CN105203995A - 一种室内gps系统精度检测方法 - Google Patents

Abstract

一种室内GPS系统精度检测方法，首先放置激光发射器、激光跟踪仪靶球及激光接收器构建室内GPS系统，并搭建室内GPS系统检测装置，然后令检测装置自由移动，使用室内GPS系统测量计算得到待检测位置坐标，使用激光跟踪仪得到标准位置坐标，最后计算得到当前室内GPS系统精度，完成室内GPS系统精度检测。本发明方法克服了现有的静态精度测量方法在运动过程中每个激光接收器接收到发射站信号的时刻不相同带来激光接收器不同步误差的缺陷，并对此误差进行了补偿，提高了室内GPS系统在运动过程中的检测精度。

Description

一种室内GPS系统精度检测方法

技术领域

本发明涉及空间精密测量定位领域，特别是一种室内GPS系统精度检测方法。

背景技术

室内GPS系统是一种大尺度空间精密测量定位系统，借助地球GPS整体“测量场”的概念，具有量程大、并行多任务的突出优势，是超大尺度空间精密测量与定位研究的重要方向。传统的GPS定位方法是基于电磁波的伪距测量，而且传统的GPS系统在室内无法直接应用。日本尼康公司和天津大学的通过光学系统建立了一种精密角度测量、多角度空间交会测量的室内GPS系统，室内GPS系统已由最初的航空航天领域逐步扩大到造船、汽车、工程测量等领域。

室内GPS系统作为一种复杂的多站交会精密测量系统，其测量精度和测量网络数学建模方法、现场标定方法、测量原理密切相关。传统的室内GPS系统在测量动态物体时不进行时间同步，存在测量不同步的问题。因此，目前室内GPS系统进行精度评价以静态评价为主，常用手段主要包括：

(1)采用两个接收器在不同位置测量同一标准尺长度的测长评价方法；

(2)室内GPS系统与激光跟踪仪在完成坐标系统一后，逐点进行坐标对比的三坐标比对评价方法。

但是在动态过程中，如图1所示，室内GPS系统接收器随着运动模拟设备移动，激光发射器1测到室内GPS系统接收器的位置是在p₁(t₁)点，激光发射器3测到的位置是p₂(t₁)点，在后续的三角形解算室内GPS系统接收器位置时会产生一定的动态误差，并存在时间同步问题，目前还没有一种可靠的动态高精度评定方法，因此需要一种更高精度的动态测量手段去评定室内GPS系统在动态测量时的误差。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种克服了现有的静态精度测量方法在运动过程中每个激光接收器接收到发射站信号的时刻不相同带来激光接收器不同步误差的缺陷，并对此误差进行了补偿，提高了室内GPS系统在运动过程中的检测精度的室内GPS系统精度检测方法。

本发明的技术解决方案是：一种室内GPS系统精度检测方法，包括如下步骤：

(1)在室内测量试验现场放置n个激光发射器，记为激光发射器i，i＝1，2，3…n，在测量棒的两端放置激光跟踪仪靶球，在测量棒的中间点放置室内GPS系统中的激光接收器，使测量棒通过支架连接在底盘上，底盘通过气垫和水平平台接触，其中，底盘可以在水平平台上自由移动，测量棒、水平平台与底盘均与水平面平行，n为激光发射器个数，2个激光跟踪仪靶球分别记为激光跟踪仪靶球1、激光跟踪仪靶球2；

(2)令测量棒通过支架在水平平台上自由移动，令n个激光发射器匀速自转，激光发射器i在自转周期T_i的起始时刻发送同步光脉冲，同时在自转周期T_i内还发送两束扫描光脉冲，同时在自转周期T_i过程中不间断使用激光跟踪仪测量测量棒两端的激光跟踪仪靶球1、激光跟踪仪靶球2的位置，得到激光跟踪仪靶球1、激光跟踪仪靶球2的所有测量时刻，并分别记为t_m1、t_m2、t_m3…t_mj，其中，n个激光发射器的自转周期分别记为T₁、T₂、T₃…T_n，同步光脉冲、扫描光脉冲为光平面信号，激光发射器i的同步光脉冲、两束扫描光脉冲的角度信息各不相同且n个激光发射器的同步光脉冲、两束扫描光脉冲角度信息各不相同，角度信息为光平面信号与水平面的垂直面的夹角，j为正整数，激光跟踪仪第j次测量得到激光跟踪仪靶球1、激光跟踪仪靶球2时刻为t_mj，位置为(x'_j,y'_j,z'_j)、(x”_j,y”_j,z”_j)；

(3)令激光接收器将接收到的多个激光发射器发送的同步光脉冲及扫描光脉冲分别转换为同步电脉冲及扫描电脉冲信号，然后以统一的计时基准对激光发射器i的同步电脉冲及扫描电脉冲信号按照激光发射器i的自转周期T_i进行匹配计时，对于激光发射器i，将激光接收器接收到激光发射器i的同步光脉冲的时刻记为t₀，将激光接收器分别接收到激光发射器i的两束扫描光脉冲的时刻分别记为t₁、t₂，得到在自转周期T_i内激光发射器i扫过激光接收器时的旋转角度θ_1i、θ_2i分别为

${\mathrm{\θ}}_{1i}=\frac{t_1-t_0}{Ti}*2\mathrm{\π}$

${\mathrm{\θ}}_{2i}=\frac{t_2-t_0}{Ti}*2\mathrm{\π}$

将t₀作为激光发射器i的时间戳；

(4)建立wMPS坐标系，然后在wMPS坐标系中对激光发射器i的两束扫描光平面的平面方程系数进行标定，并分别记为(a_1i,b_1i,c_1i,d_1i)与(a_2i,b_2i,c_2i,d_2i)，对激光发射器k的两束光平面的平面方程系数进行标定，并分别记为(a_1k,b_1k,c_1k,d_1k)与(a_2k,b_2k,c_2k,d_2k)，进而得到激光接收器在t_pj时刻的坐标P_j(x_j,y_j,z_j)，其中，k＝1,2,3…n，得到(x_j,y_j,z_j)可由下式求得

(a_1icos(θ_1i)-b_1isin(θ_1i))x_j+(a_1isin(θ_1i)+b_1icos(θ_1i))y_j+c_1iz_j+d_1i＝0

(a_2icos(θ_2i)-b_2isin(θ_2i))x_j+(a_2isin(θ_2i)+b_2icos(θ_2i))y_j+c_2iz_j+d_2i＝0

(a_1kcos(θ_1k)-b_1ksin(θ_1k))x_j+(θ_1ksin(θ_1k)+b_1kcos(θ_1k))y_j+c_1kz_j+d_1k＝0

(a_2kcos(θ_2k)-b_2ksin(θ_2k))x_j+(a_2ksin(θ_2k)+b_2kcos(θ_2k))y_j+c_2kz_j+d_2k＝0；

t_pj为激光接收器接收到的所有激光发射器的时间戳的均值；其中，wMPS坐标系的Z轴竖直向上，Z轴与激光发射器1的第一束同步光脉冲的交点为原点，XOY平面过原点并垂直于Z轴，第一束同步光脉冲与XOY平面的交线为X轴，Y轴指向根据右手定则确定；

(5)在t_m1、t_m2、t_m3…t_mj中寻找与t_pj时刻最接近的时刻，并记为t_mq，得到激光跟踪仪第q次测量得到激光跟踪仪靶球1、激光跟踪仪靶球2位置(x'_q,y'_q,z'_q)、(x”_q,y”_q,z”_q)，

进而计算测量棒中间点的标准位置(x,y,z)为

$(x,y,z)=(\frac{{x^{\′}}_q+{x^{\′\′}}_q}{2},\frac{{y^{\′}}_q+{y^{\′\′}}_q}{2},\frac{{z^{\′}}_q+{z^{\′\′}}_q}{2}).$

(6)使用步骤(5)得到的测量棒中间点的标准位置(x,y,z)与室内GPS系统测量计算得到的t_pj时刻测量棒中间点坐标P_j(x_j,y_j,z_j)计算当前室内GPS系统精度p为

$p=\sqrt{{(x_j-x_i)}^2+{(y_j-y_i)}^2+{(z_j-z_i)}^2}.$

如果p不大于设定阈值，则当前室内GPS系统可用，如果p大于设定阈值，则当前室内GPS系统不可用。

所述的设定阈值为0.3。

所述的水平平台为花岗岩平台。

所述的统一的计时基准为室内GPS系统中信号处理器的内部晶振。

本发明与现有技术相比的有益效果为：

(1)本发明方法通过构建室内GPS系统，并搭建室内GPS系统检测装置，使用室内GPS系统测量计算得到待检测位置坐标，使用激光跟踪仪得到标准位置坐标，最后计算得到当前室内GPS系统精度，完成室内GPS系统精度的动态过程检测，有效降低了因为激光接收器运动给室内GPS系统精度检测带来的误差；

(2)本发明方法克服了现有的静态精度测量方法在运动过程中每个激光接收器接收到发射站信号的时刻不相同带来激光接收器不同步误差的缺陷，并对此误差进行了补偿，提高了动态坐标测量精度，进而提高了室内GPS系统在运动过程中的检测精度；

(3)本发明方法在运动时对室内GPS系统的精度检测中，使用的激光跟踪仪为成熟系统，搭建测量装置所用的气垫也为成熟的气浮技术，工程实现简单，具有很强的实用性。

附图说明

图1为传统的室内GPS系统动态测量误差示意图；

图2为本发明方法测量装置示意图。

具体实施方式

传统的室内GPS系统在测量动态物体时不进行时间同步，存在测量不同步的问题，如图1所示，当室内GPS系统接收器随着运动模拟设备移动时，激光发射器1测到接收器的位置是在p₁(t₁)点，激光发射器3测到的位置是p₂(t₂)点，因此在后续的三角形解算室内GPS系统接收器位置时会产生一定的动态误差，针对传统的室内GPS系统在测量动态物体时不进行时间同步，存在测量不同步的问题，本发明提出一种室内GPS系统精度检测方法。下面面结合附图对本发明方法进行详细说明。

(1)本发明方法测量装置如图2所示，在测量试验现场(室内)放置n个激光发射器，在测量棒的两端放置激光跟踪仪靶球，在测量棒(棍状)的中间点放置室内GPS系统接收器，GPS系统接收器和激光跟踪仪靶球在同一直线上并与水平面平行，同时，GPS系统接收器处于激光跟踪仪靶球连线的中点；测量棒通过支架连接在底盘上，底盘通过三个气垫和花岗岩平台接触，可以在花岗岩平台上表面内自由移动，其中，测量棒、花岗岩平台与底盘均与水平面平行，n个激光发射器分别记为激光发射器1、激光发射器2、激光发射器3…激光发射器n，2个激光跟踪仪靶球分别记为激光跟踪仪靶球1、激光跟踪仪靶球2，到此，本发明方法的室内GPS系统精度评定系统就搭建完毕。室内GPS系统包括激光接收器、激光发射器、信号处理器、解算站。

(2)令测量棒通过支架在花岗岩平台上自由移动，同时令n个激光发射器匀速自转，激光发射器i在自转周期T_i的起始时刻发送同步光脉冲，同时在自转周期T_i内还发送两束扫描光脉冲，在自转周期T_i过程中不间断使用激光跟踪仪测量测量棒两端的激光跟踪仪靶球1、激光跟踪仪靶球2的位置，并分别记为分别为(x'_j,y'_j,z'_j)、(x”_j,y”_j,z”_j)，其中，n个激光发射器的自转周期分别记为T₁、T₂、T₃…T_n，建立wMPS坐标系(wMPS坐标系的Z轴竖直向上，Z轴与激光发射器1的第一束同步光脉冲的交点为原点，XOY平面过原点并垂直于Z轴，第一束同步光脉冲与XOY平面的交线为X轴，Y轴指向根据右手定则确定)，同步光脉冲、扫描光脉冲为光平面信号，激光发射器i的同步光脉冲、两束扫描光脉冲的角度信息各不相同且n个激光发射器的同步光脉冲、两束扫描光脉冲角度信息各不相同，角度信息为光平面信号与水平面的垂直面的夹角，j为正整数，代表激光跟踪仪在自转周期T_i的测量次数，第j次测量得到激光跟踪仪靶球1、激光跟踪仪靶球2位置(x'_j,y'_j,z'_j)、(x”_j,y”_j,z”_j)的时刻为t_mj，得到激光跟踪仪靶球1、激光跟踪仪靶球2的所有测量时刻，并分别记为t_m1、t_m2、t_m3…t_mj。其中，n个激光发射器发射激光能够覆盖整个室内测量试验现场。

(3)令激光接收器将接收到的多个激光发射器发送的同步光脉冲及扫描光脉冲，将其分别转换为同步电脉冲及扫描电脉冲信号并送至信号处理器，然后以信号处理器的内部晶振为计时基准，对激光发射器i的同步电脉冲及扫描电脉冲信号按照激光发射器i的自转周期T_i进行匹配计时，在内部晶振的t₀时刻，激光接收器接收到激光发射器i的同步光脉冲，在t₁、t₂时刻，激光接收器分别接收到激光发射器i的两束扫描光脉冲，得到在自转周期T_i内激光发射器i扫过激光接收器时的旋转角度θ_1j、θ_2i分别为

${\mathrm{\θ}}_{1i}=\frac{t_1-t_0}{Ti}*2\mathrm{\π}$

${\mathrm{\θ}}_{2i}=\frac{t_2-t_0}{Ti}*2\mathrm{\π}$

将t₀作为激光发射器i的时间戳；

(4)对激光发射器i的两束扫描光平面的平面方程系数进行标定，并分别记为(a_1i,b_1i,c_1i,d_1i)与(a_2i,b_2i,c_2i,d_2i)，对激光发射器k的两束光平面的平面方程系数进行标定，并分别记为(a_1k,b_1k,c_1k,d_1k)与(a_2k,b_2k,c_2k,d_2k)，进而得到激光接收器在t_pj时刻的坐标P_j(x_j,y_j,z_j)，其中，k＝1,2,3…n，得到(x_j,y_j,z_j)可由下式求得

(a_1icos(θ_1i)-b_1isin(θ_1i))x_j+(a_1isin(θ_1i)+b_1icos(θ_1i))y_j+c_1iz_j+d_1i＝0

(a_2icos(θ_2i)-b_2isin(θ_2i))x_j+(a_2isin(θ_2i)+b_2icos(θ_2i))y_j+c_2iz_j+d_2i＝0

(a_1kcos(θ_1k)-b_1ksin(θ_1k))x_j+(a_1ksin(θ_1k)+b_1kcos(θ_1k))y_j+c_1kz_j+d_1k＝0

(a_2kcos(θ_2k)-b_2ksin(θ_2k))x_j+(a_2ksin(θ_2k)+b_2kcos(θ_2k))y_j+c_2kz_j+d_2k＝0；

t_pj可由激光接收器接收到的多个激光发射器的时间戳求均值得到。

(5)在t_m1、t_m2、t_m3…t_mj中寻找与t_pj时刻最接近的时刻，并记为t_mq，进而得到第q次测量得到激光跟踪仪靶球1、激光跟踪仪靶球2位置(x'_q,y'_q,z'_q)、(x”_q,y”_q,z”_q)，

(6)计算测量棒中间点的标准位置(x,y,z)为

$(x,y,z)=(\frac{{x^{\′}}_q+{x^{\′\′}}_q}{2},\frac{{y^{\′}}_q+{y^{\′\′}}_q}{2},\frac{{z^{\′}}_q+{z^{\′\′}}_q}{2}).$

(7)使用步骤(6)得到的测量棒两端的标准位置(x,y,z)与在t_pj时刻的坐标P_j(x_j,y_j,z_j)计算当前室内GPS系统精度p并判断

其中，当前室内GPS系统精度 $p=\sqrt{{(x_j-x_i)}^2+{(y_j-y_i)}^2+{(z_j-z_i)}^2}.$

(8)如果当前室内GPS系统精度p不大于设定0.3，则当前室内GPS系统可用；如果当前室内GPS系统精度p大于设定0.3，则当前室内GPS系统不可用，通过本方法上述步骤可以对室内GPS系统进行方便快捷的精度检测评定。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (4)

1.一种室内GPS系统精度检测方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)在室内测量试验现场放置n个激光发射器，记为激光发射器i，i＝1，2，3...n，在测量棒的两端放置激光跟踪仪靶球，在测量棒的中间点放置室内GPS系统中的激光接收器，使测量棒通过支架连接在底盘上，底盘通过气垫和水平平台接触，其中，底盘可以在水平平台上自由移动，测量棒、水平平台与底盘均与水平面平行，n为激光发射器个数，2个激光跟踪仪靶球分别记为激光跟踪仪靶球1、激光跟踪仪靶球2；

(2)令测量棒通过支架在水平平台上自由移动，令n个激光发射器匀速自转，激光发射器i在自转周期T_i的起始时刻发送同步光脉冲，同时在自转周期T_i内还发送两束扫描光脉冲，同时在自转周期T_i过程中不间断使用激光跟踪仪测量测量棒两端的激光跟踪仪靶球1、激光跟踪仪靶球2的位置，得到激光跟踪仪靶球1、激光跟踪仪靶球2的所有测量时刻，并分别记为t_m1、t_m2、t_m3...t_mj，其中，n个激光发射器的自转周期分别记为T₁、T₂、T₃...T_n，同步光脉冲、扫描光脉冲为光平面信号，激光发射器i的同步光脉冲、两束扫描光脉冲的角度信息各不相同且n个激光发射器的同步光脉冲、两束扫描光脉冲角度信息各不相同，角度信息为光平面信号与水平面的垂直面的夹角，j为正整数，激光跟踪仪第j次测量得到激光跟踪仪靶球1、激光跟踪仪靶球2时刻为t_mj，位置为(x′_j，y′_j，z′_j)、(x″_j，y″_j，z″_j)；

(3)令激光接收器将接收到的多个激光发射器发送的同步光脉冲及扫描光脉冲分别转换为同步电脉冲及扫描电脉冲信号，然后以统一的计时基准对激光发射器i的同步电脉冲及扫描电脉冲信号按照激光发射器i的自转周期T_i进行匹配计时，对于激光发射器i，将激光接收器接收到激光发射器i的同步光脉冲的时刻记为t₀，将激光接收器分别接收到激光发射器i的两束扫描光脉冲的时刻分别记为t₁、t₂，得到在自转周期T_i内激光发射器i扫过激光接收器时的旋转角度θ_1i、θ_2i分别为

${\mathrm{\θ}}_{1i}=\frac{t_1-t_0}{Ti}*2\mathrm{\π}$

${\mathrm{\θ}}_{2i}=\frac{t_2-t_0}{Ti}*2\mathrm{\π}$

将t₀作为激光发射器i的时间戳；

(4)建立wMPS坐标系，然后在wMPS坐标系中对激光发射器i的两束扫描光平面的平面方程系数进行标定，并分别记为(a_1i，b_1i，c_1i，d_1i)与(a_2i，b_2i，c_2i，d_2i)，对激光发射器k的两束光平面的平面方程系数进行标定，并分别记为(a_1k，b_1k，c_1k，d_1k)与(a_2k，b_2k，c_2k，d_2k)，进而得到激光接收器在t_pj时刻的坐标P_j(x_j，y_j，z_j)，其中，k＝1，2，3...n，得到(x_j，y_j，z_j)可由下式求得

(a_1icos(θ_1i)-b_1isin(θ_1i))x_j+(a_1isin(θ_1i)+b_1icos(θ_1i))y_j+c_1iz_j+d_1i＝0

(a_2icos(θ_2i)-b_2isin(θ_2i))x_j+(a_2isin(θ_2i)+b_2icos(θ_2i))y_j+c_2iz_j+d_2i＝0

(a_1kcos(θ_1k)-b_1ksin(θ_1k))x_j+(a_1ksin(θ_1k)+b_1kcos(θ_1k))y_j+c_1kz_j+d_1k＝0

(a_2kcos(θ_2k)-b_2ksin(θ_2k))x_j+(a_2ksin(θ_2k)+b_2kcos(θ_2k))y_j+c_2kz_j+d_2k＝0；

t_pj为激光接收器接收到的所有激光发射器的时间戳的均值；其中，wMPS坐标系的Z轴竖直向上，Z轴与激光发射器1的第一束同步光脉冲的交点为原点，XOY平面过原点并垂直于Z轴，第一束同步光脉冲与XOY平面的交线为X轴，Y轴指向根据右手定则确定；

(5)在t_m1、t_m2、t_m3...t_mj中寻找与t_pj时刻最接近的时刻，并记为t_mq，得到激光跟踪仪第q次测量得到激光跟踪仪靶球1、激光跟踪仪靶球2位置(x′_q，y′_q，z′_q)、(x″_q，y″_q，z″_q)，

进而计算测量棒中间点的标准位置(x，y，z)为

$(x,y,z)=(\frac{{x^{\′}}_q+{x^{\′\′}}_q}{2},\frac{{y^{\′}}_q+{y^{\′\′}}_q}{2},\frac{{z^{\′}}_q+{z^{\′\′}}_q}{2}).$

(6)使用步骤(5)得到的测量棒中间点的标准位置(x，y，z)与室内GPS系统测量计算得到的t_pj时刻测量棒中间点坐标P_j(x_j，y_j，z_j)计算当前室内GPS系统精度p为

$p=\sqrt{{(x_j-x_i)}^2+{(y_j-y_i)}^2+{(z_j-z_i)}^2}.$

如果p不大于设定阈值，则当前室内GPS系统可用，如果p大于设定阈值，则当前室内GPS系统不可用。

2.根据权利要求1所述的一种室内GPS系统精度检测方法，其特征在于：所述的设定阈值为0.3。

3.根据权利要求1或2所述的一种室内GPS系统精度检测方法，其特征在于：所述的水平平台为花岗岩平台。

4.根据权利要求1或2所述的一种室内GPS系统精度检测方法，其特征在于：所述的统一的计时基准为室内GPS系统中信号处理器的内部晶振。