CN102338632B - 台阵布设的精密定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及微动勘探或其它工程振动测试领域，特别是涉及一种台阵布设的精密定位方法和装置。将对目标点的直接定位过程分为目标点附近三个控制点的定位和在三个控制点控制下的目标点定位两个过程。前者采用GPS静态基线测量方法，后者采用测量卷尺丈量方法，两者优势组合，实现一种精密而简单可靠的方法。本发明还涉及用于实现该方法的两个定位装置，包含微处理器、单频测量型GPS模块、输入单元、存储器和显示屏，一个用于参考点观测，具有GPS数据的存储和读出功能，另一个用于移动观测，还具有目标点的设置以及图形显示功能。

Description

台阵布设的精密定位方法

技术领域

本发明涉及微动勘探、工程振动测试领域，特别是涉及一种微动测试台阵布设的精密定位方法和装置。 

背景技术

在微动勘探、工程振动测试领域，为了探测一个区域里的振动信息，往往将众多拾振器组成台阵，同时对场信号进行观测。台阵各个观测点的相对位置关系是有一定约束条件的，例如微动的空间自相关法，要求观测台阵为圆形，各点观测仪器具备良好的一致性，一般要求各仪器间的相关性在0.999以上，相位差在±(3-5)°以内。即微动面波相速度最低为100m/s时，测点间的距离误差必须在0.2m以内，如果微动面波相速度更低，则距离误差必须更小。因此，微动勘探在台阵定位方面具有较高的要求。为了进行台阵定位，传统的方法是采用测量卷尺和量角器等工具，在较小台阵尺度下容易实施，在大台阵或场地有障碍物的时候，定位则容易产生较大积累误差或根本难以进行。 

随着全球定位系统(GPS)应用的广泛普及，GPS定位技术被应用来进行台阵的定位。GPS有三种定位方式：单点定位、伪距差分定位和载波相位差分，精度分别在十米级、米级和毫米级的水平。一般单频GPS接收机，以单点定位方式来进行定位，其十米级的定位精度不能满足观测台阵的定位精度要求；GPS差分定位需要两台GPS接收机同时进行观测，通过移动站与参考站之间的实时的通信链路联系、边观测边解算以获得一台接收机相对于另一台接收机的位置；为了适应多点同步定位的大范围工作情况，通常参考站和移动站都采用双频的GPS接收机。双频GPS接收机价格较高，需要较大的成本投入，使用时还需要交纳服务费用。 

观测台阵的观测点定位，是由设计上已知点位，通过放样在实际的场地上把它们确定下来。目前常用的单频实时差分定位方案是在参考点与移动点之间建立实时的无线通信链路，移动点将GPS观测数据无线发送给固定点，固定点通过定位解算求得移动点目前相对于自己的位置并无线发送给移动点，移动点将它与目标点位置比较，指示自己朝目标点移动，直到找到目标点。该方案主要不足在于以下几个方面：1、定位方式严重依赖于无线通信的能力和质量。如采用无线射频模块，为了达到其标称的通信距离，其天线要架设得比较高，当高过GPS天线时，会对GPS信号产生干扰，甚至导致GPS接收机不能正常工作。且通信质量不能保障，容易受到干扰；2、GPS天线的天线杆有一定高度，在移动过程中，场地不平或晃动对定位精度产生一定影响，厘米级的定位精度事实上难以做到或保证；3、目标点位置的GPS信号要求质量良好，如果目标点位置无GPS信号或信号差，将造成定位任务实际上无法完成。因此如何可靠有效地进行高精度的台阵定位，是目前微动勘探、其它工程振动测试领域需要解决的问题之一。 

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种台阵布设的精密定位方法和装置，应用于微动勘探、工程振动测试领域等对台阵几何结构有较严格的要求时，可以简单可靠地进行台阵各观测点的精密定位。 

本发明解决其技术方案采用的技术方案是：基于微处理器、测量型单频GPS接收模块和存储器等构成两个定位装置，一个用于参考点观测，具有GPS数据的存储和读出功能，另一个用于移动观测，除了具有GPS数据的存储和读出功能外，还具有目标点的设置以及图形显示等功能，显示当前位置相对于目标点的位置情况，指引作业者朝目标点移动。初始时两个定位装置在同一参考点同时进行观测一段时间，以便用该段时间的数据进行定位解算的初始化，固定载波相位整周模糊度，并且用于移动的定位装置读取该点的单点定位位置坐标(WGS-84坐标)，通过高斯投影转换为平面坐标，作为参考点的坐标。随后移动点根据设置的目标点与参考点的相对坐标确定目标点在WGS-84坐标框架下的高斯投影坐标值，可以开始移动，在单点定位模式下显示当前坐标值，与目标点的接近情况等，指示作业者朝目标点移动，从而以GPS单点定位的精度确定目标点的位置，或者说，使其处于距离目标点几十米的区域之内。在这个区域，任取三个不在一条直线上的三个控制点，固定定位装置，观测一个或一个以上历元的数据并存储。整个过程中，位于参考点的定位装置也一直在观测和存储数据。收集参考点观测的定位装置的观测数据和移动观测的定位装置的观测数据进行载波相位差分定位处理，可以以厘米级的精度获得目标点附近三个控制点相对于参考点的坐标，因此可以确定目标点与三个控制点的相对位置信息，包括距离和角度等，根据这些信息，用测量卷尺在一个小范围内的作业，可以快速准确地确定目标点的位置，完成定位任务。依据这个方法，可以进行多目标点的依次定位。 

本发明具有以下的创新点和主要的优点： 

1.提出一种台阵布设时进行精密定位的新方法，将对目标点的单一而严格的直接定位过程分为目标点附近更为宽松灵活选择的三个控制点的定位和在三个控制点控制下的目标点定位两个过程。前者采用固定观测的GPS差分定位方法，避免了GPS实时差分定位的通信链路问题，后者采用传统测量卷尺定位但确保在小范围实施，两种方法优势组合，实现一种简单可靠但保证精度的方法。 

2.对目标点附近所有控制点的定位预先进行了统一的初始化过程，每个控制点上不需长时间观测，提高整个定位作业的效率。 

3.三个控制点控制下的目标点定位过程不再需要GPS定位的参与，即使目标点位置无GPS信号或信号差也不影响定位。 

4.三个控制点形成的平面可以简单抬高以克服低矮障碍物对测量卷尺拉伸的影响问题。 

5.固定观测的GPS差分定位方法使得定位装置可以采用测量型单频GPS接收模块，成本低且结构简单。 

6.到达目标点附近的定位过程仅须采用GPS单点定位模式且在图示化指导下进行，简 单易行。 

附图说明

图1为定位原理示意图。 

图中：1——参考点 

2——目标点 

3——镜象点 

4——固定控制点。 

图2为定位装置电路组成框图。 

图中：5——天线 

6——测量型单频GPS接收模块 

7——微处理器 

8——存储器 

9——通信单元 

10——显示屏 

11——输入单元。 

图3为定位处理流程图。 

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明。 

本发明提供的台阵布设的精密定位方法和装置，其定位原理如图1所示：参考点1与目标点2之间的位置关系由预先设计已知。固定控制点4设定在目标点2周边，一般以设三个为宜，a、b和c分别表示固定控制点4与目标点2之间的距离。先用定位装置测定固定控制点4坐标。再以任何两个固定控制点为基准，将测量卷尺的端点以a+b为长度分别固定于两个固定控制点4，并以测量卷尺上a、b两段长度的分界点为节点，将尺在固定控制点4形成的平面内拉紧。这样在理论上可以定位出两个点，一个是我们需要的目标点2，另一个是与目标点2对称的镜像点3。目标点2与镜像点3的判别可以通过目标点与第三个固定控制点4的相对距离远近直接判断，从而可找出目标点2。因此，对目标点2的定位转化为目标点附近三个固定控制点4的定位，而对目标点2的定位精度也取决于对三个固定控制点4的定位精度。对三个固定控制点4的定位采用GPS差分定位方法，定位装置包括两个，一个用于参考点1的观测，另一个用于移动到各固定控制点4进行观测。定位装置的电路组成框图如图2所示：由微处理器7、测量型单频GPS接收模块6、天线5、存储器8、通信单元9、显示屏10以及输入单元11组成。天线5通过数据线与GPS接收模块6相连；微处理器7通过数据线分别与GPS接收模块6、存储器8、通信单元9、显示屏10以及输入单元11相连。该装置的主要功能是在输入单元11的控制下，进行GPS观测数据的处理、存储，并通过通信单元9读出或显示屏10显示目标点2的设置和图形；用于移动点定位时显示屏10指导作业者朝目标点2的移动。 

结合图3对目标点2的定位过程描述如下： 

步骤1、初始化观测过程 

在参考点1位置两台定位装置同时观测一段时间，一般为5分钟以上，存储观测数据。初始化观测的目的是固定GPS载波相位整周模糊度，如果整个定位过程中卫星不发生失锁的情况，这个整周模糊度将保持不变。固定GPS整周模糊度后的GPS载波相位差分解算，即使很少，比如1个历元的观测数据也能进行并有良好结果，实践表明，可达到厘米级精度。这样可以大大减少在目标点2附近三个固定控制点4上的观测时间，从而减少整个台阵定位的作业时间。在整个定位期间，参考点1的定位装置应保持观测并存储数据。 

步骤2、朝目标点2的移动过程 

移动装置在参考点1位置读取该点的单点定位坐标(WGS-84坐标)，并进行高斯投影转换为平面坐标，作为参考点1的坐标。设置目标点2相对于参考点的相对坐标，装置计算出目标点2在WGS-84坐标框架下的高斯投影坐标值，可以开始移动。由于只要求定位在目标点2的附近，精度要求不高，利用GPS的单点定位模式便可以满足。移动过程中，装置显示当前坐标值以及图示与目标点2的接近情况等，指引作业者朝目标点2移动，从而首先以GPS单点定位的精度确定目标点2的位置，或者说，可定位于目标点2几十米的范围之内。 

如果台阵的尺度不大，本身在几十米以内，则不需要本过程，直接进行过程三。 

步骤3、三个固定控制点4的观测过程 

在目标点2附近任意选择三个固定控制点4并做好标记，点位的选择不需严格要求，只要求它们不在一条直线上，而且最好具有较好的几何结构(接近于正三角形，边长不能太短)。在每个固定控制点4上固定定位装置的天线5进行观测并存储数据，定位装置应对观测数据针对不同固定控制点4进行标注区分。观测时间理论上讲只需一个历元即可，更多历元的观测可提高定位精度。如果定位移动过程中发生了卫星失锁，少数卫星的话可以在定位处理时找回失锁卫星的整周模糊度，如果发生严重的卫星失锁，则必须重新进行初始化，方法是在其中任一个固定控制点4上观测相对长一点的时间(比如5分钟以上)，该数据既可用做重新初始化，同时也可用于该点的定位。 

如果有多个目标点2，则重复二和三的过程，直到所有目标点2观测完毕。 

步骤4、目标点精密定位过程 

固定控制点4完成定位后，再以任意两个固定控制点为基准，将测量卷尺的端点以a+b为长度分别固定于两个固定控制点4，并以测量卷尺上a、b两段长度的分界点为节点，将尺在固定控制点4形成的平面内拉紧，根据目标点2与第三个固定控制点4的远近关系判断拉紧方向，从而可直接找出目标点2。 

GPS载波相位差分处理在整周模糊度固定后，少数几个历元的数据其定位精度容易达到厘米级，因此目标点2的定位由厘米级精度的固定点控制4，也可以达到厘米级，实现精密定位，满足工程要求。因给出的是投影的平面坐标，将整个平面抬高一个高度不会影响定位，因此如果定位时在目标点2与固定控制点4之间存在低矮的障碍物而对测量卷尺的拉伸带来影响时，可以用这种办法绕过障碍物而不影响定位，同样对于非平坦地面，也可以采用该方 法进行克服，只要对测量卷尺拉伸时的水平性加以控制。 

Claims (1)

1.一种用于微动测试台阵布设的精密定位方法，其特征在于该方法基于两个定位装置由参考点定出目标点周边的3个固定控制点坐标，再由固定控制点确定目标点位置，所述的两个定位装置由微处理器、测量型单频GPS接收模块、存储器和显示器构成，一个用于参考点观测，具有GPS数据的存储和读出功能，另一个还具有目标点的设置以及图形显示功能，用于移动观测，指引作业者朝目标点移动，该方法还包括以下步骤：

A、初始化观测过程，两个定位装置在参考点位置同时观测5分钟以上，存储观测数据，固定GPS载波相位整周模糊度；

B、定位装置向目标点移动过程，一个定位装置保持位于参考点位置不动，持续观测和存储数据，另一个定位装置在参考点位置，读取该点的单点定位WGS-84坐标后设置目标点相对于参考点的坐标并计算出目标点的WGS-84坐标值，再以单点定位模式向目标点移动，并只要求定位在目标点附近；

C、固定控制点的观测过程，在目标点附近任意选择不在一条直线的三个固定控制点，每个固定控制点上固定定位装置的天线进行观测、存储数据并针对不同固定控制点进行标注区分；

D、目标点精密定位过程，收集参考点观测的定位装置的观测数据和移动观测的定位装置的观测数据进行载波相位差分定位处理，获得目标点附近三个固定控制点相对于参考点的坐标，确定目标点与三个固定控制点的相对位置信息，以任意两个固定控制点为基准，设该两个固定控制点与目标点的距离分别为a和b，在测量卷尺上选择a+b长度，将该长度的测量卷尺两端分别固定于两个所述的固定控制点，并以测量卷尺上a、b两段长度的分界点为节点，将尺拉紧，根据目标点与第三个固定控制点的远近关系判断拉紧方向，从而直接找出目标点，完成定位目的。

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