CN107727061B - 一种自主气象改正的光电测距系统及方法 - Google Patents

Abstract

为有效减小气象元素代表性误差对光电测距气象改正的影响，并摆脱现有技术中无人机定位对卫星信号的依赖，本发明提供一种自主气象改正的光电测距系统及方法，系统由智能型全站仪和无人机构成，所述无人机上搭载时钟模块、机载棱镜、温度传感器、气压传感器、湿度传感器和存储模块；无人机按预设的采样间距、采样频率、悬停时长沿设计航线飞行并测定各悬停点上的温度、气压、湿度；智能型机器人对机载棱镜进行跟踪测量；最后对待改正距离按照悬停点进行分段改正。本发明将智能型全站仪和无人机有机组合，实现了二者的优势互补；相比于传统的气象改正，能大大降低气象元素代表性误差，有效地提高复杂气象条件下的光电测距精度。

Description

一种自主气象改正的光电测距系统及方法

技术领域

本发明属于工业和工程测量领域，尤其涉及一种能实现自主气象改正的光电测距系统及方法。

背景技术

所谓光电测距包括电磁波测距、激光测距和红外光测距，目前在工业和工程测量领域得到了广泛运用。由于测距信号在大气中传播时，会产生大气折射效应，因此需要对距离观测值施加气象改正。精密的气象改正需要获取测距信号传播路径上各点的气象元素。由于条件的限制，目前最常用的方法是在仪器(如全站仪)和目标(如棱镜)两处分别测定干温、湿温、气压等气象元素，然后取两处的平均值代入公式计算气象改正。这在距离较短、气象条件较为稳定的条件下是可以满足要求的，但是实际工作中，测距信号传播路径上的气象元素分布往往并不呈线性变化，也没有固定的变化规律，因而现有方法会引入较大的气象元素代表性误差，信号传播路径越长、大气的分布越不均匀，误差也就越大。

智能型全站仪又称为测量机器人，是一种高精度、自动化的全站仪，具有马达驱动、自动照准、自动跟踪测量等功能，测角精度可以达到0.5秒、测距精度可以达到0.6mm+1ppm，其自动跟踪功能可以实现对运动物体的mm级高精度不间断测量。

无人机是无人驾驶飞机的简称，与载人飞机相比，它具有体积小、造价低、使用方便、对环境要求低、飞行灵巧等优点。在气象领域，已有用无人机进行气象元素采集的案例。但目前无人机导航多采用卫星导航方式，如GPS、GLONASS、BDS等，其缺点主要在于：①必须处于视野开阔的区域，以便能接收到4颗以上卫星信号进行导航定位，在地下、山谷、隧道等卫星信号不佳或无法到达的区域无法定位，而一些高精度测距的工程项目(如地铁监测、水电站、海底隧道等)往往位于这些区域；②导航定位精度有限，多数采用伪距单点定位方式，精度在10～30m。

发明内容

为有效减小气象元素代表性误差对气象改正的影响，并摆脱现有技术中无人机定位对卫星信号的依赖，本发明提供一种自主气象改正的光电测距系统及方法，采用如下的技术方案：

(一)本发明提供一种自主气象改正的光电测距系统，包括如下部分：

智能型全站仪，用于测定距离初始值并实时测定无人机的坐标；

目标棱镜，用于配合智能型全站仪进行距离、角度与坐标测量；

无人机，用于携带气象传感器沿指定路线飞行；

机载棱镜，用于配合智能型全站仪实时测定无人机的坐标；

时钟模块，用于提供时间信息；

温度传感器，用于测定温度；

气压传感器，用于测定气压；

湿度传感器，用于测定湿度；

存储模块，用于记录前述的时间、坐标、温度、气压、湿度信息；

地面控制系统，用于协调智能型全站仪及无人机的工作；

所述目标棱镜安置于目标点上；

所述机载棱镜、时钟模块、温度传感器、气压传感器、湿度传感器和存储模块均搭载于无人机上；

所述地面控制系统与无人机建立无线通讯；

所述地面控制系统与智能型全站仪建立无线或有线通讯。

进一步地，所述机载棱镜为360度棱镜，这样保证在任意角度智能型全站仪都能接收到较强的反射信号，便于快速锁定无人机的位置。

进一步地，在无人机N个不同位置各布置一套温度、气压、湿度传感器，N≥2。多套气象传感观测值之间可以相互比较，增强结果的可靠性。

(二)本发明还提供一种自主气象改正的光电测距方法，依次包含以下步骤：

步骤1，设定智能型全站仪的北、东、高坐标，将智能型全站仪照准目标棱镜，设置该方向为北方向，测定出测前斜距S₀₁，并得到目标棱镜的北、东、高坐标；

步骤2，根据智能型全站仪和目标棱镜的北、东、高坐标，将智能型全站仪至目标棱镜的连线作为无人机飞行的设计航线，并设定采样间距ΔD、采样频率Δt、悬停时长δT；

步骤3，开启无人机各模块，放飞无人机，无人机在起点处悬停，悬停时长为δT，在悬停过程中以采样频率Δt测量气温、气压、湿度，并将下述数据块写入存储模块：悬停开始时刻，悬停结束时刻，每一次测量的采样时刻、气温值、气压值、湿度值；

悬停时长达到δT后无人机继续按设定航线飞行，每当飞行距离达到采样间距ΔD，即重复前述悬停、测量及存储步骤，直至到达航线终点；

步骤4，无人机飞行过程中，智能型全站仪对无人机上的机载棱镜进行跟踪测量，测量频率为无人机采样频率Δt的正整数倍；

此间，智能型全站仪向地面控制系统实时传输对机载棱镜的观测信息，包括但不限于如下信息：观测时刻、东坐标、北坐标、高程、斜距、水平角、垂直角；地面控制系统记录上述观测信息，并根据上述观测信息实时调整无人机的飞行参数，使其精确地沿着设计航线飞行；

步骤5，无人机到达目标棱镜位置，智能型全站仪结束对机载棱镜的跟踪测量，并再次照准目标点上的目标棱镜，测定出测后斜距S₀₂；

步骤6，计算智能型全站仪至目标棱镜的待改正斜距均值

其中S₀₁表示测前斜距，S₀₂表示测后斜距；

步骤7，根据时间信息，对无人机获取的气象观测信息，与智能型全站仪获取的无人机的北东高坐标信息进行匹配，计算无人机各次悬停的采样中间时刻、气温均值、气压均值、湿度均值、北东高坐标均值，设无人机悬停n次，则可得到n个悬停点的上述数据总共n组；

步骤8，依据n个悬停点，将待改正斜距均值S按每两个相邻悬停点间为一段进行划分，共可得n-1段，第i段待改正斜距S_i(i＝1,2,…,n-1)的计算公式为：

其中，Γ表示无人机的有效飞行总路程，

ΔΓ_i表示无人机第i个悬停点至第i+1个悬停点间的有效飞行路程，

ΔN_i表示第i个悬停点至第i+1个悬停点间的北坐标变化量，ΔU_i表示第i个悬停点至第i+1个悬停点间的高程变化量；

步骤9，计算每一段待改正斜距S_i(i＝1,2,…,n-1)经气象改正后的平差值

其中，

表示S_i的平差值，δS_i表示S_i的气象改正值，是将第i个悬停点和第i+1个悬停点的气温均值之均值、气压均值之均值、湿度均值之均值代入智能型全站仪气象改正公式中计算得到；

步骤10，计算总斜距的平差值

其中

表示第i段(i＝1,2,…,n-1)待改正斜距S_i的平差值。

进一步地，在步骤3中，无人机将下述信息写入存储模块的同时，通过无线通讯实时地将它们传输到地面操控系统：悬停开始时刻，悬停结束时刻，当前采样时刻、气温值、气压值、湿度值；地面操控系统接收并记录上述信息。这样，气象观测信息能够被实时地备份到地面操控系统，乃至实时的计算气象改正。

进一步地，在步骤5中，无人机到达目标棱镜位置后，并不立即停止，而是沿设计航线原路返回智能型全站仪处，并重复上述步骤3～步骤4。当然，也可以设置让无人机沿着设计航线往、返飞行多次。这样，通过多次重复地在测距信号传播路径上测定气象元素，来进一步提高气象改正的可靠性和精度。

本发明的有益技术效果在于：本发明将智能型全站仪和无人机进行巧妙组合，智能型全站仪为无人机精确定位，无人机沿全站仪测距信号传播路径采集气象元素，二者优势互补，从而实现自主的、高精度的光电测距气象改正；本发明提出的按悬停点将待改正距离分段进行气象改正的方法，相比于传统的粗放型的两端式气象改正，大大降低了气象元素代表性误差，能有效地提高复杂气象条件下的光电测距精度。

附图说明

附图1是本发明实施例用于自主气象改正的光电测距系统的构成示意图。

附图2是本发明实施例用于自主气象改正的光电测距方法的流程图。

具体实施方案

下面将结合附图对本发明进行详细说明。

本发明的一个实施例如图1所示，观测墩1和观测墩2分别位于某大型河流左岸和右岸的山坡上，为了测定观测墩1和观测墩2之间的精确距离，在观测墩1上安置了某公司生产的智能型全站仪；在观测墩2上放置了目标棱镜。智能型全站仪测距精度为1mm+1ppm，最远测程10km，能实现自动照准和跟踪测量功能，并具有蓝牙模块。为施加精确的气象改正，采用某厂家生产的四旋翼型无人机，其上搭载了气压、温度和湿度传感器各一个，精度分别为：0.1hPa、0.2℃、2％；搭载了时钟模块，用于提供时间信息；搭载了存储模块，容量为16G，用于记录时间与气象观测信息；在无人机底部安装了与智能型全站仪配套的360度棱镜一个，以便智能型全站仪能对无人机进行实时的跟踪测量。地面操控系统包含一个平板电脑和控制器，通过2.4GHz无线电信号与无人机通讯；通过蓝牙与智能型全站仪通讯。为实现精确的气象改正，该实施例执行如下步骤：

步骤1，设定智能型全站仪的北、东、高坐标，该坐标可以是已知值，也可以是假定值；将智能型全站仪照准目标棱镜，设置该方向为北方向，这样就建立了以智能型全站仪为原点，以全站仪到目标棱镜连线的水平投影为北方向的左手独立坐标系，因此无人机的北坐标和高程可反映其沿航线飞行的有效长度；测定出测前斜距S₀₁，并同时得到目标棱镜的北、东、高坐标；

步骤2，根据智能型全站仪和目标棱镜的北、东、高坐标，将智能型全站仪至目标棱镜的连线作为无人机飞行的设计航线，并设定采样间距ΔD为5m、采样频率Δt为1Hz、悬停时长δT为30s；

步骤3，开启无人机各模块，放飞无人机，无人机在起点处悬停，悬停时长为δT＝30s，在悬停过程中以1Hz的采样频率测量气温、气压、湿度，并将下述数据块写入存储模块的同时再通过无线方式传输到地面操控系统：悬停开始时刻，悬停结束时刻，每一次测量的采样时刻(精确至ms)、气温值(精确至0.1℃)、气压值(精确至0.1hPa)、湿度值(精确至0.1％)；

悬停时长达到δT＝30s后无人机继续按设定航线飞行，每当飞行距离达到采样间距ΔD＝5m，即重复前述悬停、测量及存储步骤，直至到达航线终点；

步骤4，无人机飞行过程中，智能型全站仪对无人机上的机载棱镜进行跟踪测量，测量频率为1Hz，与无人机采样频率一致(为无人机采样频率的1倍)；

此间，智能型全站仪向地面控制系统实时传输对机载棱镜的观测信息，包括但不限于如下信息：观测时刻(精确至ms)、东坐标(精确至mm)、北坐标(精确至mm)、高程(精确至mm)、斜距(精确至mm)、水平角(精确至0.1s)、垂直角(精确至0.1s)；地面控制系统记录上述观测信息，并根据上述观测信息实时调整无人机的飞行参数，使其精确地沿着设计航线飞行；

步骤5，无人机到达目标棱镜位置，智能型全站仪结束对机载棱镜的跟踪测量，并再次照准目标点上的目标棱镜，测定出测后斜距S₀₂；

步骤6，计算智能型全站仪至目标棱镜的待改正斜距均值

其中S₀₁表示测前斜距，S₀₂表示测后斜距；

步骤7，根据时间信息，对无人机获取的气象观测信息，与智能型全站仪获取的无人机的北东高坐标信息进行匹配，计算无人机各次悬停的采样中间时刻、气温均值、气压均值、湿度均值、北东高坐标均值，设无人机悬停n次，则可得到n个悬停点的上述数据总共n组，每组数据是由30个采样时刻的观测值取平均值得到的；

步骤8，依据n个悬停点，将待改正斜距均值S按每两个相邻悬停点间为一段进行划分，共可得n-1段，第i段待改正斜距S_i(i＝1,2,…,n-1)的计算公式为：

其中，Γ表示无人机的有效飞行总路程，

ΔΓ_i表示无人机第i个悬停点至第i+1个悬停点间的有效飞行路程，

ΔN_i表示第i个悬停点至第i+1个悬停点间的北坐标变化量，ΔU_i表示第i个悬停点至第i+1个悬停点间的高程变化量；

步骤9，计算每一段待改正斜距S_i(i＝1,2,…,n-1)经气象改正后的平差值

其中，

表示S_i的平差值，δS_i表示S_i的气象改正值，是将第i个悬停点和第i+1个悬停点的气温均值之均值、气压均值之均值、湿度均值之均值代入智能型全站仪气象改正公式中计算得到；

步骤10，计算总斜距的平差值

其中

表示第i段(i＝1,2,…,n-1)待改正斜距S_i的平差值。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明，并不意味着将本发明限制于所举的实例。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (3)

1.一种自主气象改正的光电测距方法，其特征在于，依次包含以下步骤：

步骤1，设定智能型全站仪的北、东、高坐标，将智能型全站仪照准目标棱镜，设置该照准方向为北方向，测定出测前斜距S₀₁，并得到目标棱镜的北、东、高坐标；

步骤2，根据智能型全站仪和目标棱镜的北、东、高坐标，将智能型全站仪至目标棱镜的连线作为无人机飞行的设计航线，并设定采样间距ΔD、采样频率Δt、悬停时长δT；

步骤3，开启无人机各模块，放飞无人机，无人机在起点处悬停，悬停时长为δT，在悬停过程中以采样频率Δt测量气温、气压、湿度，并将下述数据块写入存储模块：悬停开始时刻，悬停结束时刻，每一次测量的采样时刻、气温值、气压值、湿度值；

悬停时长达到δT后无人机继续按设计航线飞行，每当飞行距离达到采样间距ΔD，即重复前述悬停、测量及存储步骤，直至到达航线终点；

步骤4，无人机飞行过程中，智能型全站仪对无人机上的机载棱镜进行跟踪测量，测量频率为无人机采样频率Δt的正整数倍；

此间，智能型全站仪向地面控制系统实时传输机载棱镜的观测信息，包括如下信息：观测时刻、东坐标、北坐标、高程、斜距、水平角、垂直角；地面控制系统记录上述观测信息，并根据上述观测信息实时调整无人机的飞行参数，使其精确地沿着设计航线飞行；

步骤5，无人机到达目标棱镜位置，智能型全站仪结束对机载棱镜的跟踪测量，并再次照准目标点上的目标棱镜，测定出测后斜距S₀₂；

步骤6，计算智能型全站仪至目标棱镜的待改正斜距均值

其中S₀₁表示测前斜距，S₀₂表示测后斜距；

步骤7，根据时间信息，对无人机获取的气象观测信息，与智能型全站仪获取的无人机的北东高坐标信息进行匹配，计算无人机各次悬停的采样中间时刻、气温均值、气压均值、湿度均值、北东高坐标均值，设无人机悬停n次，则可得到n个悬停点的上述数据总共n组；

步骤8，依据n个悬停点，将待改正斜距均值S按每两个相邻悬停点间为一段进行划分，共可得n-1段，第i段待改正斜距S_i的计算公式为：

其中，Γ表示无人机的有效飞行总路程，

ΔΓ_i表示无人机第i个悬停点至第i+1个悬停点间的有效飞行路程，

ΔN_i表示第i个悬停点至第i+1个悬停点间的北坐标变化量，ΔU_i表示第i个悬停点至第i+1个悬停点间的高程变化量，i表示序号，i＝1,2,…,n-1；

步骤9，计算每一段待改正斜距S_i经气象改正后的平差值

其中，

表示S_i的平差值，δS_i表示S_i的气象改正值，是将第i个悬停点和第i+1个悬停点的气温均值之均值、气压均值之均值、湿度均值之均值代入智能型全站仪气象改正公式中计算得到，i表示序号，i＝1,2,…,n-1；

步骤10，计算总斜距的平差值

其中

表示第i段待改正斜距S_i的平差值，i表示序号，i＝1,2,…,n-1。

2.根据权利要求1所述的一种自主气象改正的光电测距方法，其特征在于，所述步骤3中，无人机将下述信息写入存储模块的同时，通过无线通讯实时地将它们传输到地面操控系统：悬停开始时刻，悬停结束时刻，当前采样时刻、气温值、气压值、湿度值；地面操控系统接收并记录上述信息。

3.根据权利要求1至2任一项所述的一种自主气象改正的光电测距方法，其特征在于，所述步骤5中，无人机到达目标棱镜位置后，沿设计航线原路返回智能型全站仪处，并重复步骤3～步骤4。

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