acelerômetros e giroscó- pios e/ou • a unidade de medição inercial (18) compreende sensores inerciais de grau tático ou precisão inferior, em particular de grau industrial ou precisão inferior.

3. Sistema de medição, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que • a unidade de medição inercial (18) compreende, pelo menos, três acelerômetros em uma configuração mutuamente ortogonal e pelo menos três giroscópios em uma configuração mutuamente ortogonal, • os meios de processamento de IMU são configurados para determinar atitude inercial, dados de velocidade inercial e dados de posição inercial como parte dos dados de estado inercial, e/ou • os meios de avaliação (17) são configurados adicionalmente para derivar um ângulo de guinada referenciado bem como um ângulo de inclinação referenciado e um ângulo de rolagem referenciado da baliza topográfica (1) como os dados de atitude referenciados.

4. Sistema de medição, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que • a unidade de medição inercial (18) compreende adicionalmente pelo menos um magnetômetro, particularmente dois ou três magnetômetros em uma configuração mutuamente ortogonal, e em que • os meios de processamento de IMU também são configurados para determinar também dados de bússola-atitude como parte dos dados de estado inercial.

5. Sistema de medição, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que • os meios de processamento de IMU são configurados para determinar repetidamente os dados de estado inercial em uma taxa igual ou superior aos meios de determinação da posição referenciada e • os meios de avaliação (17) são configurados para alimentar o algoritmo de filtro predefinido com os dados de estado inercial determinados repetidamente com uma taxa igual ou superior àquela com a posição referenciada determinada repetidamente.

6. Sistema de medição, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, sendo que os meios fornecedores de posição compreendem um retrorrefletor (11), caracterizado pelo fato de que os meios de determinação compreendem uma estação total ou um taqueômetro para medir a posição referenciada do retrorrefletor (11).

7. Sistema de medição, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que os meios fornecedores de posição compreendem uma antena de GNSS (19), os meios de determinação compreendem uma unidade de processamento de GNSS para processar sinais de saída da antena de GNSS e derivar dos mesmos a posição referenciada da antena de GNSS.

8. Kit de atualização (30) para um sistema de medição para medir a posição de um ponto de medição (1) no solo, sendo que o kit de atualização (30) é adaptado para detectar os dados de atitude, em que o sistema de medição compreende, • uma baliza topográfica (10) com, ° um corpo (13) que tem uma ponta de apontador (12) para contatar o ponto de medição (1) e ° meios fornecedores de posição para tornar disponível a determinação coordenativa de uma posição referenciada, sendo que os meios fornecedores de posição são colocados sobre o corpo (13) com uma relação espacial definida em relação à ponta (12), particularmente em que os meios fornecedores de posição compreendem um retrorrefletor (11) e/ou uma antena de GNSS (19), • meios de determinação para determinar repetidamente a posição referenciada dos meios fornecedores de posição e • primeiros meios de avaliação (17) para derivar a posição do ponto de medição (1) pelo menos com base na posição referenciada determinada e na relação espacial definida dos meios fornecedores de posição em relação à ponta (12), sendo que o kit de atualização (30) compreende, • uma unidade de medição inercial (38) a ser colocada sobre o corpo (13) com uma relação espacial definida em relação aos meios fornecedores de posição, em que a unidade de medição inercial (38) compreende sensores de IMU que incluem acelerômetros e giros- cópios, e • meios de processamento de IMU para determinar repetidamente os dados de estado inercial com base nas medições tomadas pela unidade de medição inercial, os dados de estado inercial incluem um estado de atitude, sendo que, • o kit de atualização (30) compreende adicionalmente segundos meios de avaliação (37) configurados para, ° receber a posição referenciada determinada repetidamente e os dados de estado inercial determinados repetidamente, ° alimentar um algoritmo de filtro predefinido com a posição referenciada determinada repetidamente e os dados de estado inercial determinados repetidamente e derivar dos mesmos os dados de atitude referenciados para a baliza topográfica (10), levando-se em conta a relação espacial definida da unidade de medição inercial (38) em relação aos meios fornecedores de posição, e ° usar os dados de atitude referenciados para derivar a posição do ponto de medição (1), caracterizado pelo fato de que, os segundos meios de avaliação (47) são adicionalmente configurados para usar um Filtro de Diferença Dividida dentro de um algoritmo de filtro predefinido, e o estado de atitude é representado como um desvio de uma atitude nominal em uma representação de três parâmetros.

9. Kit de atualização (30), de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que • meios de fixação (33) para fixar o kit de atualização (30) ou partes do mesmo, particularmente a unidade de medição inercial (38), à baliza topográfica (10), e/ou • meios para detectar e/ou definir uma relação espacial da unidade de medição inercial (38) em relação aos meios fornecedores de posição.

10. Módulo de medição (40) para um sistema de medição para medir a posição de um ponto de medição (1) no solo, sendo que o módulo de medição (40) é adaptado para detectar dados de altitude, em que • o sistema de medição compreende uma baliza topográfica (10) com um corpo (13) que tem uma ponta de apontador (12) para contatar o ponto de medição (1), e • o módulo de medição (40) compreende, ° meios fornecedores de posição para tornar disponível a determinação coordenativa de uma posição referenciada, em que os meios fornecedores de posição devem ser colocados sobre o corpo (13) com uma relação espacial definida em relação à ponta (12), particularmente em que os meios fornecedores de posição compreendem um retrorrefletor (41) e/ou uma antena de GNSS (49), ° meios de determinação para determinar repetidamente a posição referenciada dos meios fornecedores de posição e ° meios de avaliação (47) para derivar a posição do ponto de medição (1) pelo menos com base na posição referenciada determinada e na relação espacial definida dos meios fornecedores de posição em relação à ponta (12), sendo que o módulo de medição (40) compreende adicionalmente, • uma unidade de medição inercial (48) a ser colocada sobre o corpo (13) com uma relação espacial definida em relação aos meios fornecedores de posição, em que a unidade de medição inercial (48) compreende sensores de IMU que incluem acelerômetros e giros- cópios, e • meios de processamento de IMU para determinar repetidamente dados de estado inercial com base nas medições tomadas pela unidade de medição inercial, os dados de estado inercial incluem um estado de atitude, sendo que os meios de avaliação (47) são configurados para • receber a posição referenciada determinada repetidamente e os dados de estado inercial determinados repetidamente, • alimentar um algoritmo de filtro predefinido com a posição referenciada determinada repetidamente e os dados de estado inercial determinados repetidamente e derivar dos mesmos os dados de atitude referenciados para a baliza topográfica (10), levando-se em conta a relação espacial definida da unidade de medição inercial (48) em relação aos meios fornecedores de posição, • usar os dados de atitude referenciados para derivar a posição do ponto de medição (1), caracterizado pelo fato de que, os meios de avaliação (47) são adicionalmente configurados para usar um Filtro de Diferença Dividida dentro de um algoritmo de filtro predefinido, e o estado de atitude é representado como um desvio de uma atitude nominal em uma representação de três parâmetros.

11. Método de medição para medir a posição de um ponto de medição (1) no solo, com a ajuda de uma baliza topográfica (10) que tem, • um corpo (13) que tem uma ponta de apontador (12) para contatar o ponto de medição (1) e • meios fornecedores de posição para tornar disponível a determinação coordenativa de uma posição referenciada, em que os meios fornecedores de posição são colocados sobre o corpo (13) com uma relação espacial definida em relação à ponta (12), particularmente em que os meios fornecedores de posição compreendem um retrorre- fletor (11) e/ou uma antena de GNSS (19), sendo que o método de medição compreende, • determinar repetidamente a posição referenciada dos meios fornecedores de posição e • derivar a posição do ponto de medição (1) pelo menos com base na posição referenciada determinada e na relação espacial definida dos meios fornecedores de posição em relação à ponta (12), sendo que a baliza topográfica (10) compreende adicionalmente uma unidade de medição inercial colocada sobre o corpo (13) com uma relação espacial definida em relação aos meios fornecedores de posição, em que a unidade de medição inercial compreende sensores de IMU que incluem acelerômetros e giroscópios, sendo que o método de medição compreende adicionalmente, • determinar repetidamente os dados de estado inercial com base nas medições tomadas pela unidade de medição inercial (18), sendo que o dados de estado inercial inclui um estado de atitude, • alimentar um algoritmo de filtro predefinido com a posição referenciada determinada repetidamente e os dados de estado inercial determinados repetidamente e derivar dos mesmos os dados de atitude referenciados para a baliza topográfica (10), levando-se em conta a relação espacial definida da unidade de medição inercial em relação aos meios fornecedores de posição, e • usar adicionalmente os dados de atitude referenciados para derivar a posição do ponto de medição (1), caracterizado pelo fato de que um Filtro de Diferença Dividida é usado no algoritmo de filtro predefinido, e o estado de titude é representado como um desvio de uma atitude nominal em uma representação de três parametros.

12. Método de medição, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que a unidade de medição inercial (18), • é projetada na forma de um sistema microeletromecânico e/ou • compreende sensores inerciais de grau tático ou precisão inferior, em particular de grau industrial ou precisão inferior.

13. Método de medição, de acordo com qualquer uma das reivindicações 11 ou 12, caracterizado pelo fato de que os dados de atitude referenciados são representados por um ângulo de guinada referenciado, um ângulo de inclinação referenciado e um ângulo de rolagem referenciado da baliza topográfica (1).

14. Método de medição, de acordo com qualquer uma das reivindicações 11 a 13, caracterizado pelo fato de que, os dados de posição inercial e os dados de atitude inercial são determinados como parte dos dados de estado inercial, particularmente, também, dados de velocidade inercial e parâmetros de erro de sensor de IMU, especialmente em que os parâmetros de erro de sensor de IMU são determinados com base em um modelo de erro para os sensores de IMU que incluem pelo menos um dentre • polarização de sensor, • erros de sensibilidade, • desalinhamento e • erros de não linearidade, • bem como - em relação aos giroscópios - sensibilidade à aceleração.

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