CN101949715B - 高精度时空数据获取的多传感器集成同步控制方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高精度时空数据获取的多传感器集成同步控制方法和系统，所述方法包括以下步骤：建立时空基准电路，该时空基准电路提供时间基准和空间基准；通过该时间基准和该空间基准建立线性参考坐标系，并实现线性参考坐标系及其与大地坐标系间的转换；根据预先设定的参数，对主动同步传感器发送模拟控制信号，实现对主动同步传感器的同步控制；接收外部事件脉冲信号，并响应该外部事件脉冲信号产生的中断，实现对被动同步传感器的同步控制。本发明提出了主动同步控制电路和被动同步控制电路，在时空基准电路提供的时间、空间基准的基础上，针对不同的传感器及控制要求，可以扩展任意多种传感器同步控制实例，具备极强的扩展和柔性功能。

Description

高精度时空数据获取的多传感器集成同步控制方法和系统

技术领域

本发明涉及一种仪器科学与技术领域的多传感器集成的核心方法，尤其涉及一种高精度时空数据获取的多传感器集成同步控制方法和系统。

背景技术

传统的高精度时间基准的建立包括两个部分：一是高精度的频率基准，通常采用原子钟等设备；另一是对时(校时)，就是将其与国家标准计量认可的时钟放置一起进行对时。其缺点主要有：常用的原子钟设备昂贵、体积和重量大、维护复杂且费用高、抗环境干扰性差；原子钟虽然频率稳定性高，但随着时间的推移，仍然存在时间的误差累计，不能持续保持高精度的时间基准，使用一段时间后，必须进行对时(校时)；对时复杂且费时费力，必须要将原子钟运输至国家标准计量认可的时钟基准处对时。

现有的车载多传感器集成同步控制方法将距离传感器与内部时钟结合，用于按空间间隔采样控制传感器的工作，并为传感器的采集数据提供时间戳。其缺点是：没有将车辆行驶的线性参考坐标与采集的数据相关联，对于道路检测、轨道检测这类通常以线性参考坐标为基准的应用，空间定位表达十分不方便。

现有的车载多传感器集成同步控制方法主要采用主动同步控制方式。其缺点是：只能对具备主动同步控制的传感器，如数字CCD相机等，进行控制，而对其它类型的传感器不能实现同步控制功能。

“道路测量车多传感器集成同步控制器”(专利号：200620096887.X)提供了一个类似的技术方案，其原理图如图1所示。

该方案提出了一种道路测量车多传感器集成同步控制器，其特征在于：它包括车轮编码器(旋转编码器)、滤波器、CPLD复杂可编程逻辑器件、GPS模块、微处理器(MCU PIC18F258)、电子开关和晶振，车轮编码器、滤波器和CPLD复杂可编程逻辑器件依次连接，CPLD复杂可编程逻辑器件的同步脉冲连接微处理器，微处理器分别连接电子开关和晶振，GPS模块的PPS脉冲输出端连接微处理器，GPS模块的NEMA数据端与电子开关相连接，微处理器与电子开关相连接。本装置用GPS数据和车轮记数数据，处理后产生同步控制数据控制道路检测车上的线扫描相机、前方道路图像相机、激光测距机、超声波传感器同步协调工作，同时向中心数据采集计算机输出包含同步时刻时间、空间信息的数据流。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种高精度时空数据获取的多传感器集成同步控制方法和系统，针对主动、被动同步两类传感器，提出了主动同步控制电路和被动同步控制电路，在时空基准电路提供的时间、空间基准的基础上，针对不同的传感器及控制要求，可以扩展任意多种传感器同步控制实例，具备极强的扩展和柔性功能。

为了达到上述目的，本发明提供了一种高精度时空数据获取的多传感器集成同步控制方法，包括以下步骤：

步骤1-1：建立时空基准电路，该时空基准电路提供时间基准和空间基准；

步骤1-2：通过该时间基准和该空间基准建立线性参考坐标系，并实现线性参考坐标系及其与大地坐标系间的转换；

步骤1-3：根据预先设定的参数，对主动同步传感器发送模拟控制信号，实现对主动同步传感器的同步控制；

步骤1-4：接收外部事件脉冲信号，并响应该外部事件脉冲信号产生的中断，实现对被动同步传感器的同步控制。

实施时，步骤1-1中的时间基准的提供包括以下步骤：

步骤1-1-1：CPLD对10MHz脉冲分频产生毫秒脉冲和秒脉冲；

步骤1-1-2：通过对GPS的PPS脉冲信号的滤波及位同步实现GPS时间校准，即将CPLD产生的秒脉冲与GPS的秒脉冲对齐后，驱动内时钟的运行。

实施时，步骤1-1中的空间基准的提供包括以下步骤：综合GPS、里程信号和微机械陀螺等传感器的输出信号，采用航位推算算法(DR，Dead-Reckoning)，能够在GPS信号收到干扰、遮挡等条件下的仍能够输出正确的位置信息。

实施时，步骤1-2中的通过该时间基准和该空间基准建立线性参考坐标系步骤包括：

在时空数据采集系统中的时空基准电路将GPS坐标、GPS时间、车辆行驶距离和外部事件输入信息进行了同步处理，通过时间标记将定位数据和外部事件进行了关联；

时空基准电路按固定时间间隔输出车辆当前的GPS坐标以及行驶的距离，当有外部事件输入时，立即输出外部事件发生的时刻信息；根据车辆行驶的距离与车辆运行起点的线性参考坐标之和即为当前位置的线性参考坐标。

实施时，步骤1-3中的实现对主动同步传感器的同步控制步骤包括：

步骤1-3-1，根据目标点的线性参考坐标P，在路线表中快速确定目标点所在的路段；

步骤1-3-2，根据目标点的线性参考坐标P，在其所在的路段表中确定目标点所在的直线段S，并根据此直线段在该路段的所有直线段中的排序来确定下一步推算大地坐标的方向，当该直线段序号小于等于总段数的二分之一时，从该段的起点开始推算；当该直线段序号大于总段数的二分之一时，从该段的终点开始推算；

步骤1-3-3，将该路段的起点P_s或终点P_e从大地坐标转换到空间直角坐标，然后按照直线段的顺序，根据该直线段的长度和方向依次推算每个直线段的终点的空间直角坐标；对于目标点所在的直线段，在推算时其长度等于目标点的线性参考坐标与该直线段的起点差。

本发明提供了一种高精度时空数据获取的多传感器集成同步控制系统，包括时空基准电路、主动同步控制电路和被动同步控制电路，其中，

所述时空基准电路包括时间基准单元和空间基准单元；

所述时间基准单元分别与所述主动同步控制电路和所述被动同步控制电路连接，为所述主动同步控制电路和所述被动同步控制电路提供时间基准；

所述空间基准单元分别与所述主动同步控制电路和所述被动同步控制电路连接，为所述主动同步控制电路和所述被动同步控制电路提供空间基准；

所述时间基准电路通过该时间基准和该空间基准建立线性参考坐标系，并实现线性参考坐标系及其与大地坐标系间的转换；

所述主动同步控制电路根据预先设定的参数，对主动同步传感器发送模拟控制信号，实现对主动同步传感器的同步控制；

所述被动同步控制电路接收外部事件脉冲信号，并响应该外部事件脉冲信号产生的中断，实现对被动同步传感器的同步控制。

实施时，所述时间基准单元包括CPLD、GPS和高稳晶振，其中，

CPLD，分别与高稳晶振和GPS连接，对10MHz脉冲分频产生毫秒脉冲和秒脉冲，并通过对GPS的PPS脉冲信号的滤波及位同步实现GPS时间校准，即将CPLD产生的秒脉冲与GPS的秒脉冲对齐后，驱动内时钟的运行。

实施时，综合GPS、里程信号和微机械陀螺等传感器的输出信号，采用航位推算算法(DR，Dead-Reckoning)，能够在GPS信号收到干扰、遮挡等条件下的仍能够输出正确的位置信息。

实施时，所述时间基准电路通过该时间基准和该空间基准建立线性参考坐标系包括：

时空基准电路将GPS坐标、GPS时间、车辆行驶距离和外部事件输入信息进行了同步处理，通过时间标记将定位数据和外部事件进行了关联；

时空基准电路按固定时间间隔输出车辆当前的GPS坐标以及行驶的距离，当有外部事件输入时，立即输出外部事件发生的时刻信息，根据车辆行驶的距离与车辆运行起点的线性参考坐标之和即为当前位置的线性参考坐标。

实施时，所述时间基准电路实现对主动同步传感器的同步控制包括：

根据目标点的线性参考坐标P，在路线表中快速确定目标点所在的路段；

根据目标点的线性参考坐标P，在其所在的路段表中确定目标点所在的直线段S，并根据此直线段在该路段的所有直线段中的排序来确定下一步推算大地坐标的方向，当该直线段序号小于等于总段数的二分之一时，从该段的起点开始推算；当该直线段序号大于总段数的二分之一时，从该段的终点开始推算；

将该路段的起点P_s或终点P_e从大地坐标转换到空间直角坐标，然后按照直线段的顺序，根据该直线段的长度和方向依次推算每个直线段的终点的空间直角坐标；对于目标点所在的直线段，在推算时其长度等于目标点的线性参考坐标与该直线段的起点差。

与现有技术相比，本发明利用较为经济的高稳晶振、授时型GPS和CPLD器件，在MCU的控制下自动便捷地建立稳定、可靠和高精度的时间基准，内部时钟精度达到纳秒级，对外输出时钟精度达到微秒级；

将距离传感器、GPS与高精度时钟结合，建立高精度的空间基准，并解决道路线性参考坐标与大地坐标(WGS-84)之间的快速转换；

具备主动、被动和授时同步三种同步控制模式，可同时控制具备主动、被动和授时同步控制的各类传感器，并对各传感器的采集数据同步打上时间戳。

附图说明

图1是现有的道路测量车多传感器集成同步控制器的结构图；

图2是本方面的授时同步控制结构图。

图3是同步控制器工作原理图；

图4是车载道路快速检测与测量系统的同步控制系统结构图；

图5是本发明的多传感器同步控制策略图；

图6是本发明的时空基准电路的结构图；

图7是道路线性参考坐标与动态分段图；

图8是本发明的主动同步控制器的结构图；

图9是本发明的被动同步控制电路结构图；

具体实施方式

本发明公开了一种用于高精度时空数据获取的多传感器集成同步控制方法，其内容为：首先利用GPS(授时型)、高稳晶振和CPLD(复杂可编程逻辑器件)建立时间基准，并实现与UTC时间的高精度时间传递与同步；其次，利用GPS、速度传感器(或距离传感器)和MEMS陀螺建立空间基准，并实现线性参考坐标系与大地坐标系(WGS-84)的关联与转换；第三，CPLD将高稳晶振的信号进行分频得到微秒脉冲、毫秒脉冲和秒脉冲，并通过有效的GPS秒脉冲信号与CPLD产生的秒脉冲信号进行对齐，完成电路内部时钟与GPS时钟的传递；第四，CPLD将速度传感器(或距离传感器)产生的脉冲信号进行积分(或累计)，MCU(微处理器)响应秒脉冲信号的中断，读得距离的积分(累计)值，并将其与当前时刻的GPS坐标相关联；第五，该电路可以根据运行设定的参数，对CCD相机、激光测距机等传感器发送模拟控制信号(脉冲)，实现对该类传感器的同步控制，同时通过串口或USB向上位机发送同步时刻数据；第六，该电路可以接收外部事件(Event)脉冲信号，MCU(微处理器)响应该脉冲产生的中断，得到该脉冲信号产生的时刻和位置信息，并通过串口或USB向上位机发送同步时刻数据；第七，该电路可以通过串口和USB向上位机发送整秒时刻信息，并通过模拟I/O口发送秒脉冲信号，可以实现对激光扫描仪这一类授时同步传感器进行时钟同步。使用本发明所设计的利用GPS、高稳晶振、CPLD、MCU和速度传感器(或距离传感器)构建的移动测量多传感器同步控制电路突破了传统的高精度时钟基准需要高精度的频率源和复杂的对时流程的局限，不需要昂贵的原子钟等设备即可快速完成对时和建立高精度的时间基准，能够实现对多种测量传感器，如CCD相机、激光测距仪、激光扫描仪、多光谱仪等，进行主动、被动或授时同步控制，降低了移动测量系统的硬件成本，并提高了系统的测量精度，可广泛应用于移动道路测量、移动路面检测、移动水下测量、低空测绘和航空测绘等系统的集成。

本发明将时空获取传感器分为主动、被动和授时同步等三类传感器，并分别提出了主动、被动和授时同步等三种传感器同步控制方法；

本发明设计了三个电路：时空基准电路、主动同步控制电路、被动同步控制电路，提出了以时空基准电路为基础，主动和被动同步电路可无穷扩展的多传感器同步控制模式；

本发明的时空基准电路通过对经济型的高稳晶振、GPS接收模块、距离测量装置等传感器的有效集成，自动可靠建立高精度的时间基准、空间线性参考基准，并能够实现快速的线性参考坐标系与大地坐标系的转换；

本发明的主动同步控制电路可根据数据采集的需求，采用主动发送传感器控制信号，并将此信号引入MCU的中断以获取此控制信号发生时刻的传感器的时空坐标，以用于采集数据的同步与融合；

本发明的被动同步控制电路将传感器采样时刻的同步信号引入MCU的中断以获取传感器采样时刻的传感器的时空坐标，以用于采集数据的同步与融合。

本发明由于采用了经济型的传感器，诸如高稳晶振、授时型GPS等，使得成本低廉；

采用了嵌入式设计方案，使得时空同步更加快速与可靠，也提保证了时间的同步精度；

提出将时空数据获取传感器的三类分类方法，针对不同类型的传感器，只需要一种同步控制电路即可实现同步控制，具有很强的推广性；

提出的两级同步控制策略，在时空基准电路的基础上，针对不同的传感器及不同的用途，可以任意扩展具体的时空数据获取方案与系统；

通过时空基准电路，快速建立了线性参考坐标系与大地坐标系的转换模型。

多传感器同步控制

车载移动测量系统的各传感器按照各自的采样间隔进行数据采集，数据的输入频率各不相同，时间精度也各不相同。要想把每个传感器的测量数据传输至计算机进行处理，必然涉及到基准的问题。在车载移动测量系统中有两个基准：空间基准和时间基准。为了能将同一时刻各种传感器测量出来的数据关联起来，需要一种统一的时间坐标。为了实现多源数据的融合集成处理，整个系统的传感器采集的数据必须建立在同一时间坐标轴上，以实现任意数据的集成处理。为了减轻计算机的工作任务，地面车载移动测量系统通过一个时间同步控制器实现各传感器数据的同步记录。所有的传感器采集的数据都统一在时间同步控制器上，从而实现GPS、INS、CCD摄像机、激光扫描仪之间数据的有效集成。为了提高时间同步控制器的时间精度，可将GPS输出的时间信号和PPS信号引入至时间同步控制器，对时间同步控制器进行对时处理。

多传感器同步控制的定义

多传感器的同步控制是指为完成指定的检测和测量任务，通过特定的方法和手段使得参与任务的多个传感器按照预定的节奏、频率和逻辑顺序协同工作。时间同步控制器就是通过一系列的电路系统，保证各个传感器之间，以及传感器和定位系统之间的时间同步。对于车载移动测量系统的任意一种传感器而言，其数据采样无非采用了两种方式：时间间隔采样和空间间隔采样。

时间间隔采样是指传感器根据其内部的频率基准(晶体振荡器、原子钟等)，按照一定的时间间隔进行数据的采样、处理和输出。这类传感器主要包括：GPS接收机、激光扫描仪、标准视频摄像机、各种惯性传感器等。

空间间隔采样是指传感器虽然有内部的频率基准，但是其数据的采样、处理和输出是按照空间位置的变化或者外部控制信号的输入而进行的。这类传感器主要包括：光电编码器、具有外触发功能的各种相机和激光测距机等。

对于时间间隔采样的传感器，为完成特定的检测和测量任务，由于无法从外部控制其数据采样和输出的时刻，所以一般要求其输出的数据带有采样的时刻信息，或者输出采样时刻的脉冲信号。如GPS接收机和IMU的每帧数据都有UTC时间，高档激光扫描仪的每个点的测量数据也有时间标记，标准视频摄像机输出信息也带有帧同步脉冲信号等。

对于空间间隔采样的传感器，可以从外部控制其数据采样和输出的时刻，所以需要一套用来精准记录外部控制信号的电路来实现。为完成该类传感器与GPS等时间间隔的传感器的数据融合，一般采用GPS作为时间基准。

多传感器同步控制的方法

车载移动测量系统的正常工作状态，是空间间隔采样的工作方式，在这种工作方式下，控制器在外部的DMI(Distance Measurment Indicator)产生的距离脉冲的驱动下，按照预先设置好的脉冲宽度，对距离脉冲进行调制放大，并实时转发给数据采集传感器系统，作为触发信号控制CCD相机和激光扫描仪进行同步采集。并且同步控制器会把脉冲对应的信息，包括脉冲发生时间，序列号等有用信息通过RS232串口，实时传送到车载激光图像采集系统的计算机系统内，方便于计算机识别CCD相机和激光雷达传输回来的数据，并利用这些信息将数据存储起来。在数据采集的同时，距离脉冲同时传输给POS系统，POS系统实时记录下数据采集时所对应的时间下，车辆平台在大地坐标系中的位置和姿态信息。这样，通过时间同步控制系统，就实现了POS系统的数据和测量传感器系统采集到的数据之间的统一。为了获取准确的时间，在同步控制系统中，也安装了GPS系统(主要是用来接收和校正时间)和高精度的晶振，用来提供同步信号中的时间，并且需要达到毫秒级的精度。

由于车载移动测量系统是在动态条件下工作，为达到较高的数据融合配准的时间精度要求，其传感器控制信号一般采用脉冲电信号，而不是数据指令。因为脉冲电信号可直接引入传感器的内部硬件电路，且传输速度是光速，可实现“即时”的工作；而数据指令一般是通过串行发送实现的，不仅在传输过程中消耗时间，还需要一个数据合成与解析的过程，所以难以实现“即时”的目标，因此这种控制方式只能在静态或准静态条件下使用。这两种信号方式好比田径比赛中，计时人员的计时开始时刻是看发令枪的烟而不是听见枪的响声一样。

车载移动测量系统的多传感器同步控制方式主要有三种方式：主动同步、被动同步和授时同步。

主动同步

主动同步是指时间同步控制器主动向传感器发送同步控制信号，这类控制信号主要包括脉冲触发信号(电平触发、上升沿触发、下降沿触发等)和记录此脉冲触发信号的同步器内部精确时间信息。传感器接收到同步控制信号后，便开始数据采集工作，等完成一次数据采集后，将采集的数据与同步时间信号配准后发送到数据采集计算机，从而实现多传感器的数据同步采集。

因此，主动同步控制要求传感器能够接收同步控制器的控制信号，具备相应的硬件和软件接口。具备此功能的传感器主要有各种型号的逐行扫描的面阵或线阵CCD相机、带有外触发功能的激光测距机等。

在车载道路检测与测量系统中的前方景观立体测量的彩色面阵CCD相机、路面图像采集的线阵黑白CCD相机、车辙测量的黑白面阵CCD相机等，在数据采集过程中，都工作在主动同步方式下，由同步控制器发送同步控制指令而进行数据采集的。

被动同步

被动同步是指时间同步控制器被动接收传感器发送回来的同步工作信号，通过内部的硬件中断来记录该信号的时刻信息，并将该时刻信息发送到数据采集计算机。数据采集计算机通过软件将传感器的测量数据与同步控制器发送的同步时刻信息进行融合配准，从而实现多传感器的数据同步采集。

因此，被动同步控制要求传感器在进行测量的过程中能够在测量采样开始或终止时刻输出脉冲信号，具备相应的硬件接口。具备此功能的传感器主要有各种型号标准视频信号(PAL、NTSC等)CCD相机、带有同步输出的数字CCD相机、某些带有同步输出功能的激光扫描仪等。

在车载道路检测与测量系统中的由德国Sick公司制造的激光扫描仪，在数据采集过程中，其旋转棱镜每转一周即可输出一个脉冲信号，此脉冲信号由同步控制器记录后，可对该扫描周期的激光测距值进行时间标记，为后续的数据融合打下基础。

授时同步

授时同步是指时间同步控制器仅向传感器发送时间数据信号和PPS(秒脉冲)信号，不发送同步控制脉冲信号，传感器也不向同步控制器发送同步工作脉冲信号，但是传感器内部能够接收时间数据信号和PPS(秒脉冲)信号，并直接将测量数据与采样时刻的精确时间信息融合，发送到数据采集计算机中。也就是说，传感器输出的测量数据中就含有精确的同步时间信息。

因此，具备授时同步功能的传感器是一种智能化的传感器，其结构和电路非常复杂，价格昂贵，但是其后续的数据融合配准比较简单。这类传感器主要是一些高性能的激光扫描仪，如奥地利Riegl公司生产的LMS系列二维机载、车载的激光扫描仪，都具备GPS授时功能，输出的每个数据都带有UTC时间标签，如图2所示。

车载道路快速检测与测量系统同步控制系统的设计与实现

同步控制系统是车载道路快速检测与测量系统的中枢神经系统和指挥控制系统，在车载道路快速检测与测量系统建立统一的时空基准的同时，协调、指挥和控制着所有车载传感器、数据采集板卡及计算机。

如图3所示，车载道路快速检测与测量系统的同步控制系统主要由时间同步控制器(主同步控制器)、景观图像采集同步控制器(近景测量)、路面图像采集同步控制器、车辙测量同步控制器、平整度测量同步控制器、激光扫描同步控制器和外部事件记录同步控制器组成。

时间同步控制器的主要功能是接收GPS空间和时间信息、车轮编码器的相对空间信息以及上位机的设置信息，在建立时空基准的同时，将位置信息、距离信息和时间信息融合，为其它职能型同步控制器提供位置、距离及时间等同步信息。

景观图像采集同步控制器(近景测量)、路面图像采集同步控制器、车辙测量同步控制器、平整度测量同步控制器、激光扫描同步控制器和外部事件记录同步控制器主要是接收时间同步控制器的同步信息和上位机的数据采集参数，融合后控制和记录传感器的工作状态，并向数据采集计算机提供传感器的同步工作信息。这里，景观图像采集同步控制器(近景测量)、路面图像采集同步控制器、车辙测量同步控制器、平整度测量同步控制器属于主动同步类型控制器，而激光扫描同步控制器和外部事件记录同步控制器属于被动同步类型控制器。

多传感器集成是指综合利用在不同时间序列上获得的多种传感器信息按一定准则加以综合分析来帮助系统完成某项任务，包括对各种传感器给出的有用信息进行采集、传输、分析与合成等处理。多传感器集成的基本出发点是充分利用多个传感器资源，通过对这些传感器及其观测信息的合理支配和使用，把多个传感器在空间或时间上的冗余或互补信息依据某种准则来进行组合，

高精度多时空数据获取传感器集成测量系统是利用多种传感器对地面三维空间环境进行全面高精度的几何与属性数据采集，为地理信息、三维道路与城市、重要交通基础设施等提供全面、可靠、高效的三维数据和属性数据，研究的内容是多传感器系统集成与多源数据的滤波及融合处理，比较有代表性的研究成果有：

移动道路测量系统：该系统利用GPS、光纤陀螺仪、距离传感器、多台数字CCD相机及视频相机等传感器，采用近景摄影测量原理，实现对道路周围地物的点位测量、三维建模与可视化等，主要应用于城市部件调查、三维实景地图等方面。

路面综合检测系统：该系统装备高分辨率线阵图像传感器、激光线结构光三维测量传感器、多台CCD传感器、激光测距传感器、GPS、距离测量传感器、加速度计和陀螺等惯性传感器，完成道路路面图像、路面形状、沿线道路设施的三维空间数据和图像、道路平整度、纹理构造深度及道路几何参数等数据采集，主要应用于高速公路、国省道、城市道路及机场道路的裂缝、车辙、平整度及沿线设施的检测与测量。

多时空数据获取传感器集成测量系统的各传感器按照各自的采样间隔进行数据采集，数据的输入频率各不相同，时间精度也各不相同，要把每个传感器的测量数据传输至计算机进行处理，必然涉及到基准的问题。

在多时空数据获取传感器集成测量系统中有两个基准：空间基准和时间基准。

对于空间基准，需首先建立一系统坐标系，其起点为惯性导航系统的零点，尽可能地通过陀螺轴，将每种传感器的零点如GPS接收机的相位中心、激光测距仪的零标志点均规算到该系统坐标系中。

为了能将同一时刻各种传感器测量出来的数据关联起来，需要一种统一的时间坐标。为了实现多源数据的融合集成处理，整个系统的传感器采集的数据必须建立在同一时间坐标轴上，以实现任意数据的集成处理。

实现各传感器的数据同步记录对于整个系统非常困难。

由于通过计算机使用高级语言编写程序记录微秒或纳秒时间非常困难，甚至是不可能的，同时为了减轻计算机的工作任务，多时空数据获取传感器集成测量系统必须通过一个同步控制系统来实现各传感器数据的同步记录。所有的传感器采集的数据都统一在同一时间轴上，从而实现GPS、INS、CCD摄像机、激光扫描仪之间数据的有效集成。为了提高同步控制系统的时间精度，可将GPS输出的时间信号和PPS信号引入至时间同步控制装置，对时间同步控制装置的内部时钟进行对时。

多传感器同步控制方式主要有以下三种方式：

主动同步：主动同步是指同步控制器主动向传感器发送同步控制信号，这类控制信号包括脉冲触发信号(电平触发、上升沿触发、下降沿触发等)和记录此脉冲触发信号的同步器内部精确时间信息。传感器接收到同步控制信号后，便开始数据采集工作，等完成一次数据采集后，将采集的数据与同步时间信号配准后发送到数据采集计算机，从而实现多传感器的数据同步采集。因此主动同步控制要求传感器能够接收同步控制器的控制信号，具备相应的硬件和软件接口。具备此功能的传感器主要有各种型号的逐行扫描的面阵或线阵CCD相机、带有外触发功能的激光测距机等。

被动同步：被动同步是指时间同步控制器被动接收传感器发送回来的同步工作信号，通过内部的硬件中断来记录该信号的时刻信息，并将该时刻信息发送到数据采集计算机。数据采集计算机通过软件将传感器的测量数据与同步控制器发送的同步时刻信息进行融合配准，从而实现多传感器的数据同步采集。因此，被动同步控制要求传感器在进行测量的过程中能够在测量采样开始或终止时刻输出脉冲信号，具备相应的硬件接口。具备此功能的传感器主要有各种型号标准视频信号(PAL、NTSC等)CCD相机、带有同步输出的数字CCD相机、某些带有同步输出功能的激光扫描仪等。

授时同步：授时同步是指时间同步控制器仅向传感器发送时间数据信号和PPS(秒脉冲)信号，不发送同步控制脉冲信号，传感器也不向同步控制器发送同步工作脉冲信号，但是传感器内部能够接收时间数据信号和PPS(秒脉冲)信号，并直接将测量数据与采样时刻的精确时间信息融合，发送到数据采集计算机中。也就是说，传感器输出的测量数据中就含有精确的同步时间信息。因此，具备授时同步功能的传感器是一种智能化的传感器，其结构和电路非常复杂，价格昂贵，但是后续的数据融合配准比较简单，这类传感器主要是一些高性能的激光扫描仪，如奥地利Riegl公司生产的LMS系列二维机载、车载的激光扫描仪，都具备GPS授时功能，输出的每个数据都带有UTC时间标签。

本发明技术方案如图4所示，其主要由两部分组成。一部分(图4左部分)主要是通过GPS(全球定位系统)接收机、陀螺仪、距离传感器、高稳晶振建立高精度的时间和空间基准；另外部分(图4右侧)是针对主动、被动和授时同步三类传感器，采用不同的同步控制方法，并实现采集数据的快速融合。

如图5所示，本发明针对主动、被动同步两类传感器，提出了主动同步控制电路和被动同步控制电路，在时空基准电路提供的时间、空间基准的基础上，针对不同的传感器及控制要求，可以扩展任意多种传感器同步控制实例，具备极强的扩展和柔性功能。

本发明主要由时空基准电路、主动同步控制电路和被动同步控制电路三个主要部分和其它辅助部分组成。

时空基准电路是高精度时空数据获取系统的一个时间和空间基准，而且是一个实时的连接系统，借用机械上的一个术语来说，就是给各个传感器在时间上形成一个刚性连接，或者是形成一个无距离的连接。对于时空基准电路而言，实时的距离触发脉冲的计数、分频和传递以及稳定的高精度实时时钟是设计的重点和难点。如果距离脉冲信号通过同步电路后，造成一定的时间延误，将会造成时空数据获取系统定位的延后，测量精度也就无法保证。如果时空基准电路自身的时间不能提供相对精确的的时间，就会给获取数据的存储以及后期的可靠性验证产生不良影响。本发明的时间产生模块的相对时间由CPLD(复杂可编程逻辑器件)对高稳晶振产生的脉冲分频获得，经过GPS校准后形成绝对时间。这既保证了时空基准电路的时间和GPS时间的同步，又使其对GPS的依赖性大大降低。

如图6所示，时空基准电路主要由ARM高性能微处理器为核心，与液晶显示器、键盘输入模块、串行通信模块以及I/O模块等部件，构成了一个完整的嵌入式应用系统。其中，10MHz高稳晶振、CPLD和授时GPS组成时间产生模块，CPLD一方面对10MHz脉冲分频产生毫秒脉冲和秒脉冲；另一方面，通过对GPS的PPS脉冲信号的滤波及位同步实现GPS时间校准，即将CPLD产生的秒脉冲与GPS的秒脉冲对齐后，驱动内时钟的运行。

时空基准电路接收GPS、陀螺和行程编码器的数据信号，并根据时空数据获取系统中各个传感器的要求，提供距离脉冲、秒脉冲等模拟信号和时间等数字信号，实现整个时空数据获取系统集成与同步控制。

1)CPU的选择

时空基准电路的内时钟由硬件驱动和软件控制两部分完成。因此，要保证高精度的系统时钟，除选用高稳晶振和定期校时外，还要求CPU指令周期应尽可能短，以减少由于中断的不确定性而引起的误差。CPU除了完成对时之外，还要处理运行的里程计算，并完成建立道路线性参考坐标系所需要的的车辆运行线性坐标与时间信息关联。因此，其计算量比较大，从而选择了32位的ARM构架的CPU芯片，该CPU具有非常高的指令执行速度。当采用200MHz晶振时，其指令周期仅为40ns。

2)时间产生模块

对于时空数据获取系统而言，稳定的高精度实时时钟是设计的重点和难点。如果时间累计误差太大，势必造成整个数据获取系统定位的不准确，测量精度也就无法保证。时间产生模块的相对时间由CPLD对高稳晶振产生的10MHz脉冲分频获得，经过GPS校准后形成绝对时间。这既保证了控制器的时间精度，又使其对GPS的依赖性大大降低。复杂可编程逻辑器件CPLD是从PAL、GAL发展而来的阵列型高密度PLD器件。由于它是纯硬件结构，不存在程序的跑飞和死机等问题，具有极强的抗干扰能力，而且由它引起的延迟是固定的，很容易补偿，所以本系统选用Altera公司的EPM7128芯片。GPS选用Ublox公司生产的5T系列授时型GPS。它是一种并行16通道接收机，有极强的抗树荫和高楼遮挡的能力，适用于城市及车载系统。其秒脉冲精度小于60ns；串行通信输出信息为二进制，波特率为9600bps，输出速率可由软件选择(连续输出或查询输出)。

时空基准电路中CPLD完成了校时的核心功能。它的内部分为毫秒和秒脉冲产生单元、GPS秒脉冲信号滤波单元、对齐脉冲产生单元和状态机控制单元4个部分。CPU接收到GPS的定位数据，从中求解出GPS当前锁定的卫星数，如果大于设定的卫星数，说明当前秒脉冲有效。CPLD状态机控制电路接收后，进入校时状态。当对齐脉冲产生电路检测到有效的秒脉冲时，产生对齐脉冲，此脉冲将电路晶振经CPLD产生的毫秒和秒脉冲产生电路复位完成一次校时过程。

由于卫星信号的不稳定和各种干扰的存在，使GPS的秒脉冲中会出现毛刺等干扰现象。控制器利用本身的高精度脉冲来对秒脉冲进行可信度鉴别，即设定一定宽度的窗口，将窗口之外的脉冲作为干扰脉冲，系统不对其进行响应，从而达到滤波效果。

3)线性参考坐标系及其与大地坐标系间的转换

传统的地理信息系统中，公路等线状特征(Feature)是以弧段为基本单位进行存储和管理的，处理公路等现状特征最常用的是节点-弧段模型。对于道路检测与测量的对象的描述、测量、存储和管理等应用来说，传统的节点弧段数据模型在模拟和处理时存在着明显的困难，并且由于道路管理部门来说，也一直使用着这样的一种坐标系，即“道路名称+方向+距离”的方式，也就是线性参考坐标系。在车载道路快速检测与测量系统中，为满足车辆行驶距离测量的要求，使用了距离测量装置(Distance Measurment Indicator-DMI)，该设备与属性录入设备相配合，即可形成道路线性参考系统(LRS，Linear ReferenceSystem)。

线性参考系统包括线性参考方法，基础线性网络和线性分布事件(包括设施)。所谓线性参考方法就是怎样确定线性分布事件在线性网络中的位置。常用的线性参考方法有里程参考、分段参考、地址参考和观测点参考等。线性参考方法的关键是线性量测方法，其线性网络包括线性道路网和控制点集。线性分布事件则是沿线性网络分布的设施或事件，包括点事件和线事件，点事件如桥梁、交通事故等，线事件如路段平整度、路段路面材料类型等。

线性参考的特点在于它能够仅用一个参数，不是两个参数(如经度/纬度或x/y)，根据线性构造来定位属性和事件。只要指定沿某个线性构造的起点和终点，就能够动态地参考和创建此线性构造的各个部分，无须直接存储各部分的数据。线性参考系统的另一个特点是：只有一个基础线性网络具有几何特征(即空间坐标)，线性分布事件表达为属性，但这些属性可以通过线性分段技术在地理信息系统中显示其空间位置(即线性网络中的点或线段)，其条件是这些属性具备线性参考方法的基本要求。

(1)时空数据采集系统的线性参考坐标系建立方法

在时空数据采集系统中的时空基准电路将GPS坐标(大地坐标)、GPS时间(UTC)、车辆行驶距离和外部事件输入等信息进行了同步处理，通过时间标记将各种定位数据和外部事件进行了关联。

时空基准电路按固定时间间隔(0.1s-1s)输出车辆当前的GPS坐标、行驶的距离等，当有外部事件输入时，立即输出外部事件发生的时刻信息。根据车辆行驶的距离与车辆运行起点的线性参考坐标之和即为当前位置的线性参考坐标。

D_ref＝S_ref+T

式中，D_ref为当前位置的线性参考坐标，S_ref为车辆出发点的线性参考坐标，T为车辆行驶的距离。

同理，也可以通过时间信息可以将GPS坐标与线性参考坐标关联起来。

(2)线性参考坐标系与大地坐标系间的转换

时空数据获取系统在数据采集过程中，通过其时空基准电路，即可建立GPS坐标与线性参考坐标的一一对应关系，同时也可实现外部事件与线性参考的关联。但是由于所采集的GPS坐标记录与线性参考坐标记录数据量十分庞大，如采样间隔在1s条件下，1小时的记录达到3600条，并不适合道路GIS系统来管理。同时，在数据采集过程中，GPS坐标和线性参考坐标可以通过时间相关联，但是在GIS数据管理中，就必须建立独立于时间参考的线性参考坐标系与大地坐标系之间的转换模型。

时空数据获取系统所涉及的检测与测量对象都是有特定几何形态的点状、线状和面状元素，但与这些元素相关的分布式属性却随着时间和空间的变化而动态改变。为了便于对这些属性在GIS系统中的管理，线性参考系统中引入了动态分段技术。动态分段技术是一个建立在线性网络之上的数据模型，是对线性特征进行以某种量测标准为依据的相对位置划分的技术。该技术一方面可以将原有的线性元素划分为一系列的线性段落，并将段落重新连接成线性元素；另一方面，通过动态分段，可以将现实世界中的空间属性与线性元素联系起来。因此，可以根据动态分段的思想，建立线性参考坐标系与大地坐标系的关联与转换模型。

如图7所示，对一条道路按照整公里桩、区域边界或其它依据动态划分为若干段；在每段内，根据道路线形的曲率将该段曲线用若干个直线段逼近，每条直线段具有起点位置的线性参考坐标、长度和方向。从而可以建立道路的路线表和分段表。

在时空数据获取系统中，例如道路病害、交通标志等点事件以及平整度、桥梁等线事件需要在GIS地图上快速显示，而这类事件在道路管理部门中确经常是按照线性参考系来表达的。因此，需要建立线性参考坐标到大地坐标的快速转换算法。算法如下：

第一步，根据目标点的线性参考坐标P，在路线表中快速确定目标点所在的路段；

第二步，根据目标点的线性参考坐标P，在其所在的路段表中确定目标点所在的直线段S，并根据此直线段在该路段的所有直线段中的排序来确定下一步推算大地坐标的方向，当该直线段序号小于等于总段数的二分之一时，从该段的起点开始推算；当该直线段序号大于总段数的二分之一时，从该段的终点开始推算；

第三步，将该路段的起点P_s或终点P_e从大地坐标转换到空间直角坐标，然后按照直线段的顺序，根据该直线段的长度和方向依次推算每个直线段的终点的空间直角坐标；对于目标点所在的直线段，在推算时其长度等于目标点的线性参考坐标与该直线段的起点差。具体推算如下：

如图7所示，目标点P位于路段P₀P₁上的S₂直线段上，设其线性参考坐标为p，则有

首先计算P₀点的空间直角坐标(x₀，y₀，z₀)^T：

$\left(\begin{array}{c}{x}_0\\ y_0\\ z_0\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}(N+H_0)\cos B_0\cos L_0\\ (N+H_0)\cos B_0\sin L_0\\ (N(1-e^2)+H_0)\sin B_0\end{array}\right),$ $\left\{\begin{array}{c}N=\frac{a}{\sqrt{1-e^2{\sin }^2{B}_0}}\\ e^2=\frac{a^2-b^2}{a^2}\end{array}\right.$

P点的空间直角坐标(x_P，y_P，z_P)^T：

$\left(\begin{array}{c}{x}_P\\ y_P\\ z_P\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}{x}_0\\ y_0\\ z_0\end{array}\right)+D_0\·F_0+D_1\·F_1+(p-p_2)\·F_2$

然后将P点的空间直角坐标(x_P，y_P，z_P)^T转换为大地坐标(B_P，L_P，H_P)^T：

$\left(\begin{array}{c}{L}_P\\ B_P\\ H_P\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}\arctan \left(\frac{y_P}{x_P}\right)\\ \arctan \left(\frac{z_P+e^{\′2}b{\sin }^3\mathrm{\θ}}{\sqrt{{x_P}^2+{y_P}^2}-e^{2}a{\cos }^3\mathrm{\θ}}\right)\\ \frac{\sqrt{{x_P}^2+{y_P}^2}}{\cos B_P}-N\end{array}\right)$

式中：e′为参考椭球的第二偏心率； $\mathrm{\θ}=\arctan \left(\frac{z_P\·a}{\sqrt{{x_P}^2+{y_P}^2}\·b}\right).$

主动同步控制电路

在时空数据获取系统中的一种主要传感器是CCD相机。现在市面上的数字CCD相机一般都有异步工作模式，即都设计有一个控制端口，当给此端口输入一个脉冲触发电信号时，相机完成一次曝光，然后将拍摄的图像数据输出到数据采集计算机，类似与家用数码相机的快门按钮的功能。因此，这类主动同步控制电路的设计主要是如何产生同步控制脉冲，同时记录同步控制脉冲发生的时刻和线性位置，并通过RS232串行通信接口即时发送到数据采集计算机，由数据采集计算机完成图像数据与时刻位置数据的关联，即为采集的图像打上时间戳。

主动同步控制电路工作原理如图8所示。该控制器主要由MCU(微处理器)、CPLD、高稳晶振、时钟芯片、信号选择开关、液晶显示单元、键盘、RS232电平转换等部分组成。控制电路一方面接收时空基准电路发送过来的距离脉冲、PPS、线性参考位置、GPS时间信息等，其PPS与GPS时间信息是将时空基准电路的精确时间传递到本主动同步控制电路，并在控制电路内建立与时空基准电路一致的时间基准。CPLD在MCU的控制下，将距离脉冲和高稳晶振脉冲按照控制参数进行分频，得到按等空间间隔和等时间间隔的控制脉冲，输出到电子选择开关。MCU根据用户的输入控制信息，将选择距离或时间间隔脉冲的控制信号发送给电子选择开关，输出同步控制脉冲信号，同时该信号作为一个中断源，输送到MCU的一个中断端口上。每当有一个控制脉冲输出时，MCU相应中断，将当前的精确到毫秒的时刻信息、线性参考位置信息等保存下来，通过RS232串口即时发送到数据采集计算机。

由同步控制电路以上原理分析可知，整个同步控制过程的校时延时误差：

ΔT_ps＝D_p0+D_p1+D_p2+D_p3

式中，D_p0为导线传播延时，它取决于时空基准电路的信号出口到本同步控制器的导线长度L_c≈3m及脉冲传播速度V_c＝3×10⁸m/s，即有D_p0＝0.1μs；D_p1为CPLD延迟时间，CPLD选用Altera公司生产的MAX II系列芯片，该芯片内部延时约为11ns；D_p2为从中断开始执行前的等待时间，通常为3个或4个指令周期，准确的等待时间取决于中断事件发生的时机，将其视为均匀分布，则有D_p2＝3.5U＝1.2μs(U表示一个指令周期为400ns)；D_p3为中断执行的时间，它与指令长度直接有关，通过空指令消除由于跳转等原因造成的指令流长度不等的情况后，程序中用于内时钟产生的指令长度为18U，即D_p3＝18U＝7.2μs。所以有ΔT_ps＝8.511μs。

被动同步控制电路

在时空数据获取系统中的另一种主要传感器是激光测距机或激光扫描仪。激光测距机和激光扫描仪一般都没有设计有类似与CCD相机的控制端口，不能接收外同步信号，然而在其数据采集时刻一般都可以输出一个脉冲信号(Event信号)，用于外部设备的记录。因此，这类被动同步控制的设计主要是如何记录同步事件发生的时刻和线性位置，并通过RS232串行通信接口即时发送到数据采集计算机，由数据采集计算机完成测距或测角数据与时刻位置数据的关联，即为采集的数据打上时间戳。

被动同步控制电路工作原理如图9所示。该控制器主要由MCU、CPLD、高稳晶振、时钟芯片、光电隔离整形电路、液晶显示单元、按键、RS232电平转换等部分组成。控制电路一方面接收时空基准电路发送过来的距离脉冲、PPS、线性参考位置、GPS时间信息等，其PPS与GPS时间信息是将时空基准电路的精确时间传递到本同步控制电路，并在控制器内建立与时空基准电路一致的时间基准。光电隔离整形电路接收外部事件的脉冲信号，经过光电隔离和整形后，将该信号作为一个中断源，输送到MCU的一个中断端口上。每当有一个外部事件脉冲输入时，MCU相应中断，将当前的精确到毫秒的时刻信息、线性参考位置信息等保存下来，通过RS232串口即时发送到数据采集计算机。

由被动同步控制电路以上原理分析可知，整个同步控制过程的校时延时误差：

ΔT_ps＝D_p0+D_p1+D_p2+D_p3+D_p4

式中，D_p0、D_p1、D_p2和D_p3与主动同步控制基本一致；D_p4是光电隔离与整形电路所导致的延时，其延时的长短与光电隔离器及滤波电路的设计相关，一般该延时达到几十微秒到几毫秒之间，所以被动同步的时间误差主要是光电隔离与整形电路的延时误差，为减小误差，需要选择相应速度快的光电隔离器件。

Claims (8)

1.一种高精度时空数据获取的多传感器集成同步控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1-1：建立时空基准电路，该时空基准电路提供时间基准和空间基准；

步骤1-2：通过该时间基准和该空间基准建立线性参考坐标系，并实现线性参考坐标系及其与大地坐标系间的转换；

步骤1-3：根据预先设定的参数，对主动同步传感器发送模拟控制信号，实现对主动同步传感器的同步控制；

步骤1-4：接收外部事件脉冲信号，并响应该外部事件脉冲信号产生的中断，实现对被动同步传感器的同步控制；其中：

步骤1-2中的通过该时间基准和该空间基准建立线性参考坐标系步骤包括：

在时空数据采集系统中的时空基准电路将GPS坐标、GPS时间、车辆行驶距离和外部事件输入信息进行了同步处理，通过时间标记将定位数据和外部事件进行了关联；

时空基准电路按固定时间间隔输出车辆当前的GPS坐标以及行驶的距离，当有外部事件输入时，立即输出外部事件发生的时刻信息，根据车辆行驶的距离与车辆运行起点的线性参考坐标之和即为当前位置的线性参考坐标。

2.如权利要求1所述的高精度时空数据获取的多传感器集成同步控制方法，其特征在于，步骤1-1中的时间基准的提供包括以下步骤：

步骤1-1-1：CPLD对10MHz脉冲分频产生毫秒脉冲和秒脉冲；

步骤1-1-2：通过对GPS的PPS脉冲信号的滤波及位同步实现GPS时间校准，即将CPLD产生的秒脉冲与GPS的秒脉冲对齐后，驱动内时钟的运行。

3.如权利要求1或2所述的高精度时空数据获取的多传感器集成同步控制方法，其特征在于，综合GPS、里程信号和微机械陀螺传感器的输出信号，采用航位推算算法，能够在GPS信号受到干扰、遮挡条件下仍能够输出正确的位置信息。

4.如权利要求1所述的高精度时空数据获取的多传感器集成同步控制方法，其特征在于，步骤1-3中的实现对主动同步传感器的同步控制步骤包括：

步骤1-3-1，根据目标点的线性参考坐标P，在路线表中快速确定目标点所在的路段；

步骤1-3-2，根据目标点的线性参考坐标P，在其所在的路段表中确定目标点所在的直线段S，并根据此直线段在该路段的所有直线段中的排序来确定下一步推算大地坐标的方向，当该直线段序号小于等于总段数的二分之一时，从该段的起点开始推算；当该直线段序号大于总段数的二分之一时，从该段的终点开始推算；

步骤1-3-3，将该路段的起点P_s或终点P_e从大地坐标转换到空间直角坐标，然后按照直线段的顺序，根据该直线段的长度和方向依次推算每个直线段的终点的空间直角坐标；对于目标点所在的直线段，在推算时其长度等于目标点的线性参考坐标与该直线段的起点差。

5.一种高精度时空数据获取的多传感器集成同步控制系统，其特征在于，包括时空基准电路、主动同步控制电路和被动同步控制电路，其中，

所述时空基准电路包括时间基准单元和空间基准单元；

所述时间基准单元分别与所述主动同步控制电路和所述被动同步控制电路连接，为所述主动同步控制电路和所述被动同步控制电路提供时间基准；

所述空间基准单元分别与所述主动同步控制电路和所述被动同步控制电路连接，为所述主动同步控制电路和所述被动同步控制电路提供空间基准；

所述时空基准电路通过该时间基准和该空间基准建立线性参考坐标系，并实现线性参考坐标系及其与大地坐标系间的转换；

所述主动同步控制电路根据预先设定的参数，对主动同步传感器发送模拟控制信号，实现对主动同步传感器的同步控制；

所述被动同步控制电路接收外部事件脉冲信号，并响应该外部事件脉冲信号产生的中断，实现对被动同步传感器的同步控制；其中：

所述时空基准电路通过该时间基准和该空间基准建立线性参考坐标系包括：

时空基准电路将GPS坐标、GPS时间、车辆行驶距离和外部事件输入信息进行了同步处理，通过时间标记将定位数据和外部事件进行了关联；

时空基准电路按固定时间间隔输出车辆当前的GPS坐标以及行驶的距离，当有外部事件输入时，立即输出外部事件发生的时刻信息，根据车辆行驶的距离与车辆运行起点的线性参考坐标之和即为当前位置的线性参考坐标。

6.如权利要求5所述的高精度时空数据获取的多传感器集成同步控制系统，其特征在于，所述时间基准单元包括CPLD、GPS和高稳晶振，其中，

CPLD，分别与高稳晶振和GPS连接，对10MHz脉冲分频产生毫秒脉冲和秒脉冲，并通过对GPS的PPS脉冲信号的滤波及位同步实现GPS时间校准，即将CPLD产生的秒脉冲与GPS的秒脉冲对齐后，驱动内时钟的运行。

7.如权利要求5或6所述的高精度时空数据获取的多传感器集成同步控制系统，其特征在于，综合GPS、里程信号和微机械陀螺传感器的输出信号，采用航位推算算法，能够在GPS信号受到干扰、遮挡条件下仍能够输出正确的位置信息。

8.如权利要求5所述的高精度时空数据获取的多传感器集成同步控制系统，其特征在于，所述时空基准电路实现对主动同步传感器的同步控制包括：

根据目标点的线性参考坐标P，在路线表中快速确定目标点所在的路段；

根据目标点的线性参考坐标P，在其所在的路段表中确定目标点所在的直线段S，并根据此直线段在该路段的所有直线段中的排序来确定下一步推算大地坐标的方向，当该直线段序号小于等于总段数的二分之一时，从该段的起点开始推算；当该直线段序号大于总段数的二分之一时，从该段的终点开始推算；

将该路段的起点P_s或终点P_e从大地坐标转换到空间直角坐标，然后按照直线段的顺序，根据该直线段的长度和方向依次推算每个直线段的终点的空间直角坐标；对于目标点所在的直线段，在推算时其长度等于目标点的线性参考坐标与该直线段的起点差。

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