CN101297174B - 使用单扇面激光器来增强无线电定位系统的方法 - Google Patents

使用单扇面激光器来增强无线电定位系统的方法 Download PDF

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Abstract

一种通过使用固定扇面激光发射机(18)来增强移动无线电定位系统(Mobile_RADPS)(10)的方法。漫游器(12)包括与移动激光检测器(16)集成在一起的移动无线电定位系统(Mobile_RADPS)(14)。固定扇面激光发射机(18)与固定无线电定位系统(Stationary&lowbar；RADPS)(20)集成在一起。该方法包括下列步骤：(A)由固定扇面激光发射机(18)产生一个单一倾斜的扇面波束(22)；(B)通过使用移动激光检测器(16)来检测由固定扇面激光发射机(18)所产生的单一倾斜扇面波束(22)；以及(C)确定触及漫游器位置的扇面激光束(22)的计时并使用触及漫游器位置的扇面激光束(22)的计时来改善在漫游器(12)位置坐标确定中的精度。

Description

使用单扇面激光器来增强无线电定位系统的方法
发明领域
本发明涉及定位跟踪和机器控制系统的领域，尤其涉及使用单扇面的激光器来增强无线电定位系统。
背景技术
将最佳情况下能够提供厘米精度的基于无线电的定位系统(RTK GPS)和能够提供毫米垂直坐标精度的基于激光的定位系统组合起来，旨在将组合的基于无线电一光的定位系统的垂直精度提高到毫米的数量级。
然而，现有技术的系统采用能够产生至少两个激光束的扇面激光器来向基于无线电的定位传感器提供信息。
发明内容
本发明披露了一种使用组合的基于无线电和光定位系统中的基于无线电的定位元件的精确计时的简化技术方案。该方案允许使用精确计时的单扇面波束(而不是双倾斜的激光扇面波束)来提高基于组合的无线电和光的定位系统的垂直精度。
本发明的一个方面涉及一种通过使用固定的扇面激光发射机来增强移动无线电定位系统(Mobile_RADPS)的方法。
在一个实施例中，本发明的方法包括下列步骤：(A)通过固定的扇面激光发射机来产生一个单一倾斜的扇面波束；(B)通过使用移动激光检测器来检测出由固定扇面激光发射机所产生的单一倾斜的扇面波束；以及(C)确定触及漫游器位置的扇面激光束的时间以及使用触及漫游器位置的扇面激光束的时间来提高确定漫游器位置坐标的精度。在本发明的这一实施例中，漫游器包括与移动激光检测器集成在一起的移动无线电定位系统(Mobile_RADPS)。在本发明的这一实施例中，固定扇面激光发射机是与固定的无线电定位系统集成在一起的(Stationary_RADPS)。
在本发明的一个实施例中，通过固定扇面激光发射机产生单一倾斜扇面波束的步骤(A)还包括下列步骤：(A1)为定位于某一位置中的固定扇面激光发射机提供已知坐标；和(A2)使扇面激光发射机以基本恒定的角速率围绕着它的垂直轴旋转。
在本发明的一个实施例中，提供定位在已知坐标位置中的固定扇面激光发射机的步骤(A1)还包括步骤(A1，1)即自检测固定扇面激光发射机，以便于通过使用固定无线电定位系统(Stationary_RADPS)来确定它的位置坐标。
在本发明的一个实施例中，步骤(A1，1)还包括步骤(A1，1，1)，通过使用固定无线电定位系统(Stationary_RADPS)来接受选自于由GPS、GLONASS、GPS/GLONASS组合、GALILEO、全球导航卫星系统(GNSS)定位系统、和伪卫星发射机所构成的组中至少一种无线电信号源所广播的第一种多组外部无线电信号。在本发明的这一实施例中，固定无线电定位系统(Stationary_RADPS)被配置成使用第一种多个外部无线电信号来获取固定扇面激光发射机的位置坐标)。
在本发明的一个实施例中，步骤(A1，1)还包括下列步骤：(A1，1，2)提供差动固定无线电定位系统(Stationary_RADPS)；(Al，1，3)通过使用差动固定无线电定位系统(Stationary_RADPS)来接受选自于由GPS、GLONASS、GPS/GLONASS组合、GALILEO、全球导航卫星系统(GNSS)定位系统、和伪卫星发射机所构成的组中至少一种无线电信号源所广播的第一种多组外部无线电信号；和(A1，1，4)通过使用差动固定无线电定位系统(Stationary_RADPS)来接受选自于由基站、RTK基站、虚拟基站(VBS)和伪卫星发射机所构成的组中至少一个信号源所广播的第一组差动坐标数据。在本发明的这一实施例中，差动无线电定位系统(Stationary_RADPS)被配置成使用第一种多组外部无线电信号和第一组差动校正数据来获取固定扇面激光发射机的位置坐标。
在本发明的一个实施例中，步骤(A1，1)还包括步骤(A1，1，5)，即提供无线通讯链路，构成差动固定无线电定位系统(Stationary_RADPS)与差动校正数据源的连接。在本发明的这一实施例中，其中，无线通讯链路选自由蜂窝链路、无线电、专用无线电频段、SiteNet 900专用无线电网路、无线互联网、卫星无线通讯链路和光无线链路所构成的组中。
在本发明的一个实施例中，使扇面激光发射机围绕着它的垂直轴旋转的步骤(A2)还包括步骤(A2，1)使扇面激光发射机的头部以基本恒定的角速率围绕着它的垂直轴机械旋转。在本发明的这一实施例中，扇面激光发射机的头部围绕着它垂直轴机械旋转的基本恒定角速率可以通过使用相位振荡器来控制的。在本发明的这一实施例中，扇面激光发射机的头部围绕着它的垂直轴机械旋转的基本恒定角速率可以通过为激光发射机的头部提供足够充分的质量来改善。
在本发明的一个实施例中，使扇面激光发射机围绕着它的垂直轴旋转的步骤(A2)还包括步骤(A2，2)使用扇面激光发射机以基本恒定角速率围绕着它的垂直轴光学旋转。
在本发明的一个实施例中，通过固定扇面激光发射机产生单一倾斜扇面波束的步骤(A)还包括下列步骤：每当激光束的一已知位置通过在激光发射机中的一个对照标记的时候，(A3)都产生一电子计时脉冲；(A4)通过使用固定无线电定位系统(Stationary JRADPS)来对电子计时脉冲进行时间标记；(A5)通过使用多个时间标记来产生激光束的角速率的评估；其中各个时间标记用于指出参考标记与电子计时脉冲交叉的时间瞬间；和(A6)通过无线通讯链路将激光束的角速率评估值和多个时间标记发送至漫游器。
在本发明的一个实施例中，无线讨论链路包括第一无线通讯链路。在本发明的另一实施例中，无线通讯链路包括第二无线通讯链路。
在本发明的一个实施例中，通过使用多个时间标记来产生激光束的角速率评估的步骤(A5)，其中各个时间标记表示参考标记与电子计时脉冲交叉的时间瞬间，还包括步骤(A5，1)通过使用多个时间标记来产生激光束的角速率的低通滤波评估值，其中，各个时间标记表示参考标记与电子计时脉冲交叉的时间瞬间。
在本发明的一个实施例中，通过固定扇面激光发射机产生单一倾斜扇面波束的步骤(A)还包括下列步骤：(A7)除了主要参考标记之外，还包括至少一个其它参考标记；每当激光器波束的一已知位置通过主要参考标记及激光器发射机中的每个参考标记时(A8)都产生电子计时脉冲；(A9)通过使用固定无线电定位系统(Stationary_RADPS)来对各个电子计时脉冲进行时间标记；(A10)通过使用多个时间标记来产生激光束的角速率评估，其中，各个时间标记表示主要参考标记与电子计时脉冲交叉或者各个其它参考标记与电子计时脉冲交叉的时间瞬间；以及(A11)通过无线通讯链路将激光束的角速率评估和多个时间标记发送至漫游器，其中，通过对激光束进行时间标记形成各个其它参考标记所定义的多个时间标记包括构成对激光束的旋转角速率的变化进行补偿的激光器校正数据。
在本发明的一个实施例中，通过使用多个时间标记来产生激光束的角速度评估值的步骤(A10)还包括步骤(A10，1)通过多个时间标记来产生激光束的角速率的低通滤波评估，其中，各个时间标记表示主要参考标记与电子计时脉冲交叉的时间瞬间或者各个其它参考标记与电子计时脉冲交叉的时间瞬间。
在本发明的一个实施例中，通过使用移动激光检测器来检测固定扇面激光发射机所产生的单一倾斜的扇面波束的步骤(B)还包括下列步骤：(B1)通过使用移动激光检测器来检测由激光发射机所产生的至少一个光脉冲；以及(B2)由漫游器接受激光束的角速率的评估值和多个时间标记值。在本发明的这一实施例中，各个光脉冲对应于触及漫游器位置的单一倾斜扇面激光束。在本发明的这一实施例中，各个光脉的前沿和/或后沿都是固定无线电定位系统(Stationary_RADPS)进行时间标记的。
在本发明的一个实施例中，由漫游器接受激光束的角速率的评估值和多个时间标记的步骤(B2)还包括步骤(B2，1)，即由漫游器接受激光束的角速率的低通滤波评估值和多个时间标记。
在本发明的一个实施例中，步骤(B2，1)还包括步骤(B2，1，1)，即由漫游器使用无线通讯链路来接受激光束的角速率的低通滤波评估和多个时间标记。
在本发明的一个实施例中，通过使用移动激光检测器来检测固定扇面激光发射机所产生的单一倾斜扇面波束的步骤(B)还包括下列步骤：(B3)通过使用移动激光检测器来检测由激光发射机所产生的至少一个光脉冲，其中，各个光脉冲对应于触及漫游器位置的单一倾斜扇面激光束；(B4)由漫游器接受激光束的角速率的评估值和多个时间标记，其中，各个光脉冲的前沿和/或后沿都是固定无线电定位系统(Stationary_RADPS)进行时间标记的；以及(B5)接受激光器校正数据，构成对激光束的旋转角速度变化的补偿，其中，激光器校正数据包括通过将激光束时间标记使之成为各个其它参考标记来定义的多个时间标记。
在本发明的一个实施例中，步骤(B4)还包括步骤(B4，1)由漫游器接受激光束的角速率的低通滤波评估和多个时间标记，其中，各个光脉冲的前沿/后沿都是固定无线电定位系统(Stationary_RADPS)的时间标记。在本发明的这一实施例中，无线通讯链路用于漫游器接受激光束的角速率的低通滤波评估值、接受多个时间标记和接受激光器校正数据。
在本发明的一个实施例中，确定扇面激光束触及漫游器位置的计时和使用扇面激光束触及漫游器位置的计时来改善漫游器的位置坐标确定中的精度的步骤(C)还包括下列步骤：(C1)测量在对应于所接收到的触及漫游器位置的单一倾斜扇面激光束的光脉冲的时间瞬间和对应于激光束的中心通过在激光发射机的位置上的主要参考标记的时间瞬间的最后一个主要参考交叉时间之间的时间差异；以及(C2)基于漫游器的位置坐标和基于在步骤(C1)所测量到的时间差异，以改善的精度来计算漫游器的高度；其中，漫游器的位置坐标是由在GPS时间点上立即进行所述激光器触及时所产生的位置坐标和在GPS时间点上在激光器触及之后所产生的位置坐标之间进行内插值的内插值位置坐标。
在本发明的一个实施例中，步骤(C2)还包括下列步骤：(C2，1)提供差动移动无线电定位系统(Mobile_RADPS)(C2，2)通过使用差动移动无线电定位系统(Mobile_RADPS)来接受选自于GPS、GLONASS、GPS/GLONASS组合、GALILEO、全球导航卫星系统(GNSS)和伪卫星发射机所构成的组中至少一个无线电信号源所广播的第二组外部无线电信号；以及(C2，3)通过使用差动移动无线电定位系统(Mobile_RADPS)来接受选自于基站、RTK基站、虚拟基站(VBS)和伪卫星发射机)构成的组中至少一个信号源所广播的第二组差动校正数据。
在本发明的一个实施例中，步骤(C2)还包括步骤(C3)优化漫游器改善的高度计算。
在本发明的一个实施例中，优化漫游器改善的高度计算的步骤(C3)还包括步骤(C3，1)从由与激光束旋转频率有关的漫游器高度的偏导数、与漫游器偏离激光发射机的水平距离有关的漫游器高度的偏导数、与实际激光器触及时间和期望激光器触及时间之间的时间差异有关的漫游器高度的偏导数、以及与垂直角度有关的漫游器高度的偏导数所构成的组中计算一组灵敏度参数。
在本发明的一个实施例中，步骤(C3)还包括步骤(C3，2)通过使用对应于在激光发射机位置上激光束作进行时间标记的各个其它参考标记的时间标记来计算可变的激光束的旋转频率。
在本发明的一个实施例中，确定触及漫游器位置的扇面激光束的计时以及使用触及漫游器位置的扇面激光束的计时来改善在漫游器位置坐标确定中的精度的步骤(C)还包括步骤(C4)计算影响多个扇面波束的平面误差的漫游器的改善高度计算。
在本发明的一个实施例中，通过使用固定扇面激光发射机来增强移动无线电到位系统(Mobile_RADPS)的方法还包括步骤(D)确定器具的改善精度位置坐标，其中器具选自于由掘土机械上的刀刃或者叉头、农业器具、以及连接着设备并且其位置可以控制的器具所构成的组中的。
在本发明的一个实施例中，步骤(D)还包括步骤(D1)控制器具的移动。
本发明的另一方面是一种基于无线电和光的移动定位系统，该基于无线电和光的移动定位系统包括：(A)用于产生单一倾斜扇面波束的部件；(B)用于检测在漫游器位置上的单一倾斜扇面波束的部件，其中，漫游器包括移动定位系统；(C)用于确定激光束触及漫游器位置的计时的部件；以及(D)用于使用触及漫游器位置的扇面激光束的计时来改善在漫游器位置坐标确定中的精度的部件。
在一个实施例中，本发明的系统还包括漫游器且该漫游器还包括器具。在这一实施例中，本发明的系统还包括部件(E)，用于确定扇面激光束触及漫游器位置的计时，以便于改善在器具位置坐标确定中的精度。
在本发明的一个实施例中，部件(E)还包括部件(E1)，用于控制器具的移动。
附图的简要描述
以下结合附图所作的本发明较佳实施例的详细描述的结果将使本发明的上述优点以及其它优点能够得到更加清晰的理解。
图1图示说明了本发明基于无线电和光的移动定位系统，该基于无线电和光的移动定位系统包括与固定无线电定位系统(Stationary_RADPS)集成在一起的固定扇面激光发射机以及还包括与移动激光检测器集成在一起的移动无线电定位系统(Mobile_RADPS)的漫游器。
图2是计时图，它图示说明了适用于本发明的目的如何首先使用零交叉的时间序列来产生激光发射机旋转速率的低通滤波的评估值。
图3图示说明了适用于本发明目的的激光束的几何形状和观察到的高度差异。
图4图示说明了适用于本发明目的的激光发射机-激光检测器的几何形状。
图5图示说明了适用于本发明目的的扇面波束的平面误差，这是由于在光学元件制造中的少量不完善所引起的。
具体实施方式
下面将结合附图详细讨论本发明的较佳实施例。在结合较佳实施例讨论本发明的同时，应该理解的是，并不是旨在将本发明限制于这些实施例。恰恰相反，本发明旨在覆盖由所附权利要求书所定义的本发明的精神和范围之内的所有变更、改进和等效。此外，在本发明的下列详细描述中，所阐述的众多特殊细节都是为了提供对本发明的全面理解。然而，很显然，对于业内专业熟练的技术人员而言，可以在没有这些特殊细节的条件下实现本发明。在其它情况下，没有详细描述的所有已知的方法、流程、元件和电路不一定就不是本发明的显而易见的方面。
本发明披露一个简化的技术方案，它使用了组合基于无线电和光定位系统的基于无线电定位元件的精确计时。该技术方案允许使用精确计时的单一扇面波束(而不是双倾斜倾斜的激光器扇面波束)来改善基于组合的无线电和光的定位系统的垂直精度。
图1图示说明了本发明基于无线电和光的移动定位系统10，它包括：一漫游器12，该漫游器还包括与移动激光检测器16集成在一起的移动无线电定位系统(Mobile_RADPS)14，以及与固定无线电定位系统(Stationary_RADPS)20集成在一起的固定扇面激光发射机18。在本发明的一个实施例中，激光发射机18被配置成产生单一旋转激光束22。
与激光发射机18集成在一起的固定无线电定位系统(Stationary_RADPS)接收机20为潜在的用户提供了优于机械组合激光器系统和RADPS接收机系统多益处。实际上，与激光发射机18集成在一起的固定无线电定位系统(Stationary_RADPS)接收机20具有比组合激光器和Stationary_RADPS系统的成本更低的成本，因为集成的系统仅仅只需要一组封装，并且可以使用共享的计算机存储器和可以使用一个共同的电源。在集成系统中，激光束和Stationary_RADPS固定天线的电性能相位中心是由已知的和固定的距离“d”28分开，其中，在机械组合的系统中，在激光束和Stationary_RADPS固定天线的电性能相位中心之间的距离有可能形成误差，因为这一距离是由集成系统的操作者所引入的。
在本发明的一个实施例中，固定无线电定位系统(Stationary_RADPS)20定位在具有已知坐标的位置上。在这一实施例中，激光发射机18的坐标是事先预知的。
在本发明的一个实施例中，固定无线电定位系统(Stationary_RADPS)20被配置成可进行自我检测，以便于获得它的位置坐标26以及激光发射机18的位置坐标，因为在固定卫星天线30和激光发射机之间的距离“d”28是固定的和已知的。
根据已转让给本发明受让人的美国专利No.6,433,866、题为“高精度GPS/RTK和激光器的机械控制(High precision GPS/RTK and laser machine contro1)”，激光发射机18还包括平面激光发射机，它构成产生具有高精度垂直坐标的参考激光束22。美国专利No.6,433,866通过引用全文合并与此。
更具体地说，根据‘866专利，激光发射机18包括旋转的激光器系统。在旋转的激光器系统中，激光器源在水平面(或Z面)上旋转(机械或者光旋转)。旋转的激光器发射出激光束，该波束提供具有毫米精度的高精度参考平面。为了检测和获得旋转的激光束的益处，潜在的用户必须是定位在垂直的范围中以及必须装备能够接受旋转激光束的激光检测器(或者激光接收机)16。敬请参阅下列讨论。
在机械的实施例中，电动机使激光器18旋转，相应地，也使激光束22旋转。在光学的实施例中，镜面棱镜旋转使得不旋转的激光器发射出旋转的激光束。
在本发明的一个实施例中，3D激光器站产生至少一个旋转扇面形状的激光束22。在美国专利No.6,870,608和6,643,004中披露了产生至少一种旋转扇面形状的激光束22的3D激光器站。美国专利No.6,870,608和6,643,004的全文援引在此。
仍请参考图1，固定无线电定位系统(Stationary_RADPS)接收机20可以选自于由GPS接收机、GLONASS接收机、组合GPS/GLONASS接收机、GALILEO接收机、全球导航卫星系统(GNSS接收机、以及虚拟接收机所构成的组中。
全球定位系统(GPS)是一种卫星信号发射机，它能够发射信号，从它可以确定观察者的当前位置和/或观察时间，另一种基于卫星的导航系统称为全球轨道导航系统(GLONASS)，它可以作为另一种选择或者补充系统来使用。
GPS是由美国国防部(DOD)在它的NAVSTAR卫星项目下研发的。全部运作的GPS包括多于24颗地球轨道卫星且以各自四颗卫星基本均匀分布围绕着六个圆形轨道上，轨道以相对于赤道作55°角度倾斜并且相互间以60°经度分开。轨道的半径为26,560公里并且为基本圆形的。轨道不是与地球位置相对不变的，而是具有0.5恒星日(11.967小时)轨道时间间隔，使得卫星以相对于地球较慢的时间运动。一般来说，从地球表面的大多数点上可以观察到四颗或者多颗GPS卫星，从而可用于确定在地球表面上的任一观察者的位置。各个卫星都携带着铯或铷原子钟，以便于提供适用于卫星发射信号的计时信息。为各个卫星时钟提供了内部时钟校正。
各个GPS卫星持续发射两个频谱，L频段载波信号：具有频率f1＝1575.42MHz(大约19厘米载波波长)的L1信号和具有频率f2＝1227.6MHz(大约24厘米载波波长)的L2信号。这两个频率都是基频f0＝1.023MHz的整数倍f1＝1,540f0和f2＝1,200f0。来自各个卫星的L1信号是采用两个90°相位差的虚拟随机噪声(PRN)码调制的两进制相移键BPSK，被称为C/A码和P码。来自各个卫星的L2信号是仅仅被P码调制的BPSK。这些PRN码的性质以及适用于产生C/A码和P码的公认方法在文档ICD-GPS-200中有所叙述：GPS接口控制文档(参见GPS InterfaceControl Document，ARINC Research，1997，GPS Joint Program Office)中进行了阐述，该文档通过援引合并在此。
GPS卫星的比特流包括有关发射GPS卫星星历表上的导航信息(这包括有关在发射之后的几个小时内的发射卫星的轨道信息)以及所有GPS卫星的历书(这包括有关所有卫星的较少的详细轨道信息)。发射卫星信息也包括提供对球形信号传输延迟的校正的参数(适用于单频接收机)和适用于在卫星时钟时间和实际GPS时间之间的偏离时间的校正的参数。导航信息采用50波特的速率来发射。
第二个基于卫星的导航系统是全球轨道导航卫星系统(GLONASS)，它是由前苏联放置在轨道上的并且现在由俄罗斯联邦在维护。GLONASS使用了24颗卫星，大致均匀分布在三个轨道平面上，各个平面上有8颗卫星。各个轨道平面相对于赤道法向具有64.8°的倾斜，并且三个轨道平面以120°经度的倍数相互分开。GLONASS卫星具有大约25,510公里为半径的圆形轨道并且卫星旋转周期为8/17恒星日(11.26小时)。GLONASS卫星和GPS卫星将分别环绕着地球每8天完成17和16次旋转。GLONASS系统使用了两种载波信号L1和L2，其频率为fl＝(1.602+9k/16)GHz和f2＝(1.246+7k/16)GHz，其中k＝(1，2，...24)是信道或卫星数目。这些频率都在1.597-1.617GHz(L1)和1，240-1,260GHz(L2)的两个波段内。L1信号是由C/A码(芯片的速率为0.511MHz)和P码(芯片的速率为5.11MHz)来调制。L2信号目前只由P码来调制。GLONASS卫星也以50波特的速率来发射导航数据。因为信道频率是相互可以区分的，但对于各个卫星来说，P码是相同的以及C/A码是相同的。适用于接受和解调GLONASS信号的方法类似于适用于GPS信号的方法。
正如欧洲委员会在“2010年欧洲交通政策的白皮书”中所披露的那样，欧盟将开发独立自主的卫星导航系统，作为全球导航卫星基础(GNSS)中的一部分。
GALILEO(伽里略)系统是基于30颗人造卫星的星群和地面站，可以在许多方面，例如，交通(车辆的位置、路线搜索、速度控制、引导系统，等等)、社会服务(即，为残障人士或者老年人士提供服务)、司法系统和海关服务(嫌疑犯的位置、边界的控制)、公共工作(地理信息系统)、搜寻和援助系统、或者休闲(在海上或者在登山中发现方向，等)，提供有关用户定位的信息。
GALILEO将提供几种服务等级，从开放访问到受限访问有各种不同的等级。
(A)开放的、免费的基本服务：主要包括适用于普通公众和一般兴趣服务的应用。这种服务可与城市PGS所提供的服务相比，对于这些应用的成本是免费的，但能够提高质量和可靠性。
(B)商用服务：推进专业应用的发展和提供较基础服务更好的性能，特别是在服务保证方面。
(C)“关键性”服务(生命服务的安全性)：对于诸如航空和海运等安全关键的应用来说，具有非常高的质量和完整性。搜寻和援助服务将大大改善现有的救济和援助服务。
(D)公共管制服务(PRS)：加密和抵御人为干扰和打扰，主要用于负责城市保护、国家安全和法律实施的管理当局，这需要具有高度的连贯性。这也将是欧盟所要开发的安全应用，并且能够证明这将成为在改进欧盟抵御违法出口、非法移民和恐怖活动所使用的仪器设备的一项特殊重要的工具。
本文中的无线电定位系统(RADPS)涉及为全球定位系统、全球轨道导航系统、GALILEO系统以及其它相容的全球导航卫星系统(GNSS)基于卫星的系统，通过这些系统能够提供用于确定观察者的位置和观察时间的信息、所有的这些系统都能满足本发明的需求，以及诸如由一个或者多个伪卫星发射机所构成的基于地面的无线电定位系统。
仍请参考图1，在本发明的一个实施例中，Stationary_RADPS接收机20采用4颗卫星车辆140、42、44和46来确定它的位置坐标。
伪卫星包括基于地面的无线电定位系统，可以任何无线电频率进行工作，频率包括但并不限制于GPS频率和ISM(工业科学医学)未经许可的工作波段，包括900MHz、2.4GHz或5.8GHz波段、ISM波段，或者在诸如(9.5-10)GHz波段的无线电定位波段中进行工作。伪卫星可以用于通过提供提高精度、完整性和使用性来增强GPS。
在GPS波段中的伪卫星发射机的完整描述可以在“全球定位系统：理论和应用(Global Positioning System：Theory and Applications；Volume II，edited by BradfordW.Parkinson and James J.Spilker Jr.)”中找到，以及在“航天和航空中的进展(PROGRESS IN ASTRONAUTICS AND AERONAUTICS″，in Volume 164，byAmerican Institute of Aeronautic and Astronautics，Inc.，in 1966)”第164集中找到。
在ISM波段中，包括900MHZ、2.4GHz或5.8GHz波段，用户可以拥有ISM通讯系统的两个终端。ISM技术是由Trimble导航有限公司(Trimble NavigationLimited，Sunnyvale，Calif.Metricom，Los Gatos，Calif)和(Utilicom，Santa Barbara，California)所制造的。
作为无线电定位系统的伪卫星可以被配置成在ISM波段中工作。
在本发明的一个实施例中，伪卫星是通过使用在GPS波段中发射的基于地面的发射机(例如，由Novariant设计的地面系统(Terralite系统))来实现的。Novariant所设计的Terralite XPS系统为矿藏管理员提供了他们的定位系统的可靠性以直接进行控制并有助于覆盖在GPS覆盖范围中的间隙。Terralite XPS系统是由发射站(Terralites)和移动接收机的网络所组成的。Terralites广播XPS定位信号，遍及至12个信道、3个频率的移动接收机(L1、L2和XPS)。241×173×61毫米的Terralite接收机重4.5磅并且采用9至32伏DC(22瓦)。在XPS模式中，定位精度为水平10厘米和垂直15厘米。Novarinat位于美国加州(Menlo Park，CA，United States)。
以下的讨论将集中于GPS接收机，但相同的方法可以用于GLONASS接收机、GPS/GLONASS组合接收机、GALILEO接收机或者任何其它RADPS接收机。
仍请参考图1，在本发明的一个实施例中，Stationary_RADPS接收机20包括差动GPS接收机。在差动位置确定中，在RADPS信号中的许多危及绝对定位确定精度的错误，对接近的站其大小是类似的。因此，差动定位确定精度的这些误差可以通过部分误差的抵消而明显减小。于是，差动定位方法比绝对定位方法具有更好的精度，只要在这些站之间的距离明显小于从这些站到卫星的距离，而这是一种惯例情况。差动定位用于提供位置坐标和距离，其精度的绝对值在几个厘米之内。差动GPS接收机可以包括：(a)实时码差动GPS；(b)后处理差动GPS；(c)包括码和载波RTK差动GPS接收机的实时运动(RTK)差动GPS。
差动GPS接收机可以获得来自不同信号源的差动校正。
仍请参考图1，在本发明的一个实施例中，Stationary_RADPS(差动GPS)接收机20可以获得来自基站32的差动校正。
设置在已知位置上的固定基站(BS)确定在各个所接收到的GPS信号中的量程和量程率测量误差并且将这些测量误差作为局域用户所需要应用的校正来传播。基站(BS)具有它自己的不精确的时钟且时钟偏差为CBBASE。其结果是，局域用户能够获得相对于基站位置和基站时钟更加精确的导航结果。使用适当的设备，在距离基站几百公里的范围内有可能获得5米的相对精度。
仍请参考图1，在本发明的另一实施例中，差动GPS接收机14能够通过使用TRIMBLE Ag GPS-132接收机来实现，它能够通过使用无线通讯设备24和第一无线通讯链路34从U.S.Cost Guard服务免费的300KHz波段广播中获得差动校正。在这一实施例中，与差动GPS接收机20集成在一起的自检测激光发射机18应使用放置在距离U.S.Cost Guard2至300英里的范围之内。这种差动GPS方法的精度大约为50em。
仍请参考图1，在本发明的一个实施例中，差动校正可以通过使用无线通讯设备24和第一无线通讯链路34从广域增强系统(WAAS)中获得。
WAAS系统包括基站网络，它使用卫星(初期与地球的相对位置保持不变得卫星-GEO)向GPS用户广播GPS的完整性和校正数据。WAAS提供增强GPS的距离修正信号，即，WAAS距离修正信号设计成使得标准GPS接收机的硬件变化最小化。WAAS距离修正信号采用GPS频率和GPS类型的调制，仅仅只包括粗糙/采集(C/A)PRN码。另外，码的相位时间是与GPS时间同步的，从而提供距离修正的能力。为了获得位置的精度，WAAS卫星可以在卫星选择计算中使用任何其它GPS卫星。WAAS向WAAS兼容的用户提供了免费的差动校正。这一方法的精度好于1米。
仍请参考图1，在本发明的一个实施例中，实时运动(RTK)差动GPS接收机20可以用于获得小于2cm精度的定位位置。RTK差动GPS接收机通过使用无线通讯设备24和第一无线通讯链路34来接受设置在10至50公里之内已知位置上的基站32的差动校正。对于高精度测量来说，在特殊GPS卫星和RTK GPS接收机之间的整个周期载波相移的数量是可以解决的，因为在接收机上每一个周期将是同样出现的。于是，RTK GPS接收机以实时的方式解决了“整数不确定的”问题，即，确定在被观察的GPS卫星和RTK GPS接收机之间的载波卫星信号的整个周期的数量。实际上，在一个载波周期L1(或者L2)中的误差可以将测量的结果变化到19(或者24)厘米，这对于厘米级测量来说是不可接受的误差。
仍请参考图1，在本发明的一个实施例中，差动校正可以通过使用无线通讯设备24和第一无线通讯链路34由Stationary_RADPS接收机20从虚拟基站(VBS)32中获得。
实际上，虚拟基站(VBS)被配置成通过由单一蜂窝连接所组成的连接在一起的通讯链路，以及无线电发射或者广播系统向多个漫游器发送网络创建的校正数据。无线电发射系统的位置可以与作为局域虚拟参考站的位置的GPS基站一起定位。这一GPS基站使用GPS确定它的位置，并且将它的位置通过在基于GPS基站和VRS基站之间的蜂窝链路发送给VRS基站。这就确保了VRS基站能够产生差动校正，只要这类差动校正事实上是在真实的GPS基站位置上产生的即可。这些校正可以通过使用第一无线通讯链路34和无线通讯设备24发送至自检测激光发射机18。
Ulrich Vollath，Alois Deking，Herbert Landau和Christian Pagels等人撰写的文章“使用虚拟参考站的长距离RTK定位(Long-Range RTK Positioning Using VirtualReference Stations，)”中更加详细地讨论了VRS，这篇文章援引在此作参考，还可以 下 列 URL 进 行 访问：
http://trl.trimble.com/dscgi/ds.py/Get/File-93152/KIS2001-Paper-LongRange.pdf。
仍请参考图1，在本发明的一个实施例中，第一无线通讯链路34能够通过使用多种不同的实施例来实现。
一般来说，第一无线通讯链路34(参见图1)能够通过使用无线电波频率波段、红外频率波段或者微波频率波段来实现，在一个实施例中，无线通讯链路可以包括ISM波段，包括900MHz、2.4GHz或5.8GHz波段，其中用户能够自己拥有ISM通讯系统的两端。
在本发明的一个实施例中，第一通讯链路34(参见图1)能够通过使用TrimbleSiteNetTM 900专用无线电网络来实现。Trimble SiteNetTM 900专用无线电网络是专门为建筑和采矿行业所设计的粗糙的、多网络、900MHz无线电调制和解调的网络。它可用于为实时、高精度GPS应用建立具有鲁棒性的无线数据广播网络。
这种通用的Trimble无线电可以在902至928MHz的频率范围内工作，广播、重复和接收Trimble GPS接收机所使用的实时数据。在最佳的条件下，SiteNet 900无线电可以广播达到10公里(6.2英里)的数据，并且通过使用一个多中继器的网络可以增加覆盖区域。使用SiteNet 900无线电作为中继器，能够使之在先前不能达到或者有屏障的位置中提供覆盖。SiteNet 900无线电具有相当多的功能，能够容易地改变它的工作模式，使之适应于任何网络架构。这就减小了成本和最大化运行时间。另外，SiteNet 900在美国和加拿大是不需进行许可的，这使得它极为便携。可以在不需要考虑许可和限制的条件下从一个项目移动到另一个项目。SiteNet 900无线电设计成能够可靠地工作在许多其它产品和技术不能工作的苟求RF环境中。对具有增加灵敏度和免于干扰的GPS进行优化，SiteNet 900无线电也具有误差校正，以及高速数据速率，以便于确保最大化的性能。SiteNet 900无线电特别适用于和Trimble′s Site VisionTM GPS等级控制系统一起使用，并且对于可靠性最为重要的所有GPS机械控制应用是最为理想的。机械粗调单元已经完成了设计并且为苟刻的建筑和矿上环境而特别构建。针对灰尘、多雨、飞溅和喷溅的全密封，使得SiteNet 900无线电能够在各种气候条件下保持可靠性。无线电的粗框性和可靠性使得停工期最小化，从而降低了业主的成本。Trimble的SiteNet 900无线电可以与Trimble GPS接收机一起使用，包括MS750、MS850和5700接收机。
在本发明的一个实施例中，第一无线通讯链路34(参见图1)能够通过使用支持个人通讯服务(PCS)的1.8GHz波段来实现。PCS使用国际标准DCS-1800。同样，在另一实施例中，第一无线通讯链路34可以包括实时线路切换的无线通讯链路。例如，采用实时线路切换无线通讯链路的无线通讯链路可以包括摩托罗拉公司(Schaumburg，I11)所生产的铱卫星系统。
在另一实施例中，第一无线通讯链路34能够通过使用低地球轨道卫星(LEOS)系统、中地球轨道卫星(MEOS)系统或固定地球轨道卫星(GEOS)系统来实现，其中这些系统都能够用于存储和转发数字包数据。例如，在20至30GHz范围内的LEOS系统是由蜂窝通讯公司(Cellular Communications，Redmond，Washington)制造，以及在1.6至2.5GHz范围内的LEOS系统是由Loral/Qualcomm公司(Loral/Qualcomm，San Diego，California)制造。
第一无线通讯链路34可以包括蜂窝电话通讯部件、寻呼信号接受部件、无线信息服务、无线应用服务、无线WAN/LAN站、或者至少使用一个卫星作为中继无线电波信号的地球-卫星-地球通讯模块。第一无线通讯链路34也可以包括蜂窝电话通讯部件，该部件可以包括具有调制解调器的先进移动电话系统(AMPS)。该调制解调器可以包括在800MHz范围内的DSP(数字信号处理器)调制解调器，或者在800MHz范围内的蜂窝数字包数据(CDPD)调制解调器。蜂窝数字通讯部件包括通过无线电链路使用基于格式IS-54的时分多址(TDMA)系统、基于格式IS-95的码分多址(CDMA)系统或者频分多址(FDMA)系统的数字数据调制的部件。在欧洲使用的TDMA系统在法国被称为“分组类别的移动(GSM)”。
对于本发明的目的，蜂窝电话通讯部件可以用于获得对互联网的无线访问，以便于例如以特殊的网址来广播自检测激光发射机18的实时坐标。
仍请参考图1，无线通讯设备24可以通过使用能够构成提供蜂窝链路、无线电链路、专用无线电波段链路、SiteNet 900专用无线电网络链路、连接无线互联网的链路以及卫星无线通讯链路的任何设备来实现。业内熟练的技术人士可以容易地识别所有这些设备。敬请参见上述讨论。
在本发明的一个实施例中，无线通讯设备24被配置成能够响应来自移动设备(未图示)通过第一无线通讯链路34所发送的特殊请求。
仍请参考图1，在本发明的一个实施例中，激光发射机18包括扇面激光发射机，它被配置成产生单一旋转的扇面形状的激光束22，激光束在一块地面中的已知固定点上以均匀的速率围绕着垂直轴连续的旋转。在美国专利No.6,870,608和6,643,004中披露了产生单一旋转的扇面形状激光束的3D激光站。
仍请参考图1，在一个实施例中，本发明的装置10还包括距离测量设备(未图示)，它与激光发射机18和Stationary_RADPS接收机20集成在一起。在这一实施例中，距离测量设备(未图示)被配置成测量在固定无线电天线30的相位中心和自检测激光发射机18定位的已知点或者参考面(未图示)之间的距离，从而确定激光发射机18相对于已知点或者参考面(未图示)的位置坐标。
Trimble制造了新型的光谱精度激光器HD360，它是一种手持的距离测量工具，它能够向建筑工人、工程师和其他建筑相关承包人员传递着速度、精度和安全。它特别适用于测量危险的以及很难达到位置的距离。HD360是一种便于使用、易于携带的建筑工具，它包括一个数据显示屏幕和一个6按钮键盘。使用激光技术，它能够测量距离、面积和体积，无论是在室内还是在屋外。HD360的精度在直至60米的范围内是±3mm，甚至于好于±3mm。HD360可以用于建筑物的校对和检测，建筑物的定位、建筑物的维护、安装点的对准和分开、防火墙和天花板的安装、距离固定参考点的布局，以及面积和体积的计算。
Trimble还制造了HD150，它对于普通建筑和内部承包商、建筑商、工程师、HVAC承包商和电气承包商的使用最为理想。它的精度以及其它提高质量的生产力使得它成为众多应用中的时尚选择。即使在很难达到或危险位置中，例如，升降机的轴或者户外楼梯，HD150足以满足所有距离测量应用的要求。
以上提到的Trimble设备可以作为多种电子距离测量(EDM)工具实现距离测量设备来使用。更加特别的是，特殊激光“枪”波束可以用于非常精确地测量激光束从“枪”到反射器来回所用去的时间。使用这一时间，激光传输的已知速度(光的速度)和空气温度和压力的校正，所确定的距离就能精确到每毫米分之一(例如，在1公里的距离上的1mm精度。
仍请参考图1，在本发明的一个实施例中，漫游器12包括激光检测器16和移动无线电定位系统(Mobile_RADPS)接收机14。Mobile_RADPS接收机14选自于由GPS接收机、GLONASS接收机、组合GPS/GLONASS接收机、GALILEO接收机、全球导航卫星系统(GNSS)接收机，以及虚拟接收机所构成的组中。
在本发明的一个实施例中，Mobile_RADPS接收机14构成能够使用由四个卫星车辆SVl 40、SV242、SV344和SV446产生的至少四个无线电信号来确定它的位置坐标。
在本发明的一个实施例中，Mobile_RADPS接收机14包括差动Mobile_RADPS接收机14。在这一实施例中，第二无线通讯链路36可以用于基本连续地向差动Mobile_RADPS接收机14发送激光发射机18的精确坐标测量值以及由差动Stationary_RADPS接收机20所获得一组差动校正。在这一实施例中，差动Mobile_RADPS接收机14可以使用差动校正来获得漫游器12和激光检测器14的精确坐标测量值。
第二无线通讯链路36可以通过使用蜂窝链路、无线电链路、专用无线电波段链路、SiteNet 900专用无线电网络链路、连接无线互联网的链路，以及卫星无线通讯链路来实现。
仍请参考图1，激光检测器16包括多个光敏二极管。激光检测器16测量多个光敏二极管上的信号强度，以便于确定激光束22的中心。Trimble制造了能够用于本发明目的的机械安装的激光检测器LR21或者CR600。
仍请参考图1，在本发明的一个实施例中，激光发射机18包括一个单一的扇面波束系统。波束以一个非常恒定的角速率4rad/s围绕着垂直轴。旋转的频率是以f(Hz)给出的，而旋转的周期是T秒。在角参数之间存在着下列关系：
ω = 2 π T = 2 π × f [rad/s](1)
激光发射机18的头(未图示)在良好的轴承中旋转并且由相位振荡器锁定的电机来驱动。此外，激光发射机的头具有足够的质量，以便于增加扇面波束的恒定旋转速率。目前，旋转速率是40至50Hz。
每一次激光束22的中心经过激光发射机18中的零方向标记(未图示)时都会产生一个电子计时脉冲。计时脉冲是在发射机18位置坐标(是由Stationary_RADPS20所确定)中所精确标定的时间(一般是在40纳秒之内)并且标注为T。
激光的旋转速率一般是在50至60Hz。旋转速率的低通滤波评估值可以很容易地由零方向交叉时间来产生。这一信息随后使用移动无线设备38通过第二无线数据链路36发送给漫游器单元12，这也可以较佳地用作为RADPS差动角速率数据。
以下将显示在激光的旋转速率中的变化对漫游器12的高度评估精度的直接影响。除了旋转激光头的小心制造，有可能包括在形成RADPS时间标记的每隔π/4旋转弧度上的其它计时标记。在π/4、π/2、3π/4参考点上的观察到的和期望的时间标记之间的差异为激光信号的用户提供了激光校正机构。
零方向交叉时间通过第二无线通讯链路36发送至漫游器12。如果需要的话，也可以包括其它旋转速率变化的参数。
在本发明的一个实施例中，漫游器单元12安装在用于机械控制应用的杆48上，或者安装在用于手持结构装置等或者机动车辆的驾驶室内的便携式柱子48上。正如以上所讨论的那样，漫游器12包括集成的激光检测器16和用于跟踪无线电(或者卫星信号)的Mobile_RADPS接收机14。激光检测器16能够检测激光发射机18所产生的光脉冲。脉冲的前沿和/或后沿都是使用Mobile_RADPS接收机14所测定的时间，使之精度好于100纳秒，一般大约为40纳秒。
在本发明的一个实施例中，正如以上所讨论的，Mobile_RADPS接收机14包括差动Mobile_RADPS接收机，用于接受来自任何其它差动校正码流源的差动校正。
在本发明的一个实施例中，差动Mobile_RADPS接收机能够使用实时运动(RTK)技术来计算它相对于激光发射机18的位置且使之在几个厘米的范围之内。然而，相比于激光定位技术，采用RADPS技术使得漫游器的高度分量的精度稍微差些。
在本发明的一个实施例中，根据下列流程，通过使用激光检测器16确定在漫游器位置上的漫游器12的高度。
在第一步骤，正如图2中的时序图70所示，首先采用零交叉时间序列来产生激光发射机18旋转速率的低通滤波评估值：τ(1)72、τ(2)76、τ(3)80、τ(4)84、τ(5)88，...τ(n)。时序图70也图示说明了在激光检测器位置上激光触及的时间tstrike(1)74、tstrike(2)76、tstrike(3)82和tstrike(4)86。假设ffilt为低通滤波旋转频率以及Tfilt为对应的旋转周期。
在下一步骤，激光检测器16构成用于测量在接收到激光脉冲(触及)和最后零交叉时间之间的时间差异：
tdiff(i)＝tstrike(i)-τ(i)                                    (2)
式中：tdiff(i)是在时间点(i)上的激光触及时间和对应于零交叉时间之间的差异；τ(T)是在时间点i上零交叉的时间；tsrtrike(I)是在时间点i上激光触及的时间。
在实践中，激光触及可以在知道最后一个零交叉时间之前被接收到。这一延迟主要是由于对零交叉时间的时间标记以及广播和接收它们所用去的时间。公式(2)可以根据下式改进：
tdiff(i)＝tstrike(i)--[τ(i--m)+Tfilt ×m]                       (3)
式中：τ(i-m)是零交叉时间m旋转之前，Tfilt是低通滤波旋转周期(秒)，以及m是旋转的整数。
在下一步骤，Mobile_RADPS接收机14确定相对于激光发射机18的水平和垂直的漫游器位置且使之在几个厘米的范围之内。随后，从下式中求出漫游器单元的方位：
a = tan - 1 ( E T - E R N T - N R ) - - - ( 4 )
在一个实际的系统中，可以允许激光发射机的方位是任意的，而参考方位可以根据测量到的激光方位角度以及从固定到移动RADPS的GPS矢量来确定。
然而，在后续步骤中，假定激光发射机18是对准真正的北极，而激光18发射机和漫游器12处于相同的高度，随后激光触及时间可由下式给出：
tα(i)＝τ(i)+α(i)×ω                                        (5)
式中：tα(i)是在方位α上和与发射机的相同高度上的漫游器的期望激光触及时间；α(i)是在时间点i 上相对于发射机的漫游器的方位；ω是发射机头的旋转的角速率，正如公式(1)所定义的那样。
在下一步骤，一般，假定漫游器12将处于在激光发射机18的高度上下。如果这是一种情况，则实际的激光触及时间将不同于公式(5)所获得的时间。这时间差异tobs能够精确地计算漫游器12的高度，其中，
tobs(i)＝tstrike(i)-tα(i)                                     (6)
图3是时序图100，它图示说明了适用于本发明目的的激光束的几何形状以及观察到的高度差异104。更具体地说，时序图100图示说明了从漫游器12(参见图1)的外面来看激光发射机18(参见图1)的视图。扇面波束108倾斜一个角度θ弧度102，如图所示。让点F 106是扇面波束108、在发射机110高度的水平平面以及包含激光检测器(D)114的垂直平面的交叉点。点G 112垂直于D 114之下并且相同于F 106的平面。观察时间差异tobs，正如公式(6)所讨论的那样，可以通过下式转换成对于激光发射机的等效角度：
Figure GSB00000168233100201
图4图示说明了适用于本发明目的的发射机-检测器的几何形状120。从发射机(T)124到检测器(G)126的水平距离(TG)22可以使用Mobile_RADPS 14(参见图1)间接观察且使之在几个厘米之内。
在下一步骤，利用已知的TG 122，以及公式(7)所观察到的角度FTG 128、就能够利用下式获得水平距离FG 130：
FG = 2 TG × sin ( φ 2 ) - - - ( 8 )
激光所确定的高度差异DG 132可以用下式来计算：
DG＝FG×tan(θ)                                           (9)
在下一步骤，通过将公式(7)和公式(8)的结果组合到公式(9)中，就能够产生激光高度的一般表达式：
DG = 2 TG × sin ( ωt obs 2 ) × tan ( θ ) - - - ( 10 )
漫游器的位置坐标是插入在激光触及之前的GPS时间点上的位置坐标和激光触及之后的GPS时间点上的位置坐标之间的内插位置坐标。
以上所讨论的高度确定处理过程受到下列公式(11)所示的一些参数的影响。这对于分析各个参数中的不确定性对高度差异的影响十分有用。利用这一知识，就有可能使得系统的设计最佳化。
一般来说，
DG＝f(TG，ω，tobs，θ)                                   (11)
公式(11)的总的导数是由下式给出的：
ΔDG = df dTG ΔTG + df dω Δω + df df obs Δ t obs + df dθ Δθ - - - ( 12 )
以及下列偏导数：
df dTG = 2 × sin ( ωt obs 2 ) × tan ( θ ) - - - ( 13 )
df dω = TG × cos ( ωt obs 2 ) × tan ( θ ) × t obs - - - ( 14 )
df dt obs = TG × cos ( ωt obs 2 ) × tan ( θ ) × ω - - - ( 15 )
df dθ = 2 TG × sin ( ωt obs 2 ) × sec 2 ( θ ) - - - ( 16 )
以下的表格考虑了各个参数中的误差分布到总的误差对计算的高度差异DG中的总的误差的影响。第二行提供了一些适用于距离发射机5米以及在它1.339米上(下)工作的漫游器的实例参数。激光的旋转频率是50Hz以及波束倾斜45度。各个参数的偏导数如第四行4所示。
  TG[m]   ω[rad/s]   tobs[s]   θ[rad]
  5.0   314.16   0.000855   0.7854
  df/dTG   df/dω   df/dtobs   df/dθ
  0.2678   0.0042   1556.7   2.6780
表格1.短距离操作的灵敏度参数
RADPS位置可以容易获得且使之在几个厘米的水平范围之内，这里，TG＝0.02m。激光发射机的旋转速率也是可以很好控制的并因此应该具有小于0.5％(Δω＝1.5708rad)的误差。籍助于RADPS的帮助，激光触及应该具有40纳秒的时间误差(Δtobs＝4.0e-8s)。
波束的角度倾斜应该是已知的，小于0.01度(Δθ＝1.745e-4rad)。使用公式(12)并且假定误差原和灵敏度取之于表格1，则高度的误差将为：
DG＝0.0054+0.0066+0.0001+0.0005＝0.014m
对于系统性能来说，具有恒定的旋转速率是非常重要的。在旋转速率中，仅有0.5％的误差就会在5m范围内导致4.2mm的高度误差。
现在考虑下远离发射机且高度差异为15m的漫游器100m。
  TG[m]   ω[rad/s]   tobs[s]   θ[rad]
  100.0   314.16   0.000478   0.7854
  df/dTG   df/dω   df/dtobs   df/dθ
  0.150   0.0477   31327.5   30.00
表格2.长距离操作的灵敏度参数
随着在发射机和漫游器之间的距离的增加，除了在基站和漫游器之间的位置误差之外，系统就会对各种参数中的误差变得更加敏感，因为对固定的误差(例如，+/-0.01m)，角度误差随着范围的增加而减小。
假定采用短范围情况下所定义的误差源的相同等级，则长距离实例的总的高度误差将为：
DG＝0.0030+0.0749+0.0012+0.0052＝0.0843m
在高度误差中的主要误差源是由于在激光旋转速率中的变化所引起的。为了获得2mm的高度误差，激光的旋转速率必须是已知的且为0.04rad/s(＝0.013％)。
已经提出了一些建议，使用所谓“在旋转中的8个定时点”来处理在旋转激光头的旋转速率中的变化。更好的方法是，可以使用锁相旋转头的读取来采样几十个校正点。随后，多项式拟合旋转速率采样并且在激光校正信息中发送给用户。
图5示出了时序图140，它说明了由于用于本发明目的的光学元件中存在着少量制造中的不完善所引起的扇面波束平面的误差。
下面，本发明中披露了对该系统进行校正的技术。更具体地说，采用在测量固定设备上的器具装置，通过系统中的整个垂直范围来增加检测器(如图5中的黑点所示)。将RADPS/激光系统所确定的高度与已知校正高度进行比较。在两个高度之间的差异提供了扇面波束平面误差的测量，假定所有其它系统误差的发生都已经适当地计算和考虑了。
在本发明的一个实施例中，器具的位置坐标可以采用改进的精度来确定，正如以上所讨论的那样。因此，器具的运动可以受到控制，这在一些应用中是十分重要的。器具选自于由大型挖土机械的刀刃或叉刀、农业器具、以及连接着机械的设备且这些设备的位置是可以控制的，等所构成的组中。
例如，为了检测漫游器在沿着变化的地形运动时的光平面，激光接收机可以安装在电性能的天线杆上，它能够上下移动激光接收机使之保持在波束中。(例如，由Trimble导航有限公司(Trimble Navigation Ltd.)现在提供的EM21和LR21组合)。
为了说明和叙述的目的，已经阐述了本发明实施例的上述内容。它们并不试图是全面完整的或者将本发明限制于所披露的精确形式，由于上述披露的内容很显然许多改进和变化都有可能。所选择和讨论的实施例是为了更好的解释本发明的原理以及它的实际应用，从而能够使得业内熟练技术人员更好的利用本发明以及具有各种不同改进的各种实施例，使之满足所期望的实际使用。因此，本发明的范围应由所附的权利要求书以其等效体所限定。

Claims (3)

1.一种通过使用固定扇面激光发射机来增强移动无线电定位系统的方法；其中，漫游器包括与移动激光检测器集成在一起的所述移动无线电定位系统；并且其中所述固定扇面激光发射机与固定无线电定位系统集成在一起；所述方法包括：
(A1，1)通过使用所述固定无线电定位系统，自检测所述固定扇面激光发射机以确定它的位置坐标；
(A2)所述扇面激光发射机以基本恒定的角速率围绕着它的垂直轴旋转；
(A3)每当所述激光束的已知位置通过所述激光发射机中的参考标记时，就产生电子计时脉冲；
(A4)通过使用所述固定无线电定位系统，对各个所述电子计时脉冲进行时间标记；
(A5，1)通过使用所述多个时间标记来产生所述激光束的角速率的低通滤波评估值，其中，各个所述时间标记表示所述参考标记与一个所述电子计时脉冲交叉时的时间瞬间；
(A6)通过无线通讯链路，将所述激光束的角速率的评估值和所述多个时间标记发送至所述漫游器；其中，所述无线通讯链路选自由蜂窝链路、无线电、专用无线电波段、无线互联网、卫星无线通讯链路以及光无线链路所构成的组中；
(B)通过使用所述移动激光检测器来检测由所述固定扇面激光发射机所产生的所述单一倾斜扇面波束；以及，
(C)为所述扇面激光束触及所述漫游器的位置计时并使用所述扇面激光束触及所述漫游器的位置的所述计时来提高在所述漫游器的位置坐标确定过程中的精度。
2.一种通过使用固定扇面激光发射机来增强移动无线电定位系统的方法；其中，漫游器包括与移动激光检测器集成在一起的所述移动无线电定位系统；并且其中，所述固定扇面激光发射机与固定无线电定位系统集成在一起；所述方法包括：
(A1)提供定位在已知坐标位置中的所述固定扇面激光发射机；
(A2)所述扇面激光发射机以基本恒定的角速率围绕着它的垂直轴旋转；
(A7)除了主要参考标记之外，还包括至少一个附加参考标记；
(A8)每当所述激光束的已知位置通过所述激光发射机中的所述主要参考标记和各个所述附加参考标记时就产生一个电子计时脉冲；
(A9)通过使用所述固定无线电定位系统对各个所述电子计时脉冲进行时间标记；
(A10)通过使用多个时间标记来产生所述激光束的角速率的评估值，其中，各个所述时间标记表示所述主要参考标记与一个所述电子计时脉冲交叉时或者各个所述附加参考标记与一个所述电子计时脉冲交叉时的时间瞬间；
(A11)通过所述无线通讯链路将所述激光束的角速率的评估值和所述多个时间标记发送至漫游器，其中，通过对所述激光束到各个所述附加参考标记进行时间标记而定义的多个时间标记包括被配置成对所述激光束的旋转角速度的变化进行补偿的激光校正数据；
(B)通过使用所述移动激光检测器来检测由所述固定扇面激光发射机所产生的所述单一倾斜扇面波束；以及，
(C)为所述扇面激光束触及所述漫游器的位置计时并使用所述扇面激光束触及所述漫游器的位置的所述计时来提高在所述漫游器的位置坐标确定过程中的精度。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述通过使用多个时间标记来产生所述激光束的角速度的评估值的步骤还包括步骤：
(A10，1)通过使用所述多个时间标记来产生所述激光束的角速率的低通滤波评估值，其中，各个所述时间标记表示所述主要参考标记与一个所述电子计时脉冲交叉时的时间瞬间或者各个所述附加参考标记与一个所述电子计时脉冲交叉时的时间瞬间。
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Families Citing this family (21)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7808626B2 (en) * 2004-12-11 2010-10-05 Trimble Navigation Ltd. Method of mobile radio positioning aided by single fan self-surveying laser transmitter
US8296051B2 (en) * 2006-05-18 2012-10-23 The Boeing Company Generalized high performance navigation system
US7499155B2 (en) * 2006-08-23 2009-03-03 Bryan Cappelletti Local positioning navigation system
US7617061B2 (en) * 2006-11-03 2009-11-10 Topcon Positioning Systems, Inc. Method and apparatus for accurately determining height coordinates in a satellite/laser positioning system
US7768450B2 (en) * 2007-04-04 2010-08-03 Trimble Navigation Ltd. Position determination system using radio and laser in combination
US8073566B2 (en) * 2007-04-05 2011-12-06 Power Curbers, Inc. Automated stringline installation system
US7952518B2 (en) * 2008-05-30 2011-05-31 The Boeing Company Internet hotspots localization using satellite systems
US8542147B2 (en) 2008-05-30 2013-09-24 The Boeing Company Precise absolute time transfer from a satellite system
US8035558B2 (en) * 2008-05-30 2011-10-11 The Boeing Company Precise absolute time transfer from a satellite system
US9322918B2 (en) 2009-02-22 2016-04-26 Trimble Navigation Limited GNSS surveying methods and apparatus
US20100324936A1 (en) * 2009-04-22 2010-12-23 Suresh-Kumar Venkata Vishnubhatla Pharmacy management and administration with bedside real-time medical event data collection
US8441620B2 (en) * 2010-04-05 2013-05-14 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Determining distance between nodes
US9279679B2 (en) * 2012-09-12 2016-03-08 Kabushiki Kaisha Topcon Construction machine control method and construction machine control system
US20140292568A1 (en) * 2013-03-26 2014-10-02 Peter Fleming Radiobeacon stations, user devices, location determination systems, methods for controlling a radiobeacon station, methods for controlling a user device, and location determination methods
DE102013205486A1 (de) * 2013-03-27 2014-10-02 Deere & Company Anordnung und Verfahren zur Positionserfassung mit einem Handgerät
JP6302630B2 (ja) * 2013-06-14 2018-03-28 株式会社トプコン Ｒｔｋ測量作業に用いる準備システム
US20210199784A1 (en) * 2019-12-26 2021-07-01 Javad Gnss, Inc. Calibrating a total station
CN111262615B (zh) * 2019-12-27 2020-12-01 北京邮电大学 面向多任务的卫星通信网络自适应补偿方法和装置
US11012147B1 (en) * 2020-01-16 2021-05-18 M2SL Corporation Multi-mode communication adapter system with smartphone protector mechanism and method of operation thereof
CN111537950B (zh) * 2020-04-14 2023-04-21 哈尔滨工业大学 一种基于位置指纹和二步多项式拟合的卫星位置预测跟踪方法
US11852963B2 (en) 2020-04-24 2023-12-26 Kohler Co. Systems and methods for controlling a plumbing fixture, smart mirror, and the like using projected images

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1286758A (zh) * 1997-12-23 2001-03-07 Ksi公司 通信定位系统
CN1327539A (zh) * 1999-08-05 2001-12-19 皇家菲利浦电子有限公司 位置探测系统和方法

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5600436A (en) * 1994-01-05 1997-02-04 Caterpillar Inc. Apparatus and system for determining terrestrial position
US6433866B1 (en) 1998-05-22 2002-08-13 Trimble Navigation, Ltd High precision GPS/RTK and laser machine control
US6519029B1 (en) * 1999-03-22 2003-02-11 Arc Second, Inc. Low cost transmitter with calibration means for use in position measurement systems
US20010038447A1 (en) 2000-03-10 2001-11-08 Detweiler Philip L. Versatile transmitter and receiver for position measurement
JP2004505263A (ja) * 2000-08-01 2004-02-19 エスリング・ミルコ 距離及び／又は位置を測定する測定装置及び測定方法
JP4601798B2 (ja) 2000-10-06 2010-12-22 株式会社トプコン 位置測定設定システム
US6909496B2 (en) * 2001-12-25 2005-06-21 Anritsu Corporation Method and device for easily and rapidly measuring nonlinear refractive index of optical fiber
JP3816806B2 (ja) * 2002-01-21 2006-08-30 株式会社トプコン 建設機械制御システム
JP4279111B2 (ja) 2003-10-14 2009-06-17 株式会社トプコン 測定方法及び測定システム
US7310137B2 (en) * 2004-12-11 2007-12-18 Trimble Navigation, Ltd Self surveying laser transmitter

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1286758A (zh) * 1997-12-23 2001-03-07 Ksi公司 通信定位系统
CN1327539A (zh) * 1999-08-05 2001-12-19 皇家菲利浦电子有限公司 位置探测系统和方法

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Publication number Publication date
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WO2007027383B1 (en) 2008-02-14
US7595867B2 (en) 2009-09-29
US20070058161A1 (en) 2007-03-15
US20080144020A1 (en) 2008-06-19
US7310138B2 (en) 2007-12-18
DE112006002238T5 (de) 2008-07-10
DE112006002238B4 (de) 2013-05-29
WO2007027383A3 (en) 2007-11-22

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