CN103926608A - 一种gnss测量装置的倾斜补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种GNSS测量装置的倾斜补偿方法。在GNSS测量装置中用到的六轴传感器给出的数据是最原始的磁场数据和加速度数据经过一系列的计算后得到GNSS测量装置的姿态角，结合GNSS测量装置的固有的尺寸，和所测得的数据，经过计算后可得出精确的对中杆与地面接触点的准确坐标。本发明能够避免测量中由于人为因素导致的误差，自动对测量的数据进行修正，从而提高测量的效率和测量数据的精度。

Description

一种GNSS测量装置的倾斜补偿方法

技术领域

本发明涉及GNSS测量技术。

背景技术

随着卫星定位技术的快速发展，人们对快速高精度位置信息的需求也日益强烈，现有用的比较普遍的测量技术就有ＧＮＳＳ（全球导航卫星系统）测量系统，其精度可以从毫米级到米级.ＧＮＳＳ泛指所有的卫星导航系统，包括全球的，区域的和增强的，如美国的ＧＰＳ，俄罗斯的Ｇｌｏｎａｓｓ，欧洲的Ｇａｌｉｌｅｏ，中国的北斗卫星导航系统，以及相关的增强系统，如美国的ＷＡＡＳ（广域增强系统），欧洲的ＥＧＮＯＳ（欧洲静地导航重叠系统）和日本的ＭＳＡＳ（多功能运输卫星增强系统）等，还涵盖建和以后要建设的其他卫星导航系统。

在实际测量地面某点时，需要将测量装置接在结中杆上，将结中杆置于地面待测量点，并调整对中杆，使其保持水平，即对中杆保持垂直于地面，对测量装置测出的坐标换算为三维坐标后减去对应的测量装置天线的高度后，就是待测点的地理坐标。

在上述测量前都是需要进行水平校准以保证测量时对中杆是垂直于地面的，这一过程需要耗费一定的时间，而且在此过程中手动引起误差，或者是客观因素导致对中杆不能保持垂直，则会导致测量的数据结果在水平和垂直方向上出现误差。

对于现有的ＧＮＳＳ测量装置中，都是在对中的情况下将测量结果减去测量装置的天线对地高度作为测量结果，这一方式在理论上是没有任何问题的，但是在实际的测量过程中会出现几个明显的缺点：在对中的过程中需要耗费时间来进行对中；还有就是对中不能够百分之百保证在对中或者是在测量过程中是使对中杆垂直于地面的，主要原因是这一过程是操作员手动进行操作，总是会出现微小的误差是人眼不能识别的，在测量中轻微的晃动也是引起倾斜的原因之一。

发明内容

本发明的目的在于提出一种GNSS测量装置的倾斜补偿方法，其能解决测量误差大的问题。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种GNSS测量装置的倾斜补偿方法，其包括以下步骤：

步骤1、将对中杆基本垂直于待测点Ｏ（Ｘ＇，Ｙ＇，Ｚ＇）；

步骤2、测量得到天线相位中心Ｏ＇＇（Ｘ1，Ｙ1，Ｚ1）、磁场数据和重力场数据；

步骤3、根据磁场数据和重力场数据计算出姿态角，所述姿态角包括航向角ψ、俯仰角θ和横滚角Φ；

步骤4、计算基于参考坐标系的待测点Ｏ＇（Ｘ0，Ｙ0，Ｚ0）：

$\left\{\begin{array}{c}X0=X1-L*(\sin \mathrm{\Φ}\sin \mathrm{\ψ}+\cos \mathrm{\Φ}\sin \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\ψ})\\ Y0=Y1-L*(-\sin \mathrm{\Φ}\cos \mathrm{\ψ}+\cos \mathrm{\ψ}\sin \mathrm{\θ}\sin \mathrm{\ψ})\\ Z0=Z1-L*\cos \mathrm{\Φ}\cos \mathrm{\θ}+L\end{array}\right.;$

其中，L为天线的相位中心到待测点Ｏ的距离；

步骤5、计算基于地理坐标系的待测点Ｏ（Ｘ＇，Ｙ＇，Ｚ＇）：

$\left\{\begin{array}{c}X\′=X1-L*(\sin \mathrm{\Φ}\sin \mathrm{\ψ}+\cos \mathrm{\Φ}\sin \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\ψ})\\ Y\′=Y1-L*(-\sin \mathrm{\Φ}\cos \mathrm{\ψ}+\cos \mathrm{\Φ}\sin \mathrm{\θ}\sin \mathrm{\ψ})\\ Z\′=Z1-L*\cos \mathrm{\Φ}\cos \mathrm{\θ}\end{array}\right..$

优选的，对中杆基本垂直于待测点Ｏ的角度范围为90°±15°。

优选的，步骤3的姿态角的计算过程如下：

对所测得的重力场数据（Ａｘ，Ａｙ，Ａｚ），进行单位模处理后得（Ａｘ1，Ａｙ1，Ａｚ1）；

其中， $\left\{\begin{array}{c}{A}_{x1}=\left(\frac{A_x}{\sqrt{{\left(A_x\right)}^2+{\left(A_y\right)}^2+{\left(A_z\right)}^2}}\right)\\ A_{y1}=\left(\frac{A_y}{\sqrt{{\left(A_x\right)}^2+{\left(A_y\right)}^2+{\left(A_z\right)}^2}}\right)\\ A_{z1}=\left(\frac{A_z}{\sqrt{{\left(A_x\right)}^2+{\left(A_y\right)}^2+{\left(A_z\right)}^2}}\right)\end{array}\right.;$

计算姿态角：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\θ}=\arctan \left(\frac{A_{x1}}{\sqrt{{\left(A_{y1}\right)}^2+{\left(A_{z1}\right)}^2}}\right)\\ \mathrm{\Φ}=\arctan \left(\frac{A_{y1}}{\sqrt{{\left(A_{x1}\right)}^2+{\left(A_{z1}\right)}^2}}\right)\end{array}\right.;$

且有 $\left|A\right|=\sqrt{A_{x1}^2+A_{y1}^2+A_{z1}^2}=1;$

磁场数据（Ｍｘ，Ｍｙ,Mz）在地理坐标系中的对应分量如下：

$\left\{\begin{array}{c}{X}_h=M_x\cos \mathrm{\θ}+M_z\sin \mathrm{\θ}\\ Y_h=M_x\cos \mathrm{\Φ}\sin \mathrm{\θ}+M_y\cos \mathrm{\Φ}-M_z\sin \mathrm{\Φ}\cos \mathrm{\θ}\\ Z_h=-M_x\cos \mathrm{\Φ}\sin \mathrm{\θ}+M_y\sin \mathrm{\Φ}+M_z\cos \mathrm{\Φ}\cos \mathrm{\θ}\end{array}\right.$

计算航向角：

$\mathrm{\ψ}=\arctan \left(\frac{Y_h}{X_h}\right).$

本发明具有如下有益效果：

能够避免测量中由于人为因素导致的误差，自动对测量的数据进行修正，从而提高测量的效率和测量数据的精度。

附图说明

图1为GNSS测量装置的结构示意图；

图2为基于ＧＮＳＳ装置航向角ψ（Ｈｅａｄｉｎｇ）计算示意抽象图；

图3为基于ＧＮＳＳ装置磁场分量计算示意抽象图；

图4为ＧＮＳＳ测量装置倾斜示意抽象图。

具体实施方式

下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述。

如图1所示，为GNSS测量装置的结构，包括GNSS接收机1和对中杆2。图中H1表示对中杆高，图中H2表示天线高。GNSS接收机1包括磁场传感器芯片和加速度传感器芯片。

结合图2至图4，一种GNSS测量装置的倾斜补偿方法，其包括以下步骤：

步骤1、将对中杆基本垂直于待测点Ｏ（Ｘ＇，Ｙ＇，Ｚ＇），对中杆基本垂直于待测点Ｏ的角度范围为90°±15°，即倾角在15°范围内都适用本方法。

步骤2、测量得到天线相位中心Ｏ＇＇（Ｘ1，Ｙ1，Ｚ1）、磁场数据和重力场数据。天线相位中心是天线的几何中心点，天线相位中心Ｏ＇＇的坐标是通过GPS天线和卫星进行通信、解析计算得到。在GNSS测量装置稳定的情况下（也就是处在静止或者是匀速运动状态），GNSS测量装置中的磁场传感器芯片输出的三个数据各为Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚ；重力场通过加速度传感器芯片，输出的三个数据各为Ａｘ，Ａｙ，Ａｚ，可以将所得数据记作如下：磁场数据为（Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚ）；重力场数据为（Ａｘ，Ａｙ，Ａｚ）。

步骤3、根据磁场数据和重力场数据计算出姿态角，所述姿态角包括航向角ψ、俯仰角θ和横滚角Φ。

姿态角的定义如下：

航向角ψ（Heading）：运载体纵轴x_b与北向轴（Ｎ）之间的夹角，在水平面测量，顺时针为正；

俯仰角θ（Pitch）：运载体纵轴x_b与水平面之间的夹角，在垂直面中测量，抬头为正；

横滚角Φ（Roll）：运载体横轴y_b与水平面之间的夹角，在横截面测量，左边抬起为正。

姿态角的计算过程如下：

对所测得的重力场数据（Ａｘ，Ａｙ，Ａｚ），进行单位模处理后得（Ａｘ1，Ａｙ1，Ａｚ1）；

其中， $\left\{\begin{array}{c}{A}_{x1}=\left(\frac{A_x}{\sqrt{{\left(A_x\right)}^2+{\left(A_y\right)}^2+{\left(A_z\right)}^2}}\right)\\ A_{y1}=\left(\frac{A_y}{\sqrt{{\left(A_x\right)}^2+{\left(A_y\right)}^2+{\left(A_z\right)}^2}}\right)\\ A_{z1}=\left(\frac{A_z}{\sqrt{{\left(A_x\right)}^2+{\left(A_y\right)}^2+{\left(A_z\right)}^2}}\right)\end{array}\right.;$

计算姿态角：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\θ}=\arctan \left(\frac{A_{x1}}{\sqrt{{\left(A_{y1}\right)}^2+{\left(A_{z1}\right)}^2}}\right)\\ \mathrm{\Φ}=\arctan \left(\frac{A_{y1}}{\sqrt{{\left(A_{x1}\right)}^2+{\left(A_{z1}\right)}^2}}\right)\end{array}\right.;$

且有 $\left|A\right|=\sqrt{A_{x1}^2+A_{y1}^2+A_{z1}^2}=1;$

通过图3可以计算，磁场数据（Ｍｘ，Ｍｙ,Mz）在地理坐标系中的对应分量如下：

$\left\{\begin{array}{c}{X}_h=M_x\cos \mathrm{\θ}+M_z\sin \mathrm{\θ}\\ Y_h=M_x\cos \mathrm{\Φ}\sin \mathrm{\θ}+M_y\cos \mathrm{\Φ}-M_z\sin \mathrm{\Φ}\cos \mathrm{\θ}\\ Z_h=-M_x\cos \mathrm{\Φ}\sin \mathrm{\θ}+M_y\sin \mathrm{\Φ}+M_z\cos \mathrm{\Φ}\cos \mathrm{\θ}\end{array}\right.$

通过图2可以计算出航向角：

$\mathrm{\ψ}=\arctan \left(\frac{Y_h}{X_h}\right).$

步骤4、通过Ｏ＇＇计算基于参考坐标系的待测点Ｏ＇（Ｘ0，

Ｙ0，Ｚ0）：

引用欧拉矢量变换有：

旋转动ψ角矩阵Ｃ1

$\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\ψ}& \sin \mathrm{\ψ}& 0\\ -\sin \mathrm{\ψ}& \cos \mathrm{\ψ}& 0\\ 0& 0& 1\end{array}$

旋转动θ角矩阵Ｃ2

$\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\θ}& 0& -\sin \mathrm{\θ}\\ 0& 1& 0\\ \sin \mathrm{\θ}& 0& \cos \mathrm{\θ}\end{array}$

旋转动Φ角矩阵Ｃ3

$\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& \cos \mathrm{\Φ}& \sin \mathrm{\Φ}\\ 0& -\sin \mathrm{\Φ}& \cos \mathrm{\Φ}1\end{array}$

则有从参考坐标系到载体坐标系的变换可以为

$C_n^b=C_3{C}_2{C}_1$

则有载体到坐标系公式为 $C_b^n=\left(C_n^b\right)T=C_1^T{C}_2^T{C}_3^T$

$\begin{array}{c}{C}_b^n=\\ \begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\ψ}& -\cos \mathrm{\Φ}\sin \mathrm{\ψ}+\sin \mathrm{\Φ}\sin \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\ψ}& \sin \mathrm{\Φ}\sin \mathrm{\ψ}+\cos \mathrm{\Φ}\sin \mathrm{\θ}\sin \mathrm{\ψ}\\ \cos \mathrm{\θ}\sin \mathrm{\ψ}& \cos \mathrm{\Φ}\cos \mathrm{\ψ}+\sin \mathrm{\Φ}\sin \mathrm{\θ}\sin \mathrm{\ψ}& -\sin \mathrm{\Φ}\cos \mathrm{\ψ}+\cos \mathrm{\Φ}\sin \mathrm{\θ}\sin \mathrm{\ψ}\\ -\sin & \sin \mathrm{\Φ}\cos \mathrm{\θ}& \cos \mathrm{\Φ}\cos \mathrm{\θ}\end{array}\end{array}$

而以ＧＮＳＳ测量装置与地面接触点Ｏ（如图4，也就是步骤1中的所需待测点）为原点建立地理坐标系（ＮＥＤ），则有在标准情况下的ＧＮＳＳ测量装置的准确坐标为（0，0，Ｌ），则有引入误差偏转后实际的坐标数据为：

（L*（SinΦSinψ+cosΦSinθcosψ），L*（-SinΦcosψ+cosΦSinθsinψ）,L*（cosΦcosθ））;

而ＧＮＳＳ测量装置通过全球卫星导航系统所测的数据为Ｏ＇＇（Ｘ1，Ｙ1，Ｚ1）（将其转换到地理坐标系中）因此有实际所需要的ＧＮＳＳ测量装置坐标数据为Ｏ＇（Ｘ0，Ｙ0，Ｚ0）：

$\left\{\begin{array}{c}X0=X1-L*(\sin \mathrm{\Φ}\sin \mathrm{\ψ}+\cos \mathrm{\Φ}\sin \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\ψ})\\ Y0=Y1-L*(-\sin \mathrm{\Φ}\cos \mathrm{\ψ}+\cos \mathrm{\ψ}\sin \mathrm{\θ}\sin \mathrm{\ψ})\\ Z0=Z1-L*\cos \mathrm{\Φ}\cos \mathrm{\θ}+L\end{array}\right.;$

其中，L为天线的相位中心到待测点Ｏ的距离。

步骤5、计算基于地理坐标系的待测点Ｏ（Ｘ＇，Ｙ＇，Ｚ＇）：

$\left\{\begin{array}{c}X\′=X0=X1-L*(\sin \mathrm{\Φ}\sin \mathrm{\ψ}+\cos \mathrm{\Φ}\sin \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\ψ})\\ Y\′=Y0=Y1-L*(-\sin \mathrm{\Φ}\cos \mathrm{\ψ}+\cos \mathrm{\Φ}\sin \mathrm{\θ}\sin \mathrm{\ψ})\\ Z\′=Z0-L=Z1-L*\cos \mathrm{\Φ}\cos \mathrm{\θ}\end{array}\right..$

需要说明的是，Ｏ＇＇和重力场数据是基于载体坐标系的。

在GNSS测量装置中用到的六轴传感器（磁场传感器和加速度传感器）给出的数据是最原始的磁场数据和加速度数据经过一系列的计算后得到GNSS测量装置的姿态角，结合GNSS测量装置的固有的尺寸，和所测得的数据，经过计算后可得出精确的对中杆与地面接触点的准确坐标。

对于本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及变形，而所有的这些改变以及变形都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种GNSS测量装置的倾斜补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、将对中杆基本垂直于待测点Ｏ（Ｘ＇，Ｙ＇，Ｚ＇）；

步骤2、测量得到天线相位中心Ｏ＇＇（Ｘ1，Ｙ1，Ｚ1）、磁场数据和重力场数据；

步骤3、根据磁场数据和重力场数据计算出姿态角，所述姿态角包括航向角ψ、俯仰角θ和横滚角Φ；

步骤4、计算基于参考坐标系的待测点Ｏ＇（Ｘ0，Ｙ0，Ｚ0）：

$\left\{\begin{array}{c}X0=X1-L*(\sin \mathrm{\Φ}\sin \mathrm{\ψ}+\cos \mathrm{\Φ}\sin \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\ψ})\\ Y0=Y1-L*(-\sin \mathrm{\Φ}\cos \mathrm{\ψ}+\cos \mathrm{\ψ}\sin \mathrm{\θ}\sin \mathrm{\ψ})\\ Z0=Z1-L*\cos \mathrm{\Φ}\cos \mathrm{\θ}+L\end{array}\right.;$

其中，L为天线的相位中心到待测点Ｏ的距离；

步骤5、计算基于地理坐标系的待测点Ｏ（Ｘ＇，Ｙ＇，Ｚ＇）：

$\left\{\begin{array}{c}X\′=X1-L*(\sin \mathrm{\Φ}\sin \mathrm{\ψ}+\cos \mathrm{\Φ}\sin \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\ψ})\\ Y\′=Y1-L*(-\sin \mathrm{\Φ}\cos \mathrm{\ψ}+\cos \mathrm{\Φ}\sin \mathrm{\θ}\sin \mathrm{\ψ})\\ Z\′=Z1-L*\cos \mathrm{\Φ}\cos \mathrm{\θ}\end{array}\right..$

2.如权利要求1所述的GNSS测量装置的倾斜补偿方法，其特征在于，

对中杆基本垂直于待测点Ｏ的角度范围为90°±15°。

3.如权利要求1所述的GNSS测量装置的倾斜补偿方法，其特征在于，

步骤3的姿态角的计算过程如下：

对所测得的重力场数据（Ａｘ，Ａｙ，Ａｚ），进行单位模处理后得（Ａｘ1，Ａｙ1，Ａｚ1）；

其中， $\left\{\begin{array}{c}{A}_{x1}=\left(\frac{A_x}{\sqrt{{\left(A_x\right)}^2+{\left(A_y\right)}^2+{\left(A_z\right)}^2}}\right)\\ A_{y1}=\left(\frac{A_y}{\sqrt{{\left(A_x\right)}^2+{\left(A_y\right)}^2+{\left(A_z\right)}^2}}\right)\\ A_{z1}=\left(\frac{A_z}{\sqrt{{\left(A_x\right)}^2+{\left(A_y\right)}^2+{\left(A_z\right)}^2}}\right)\end{array}\right.;$

计算姿态角：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\θ}=\arctan \left(\frac{A_{x1}}{\sqrt{{\left(A_{y1}\right)}^2+{\left(A_{z1}\right)}^2}}\right)\\ \mathrm{\Φ}=\arctan \left(\frac{A_{y1}}{\sqrt{{\left(A_{x1}\right)}^2+{\left(A_{z1}\right)}^2}}\right)\end{array}\right.;$

且有 $\left|A\right|=\sqrt{A_{x1}^2+A_{y1}^2+A_{z1}^2}=1;$

磁场数据（Ｍｘ，Ｍｙ,Mz）在地理坐标系中的对应分量如下：

$\left\{\begin{array}{c}{X}_h=M_x\cos \mathrm{\θ}+M_z\sin \mathrm{\θ}\\ Y_h=M_x\cos \mathrm{\Φ}\sin \mathrm{\θ}+M_y\cos \mathrm{\Φ}-M_z\sin \mathrm{\Φ}\cos \mathrm{\θ}\\ Z_h=-M_x\cos \mathrm{\Φ}\sin \mathrm{\θ}+M_y\sin \mathrm{\Φ}+M_z\cos \mathrm{\Φ}\cos \mathrm{\θ}\end{array}\right.$

计算航向角：

$\mathrm{\ψ}=\arctan \left(\frac{Y_h}{X_h}\right).$