CN106959460A - 一种高精度定位的gis采集器及其目标点计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高精度定位的GIS采集器及其目标点计算方法，包括塑料外壳，差分定位模块、电子罗盘、可见光激光测距模块、摄像头等，DGNSS差分定位模块接收GNSS卫星导航信号和CORS网络差分校正信息可获得厘米级的定位；电子罗盘模块用于获取参考点的方位角和仰角；激光测距模块获取参考点与目标点的距离；摄像头拍摄目标点照片；微处理器根据参考点的高精度坐标及其与目标点之间的距离、方位角、仰角通过计算获得目标点的精度坐标并上传目标点坐标和照片。本发明使用户仅需要一次测量即可获得目标点坐标和照片，降低了室外GIS信息采集难度；适合于目标点难以获取GNSS卫星导航信号及人难以到达目标点情况，提高工作效率。

Description

一种高精度定位的GIS采集器及其目标点计算方法

技术领域

本发明涉及GIS采集器技术领域，尤其涉及一种高精度定位的GIS采集器及其目标点计算方法。

背景技术

全球卫星定位系统(GPS)已经普遍应用在测绘及地理信息相关领域。由单星GPS系统向双星、多星发展。尤其是在中国北斗卫星导航系统正式运营以后，目前国内的多家测量行业均投入到北斗系列产品的研发过程中，推出多款双星(GPS+COMPASS、GPS+GLONASS、GPS+COMPASS+GLONASS)的卫星接收机。

目前的GIS采集器，外形都是采用人体工程学的一体化集成设计，采用高精度卫星定位技术，配置高端的系统，使用成熟的CORS(连续运行参考站)，通过搜索GPS等卫星，获得当前位置信息后，进行采集点位坐标，进而达到测量的目的。

GIS采集器一般有低精度和高精度之分：精度从十米级到亚米级，再到手持RTK式的厘米级。一般公司都可以根据客户的实际测量要求提供不同精度的GIS采集器。提供全面的软件和硬件应用解决方案：GIS采集器的操作系统配置：Windows Mobile或者Windows CE操作系统，硬件方面采用3.5/3.7英寸彩色液晶屏640×480分辨率，TFT触摸屏，内置300万像素，可同时采集数据和记录影像，支持语音通话和短信，集成扬声器、麦克风。GIS采集器不仅能提供全面的GIS采集器应用软件，而且可以兼容目前各种主流的GIS软件平台的二次开发，可实现数据的无缝对接。在遇到客户要求时，测量品牌公司都可以根据客户的个性化要求，配合他们强大的研发团队可以在最短的时间内为您定制各种特定要求的行业应用功能。

由于城市发展日新月异，智慧城市GIS(地理信息系统)信息采集器设备应用越来越广，但由于定位导航存在盲区，例如高架桥下、隧道、大树下等环境可见卫星数量少难以定位，或者路中井盖、道路中间栏杆、绿化带等人员难以到达采集目标点的位置信息情况，市面上的GIS采集器功能显得尤为不足，这给智慧城市GIS信息采集带来很大的难度。

另外，与本发明最相近的技术实现方案如下，但都存在一定不足：

实用新型专利1：北斗定位高精度手持机(CN201520549528.4)，提供一种北斗定位高精度手持机，基于WIFI定位设备、北斗定位设备、GPS定位设备、无线传输设备、三轴陀螺仪、三轴加速计和处理器设计：在室外通过北斗定位设备和GPS定位设备进行双重室外定位；在棚内工作时，棚内GPS无信号较弱，因此，需要安装和布设几个WIFI网络设备，通过定位器内置的WIFI定位设备，可实现高精度实时定位。使用集成在终端设备上的陀螺仪和三轴加速计，可以实现实时高精度定位。由于WIFI定位精度为20米，定位误差大，WIFI收发器都只能覆盖半径90米以内的区域，而且很容易受到其他信号的干扰，从而影响其精度，定位器的能耗也较高，布置WIFI网络势必额外增加应用成本，限制应用范围。

实用新型专利2：高精度手持机移动定位系统(CN201520549839.0)，包括高精度手持机、数据传输通道和后台服务器；集人员定位、通话、拍照、视频录像、工单调度等多种功能于一体的设备。很显然设备在卫星信号较弱或无卫星信号的应用时便无法获取目标点的位置信息。

实用新型专利3：一种新型高精度GIS测距手持机(CN201320150527.3)，高精度GIS测距手持机，相比于常规的高精度GIS手持机只是多了一个激光测距仪。无法满足卫星信号较弱的情况，无法获取目标点的位置信息。

发明专利4：基于GNSS/INS/激光测距组合定位的手持接收机及测量方法(CN201610375322.3)，集成GNSS、INS(惯性导航)、激光测距等模块，所述壳体呈“T”型，包括水平方向的主体和竖直向后端倾斜的手柄，主体的上方平行设置有瞄准镜，所述测距装置包括惯性导航模块用于获取测量点的姿态；GNSS接收模块用于接收GNSS卫星信号；激光测距模块用于测定测量点与目标点之间的距离；微处理器根据测量点的姿态和坐标及其与目标点之间的距离获取目标点的坐标。其中激光模块采用不可见激光模式，测量距离远可达数百米远，由于需要瞄准镜体积变大，功能较为单一，无GIS软件功能。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种高精度定位的GIS采集器及其目标点计算方法，解决了现有普通GIS采集器在作业时难以获得高精度位置的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种高精度定位的GIS采集器，其特征在于：包括塑料外壳和设置在塑料外壳内的电路板，所述电路板包括微处理器和与微处理器电连接的DGNSS载波相位差分定位模块、电子罗盘、激光测距模块、摄像头、通信模块、蓝牙模块、显示屏、存储模块、SIM卡座、电源模块、开机按钮，所述DGNSS载波相位差分定位模块、通信模块分别连接差分定位天线、通信天线，其中，

电子罗盘用于获取参考点的方位角和仰角；

激光测距模块用于获取参考点与目标点的距离；

摄像头用于拍摄目标点照片；

通信模块用于获取CORS网络差分校正信息以及目标点坐标和图片传输；

蓝牙模块可以与其他手持类设备进行通讯；

显示屏用于显示定位坐标、距离、方位角、仰角等信息；

微处理器根据参考点的高精度坐标及其与目标点之间的距离、方位角、仰角通过计算获得目标点的精度坐标。

上述的一种高精度定位的GIS采集器，其特征在于：所述DGNSS载波相位差分定位模块为三系统八频的载波相位差分定位模块，DGNSS载波相位差分定位模块通过接收GNSS卫星导航信号和CORS网络差分校正信息可获得厘米级的定位。

上述的一种高精度定位的GIS采集器，其特征在于：所述激光测距模块包括激光发射器、激光接收器，激光发射器上设置有按钮，其中激光测距模块采用635nm(纳米)可见光激光，激光等级Ⅱ级的安全型激光。

一种高精度定位的GIS采集器及其目标点计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，获得参考点R的大地坐标系的坐标：经度B₀、纬度L₀、高程H₀，坐标优先采用固定解RTK定位模式，其次为浮点解RTK定位模式；

步骤二，大地坐标系坐标(B₀，L₀，H₀)转换为直角坐标系坐标(X₀，Y₀，Z₀)，计算公式如下：

X₀＝(N+H₀)cos B₀cos L₀

Y₀＝(N+H₀)cos B₀sin L₀

Z₀＝[N(1-e²)+H₀]sin B₀

其中a为参考椭球长半轴6378137.00m，e为参考椭球的第一偏心率e²＝0.00669437999013。

步骤三，使用激光测距模块获得参考点R与目标点O之间的距离d；

步骤四，获取距离的同时使用电子罗盘获得GIS信息采集器的方位角仰角β，计算出目标点O直角坐标系(X₁，Y₁，Z₁)，计算公式如下；

Z₁＝Z₀+d sinβ

步骤五，直角坐标系坐标(X₁，Y₁，Z₁)转换为大地坐标系坐标，计算公式如下：

L₁＝arctan(Y₁/X₁)

a为参考椭球长半轴6378137.00m、b为参考椭球短半轴6356752.3142m、e′为参考椭球的第二偏心率(e′²＝0.00673949674227)；

上述的一种高精度定位的GIS采集器及其目标点计算方法，其特征在于，DGNSS载波相位差分定位模块先后经历四种不同定位精度模式：

第一种，获得标准单点定位；

第二种，获得差分校正信息后很快得到伪距差分RTD定位；

第三种，接着载波相位整周模糊度得到了非整数解为浮点解RTK定位；

第四种，载波相位整周模糊度得到了整数解为固定解RTK定位。

上述的一种高精度定位的GIS采集器及其目标点计算方法，其特征在于，所述四种不同定位精度模式依次分别为：10米级、米级、分米级、厘米级，DGNSS载波相位差分定位模块使用中国CGCS2000大地坐标系，遵循NMEA-0183格式输出经度、纬度和高程。

本发明的有益效果是：

1)相比惯导系统，使用电子罗盘低成本方案，具有很强的成本优势。

2)使用三系统八频高性能高精度载波相位差分定位模块获得厘米级定位精度，与普通的GIS采集器10米级定位精度相比，定位精度至少提高了2个数量级；

3)与普通的RTK设备相比大大减小了设备体积，减轻了用户的负重；

4)用户在野外作业时无需直接接触就可获得精确的目标坐标信息，帮助用户获取难以到达目标点的坐标信息；

5)用户不接触目标点即可获得目标点坐标信息和照片，降低了野外的工作难度，丰富了采集信息数据，特别适合于目标点难以获取GNSS卫星导航信号及人难以到达目标点情况，提高工作效率；

6)激光测距模块采用635nm(纳米)可见光激光，激光等级Ⅱ级的安全型激光，一般认为对人的眼睛是安全的，正常暴露在这种激光器的光束下不会对眼睛的视网膜造成永久性的伤害；

7)物料成本低、体积小、功耗低、使用Android系统二次开发简单，兼容数据采集。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明高精度GIS采集器的原理框图；

图2本发明一实施例的测量示意图。

具体实施方式

如图1所示，一种高精度定位的GIS采集器，其特征在于：包括塑料外壳和设置在塑料外壳内的电路板，所述电路板包括微处理器1和与微处理器1电连接的DGNSS载波相位差分定位模块2、电子罗盘3、激光测距模块4、摄像头5、通信模块6、蓝牙模块7、显示屏8、存储模块9、SIM卡座10、电源模块11、开机按钮12，所述DGNSS载波相位差分定位模块2、通信模块6分别连接差分定位天线13、通信天线14，其中，

电子罗盘3用于获取参考点的方位角和仰角；

激光测距模块4用于获取参考点与目标点的距离；

摄像头5用于拍摄目标点照片；

通信模块6用于获取CORS网络差分校正信息以及目标点坐标和图片传输；

蓝牙模块7可以与其他手持类设备进行通讯；

显示屏8用于显示定位坐标、距离、方位角、仰角等信息；

微处理器1根据参考点的高精度坐标及其与目标点之间的距离、方位角、仰角通过计算获得目标点的精度坐标。

本实施例中，所述DGNSS载波相位差分定位模块2为三系统八频GPS：L1、L2、L5，BD：B1、B2、B3，GLONASS：G1、G2的载波相位差分定位模块，DGNSS载波相位差分定位模块2通过接收GNSS卫星导航信号和CORS网络差分校正信息可获得厘米级的定位。

本实施例中，所述激光测距模块4包括激光发射器、激光接收器，激光发射器上设置有按钮。

另外，差分定位天线13为高精度测量三系统八频内置螺旋天线，减小了设备的体积，包括低噪声放大器LNA、SAW声表面滤波器等电路。螺旋天线总重量小于20g，大大降低载荷负担。天线通过标准的SMA接头进行馈电和信号传输，将天线接头与终端设备的信号接头连接即可固定天线，无需额外的安装孔位。天线采用四臂螺旋结构，与传统微带结构天线相比，其具有更好的低仰角增益、广角圆极化特性，能接收更多低仰角的卫星信号。天线具有稳定的相位中心，将天线对测量误差的影响降低到最小；天线电路采用了抗干扰技术，在一定干扰的复杂环境中仍能正常工作。

电源模块支持充电，充电模块为高级线性充电管理控制器，功能包括高精度的恒压、恒流调节、电池预充、电池温度监视、高级安全定时器、自动充电终止、内部电流检测、反向阻断保护、充电状态和故障指示等；采用固态电解质的大容量新一代锂电池，具有高密度能量、高安全性和长寿命等优点，以满足长时间的工作需求。

电源模块具有低电压、高电压、过电流、防反接等保护，电源模块输出几种不同的工作电压：DC-DC芯片产生3.3V输出1A电流、低压差LDO芯片产生3.0V、4.0V以满足不同模块电源的需要，电源模块输出至DGNSS差分定位模块、电子罗盘、激光测距模块、摄像头、通信模块、蓝牙模块、显示屏等模块的电源均需要微处理器通过PMOS进行控制输出，进行低功耗控制，大大延长设备工作时间。特别是对于通信模块在发射瞬间消耗电流大，为避免降低发射效率，需要在通信模块附近安装大容量的电容以满足瞬间放电的需要。

如图2所示，一种高精度定位的GIS采集器目标点计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，DGNSS载波相位差分定位模块获得参考点R的大地坐标系的坐标：经度B₀、纬度L₀、高程H₀，坐标优先采用固定解RTK定位模式，其次为浮点解RTK定位模式；

步骤二，大地坐标系坐标(B₀，L₀，H₀)转换为直角坐标系坐标(X₀，Y₀，Z₀)，计算公式如下：

X₀＝(N+H₀)cos B₀cos L₀

Y₀＝(N+H₀)cos B₀sin L₀

Z₀＝[N(1-e²)+H₀]sin B₀

其中a为参考椭球长半轴6378137.00m，e为参考椭球的第一偏心率e²＝0.00669437999013。

步骤三，使用激光测距模块获得参考点R与目标点O之间的距离d；

步骤四，获取距离的同时使用电子罗盘获得GIS信息采集器的方位角仰角β，计算出目标点O直角坐标系(X₁，Y₁，Z₁)，计算公式如下；

Z₁＝Z₀+dsinβ

步骤五，直角坐标系坐标(X₁，Y₁，Z₁)转换为大地坐标系坐标，计算公式如下：

L₁＝arctan(Y₁/X₁)

a为参考椭球长半轴6378137.00m、b为参考椭球短半轴6356752.3142m、e′为参考椭球的第二偏心率(e′²＝0.00673949674227)；

本实施例中，DGNSS载波相位差分定位模块通过串口连接微处理器进行通信，DGNSS载波相位差分定位模块通过接收GNSS卫星导航信号和装有专业SIM卡的GPRS模块，无线通信得到当地局域CORS网络差分校正信息(差分信息包括卫星星历误差、卫星星历钟差，卫星轨道误差、电离层、对流层等)，获得厘米级的定位；DGNSS载波相位差分定位模块一般先后经历四种不同定位精度模式：

第一种，获得标准单点定位；

第二种，获得差分校正信息后很快得到伪距差分RTD定位；

第三种，接着载波相位整周模糊度得到了非整数解为浮点解RTK定位；

第四种，载波相位整周模糊度得到了整数解为固定解RTK定位。

四种不同定位精度模式依次分别为：10米级、米级、分米级、厘米级，DGNSS载波相位差分定位模块使用中国CGCS2000大地坐标系，遵循NMEA-0183格式输出经度、纬度和高程。

本发明利用可见激光进行测距，通过目视的方式获得百米内的目标点的距离；差分定位模块接收CORS网络差分信息可获得亚米级乃至厘米级的高精度定位；通过获取可见光激光测距模块、电子罗盘分别获得目标点距离、方位角和仰角，再通过计算获得目标点的坐标并上传至系统或者保存，仅需要一次测量即可获得目标点坐标，降低了室外GIS信息采集难度，并且可以拍摄目标的现场情况进行上传，并实现照片与目标坐标的自动记录与匹配。另外，本发明具有物料成本低、定位精度高、体积小、功耗低、使用Android系统二次开发简单，兼容数据采集等优点。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (6)

1.一种高精度定位的GIS采集器，其特征在于：包括塑料外壳和设置在塑料外壳内的电路板，所述电路板包括微处理器(1)和与微处理器(1)电连接的DGNSS载波相位差分定位模块(2)、电子罗盘(3)、激光测距模块(4)、摄像头(5)、通信模块(6)、蓝牙模块(7)、显示屏(8)、存储模块(9)、SIM卡座(10)、电源模块(11)、开机按钮(12)，所述DGNSS载波相位差分定位模块(2)、通信模块(6)分别连接差分定位天线(13)、通信天线(14)，其中，

电子罗盘(3)用于获取参考点的方位角和仰角；

激光测距模块(4)用于获取参考点与目标点的距离；

摄像头(5)用于拍摄目标点照片；

通信模块(6)用于获取CORS网络差分校正信息以及目标点坐标和图片传输；

蓝牙模块(7)可以与其他手持类设备进行通讯；

显示屏(8)用于显示定位坐标、距离、方位角、仰角等信息；

微处理器(1)根据参考点的高精度坐标及其与目标点之间的距离、方位角、仰角通过计算获得目标点的精度坐标。

2.如权利要求1所述的一种高精度定位的GIS采集器，其特征在于：所述DGNSS载波相位差分定位模块(2)为三系统八频的载波相位差分定位模块，DGNSS载波相位差分定位模块(2)通过接收GNSS卫星导航信号和CORS网络差分校正信息可获得厘米级的定位。

3.如权利要求1所述的一种高精度定位的GIS采集器，其特征在于：所述激光测距模块(4)包括激光发射器、激光接收器，激光发射器上设置有按钮，其中激光测距模块采用635nm(纳米)可见光激光，激光等级Ⅱ级的安全型激光。

4.一种高精度定位的GIS采集器及其目标点计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，DGNSS载波相位差分定位模块获得参考点R的大地坐标系的坐标：经度B₀、纬度L₀、高程H₀，坐标优先采用固定解RTK定位模式，其次为浮点解RTK定位模式；

步骤二，大地坐标系坐标(B₀，L₀，H₀)转换为直角坐标系坐标(X₀，Y₀，Z₀)，计算公式如下：

X₀＝(N+H₀)cos B₀ cos L₀

Y₀＝(N+H₀)cos B₀ sin L₀

Z₀＝[N(1-e²)+H₀]sin B₀

其中a为参考椭球长半轴6378137.00m，e为参考椭球的第一偏心率e²＝0.00669437999013。

步骤三，使用激光测距模块获得参考点R与目标点O之间的距离d；

步骤四，获取距离的同时使用电子罗盘获得GIS信息采集器的方位角仰角β，计算出目标点O直角坐标系(X₁，Y₁，Z₁)，计算公式如下；

Z₁＝Z₀+d sinβ

步骤五，直角坐标系坐标(X₁，Y₁，Z₁)转换为大地坐标系坐标，计算公式如下：

L₁＝arctan(Y₁/X₁)

$B_1=\arctan \left(\frac{Z_1+e^{\′2}b{\sin }^3\mathrm{\θ}}{\sqrt{{Y_1}^2+{X_1}^2}-e^{2}a{\cos }^3\mathrm{\θ}}\right)$

$H_1=\frac{\sqrt{{Y_1}^2+{X_1}^2}}{\cos B_1}-N$

a为参考椭球长半轴6378137.00m、b为参考椭球短半轴6356752.3142m、e′为参考椭球的第二偏心率(e′²＝0.00673949674227)；

5.如权利要求4所述的一种高精度定位的GIS采集器及其目标点计算方法，其特征在于，DGNSS载波相位差分定位模块先后经历四种不同定位精度模式：

第一种，获得标准单点定位；

第二种，获得差分校正信息后很快得到伪距差分RTD定位；

第三种，接着载波相位整周模糊度得到了非整数解为浮点解RTK定位；

第四种，载波相位整周模糊度得到了整数解为固定解RTK定位。

6.如权利要求5所述的一种高精度定位的GIS采集器及其目标点计算方法，其特征在于，所述四种不同定位精度模式依次分别为：10米级、米级、分米级、厘米级，DGNSS载波相位差分定位模块使用中国CGCS2000大地坐标系，遵循NMEA-0183格式输出经度、纬度和高程。