CN104502887B - 一种基于卫星定向的方位标定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于卫星定向的方位标定方法，该技术采用基于载波相位解模糊的高精度相对定位原理实现两个卫星天线表征的基线的真北方位标定，再利用经纬仪或全站仪等角度测量仪器实现基线方位的引出，测量待测方位的真北信息。本发明将高精度卫星定向作为方位基准，用经纬仪将方位基准的真北方位角引出进行方位标定的方法和装置。该方法和装置用可活动架设的GNSS天线替代了传统的固定标杆等方式，也不需要卫星差分站，极大地提高了方位标定的灵活性和作业范围。

Description

一种基于卫星定向的方位标定方法
技术领域
本发明涉及定向测量技术领域，具体涉及一种采用卫星定向技术作为方位基线的方位标定方法和装置。
背景技术
真北方位的精确测量是大地测量、工程测绘、仪器标定等领域的基础问题，形成了以陀螺寻北仪、经纬仪、全站仪等为代表的一系列测量仪器及配套方法，其中经纬仪、全站仪可以精确地测量方位的差值，而不能直接提供真北信息，陀螺寻北仪可以标定秒级的真北方位，但价格昂贵，标定的时间较长，通常需要10至20分钟。衍生出的陀螺经纬仪、陀螺全站仪将陀螺寻北仪的真北标定功能与经纬仪/全站仪的角度差测量功能结合起来，形成了完整的真北标定功能，但设备价格高昂，不便于携带，仅能用于极少数高精度应用和对标定时间要求宽松的场合。
另一种真北方位标定的方法是在作业区域内设置预先标定好的高精度标杆或标志点作为基准，采用经纬仪或全站仪将基准点的方位引入到待测点完成传递，这种方法的显著缺点是不能实现随时随地标定，只能在标杆或标准点附近才能进行作业，因此严重限制了应用范围。
随着以GPS(Global Positioning System,全球定位系统)为代表的卫星导航技术的兴起，采用卫星导航技术完成位置和方位的测量已经成为一种常见的测量技术手段，与传统的测量技术相比，卫星定向可以提供两个天线之间的真北方位，具有全天候、全天时、精度高、成本低、速度快等优点。我国独立自主的“北斗二号”区域卫星导航系统已于2012年底投入正式运营，该系统为我国及周边区域提供与GPS系统类似的服务功能，计划在2020年前后拓展为全球覆盖的卫星导航系统，进一步提升了卫星定位定向的覆盖性、可用性、精度和速度。
现有的将卫星定位定向技术与经纬仪/全站仪等设备结合的方法通常采用固定站差分、精密单点定位(Precise Point Positioning,PPP)、实时动态差分(Real-timekinematic,RTK)等技术。以专利《一种差分GPS定向方位引入方法》(申请号201210319014.0)为例，仍然需要架设一个固定站播发差分信息，主运动站和运动参考站接收差分信息后提高定位精度，根据二者定位结果计算它们的基线方位，再利用经纬仪传递该基线方位测量待测的方位角。这种方法的缺点是没有摆脱传统的固定站/运动站的差分模式，仅能在固定站播发的差分信息覆盖范围内进行操作，也不能实现随时随地地方位标定；超站仪是将全站仪与GPS技术结合的一种仪器设备，通常采用PPP技术实现无需控制点的快速高精度定位测量，不能完成方位的标定；专利《全站仪与GPS单频实时动态组合测量方法及其系统》(申请号：200510110504.X)本质上是一种单频RTK系统，GPS与全站仪的组合是利用全站仪提供的角度和距离测量值为单频RTK的解算提供先验信息，不涉及方位的传递问题。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明所要解决的问题是摆脱地面标杆/标志点或卫星固定站等限制定向作业范围的技术手段，实现任意地点的快速真北方位标定。为解决上述问题，本发明提出一种基于卫星定向的方位标定方法及装置，该技术采用基于载波相位解模糊的高精度相对定位原理实现两个卫星天线表征的基线的真北方位标定，再利用经纬仪或全站仪等角度测量仪器实现基线方位的引出，测量待测方位的真北信息。为便于表述，角度测量仪器统一以经纬仪表示，但实际可包含全站仪等其它包含角度测量功能的设备。
一种基于卫星定向的方位标定方法，步骤如下：
S1.设置经纬仪与主GNSS天线
将主GNSS天线架设在经纬仪上，要求经纬仪横轴回转中心与主GNSS天线相位中心重合，经纬仪与主GNSS天线的组合架设在三脚架上，调节底座，使得主GNSS天线保持水平；
S2.设置辅助瞄准标志与从GNSS天线
在从GNSS天线下方设置辅助瞄准标志，辅助瞄准标志的中心与从GNSS天线相位中心的连线与从GNSS天线的轴线重合，从GNSS天线与辅助瞄准标志的组合架设在三脚架或连杆上，调节底座，使得从GNSS天线保持水平；
S3.双天线导航信号接收
两个GNSS天线的信号分别经过射频电路处理转换为中频信号，再由A/D转换将模拟信号采样为数字信号；对数字信号进行捕获、跟踪和解调，获取对应的伪距、载波相位和电文原始观测数据；
S4.卫星基线定向解算
采用最小二乘或卡尔曼滤波方法进行定位解算得到两个天线的定位结果；采用快速降维法完成所述的载波相位模糊度求解；根据单差或双差观测方程模型，利用解模糊后的载波相位计算两个卫星天线的相对定向结果；将相对定向结果转换到定位结果表征的当地东北天坐标系，得到卫星基线的定向测量值α；
S5.经纬仪瞄准GNSS天线基线
转动经纬仪，使得经纬仪瞄准从GNSS天线下方的瞄准辅助标志，设置为角度测量零位；
S6.待标定方位角度差及方位角计算输出
转动经纬仪，使得经纬仪瞄准待标定方位，输出从天线基线到待标定方位的方位角度差β，将卫星基线的定向测量值与经纬仪测量的方位角度差转换到统一的方位角表示法，输出待标定的方位角γ＝α+β。
一种基于卫星定向的方位标定装置，包括GNSS天线、卫星定向接收模块、经纬仪及固定三脚架和辅助瞄准标志及固定装置，具体如下：
GNSS天线，共有两个，分别为主GNSS天线和从GNSS天线，用于形成卫星定向基线；
卫星定向接收模块，用于接收GNSS天线的导航信号，完成基于载波相位的GNSS天线相对定位定向；
经纬仪及固定三脚架，经纬仪与主GNSS天线共轴固定连接，二者共同固定于三脚架并调平；
辅助瞄准标志及固定装置，辅助瞄准装置与从GNSS天线共轴固定连接，二者共同固定于固定装置并调平，用于辅助经纬仪瞄准卫星定向基线。
优选地，GNSS天线是内置低噪声放大器的零相位中心测量型天线，适合于多个频段GNSS信号的接收。
优选地，卫星定向接收模块是典型的带定向解算功能的双射频输入接收机，可采用两块独立的单射频输入接收机加定向解算软硬件搭建，也可在软硬件上统一设计形成一套独立的双射频输入定向接收机，完成两个GNSS天线的定位和相对定向。
优选地，经纬仪及固定三脚架中，经纬仪也可以使用全站仪等其它具有角度差测量功能的仪器，经纬仪上架设有主GNSS天线，经纬仪与架设在其上的主GNSS天线共轴安装，经纬仪横轴回转中心与主GNSS天线相位中心重合，经纬仪与主GNSS天线的组合架设在三脚架上。
优选地，辅助瞄准标志及固定装置中，辅助瞄准标志可以是一个标志光源，例如LED光源，或十字目标图案，或反射棱镜等常用瞄准标志，固定装置不一定是三脚架，也可以是连杆、三角底座等可以将辅助瞄准标志和GNSS天线组合并固定的装置即可。辅助瞄准标志的中心与从GNSS天线相位中心的连线与从GNSS天线的轴线重合，实现共轴安装，从GNSS天线与辅助瞄准标志的组合架设在固定装置上。
优选地，经纬仪测量得到的角度差信息可以通过有线串行数据传输或无线蓝牙、Wifi等方式输出至卫星定向接收模块，由卫星定向接收模块综合卫星基线方位与基线方位和待测方位角度差信息，输出最终的待测方位。
本发明公开了一种将高精度卫星定向作为方位基准，用经纬仪将方位基准的真北方位角引出进行方位标定的方法和系统。该方法和装置用可活动架设的GNSS天线替代了传统的固定标杆等方式，也不需要卫星差分站，极大地提高了方位标定的灵活性和作业范围；根据方位标定的精度要求，选择适当的卫星定向基线长度和定向处理算法，可达到与昂贵的陀螺经纬仪等提供真北基准的设备同样的精度，但该发明具有显著的成本低和标定速度快的优势。
附图说明
图1为本发明提供的一种基于卫星定向的方位标定方法的流程示意图；
图2为本发明提供的一种基于卫星定向的方位标定装置的具体结构图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1是本发明提供的基于卫星定向的方位标定方法的流程示意图，包括步骤：
S1.设置经纬仪与主GNSS天线
将主GNSS天线架设在经纬仪上，要求经纬仪横轴回转中心与主GNSS天线相位中心重合，经纬仪与主GNSS天线的组合架设在三脚架上，调节底座，使得主GNSS天线保持水平。
S2.设置辅助瞄准标志与从GNSS天线
在从GNSS天线下方设置辅助瞄准标志，辅助瞄准标志的中心与从GNSS天线相位中心的连线与从GNSS天线的轴线重合，从GNSS天线与辅助瞄准标志的组合架设在三脚架或连杆上，调节底座，使得从GNSS天线保持水平。
S3.双天线导航信号接收
两个GNSS天线的信号分别经过射频电路处理转换为中频信号，再由A/D转换将模拟信号采样为数字信号；对数字信号进行捕获、跟踪和解调，获取对应的伪距、载波相位和电文原始观测数据；
S4.卫星基线定向解算
采用最小二乘或卡尔曼滤波方法进行定位解算得到两个天线的定位结果；采用快速降维法完成所述的载波相位模糊度求解；根据单差或双差观测方程模型，利用解模糊后的载波相位计算两个卫星天线的相对定向结果；将相对定向结果转换到定位结果表征的当地东北天坐标系，得到卫星基线的定向测量值α；
S5.经纬仪瞄准GNSS天线基线
转动经纬仪，使得经纬仪瞄准从GNSS天线下方的瞄准辅助标志，设置为角度测量零位；
S6.待标定方位角度差及方位角计算输出
转动经纬仪，使得经纬仪瞄准待标定方位，输出从天线基线到待标定方位的方位角度差β，将卫星基线的定向测量值与经纬仪测量的方位角度差转换到统一的方位角表示法，输出待标定的方位角γ＝α+β。
更进一步地，步骤S1和S2中的主从GNSS天线能够同时支持多个GNSS系统不同频点的信号接收；步骤S3中双天线导航信号接收包含GNSS天线可接收的多个系统多个频点信号。目前全球四大卫星导航系统中包含的信号频点有GPS的L1/L2/L5、北斗的B1/B2/B3、GLONASS的G1/G2以及Galileo的E1/E5/E6，要求GNSS天线和信号接收至少支持某个单一系统的两个频点，提供最低程度的载波相位模糊度解算需要的观测信息。
更进一步地，步骤S2中，从天线和主天线的距离一般形成短基线或超短基线，满足双天线定向的处理条件；主天线和从天线尽量调整在相同的高度。
更进一步地，步骤S3中，根据接收卫星信号的种类不同和硬件时钟的差异，优选算法进行载波模糊度求解和定向解算。例如若提供了北斗或GPS三频点的原始观测值，可利用不同频点形成超宽巷、宽巷、窄巷组合加快模糊度求解速度；若两个GNSS天线的采样和信号处理采样相同的数字时钟和本地时间管理，不存在两个天线信号处理的钟差，优选地可以采用单差相对定位模型，否则采用双差相对定位模型。
更进一步地，步骤S4中，卫星定向的典型频率是1Hz，根据方位标定的精度和实时性需求，可进行更长时间的处理提高方位角的输出精度。
图2为本发明提供的一种基于卫星定向的方位标定装置的具体结构图，装置由GNSS天线A、GNSS天线B、经纬仪、辅助瞄准标志、两个三脚架、卫星定位定向主机和若干线缆组成。GNSS天线A与经纬仪同轴固定连接，经纬仪与GNSS天线A的相位中心位于GNSS天线A的轴线上，GNSS天线B和辅助瞄准标志固定连接，辅助瞄准标志与GNSS天线B的相位中心位于GNSS天线B的轴线上。两个三脚架分别用于固定GNSS天线A与经纬仪组合以及GNSS天线B与辅助瞄准标志组合。辅助瞄准标志可以是一个标志光源，例如LED光源，或十字目标图案，或反射棱镜等常用瞄准标志，属于经纬仪角度测量的常识；两个三脚架也可以是连杆、三角底座等可以固定并调平的装置即可。
GNSS天线A和GNSS天线B的射频信号输入至卫星定位定向主机完成基于载波相位的高精度定向，确定卫星基线方位；卫星定位定向主机通常包含FPGA、ASIC、DSP、ARM等嵌入式处理器，完成卫星信号的变频、数字化、捕获、跟踪等处理，并进行定位定向解算，该部分内容是卫星导航领域常识；经纬仪测量卫星天线基线与待标定基线方位之间的夹角，也可通过有线或无线数据传输方式输入至卫星定位定向主机，卫星定位定向主机将卫星基线方位与经纬仪测得的夹角相加，作为待标定方位基线输出。
相对于现有技术，本发明将卫星定向技术作为定向的真北基线引入方位标定中，相比于传统的需要标杆、差分站的方法，拓展了作业的操作范围，实现随时随地的标定；与采用陀螺寻北仪等设备获取真北基准相比，具有精度相当，但成本低廉，定向速度快的优点，整套方法和设备用现有成熟的卫星定向技术及经纬仪即可实现几乎不受地域限制的快速方位标定。
虽然以上结合优选实施例对本发明进行了描述，但本领域的技术人员应该理解，本发明所述的方法和系统并不限于具体实施方式中所述的实施例，在不背离由所附权利要求书限定的本发明精神和范围的情况下，可对本发明作出各种修改、增加、以及替换。

Claims (4)

1.一种基于卫星定向的方位标定方法，其特征在于步骤如下：
S1.设置经纬仪与主GNSS天线
将主GNSS天线架设在经纬仪上，要求经纬仪横轴回转中心与主GNSS天线相位中心重合，经纬仪与主GNSS天线的组合架设在三脚架上，调节底座，使得主GNSS天线保持水平；
S2.设置辅助瞄准标志与从GNSS天线
在从GNSS天线下方设置辅助瞄准标志，辅助瞄准标志的中心与从GNSS天线相位中心的连线与从GNSS天线的轴线重合，从GNSS天线与辅助瞄准标志的组合架设在三脚架或连杆上，调节底座，使得从GNSS天线保持水平；
S3.双天线导航信号接收
两个GNSS天线的信号分别经过射频电路处理转换为中频信号，再由A/D转换将模拟信号采样为数字信号；对数字信号进行捕获、跟踪和解调，获取对应的伪距、载波相位和电文原始观测数据；
S4.卫星基线定向解算
采用最小二乘或卡尔曼滤波方法进行定位解算得到两个天线的定位结果；采用快速降维法完成所述的载波相位模糊度求解；根据单差或双差观测方程模型，利用解模糊后的载波相位计算两个卫星天线的相对定向结果；将相对定向结果转换到定位结果表征的当地东北天坐标系，得到卫星基线的定向测量值α；
S5.经纬仪瞄准GNSS天线基线
转动经纬仪，使得经纬仪瞄准从GNSS天线下方的瞄准辅助标志，设置为角度测量零位；
S6.待标定方位角度差及方位角计算输出
转动经纬仪，使得经纬仪瞄准待标定方位，输出从天线基线到待标定方位的方位角度差β，将卫星基线的定向测量值与经纬仪测量的方位角度差转换到统一的方位角表示法，输出待标定的方位角γ＝α+β；
其中基于卫星定向的方位标定装置，包括GNSS天线、卫星定向接收模块、经纬仪及固定三脚架和辅助瞄准标志及固定装置；
GNSS天线，共有两个，分别为主GNSS天线和从GNSS天线，用于形成卫星定向基线；
卫星定向接收模块，用于接收GNSS天线的导航信号，完成基于载波相位的GNSS天线相对定位定向；
经纬仪及固定三脚架，经纬仪与主GNSS天线共轴固定连接，二者共同固定于三脚架并调平；
辅助瞄准标志及固定装置，辅助瞄准装置与从GNSS天线共轴固定连接，二者共同固定于固定装置并调平，用于辅助经纬仪瞄准卫星定向基线；
经纬仪测量得到的角度差信息能够通过有线串行数据传输或无线蓝牙、WiFi等方式输出至卫星定向接收模块，由卫星定向接收模块综合卫星基线方位与基线方位和待测方位角度差信息，输出最终的待测方位；
GNSS天线是内置低噪声放大器的零相位中心测量型天线，适合于多个频段GNSS信号的接收。
2.根据权利要求1所述的基于卫星定向的方位标定方法，其特征在于：卫星定向接收模块是带定向解算功能的双射频输入接收机。
3.根据权利要求2所述的基于卫星定向的方位标定方法，其特征在于：经纬仪及固定三脚架中，经纬仪上架设有主GNSS天线，经纬仪与架设在其上的主GNSS天线共轴安装，经纬仪横轴回转中心与主GNSS天线相位中心重合，经纬仪与主GNSS天线的组合架设在三脚架上。
4.根据权利要求3所述的基于卫星定向的方位标定方法，其特征在于：辅助瞄准标志及固定装置中，辅助瞄准标志是LED光源，或十字目标图案，或反射棱镜；固定装置是三脚架、连杆或三角底座；辅助瞄准标志的中心与从GNSS天线相位中心的连线与从GNSS天线的轴线重合，实现共轴安装，从GNSS天线与辅助瞄准标志的组合架设在固定装置上。
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