CN105424001B - 一种基于相对气压的高程测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于相对气压的高程测量方法。所述方法包括：用户终端测量用户终端所在位置的气压值和温度值；根据气压、温度与高程的对应关系计算高程值，进而求出当前历元与上一历元的高程差；利用上一历元获得的高程值及高程差采用递推法求当前历元的高程值的预估计值；将高程值的预估计值和直接测量得到的高程值进行数据融合得到当前历元的高程值；循环执行上述步骤得到每一历元的高程值。本发明所述方法省去了现有方法中基准点的选择与测量步骤，既简化了测量方法，又提高了测量精度，采用本发明所述方法进行高程测量，高程测量分辨率能达到0.2m，精度优于1m。
Description
技术领域
本发明属于高程测量技术领域，具体涉及一种利用相对气压(相邻历元测得的大气压强的比值)求得的高程差进行递推并与其它方法测得的高程进行融合从而实现高程测量的方法。
背景技术
如何获得精度较高的高程值是GPS/BDS类卫星导航定位中的一个薄弱环节，也是GPS/BDS类卫星导航定位获得的三维位置坐标值中精度最低的一维坐标值。
专利申请号为2014102903385，名称为“一种基于差分气压测高方法技术的测高计”的发明专利，提出了一种利用空气压强来确定高程的方法。为解决气压测量高程精度和分辨率较低的问题，该专利提出的方法利用气压差Δp测得的相对高程变化值Δh精度较高这一特点，根据基准点的高程h0和相对气压测量值Δp测得的相对高程变化值Δh递推，获得测量点较高的高程测量值h。
专利号为ZL201210135624.5，名称为“一种卫星导航通信终端高程定位的方法”的发明专利，提出了一种利用气象站、导航主控站、通信卫星、地面通信基站通过传输湿度参数、温度、气压、气象站纬度及高程等信息，采用差分模式得到较高精度的卫星通信终端高程信息的方法。该方法主要包括了气象站测量获得自身所在地的气压值P0、温度值T0、湿度参数(e/p)m，将气压值、温度值湿度参数连同气象站的纬度和位置高程H0发送到主控站；主控站将气象站的气压值、温度值、湿度参数、纬度和位置高程通过主控站天线上行发送至卫星；用户终端通过卫星获取气象站的气压、温度值、湿度参数、纬度和位置高程；用户终端测量获得自身所在地的气压值P和温度值T；用户终端将气象站的气压值、温度值、湿度参数、纬度和位置高程结合自身测量所在地的气压P和温度T，求得自身的测量高程h'，再利用基站对用户终端高程差分修正的方法，修正短基线范围内高程的测量误差，从而获得比较高精度的高程信息。
以上两种方法都是基于差分模式，必须设置基准点o，而且必须知道基准点的高程值h0，并测出基准点上的气压测量值P0，然后还要通过通信信道把基准点的高程值h0和气压测量值P0传输至用户终端。用户终端同样要测出用户端的气压值P，并求出基准点与用户端的气压差值Δp，由Δp求两点间的高程变化量Δh，基准点的高程值h0加上两点间的高程变化量Δh就是用户端的高度值h。这种采用差分模式的优点是测量精度较高，但由于需要设置基准点，测得基准点的高程值h0和气压值P0，还必须把这些值传输给用户，处理过程较为复杂。同时，由递推法获得相对高程具有一定的局限性，因为计算高程的相对变化量Δh需要实时测量基准点和用户端的气压值，Δh与基线距离强相关，所以Δh的精度与基线关系密切——基线越长，测量的相似性越差，Δh的精度越低。
发明内容
针对现有技术中存在的上述问题，本发明提出一种基于相对气压的高程测量方法，省去了基准点的选择与测量步骤，既简化了测量方法，又提高了测量精度。
为了达到上述目的，本发明采取如下技术方案：
一种基于相对气压的高程测量方法，包括以下步骤：
步骤1，安装了气压测量芯片和温度测量芯片的用户终端测量用户终端所在位置的气压值Pi和温度值Ti。根据气压、温度与高程的对应关系计算高程值hi，进而求出当前历元i与上一历元i-1的高程差Δhi＝hi-hi-1。i＝1，2，3，……。
步骤2，利用上一历元i-1获得的高程值及所述步骤1测得的当前历元i和上一历元i-1的高程差Δhi，采用递推法求当前历元i的高程值的预估计值递推公式如下：
步骤3，将步骤2得到的高程值的预估计值和直接测量得到的高程值hi进行数据融合，得到当前历元i的高程值
循环执行步骤1～步骤3，得到每一历元的高程值。
进一步地，所述步骤1根据相对气压值计算高程差的公式为：
其中，Tm＝(Ti-1+Ti)/2，为历元i-1和历元i测得的温度值的平均值；为历元i-1和历元i测得的气压值的比值，即气压相对值。温度单位为K，高程差单位为m。
进一步地，所述直接测量得到的高程值hi是由安装在用户终端的导航芯片通过三维位置坐标解算得到的高程值；或者是根据气压、温度与高程的对应关系得到的高程值；或者是由安装在用户终端的测高计测量的高程值。
进一步地，所述步骤3采用广义数据融合法进行数据融合。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)本发明根据气压、温度与高程之间的对应关系，计算得到用户终端所在位置的高程值，然后计算相邻两个历元的高程差，并在前一历元获得的高程的基础上递推，将递推获得的预估计值与直接测量得到的高程值(不是采用本发明所述的方法递推得到的)进行融合，得到最终的高程值。虽然单点单历元的测量值的精度不高，但相邻两个历元测量数值间的相似性极好，因此，相邻两个历元的高程差的精度会很高，根据递推法最后得到的高程的精度也很高。本发明所述方法省去了现有方法中基准点的选择与测量步骤，既简化了测量方法，又提高了测量精度，此方法的高程测量分辨率能达到0.2m，精度优于1m。
(2)本发明所述方法可应用于导航定位、高程测量领域，尤其适合用于室内楼层分辩、车辆绕立交桥行驶、室外登山测高以及地下作业场合中。
附图说明
图1为基于相对气压的高程测量方法的流程图；
图2为应用本发明所述方法与GPS方法进行室内楼层高程测量的结果对比。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
本发明所述方法可应用于导航定位、高程测量领域，尤其适合用于室内楼层分辩、车辆绕立交桥行驶、室外登山测高以及地下作业场合中。
本发明所涉及的用户终端安装了气压测量芯片、温度测量芯片、GPS导航芯片及测高计。气压测量芯片、温度测量芯片用于测量用户终端所在位置的气压值和温度值，GPS导航芯片根据测量的三维位置坐标值解算出高程值，测高计可以直接测量高程。
应用本发明所述方法进行室内楼层高程测量的流程图如图1所示，具体包括以下步骤：
S1.安装了气压测量芯片和温度测量芯片的用户终端测量用户终端所在位置的气压值Pi和温度值Ti。根据气压、温度与高程的对应关系计算高程值hi，进而求出当前历元i与上一历元i-1的高程差Δhi＝hi-hi-1。也可以根据相对气压值按下面的公式计算高程差：
其中，Tm＝(Ti-1+Ti)/2，为历元i-1和历元i测得的温度值的平均值，单位为K；为历元i-1和历元i测得的气压值的比值，即气压相对值。高程差单位为m；i＝1，2，3，……。
S2.利用上一历元i-1获得的高程值及步骤S1测得的当前历元i和上一历元i-1的高程差Δhi，采用递推法求当前历元i的高程值的预估计值递推公式如下：
S3.将步骤S2得到的高程值的预估计值和直接测量得到的高程值hi进行数据融合，得到当前历元i的高程值
直接测量得到的高程值hi是由安装在用户终端的导航芯片通过三维位置坐标解算得到的高程值；或者是步骤S1根据气压、温度与高程的对应关系得到的高程值；或者是安装在用户终端的测高计测量的高程值。
数据融合的方法很多，本实施例采用一种广义数据融合法进行数据融合。在广义数据融合方法中，在第n历元时，选用一个幂多项式作为逼近函数。逼近时选用一段历元内的数据，其中，把已获得的n-2历元以前的先验最优估计值作拟合逼近处理数据；选n-1历元已获得的最优估计值作为插值约束锁定点数据；当前待求n历元时的状态量递推的预估值与直接求解方程获得的状态值也分别作加权的拟合逼近处理的数据，从而形成逼近残差累加函数，成为最优化目标函数。在优化模型里，以逼近所述幂多项式系数等为优化变量；以逼近多项式系数以及广义状态量等待求量的区间数作为变量取值的约束条件，所加的这些约束条件有利于框定解域，提高解的精度。该方法已由施浒立申请了发明专利，具体方法记载在公布号为CN105095153的专利申请文件中。
S4.重复执行步骤S1～S3，得到下一历元的高程值。
应用本发明所述方法和GPS测高方法，分别测量从四楼走楼梯到一楼这一过程的高程值，测量结果如图2所示。由图2可以看出，采用本发明所述方测得的高程曲线能够准确地反映高程的变化，每个楼层测得的高程值都比较稳定；而采用GPS测得的高程曲线很不稳定，多处出现突变，对楼层完全不能分辨。实验表明，采用本发明所述方高程测量分辨率能达到0.2m，精度优于1m。
本领域技术人员所做出的对上述实施方式任何显而易见的改进或变更，都不会超出本发明的构思和所附权利要求的保护范围。
Claims (4)
1.一种基于相对气压的高程测量方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤1，安装了气压测量芯片和温度测量芯片的用户终端测量用户终端所在位置的气压值Pi和温度值Ti；根据气压、温度与高程的对应关系计算高程值hi，进而求出当前历元i与上一历元i-1的高程差Δhi＝hi-hi-1；i＝1，2，3，……；
步骤2，利用上一历元i-1获得的高程值及所述步骤1测得的当前历元i和上一历元i-1的高程差Δhi，采用递推法求当前历元i的高程值的预估计值递推公式如下：
<mrow>
<msub>
<mover>
<mi>h</mi>
<mo>~</mo>
</mover>
<mi>i</mi>
</msub>
<mo>=</mo>
<msub>
<mover>
<mi>h</mi>
<mo>^</mo>
</mover>
<mrow>
<mi>i</mi>
<mo>-</mo>
<mn>1</mn>
</mrow>
</msub>
<mo>+</mo>
<msub>
<mi>&Delta;h</mi>
<mi>i</mi>
</msub>
</mrow>
步骤3，将步骤2得到的高程值的预估计值和直接测量得到的高程值hi进行数据融合，得到当前历元i的高程值
循环执行步骤1～步骤3，得到每一历元的高程值。
2.根据权利要求1所述的基于相对气压的高程测量方法，其特征在于，根据步骤1相对气压值计算高程差的公式为：
<mrow>
<msub>
<mi>&Delta;h</mi>
<mi>i</mi>
</msub>
<mo>=</mo>
<mn>67.4</mn>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>273.15</mn>
<mo>+</mo>
<msub>
<mi>T</mi>
<mi>m</mi>
</msub>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mo>&CenterDot;</mo>
<mi>lg</mi>
<mfrac>
<msub>
<mi>P</mi>
<mrow>
<mi>i</mi>
<mo>-</mo>
<mn>1</mn>
</mrow>
</msub>
<msub>
<mi>P</mi>
<mi>i</mi>
</msub>
</mfrac>
</mrow>
其中，Tm＝(Ti-1+Ti)/2，为历元i-1和历元i测得的温度值的平均值；为历元i-1和历元i测得的气压值的比值，即相对气压值；温度单位为K，高程差单位为m。
3.根据权利要求1所述的基于相对气压的高程测量方法，其特征在于，所述直接测量得到的高程值hi是由安装在用户终端的导航芯片通过三维位置坐标解算得到的高程值；或者是根据气压、温度与高程的对应关系得到的高程值；或者是由安装在用户终端的测高计测量的高程值。
4.根据权利要求1所述的基于相对气压的高程测量方法，其特征在于，所述步骤3采用广义数据融合法进行数据融合。
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