CN102735213A - 基于基准站的气压相对测量求得精确高程的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于基准站的气压相对测量求得精确高程的方法，利用无线通信网基站的已知高程值、气压测量值及待测点的气压测量值，求解待测点高程。具体是利用地面移动通信网，在其基站安装气压测量传感器作为相对测量基站。利用基站传输链路把有关测量数据传送给用户，用户终端装有气压传感器芯片，测量得到终端处的气压值，便利用高程与气压值之间的对应关系，计算得到终端处相对于基站气压传感器安装位置的相对高程。同样若知道基站与终端处的温度，也可利用这两个温度测量值，对高程与气压值间的关系式进行修正，进一步提高高程计算转换精度。把本发明方法的高程计算值代入各类定位测量方程，则可进一步提高测量方程三维定位解的精度。

Description

基于基准站的气压相对测量求得精确高程的方法

技术领域

本发明涉及高程测量技术领域，是一种基于基准站的气压相对测量求得精确高程的方法，利用气压、温度与高程之间的对应关系来计算装有气压芯片和温度芯片终端高程的方法。

背景技术

全球定位系统(GPS)中有一种能显著地改善其精度和完善性的技术，称为差分GPS(DGPS)。它要求有高质量的GPS“基准接收机”放在经过精确测量的位置上，基准站估计每颗卫星至测量点的距离测量值的慢变化误差分量，并对每颗视界内的卫星及传输路径形成校正值。该校正值通过通信链路发送给所有的DGPS用户，这样可以利用相似关系修正差分用户在其测量位置基准点对卫星和传输路径的测量值的修正。差分修正分局域差分改正和广域差分改正两大类，其中局域GPS(LADGPS)差分的典型有效工作距离可达150km。在这个范围内，差分改正能明显地改善所有用户的精度，不管选择可用性(SA)是否实施均如此。这种改善的有效性是因为最大的GPS误差随时间变化较慢。差分GPS还对各类GPS用户可明显地改善“完善性”或真实性，因为它降低了GPS用户可能遭受的由未检测出来的系统故障而产生的不可接受的位置误差的概率。

从上述概述中可以看到差分GPS对误差修正的有效性和局限性，它通过在基站处检出误差来修正其周围局域区内接收机的测量值。但由于其改正效果与距离强相关，所以测量修正精度与测量点距离基准点的远近有关，相距越远时，测量相似性越差，差分改正误差的效果也会降低。

在GPS中差分修正主要有伪距差分、位置差分和载波相位差分等几类，在全世界已得到广泛应用。

发明内容

本发明的目的是公开一种基于基准站的气压相对测量求得精确高程的方法，以克服现有技术的不足。

为达到上述目的，本发明的技术解决方案是：

一种基于基准站的气压相对测量求得精确高程的方法，其利用无线通信网基站的已知高程值、气压测量值以及待测点的气压测量值，去求解待测点高程；具体是在地面移动通信网或无线局域网或传感网的基站里安装气压测量传感器、温度传感器，用基站传输链路把有关测量数据传送给用户，用户终端装有气压传感器芯片、温度传感器芯片，测量到终端处的气压值、温度值，利用高程与气压值之间的对应关系，计算得到用户终端处相对于基站气压传感器位置的相对高程；

用基站处的温度测量值和用户终端处的温度测量值，修正气压和高程间的计算关系式，提高高程计算转换精度。

所述的求得精确高程的方法，其所述地面移动通信网络，包括GSM、CDMA、TD-CDMA、WCDMA、CDMA2000、3G网络；局域传感网络，包括WiFi、Zigbee、RFID、红外、超声网络。

所述的求得精确高程的方法，其所述用户终端的气压传感器芯片，为硅压力元件，例如采用瑞士Intersema公司的MS5607-B或MS5534C，该芯片精度高、稳定性好、耗电低，保证测量精度。

所述的求得精确高程的方法，其包括步骤：

A)在地面移动通信网或无线局域网或传感网的基站里安装气压测量传感器、温度传感器；

B)在用户终端设置气压传感器芯片、温度传感器芯片；

C)建立局域坐标系；

D)通过用户终端气压测高得到用户终端处位置高程值；

E)将各基站的伪距测量值转换为基站至用户的水平投影距离；

F)解算用户平面位置坐标及钟差，得到局域坐标系中的三维位置坐标；

G)将用户局域坐标系中的三维位置坐标转换至地心地固坐标系下的三维位置坐标；

H)得到地心地固坐标系中用户终端处位置高程值，输出。

所述的求得精确高程的方法，其所述D)步中，还包括用地面移动通信网或无线局域网或传感网的基站气压数据修正高程值，或用用户终端温度测量值与基站处的温度测量值对照，修正高程值。

所述的求得精确高程的方法，其若把气压高程用于用户终端定位，高程作为约束进入定位测量方程，可以降维求解测量方程，改善测量方程的几何衰减因子(DOP)值，从而能高精度求得用户水平方向二维定位解，加上已知高程，故获得用户终端的高精度三维定位精度；若地面网络与卫星导航系统组合建立天地一体化定位系统，同样可进一步提高卫星导航定位系统的三维定位精度，特别是高程测量精度。

所述的求得精确高程的方法，其所述定位测量方程，为：

$h-h_0=18410(1+\frac{T_m}{273.15})\lg \frac{P_0}{P}$ 或 $h-h_0=67.4\·(273.15+T_m)\·\lg \frac{P_0}{P}$

式中，T_m是平均温度(K)，基站的高度值h₀、气压值P₀，用户终端处的高度值h、气压值P。

本发明方法的优点在于：由于地面无线移动通信网基站分布密度大，传输能力强，所以利用基站作为基准站，基准点与测量点之间的距离间隔比较小，故测量数值间的相似性极好，相对计算精度会很高。

附图说明

图1为气压随时间周期性变化的日变化曲线图；

图2为本发明基于基准站的气压相对测量求得精确高程的方法示意图；

图3为本发明基于基准站的气压相对测量求得精确高程的方法的流程图。

具体实施方式

本发明的一种基于基准站的气压相对测量求得精确高程的方法，利用差分的设计理念，在地面移动通信网或无线局域网(或传感网)的地面移动网基站处安装气压测量、温度测量等传感器，并利用地面无线移动网把基站位置处的气压测量值P₀、温度测量值T₀和高程位置值h₀传给用户终端。用户终端同样装有气压测量芯片和温度测量芯片，这样用户终端可以测得终端处的气压值P和温度值T，利用基站的h₀、P₀、T₀值和终端测点的P、T值便可以利用气压、温度测量值与高程测量值之间的对应关系，计算得到各终端测量点处的高程。终端处的测量值P、T和基站的测量值h₀、P₀、T₀，是需要通过地面无线移动传输链路进行测量值的传输与汇总的。由于地面无线移动通信网基站分布密度大，传输能力强，所以利用基站作为基准站，基准点与测量点之间的距离间隔比较小，故测量数值间的相似性极好，相对计算精度会很高。这些都是本发明方法的长处和优势。

本发明的一种基于基准站的气压相对测量求得精确高程的方法，在理论上必须建立气压测量值、温度测量值与高程位置之间的对应关系。现把对应关系和具体实施步骤叙述和推理如下：

空气压强是描述大气状态的重要物理量，单位通常用百帕(hPa，即100帕斯卡，过去称为毫巴)表示，一个大气压值等于1013.25百帕，海平面气压值约在980～1040百帕之间变动，强台风中心大多低于950百帕甚至低于900百帕，而高气压(例如寒潮)中心处的气压值可能达到1050百帕。观测表明，随着海拔高度的增加，气压值按指数减少，海拔10km高处的气压值会降到只有海平面气压的25％左右。中国青藏高原平均海拔4000多米，地面平均气压仅约600百帕。而气压在水平方向的分布比较均匀，一般情况下，相距100km约变化1百帕。

表1给出了单位气压高度差与气压和温度的关系，由气压在垂直方向的变化可粗略估计高度的变化。

表1单位气压高度差与气压及温度之间的关系(单位：米/百帕)

气压随时间有周期性的日变化和年变化。气压的日变化在热带表现得很明显(见图1)，一昼夜有两个高值(9～10时及21～22时)和两个低值(3～4时及15～16时)。温带地区气压的日变化一般平缓一些，而在高纬地区变化幅度会更小一点。日变化还受到地形的影响，例如，我国日变化最大的地方是在青藏高原东部边缘的山谷中，约3～4百帕，而不在低纬度地区。

气压还有非周期性的变化，这种变化常和天气变化有联系，而且变化幅度大。如冬季寒潮爆发，冷空气到来时，气压会很快升高；低气压或暖空气到来时，气压又会很快降低。在中高纬度地区，由于高、低气压系统活动频繁，中纬地区24小时气压变化量达3～5百帕，高纬度地区可达10百帕，短时间内有时会超过周期性变化的幅度。

1)利用气压测定高度的原理

大气在铅直方向上受到重力和垂直气压梯度力的作用并达到平衡时，称为大气处于流体静力平衡状态。大气处于静力平衡时，表示气压随高度变化规律的关系是大气静力学方程。其表达式可以写为

$\frac{\mathrm{dP}}{\mathrm{dz}}=-\mathrm{\ρg}---\left(1\right)$

式中，P为气压；ρ为空气密度；z为高度；g代表重力加速度。因为空气密度ρ总是正值，所以气压总是随高度递减的。本发明暂不考虑水汽的影响，只讨论干空气。干空气的状态方程为

P＝ρR_dT    (2)

式中，T是空气的热力学温度，R_d(R_d＝287.05J/(kg·K))是干空气的气体常数。由于ρ∝P/T，故：①低层大气(P大)中气压随高度减少得快；②冷空气中气压随高度减少得快。

将式(2)代入式(1)，并由(h₀，P₀)积分到高度(h，P)，就得到气压-高度公式

$P=P_0\exp [-\frac{1}{R_d}{\∫}_{h_0}^h\frac{g}{T}\mathrm{dz}]---\left(3\right)$

和

$h-h_0=-R_d{\∫}_{P_0}^P\frac{T}{g}d\ln P=\frac{R_d}{g}{\∫}_p^{p_0}T\ln P---\left(4\right)$

上式反映了大气处于静力平衡状态时气压、温度与高度的关系。重力加速度g虽然也随高度变化，但因g随高度变化比较缓慢，常将它作为常数处理。虽然实际大气处于不断运动中，但就大范围来看，除去局部的强对流区外，铅直方向上大气基本处于流体静力平衡状态，所以流体静力学方程及压-高公式适用于实际大气，且有相当高的精度。

由于大气温度随高度的分布很复杂，难以用函数关系表达，因此对拉普拉斯压高方程直接求积分几乎是不可能的。为此，常假设气层内温度相等，从而得到简化的等温大气中的压高公式为

$h-h_0=\frac{R_d{T}_m}{g}\ln \frac{P_0}{P}=29.27\·T_m\·\ln \frac{P_0}{P}---\left(5\right)$

式中，T_m是平均温度(K)。显然，两等压面P₀和P之间的平均温度越高，厚度越大。若利用摄氏温度t_m，并采用以10为底的对数，则式(5)可写成

$h-h_0=18410(1+\frac{T_m}{273.15})\lg \frac{P_0}{P}---\left(6\right)$

式(6)称为拉普拉斯压高方程，也可写成下面形式

$h-h_0=67.4\·(273.15+T_m)\·\lg \frac{P_0}{P}---\left(7\right)$

式(6)和式(7)即为利用气压值测定高度的基本公式。大气中的气温是随高度而变化的，例如，对流层中的气温平均趋势是每上升1公里约下降6.5℃，因此应用上式时需先确定气层的平均温度。

若假设大气温度随高度线性变化，则称为多元大气，可导出其气压-高度公式为

$h-h_0=\frac{T}{\mathrm{\Γ}}[1-{\left(\frac{P}{P_0}\right)}^{\frac{\mathrm{\Γ}{R}_d}{g}}]---\left(8\right)$

式中，Γ为大气垂直减温率。按照标准大气(我国目前采用1976年美国标准大气的30km以下部分作为国家标准)的规定：海平面气压为P₀＝1013.25hPa，海平面温度为T₀＝15℃和11km以下Γ＝6.5℃/km，得到在标准大气条件下，对流层内由气压计算高度的公式为

$h=44331[1-{\left(\frac{P}{1013.25}\right)}^{0.19}]---\left(9\right)$

利用此压高公式计算的部分结果如表2所示，据此可大致了解气压和高度的关系。

表2标准大气下等压面和高度的关系

2)利用地面移动网测定高度的方法

由(6)式或(7)式可见，由气压值可以确定用户终端的高度。但需要以下条件：①准确地测定终端所在处的气压值P。这涉及到测压元件的精度、稳定度及小型化等问题。②确定相应的基准值h₀、P₀，我们称之为参考高度和参考气压。③确定参考高度和终端高度之间的高度差，以及平均温度T_m。由于温度对高程的影响相对不大敏感，因此准确地确定h₀和P₀是测高的关键，也是目前需要研究的问题。

(1)选定接收机的测压元件

为了准确地测定接收机所在处的气压值P，必须选择精度高、稳定性好、耗电低及小型化的测压元件。要求测压范围在300～1050百帕内，测量精度在0.5hPa以内(最好在0.2hPa以内)。经过对国外硅压力元件的调研，可选用瑞士Intersema公司的MS5607-B和MS5534C。

(2)确定基准值h₀、P₀和T₀

基站测量的气压值称为基站气压P₀，测量的温度值称为基站温度值T₀，则该测站的高度、气压和温度可作为基准值h₀、P₀、T₀。

①确定参考高度

以接收机为中心，把周围划分为四个象限，在每个象限中依次搜索距离接收机最近的基站。在搜索到的基站中查找一个与接收机所测气压P相近的基站气压，以该站的高度作为参考高度h₀。

②将其余基站的气压和温度标定到此同一参考高度上，或设定一个局域坐标系，把其余基站统一设置在一个坐标系内。

③由周围临近台站的气压和温度值经过内插得到接收机在h₀处的P₀和T₀值。

(3)计算接收机所在高度值

根据接收机测得的气压P和插值求得的参考气压P₀与参考温度T₀，由式(6)或式(7)，即可求得P和P₀之间的厚度(高度差)

式中的T_m是P和P₀之间空气的平均温度，由于接收机测温受环境影响太大，故仍用插值求得t₀，并假定大气垂直减温率为5℃/km时算出的T_m。

厚度Δh加上参考高度h₀即为最终所求的接收机的海拔高度h(米)，即

h＝h₀+Δh    (10)

在上述计算中，必须注意坐标系的制定和统一，为此在本发明中强调城市局域坐标系的概念。

1.城市局域坐标系

地面移动网定位的应用，主要是在人类活动区域内，特别是城市和城市间。根据大地测量学理论，当所涉范围面积小于100km²时，可以忽略地球曲率影响，即可以将此范围的面积区域当做平面问题处理。当精度要求不高时(对于手机定位，精度要求仅是米级)，这个范围还可以扩大。

因此，我们可以以城市为中心建立一个局域坐标系。这个坐标系的X轴指向正东，Z轴与铅垂线方向重合，指向天顶，Y轴垂直于X、Z轴构成右手直角坐标系。并且，通过这个局域坐标系的坐标原点，建立与WGS-84或者ITRF2000等地心地固坐标系之间的转换关系。这样，这个局域坐标系中测点的Z值，即为该点的高程值(相对高程)，可以通过气压测高技术直接得到。对于一般中小城市，一个局域坐标系足以覆盖全部的市区范围；对于如北京、上海等大型城市，可以根据精度要求，进一步研究，看是否需要建立若干个子局域坐标系进行拼接。

2.定位模型

在上述局域坐标系中，各地面基站的三维坐标均为已知。用户通过终端中的气压测高芯片测量得到自己所在处的气象信息后，利用附近基站广播信号中的基站气象信息和高程信息，进行解算，即可得到所在测点的较为精确的绝对高程值。如图2所示，用户测量得到高程值h后，即得到了自己的Z坐标值，并且将定位问题从三维定位降成了二维定位。由于已知基站S₁的高度和用户所在高度(即两者的Z坐标值)成三角形关系，所以可以利用直角三角形关系，将基站S₁的测量伪距ρ₁转换为S₁至移动用户的水平投影距离ρ′₁。同理，可以求出基站至用户的水平投影距离ρ′₁、ρ′₃、ρ′₄。然后，再利用四个基站的二维位置坐标，采用圆交会解算方法，解算得到用户的三个未知参数x、y、Δt。最后，通过城市局域坐标系与大地坐标系中间的转换关系，将用户三维坐标转化到地心地固坐标系下。

本发明的整个定位方案流程图见图3。

Claims (7)

1.一种基于基准站的气压相对测量求得精确高程的方法，其特征在于，利用无线通信网基站的已知高程值、气压测量值以及待测点的气压测量值，去求解待测点高程；具体是在地面移动通信网或无线局域网或传感网的基站里安装气压测量传感器、温度传感器，用基站传输链路把有关测量数据传送给用户，用户终端装有气压传感器芯片、温度传感器芯片，测量到终端处的气压值、温度值，利用高程与气压值之间的对应关系，计算得到用户终端处相对于基站气压传感器位置的相对高程；

用基站处的温度测量值和用户终端处的温度测量值，修正气压和高程间的计算关系式，提高高程计算转换精度。

2.如权利要求1所述的求得精确高程的方法，其特征在于，所述地面移动通信网络，包括GSM、CDMA、TD-CDMA、WCDMA、CDMA2000、3G网络；局域传感网络，包括WiFi、Zigbee、RFID、红外、超声网络。

3.如权利要求1所述的求得精确高程的方法，其特征在于，所述用户终端的气压传感器芯片，为硅压力元件，采用瑞士Intersema公司的MS5607-B或MS5534C，该芯片精度高、稳定性好、耗电低，保证测量精度。

4.如权利要求1所述的求得精确高程的方法，其特征在于，包括步骤：

A)在地面移动通信网或无线局域网或传感网的基站里安装气压测量传感器、温度传感器；

B)在用户终端设置气压传感器芯片、温度传感器芯片；

C)建立局域坐标系；

D)通过用户终端气压测高得到用户终端处位置高程值；

E)将各基站的伪距测量值转换为基站至用户的水平投影距离；

F)解算用户平面位置坐标及钟差，得到局域坐标系中的三维位置坐标；

G)将用户局域坐标系中的三维位置坐标转换至地心地固坐标系下的三维位置坐标；

H)得到地心地固坐标系中用户终端处位置高程值，输出。

5.如权利要求1所述的求得精确高程的方法，其特征在于，所述D)步中，还包括用地面移动通信网或无线局域网或传感网的基站气压数据修正高程值，或用用户终端温度测量值与基站处的温度测量值对照，修正高程值。

6.如权利要求1所述的求得精确高程的方法，其特征在于，若把气压高程用于用户终端定位，高程作为约束进入定位测量方程，可以降维求解测量方程，改善测量方程的几何衰减因子值，从而能高精度求得用户水平方向二维定位解，加上已知高程，故获得用户终端的高精度三维定位精度；若地面网络与卫星导航系统组合建立天地一体化定位系统，同样可进一步提高卫星导航定位系统的三维定位精度，特别是高程测量精度。

7.如权利要求1所述的求得精确高程的方法，其特征在于，所述定位测量方程，为：

$h-h_0=18410(1+\frac{T_m}{273.15})\lg \frac{P_0}{P}$ 或 $h-h_0=67.4\·(273.15+T_m)\·\lg \frac{P_0}{P}$

式中，T_m是平均温度(K)，基站的高度值h₀、气压值P₀，用户终端处的高度值h、气压值P。

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