CN102620710A

CN102620710A - 测算数据的方法和系统

Info

Publication number: CN102620710A
Application number: CN2012101139154A
Authority: CN
Inventors: 赵广超
Original assignee: Individual
Current assignee: Nanjing Bodiyuan Space Information Technology Group Co ltd
Priority date: 2012-04-18
Filing date: 2012-04-18
Publication date: 2012-08-01
Anticipated expiration: 2032-04-18
Also published as: CN102620710B

Abstract

本发明公开了一种测算数据的方法和系统，属于测绘领域。所述方法包括在GPS接收机的定位中心点处嵌入光纤陀螺寻北仪，在所述定位中心点处固定红外线测距装置，并在所述定位中心点外围位置设置俯仰角光栅电子测角元件，并根据这些装置采集或测量得到的数据进行运算后得到待测点的坐标。本发明对两点定向计算方法新突破，由传统的两已知点定向后推算未知点数据，变为由一个已知点数据通过相应辅助角直接推算未知点。这是一种理论革新；无需设站，避免仪器利用已知点整平、对中等因素所带来的无法避免的传统误差，且弥补了全站仪和GPS接收机本身的不足的，避免了对控制点的依赖。

Description

测算数据的方法和系统

技术领域

本发明属于测绘领域，涉及一种测算数据的方法和系统。

背景技术

在野外测量时大多使用全站仪、经纬仪或超站仪（智能测量机器人）等仪器，或使用GPS定位技术测算数据。全站仪、经纬仪或超站仪等仪器，在使用上普遍存在设站多，误差传递大的缺点，这些仪器须以两已知点定向为前提向前推算未知点数据，但实际工作环境中两已知点的位置距离、架设站效果、通视环境等大多不理想，外加两固定已知点大多经长时间放置、一般都没有必要的隔离网等保护设施，岩土松动或人为因素所引起的位移很难避免，进而影响测量精度。另外，虽然GPS定位技术很成熟，但针对某些特殊环境下RTK却很不方便或难以使用，例如：山顶、山谷、断崖、塔顶等不规则高大物体的外檐及顶部，使用GPS尽管能很好接受卫星信号，但工作人员实际操作起来很不方便并且带有很大的不安全性。

现在外业测量时，经常全站仪和GPS两台仪器配合使用。首先用GPS在合适的位置定位两固定点，求出两点的坐标，然后把全站仪架设在其中一固定点上，输入该点坐标，用另一点做后视点定向，两点定向后再进行所要求的测算数据和放样等工作，但是，两种仪器配合使用也有很大不足：仪器操作时费时费力，传导和计算数据量大，误差累加无法避免，计算方法繁琐容易出错，需要多人配合，仪器携带不方便，工作效率低等。

发明内容

为了弥补现有技术中测算数据的不足，克服两点定向方法的局限性。本发明实施例提供了一种测算数据的方法和系统，以提高测算数据及定位导航时的效率。所述技术方案如下：

一种测算数据的方法，所述方法包括：

在GPS接收机的定位中心点处嵌入光纤陀螺寻北仪，在所述定位中心点处固定红外线测距装置，并在所述定位中心点外围位置设置俯仰角光栅电子测角元件；

根据所述GPS接收机采集到定位中心点的坐标信息，根据所述红外线测距装置测得所述定位中心点与待测点的距离，所述定位中心点的坐标信息包括平面坐标和高程；

根据所述光纤陀螺寻北仪测得所在轴方向与真北方向的真方位角和预设的关系，得到定位中心点到待测点之间的坐标方位角；

根据所述定位中心点的坐标信息中的平面坐标、所述定位中心点与待测点的距离及所述坐标方位角，计算出所述待测点的平面坐标；

根据俯仰角光栅电子测角元件测得定位中心点与待测点的俯仰角，并根据所述定位中心点的坐标信息中的高程、所述定位中心点与待测点的距离及所述俯仰角，计算出所述待测点的高程。

作为上述实施方式的优选，所述根据预设的所述真方位角与坐标方位角之间的关系得到坐标方位角，具体包括：

所述坐标方位角为：

Figure 2012101139154100002DEST_PATH_IMAGE001

=

，其中，

Figure 2012101139154100002DEST_PATH_IMAGE003

为所述光纤陀螺寻北仪测得所在轴方向与真北方向的真方位角，所述表示经差的奇函数，为已知值。

作为上述实施方式的优选，所述根据所述定位中心点的坐标信息中的平面坐标、所述定位中心点与待测点的距离及所述坐标方位角，计算出所述待测点的平面坐标，具体包括：

待测点的平面坐标

Figure 2012101139154100002DEST_PATH_IMAGE005

、

为

Figure 2012101139154100002DEST_PATH_IMAGE007

，

作为上述实施方式的优选，所述

、

Figure 2012101139154100002DEST_PATH_IMAGE009

为所述GPS接收机采集到的定位中心点A的平面坐标，所述

为所述红外线测距装置测得的定位中心点A到待测点B的距离，所述为A到B之间的坐标方位角；所述

=

，为所述光纤陀螺寻北仪测得所在轴方向与真北方向的真方位角，所述

表示经差的奇函数，为已知值。

作为上述实施方式的优选，所述根据所述定位中心点的坐标信息中的高程、所述定位中心点与待测点的距离及所述俯仰角，计算出所述待测点的高程，具体包括：

待测点的高程

为

=

Figure 2012101139154100002DEST_PATH_IMAGE013

+

，

作为上述实施方式的优选，所述

为定位中心点A的高程，所述

为所述红外线测距装置测得的定位中心点A到待测点B的距离，所述

为所述俯仰角光栅电子测角元件测得的定位中心点与待测点的俯仰角。

作为上述实施方式的优选，所述

Figure 2012101139154100002DEST_PATH_IMAGE017

是经差的奇函数，在x 轴为对称轴，东侧为正，西侧为负，且

角在赤道为0，在两极等于经差l，其余点上均小于经差l。

作为上述实施方式的优选，当所述真方位角的精度在2〞时，待测点的坐标在100m范围内的精度小于1cm；当所述真方位角的精度在5〞时，待测点的坐标在100m范围内的精度小于2.4cm。

本发明实施例还提供了一种测算数据的系统，所述系统包括：

GPS接收机，用于采集定位中心点的坐标信息，所述定位中心点的坐标信息包括平面坐标和高程；

所述GPS接收机的定位中心点处嵌入一光纤陀螺寻北仪，用于测量所述光纤陀螺寻北仪所在轴方向与真北方向的真方位角；

所述GPS接收机的定位中心点处固定一红外线测距装置，且所述红外线测距装置的红外线光束发射轴线方向与所述光纤陀螺寻北仪的寻北轴线方向是同一方向，所述红外线测距装置用于测量所述定位中心点与待测点的距离；

所述GPS接收机的定位中心点外围位置设置一俯仰角光栅电子测角元件，用于测量定位中心点与待测点的俯仰角；

所述GPS接收机、所述光纤陀螺寻北仪、所述红外线测距装置与所述俯仰角光栅电子测角元件连接一数据处理系统，所述数据处理系统用于根据所述定位中心点的坐标信息、所述定位中心点与待测点的距离、所述真方位角、经差的奇函数及所述定位中心点与待测点的俯仰角，计算出待测点的坐标信息。

作为上述实施方式的优选，所述数据处理系统包括计算平面坐标单元和计算高程单元；

所述计算平面坐标单元，用于根据所述定位中心点的坐标信息中的平面坐标、所述定位中心点与待测点的距离、所述真方位角及经差的奇函数，计算出所述待测点的平面坐标；

所述计算高程单元，用于根据所述定位中心点的坐标信息中的高程、所述定位中心点与待测点的距离及所述俯仰角，计算出所述待测点的高程。

作为上述实施方式的优选，所述计算平面坐标单元，具体用于根据所述真方位角及经差的奇函数得到定位中心点到待测点之间的坐标方位角，并根据所述定位中心点的坐标信息中的平面坐标、所述定位中心点与待测点的距离、所述定位中心点到待测点之间的坐标方位角，计算出所述待测点的平面坐标。

作为上述实施方式的优选，所述系统还包括显示器，所述显示器连接所述GPS接收机、所述光纤陀螺寻北仪、所述红外线测距装置、所述俯仰角光栅电子测角元件和所述数据处理系统。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：对两点定向计算方法实现新突破，由传统的两已知点定向后推算未知点数据，变为由一个已知点数据通过相应辅助角直接推算未知点，这是一种理论革新；无需设站，避免仪器利用已知点整平、对中等因素所带来的无法避免的误差；且弥补了全站仪和GPS接收机本身的不足的，避免了对控制点的依赖。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例1中提供的测算数据的方法流程图；

图2是本发明实施例1中提供的测算数据的原理示意图；

图3是本发明实施例1中提供的真方位角的示意图；

图4是本发明实施例1中提供的真方位角与坐标方位角之间的关系示意图；

图5是本发明实施例1中提供的子午线与平行圈的关系示意图；

图6是本发明实施例1中提供的俯仰角与待测点高程的示意图；

图7是本发明实施例1中提供的测算数据系统的主要元件位置平面示意图；

图8是本发明实施例1中提供的测算数据的系统的剖面结构示意图。

主要组件说明：

1、GPS接收机； 2、红外线测距装置 3、俯仰角光栅电子测角元件；

4、光纤陀螺寻北仪； 5、内置天线； 6、显示器；

7、联接对中杆丝套 8、功能按键 9、数据处理系统；

10、摄像端头； 11、录音、播放装置； 12、同心轴线；

13、电池； 14、充电端口；

15、红外线光束； 16、主板； 17、定位中心点； 18、数据线；

19、数据传输端口。

具体实施方式

为更加清楚地说明本发明的目的、技术方案和优点，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

实施例1

参见图1，本发明提供了一种测算数据的方法，所述方法包括：

步骤101：设置GPS接收机，在该GPS接收机的定位中心点O点处嵌入光纤陀螺寻北仪，在该定位中心点位置固定红外线测距装置，且并在定位中心点外围位置设置俯仰角光栅电子测角元件；

具体地，该步骤中固定红外线测距装置时，要求红外线测距装置的红外线光束15发射轴线方向与光纤陀螺寻北仪的寻北轴线方向是同一方向。

实际应用中，设置GPS接收机后，要检查GPS接收机网络信号或与附近已有基准站的信号连接情况，转换坐标系解算参数验证精度，确保信号的稳定度和所需强度，从而确保所测数据的精确度。

步骤102：开启GPS接收机，通过GPS定位测得定位中心点的坐标值；

具体地，开启GPS接收机后，对该GPS接收机设置相应参数，并通过联接对中杆丝套7对GPS接收机的对中杆进行校正，检验该定位中心点，此时，将GPS接收机测得的数据发送到数据处理系统或在当前系统的显示屏上显示出来。其中，GPS接收机测得的定位中心点A点坐标为（

，

，

），

、

表示平面坐标，

表示高程。

本发明实施例中的GPS定位采用RTK（Real - time kinematic，实时动态差分法），RTK能够在野外实时得到厘米级定位精度的测量方法，采用了载波相位动态实时差分方法。其中，GPS测量的水平精度为：±1cm+1ppm；GPS测量的垂直精度为：±2cm+1ppm；静态、快速静态平面精度为：±2.5mm+1ppm；静态、快速静态高程精度为：±5mm+1ppm。

步骤103：开启红外线测距装置，该红外线测距装置测出某定位中心点到待测点的距离；

实际应用中，开启红外线测距装置后，将红外测距装置测出的定位中心点到对待测点的距离数据

传入数据处理系统，并通过数据处理系统将该距离数据显示在显示屏上。

本发明实施例中计算平面坐标的原理示意图如图2所示，GPS接收机测得已知A点的坐标为（

、

、

），红外线测距装置测得A到B的长度为

，设定

为A到B之间的坐标方位角，该坐标方位角通过后续步骤得到，此时待测点B的坐标为

Figure 2012101139154100002DEST_PATH_IMAGE019

｝（1—1）

其中，

、

Figure 2012101139154100002DEST_PATH_IMAGE021

分别为X轴和Y轴方向的坐标增量。

｝（1—2）

其中，

表示A到B的距离，

表示坐标方位角。

将式（1-2）代入式（1-1），则有

｝（1—3）

因此，在A点的坐标

、

，A到B的长度，及其坐标方位角

均为已知时，就可以用上述公式计算出待测点B的平面坐标

、

，其中，坐标方位角

由嵌入式光纤陀螺寻北仪所测方位角经过改正求出，下面介绍如何计算出坐标方位角

。

步骤104：开启光纤陀螺寻北仪，该光纤陀螺寻北仪测得所在轴方向与真北方向的真方位角，并根据真方位角与坐标方位角之间的关系得到坐标方位角，根据定位中心点的坐标信息中的平面坐标、定位中心点与待测点的距离及该坐标方位角，计算出待测点的平面坐标；

其中，光纤陀螺寻北仪与所求坐标方位角关系示意图如图3所示，A′为光纤陀螺寻北仪所在轴线方向，即红外线光束所在方向与真北方向的夹角，并将光纤陀螺寻北仪所测真方位角传入数据处理系统。

而根据图4所示，真方位角A′与坐标方位角之间存在如下关系：

=，

因此，所求红外线光束所在坐标方位角为：

Figure 2012101139154100002DEST_PATH_IMAGE025

。其中，

表示经差的奇函数，其在一定范围内是固定常数，实际应用中可以根据下面介绍的内容得到

。

参见图5所示的子午线与平行圈的示意图；

对上述公式进行高斯投影公式求偏导数，得到：

Figure 2012101139154100002DEST_PATH_IMAGE027

代入上式，得：

将上式展开成tg的级数，得到：

Figure 2012101139154100002DEST_PATH_IMAGE029

由此可见，

角在赤道为0，在两极等于经差l，其余点上均小于经差l。

至此，根据步骤103中预设的公式可以计算出待测点B的平面坐标（

，

）。

步骤105：开启俯仰角光栅电子测角元件，该俯仰角光栅电子测角元件测得俯仰角的值，根据定位中心点的坐标信息中的高程、定位中心点与待测点的距离及该俯仰角，计算出所述待测点的高程。

具体地，当红外线通过俯仰角光栅测角元件时，由光敏感应将俯仰角数据

传入数据处理系统。

如图6所示的高度信息示意图，B点相对A点的高差为：H_AB=

；

因此，本发明实施例测得的B点高程为：

=

+ H_AB=

+

，当

、

、

均为已知数值时，根据上述公式即可计算出B点的高程值。此时完成测算数据步骤，得到了B点的坐标信息（，

，

）。

本方法所测算坐标的精度直接受光纤陀螺测得的真方位角的精度影响，当真方位角的精度在2〞时，待测点的坐标在100m范围内的精度 <1cm；当真方位角的精度在5〞时，待测点的坐标在100m范围内的精度 <2.4cm ；真方位角的精度越精确，测得的待测点的坐标精度越高；待测点的坐标精度随测距的增大而降低，随测距的变小而提高。

本发明实施例测量数据时，开启GPS和光纤陀螺寻北仪，采集到待测点的相应信息的同时，将该相应信息导入数据处理系统，最终在显示屏显示待测点的坐标，并可以自动保存。

本发明实施例提供的方法，对两点定向计算方法新突破，由传统的两已知点定向后推算未知点数据，变为由一个已知点数据通过相应辅助角直接推算未知点，与是一种理论革新；无需设站，避免仪器利用已知点整平、对中等因素所带来的无法避免的误差；且弥补了全站仪和GPS接收机本身的不足的，避免了对控制点的依赖。

实施例2

参加图7，本发明实施例提供了一种测算数据的系统，所述系统包括：

GPS接收机1，并在该GPS接收机定位中心点位置嵌入一光纤陀螺寻北仪4，在该定位中心点位置固定一红外线测距装置2，且该红外线测距装置2的红外线光束发射轴线方向与光纤陀螺寻北仪4的寻北轴线方向是同一方向，并在定位中心点17外围位置俯仰角光栅电子测角元件3；另外，GPS接收机1、光纤陀螺寻北仪4、红外线测距装置2与俯仰角光栅电子测角元件3分别与一数据处理系统9进行连接。

其中，GPS接收机用于采集定位中心点的坐标信息，该定位中心点的坐标信息包括平面坐标和高程；光纤陀螺寻北仪用于测量光纤陀螺寻北仪所在轴方向与真北方向的真方位角；红外线测距装置用于测量定位中心点与待测点之间的距离；俯仰角光栅电子测角元件用于测量定位中心点与待测点的俯仰角；数据处理系统用于根据定位中心点的坐标信息、定位中心点与待测点的距离、真方位角、经差的奇函数及定位中心点与待测点的俯仰角，计算出待测点的坐标信息。

优选地，该GPS接收1机具体为高精度手持GPS接收机，用于实现GSP精确定位；该光纤陀螺寻北仪4优选为动态高精度光纤陀螺寻北仪，用于实现寻北方向的精确性。

实际测算数据时，当红外线测距装置发出的红外线通过测角元件时，通过光敏感应把测角元件测到的角度数据传送到数据处理系统。也就是说，GPS接收机定位出的定位点数据、光纤陀螺寻北仪所测出的方位角数据（即红外线光束所在真北方位角）、测角原件测到的俯仰角数据、红外线测角测距装置测得的数据，均会传送到数据处理系统，进而在数据处理系统中通过函数公式得出所求数据。

作为上述实施方式的优选，数据处理系统9具体包括计算平面坐标单元和计算高程单元；

计算平面坐标单元，用于根据定位中心点的坐标信息中的平面坐标、定位中心点与待测点的距离、真方位角及经差的奇函数，计算出待测点的平面坐标；

计算高程单元，用于根据定位中心点的坐标信息中的高程、定位中心点与待测点的距离及俯仰角，计算出待测点的高程。

作为上述实施方式的优选，计算平面坐标单元具体用于根据真方位角及经差的奇函数得到定位中心点到待测点之间的坐标方位角，并根据定位中心点的坐标信息中的平面坐标、定位中心点与待测点的距离、定位中心点到待测点之间的坐标方位角，计算出待测点的平面坐标。

作为上述实施方式的优选，该测算数据的系统还包括一显示器6，该显示器6与上述GPS接收机、光纤陀螺寻北仪、红外线测距装置、俯仰角光栅电子测角元件和数据处理系统均进行连接，能够显示测试数据过程中产生的数据，如定位中心点的坐标信息，定位中心点与待测点的距离、定位中心点到待测点之间的坐标方位角，及计算出的待测点的平面坐标和待测点的高程等信息。

作为上述实施方式的优选，参见图8，该测算数据的系统还包括内置天线5，摄像端头10；其中，内置天线5与显示器6和摄像端头10通过数据线18进行连接。

作为上述实施方式的优选，该测算数据的系统还包括功能按键8，位于主板16上，录音、播放装置11，充电端口14，电池13，其图示中12为同心轴线。其中，功能按键8分别与录音和播放装置11和数据处理系统9进行连接，数据处理系统8还与电池13进行连接，充电端口14和电池13进行连接。该测算系统的系统还包括一数据传输端口19，用于将系统测算得到的数据传输出去。

本系统所测算坐标的精度直接受光纤陀螺测得的真方位角的精度影响，当真方位角的精度在2〞时，待测点的坐标在100 m范围内精度 <1cm；当真方位角的精度在5〞时，待测点的坐标在100m范围内精度 <2.4cm ；真方位角的精度越精确，测得的待测点的坐标精度越高；待测点的坐标精度随测距的增大而降低，随测距的变小而提高。

本发明实施例测量数据时，开启GPS和光纤陀螺寻北仪的开关按钮，采集到待测点的相应信息的同时，将该相应信息导入数据处理系统，最终在显示屏显示待测点的坐标，并可以自动保存。

本发明实施例提供的系统，对两点定向计算方法新突破，由传统的两已知点定向后推算未知点数据，变为由一个已知点数据通过相应辅助角直接推算未知点，与是一种理论革新；无需设站，避免仪器利用已知点整平、对中等因素所带来的无法避免的传统误差；且弥补了全站仪和GPS接收机本身的不足的，避免了对控制点的依赖，在导航定位时可以方便得到一定范围内相关的高精度数据，另外，该系统携带方便，省功省时，明显提高效率，在导航定位时可以方便得到一定范围内相关的高精度数据。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。