CN107831519B - 一种gps-rtk无卫星信号点的坐标测量方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种GPS‑RTK无卫星信号点的坐标测量方法及装置，本发明将GPS测量装置与激光测距仪相结合，采用数学的方法间接的计算无信号地区的坐标位置。本测量装置与方法不需要额外增加测量人员，只要求作业员在无信号位置附近进行两次额外观测，并进行激光测距，记录下观测编码、测量坐标、与无信号点之间的斜距和竖直角度，即可完成外业测量。内业计算根据设计的计算方法进行自动化坐标计算，即可获取无信号位置的实际坐标值，该装置与方法极大地提高了GPS‑RTK外业观测的速度与效率，由于进行严密的数学运算，其无信号点的坐标精度相对其它方法有所提高。

Description

一种GPS-RTK无卫星信号点的坐标测量方法及装置
技术领域
本发明涉及GPS-RTK移动测量装置及方法。
背景技术
GPS测量方法中主要包括静态、快速静态、动态测量、RTK(Real-time Kinematic)测量等，其中静态、快速静态、动态测量都需要事后进行解算才能够获得厘米级的精度，而GPS-RTK实时差分定位是一种能够在野外实时得到厘米级定位精度的测量方法，极大地提高了野外作业效率。GPS-RTK作业模式如图9所示，基准站通过数据电台将其观测值和测站坐标信息一起传送给流动站，流动站接收来自基准站的数据，同时流动站接收GPS卫星数据，然后结合两者数据进行实时差分运算，获取当前测量目标的厘米级定位结果。在实际的GPS-RTK移动测量过程中由于地形、地物的遮挡，如屋檐下、树木下、陡坎下、高层楼房附近等，出现卫星信号弱、无卫星信号的情况，导致房屋拐角、树木位置、陡坎下沿等关键位置无法观测。
发明内容
本发明的目的是提供一种GPS-RTK无卫星信号点的坐标测量方法及装置，本发明将GPS测量装置与激光测距仪相结合，采用数学的方法间接的计算无信号地区的坐标位置。该装置与方法极大地提高了GPS-RTK外业观测的速度与效率，由于进行严密的数学运算，其无信号点的坐标精度相对其它方法有所提高。
一种GPS-RTK无卫星信号点的坐标测量装置，包括激光测距仪和GPS，其特征是该装置还包括夹持装置、固定装置、旋转连接装置、旋转轴、竖直旋转角度度盘和旋转角度度盘指针；
其中竖直旋转角度度盘固定在固定装置的一端，固定装置通过螺栓固定到GPS的对中杆上，固定装置能够在对中杆上，上下移动、水平360°自由旋转；
夹持装置将激光测距仪夹持固定到旋转轴上，旋转角度度盘指针固定在旋转轴上，且旋转角度度盘指针与夹持装置垂直；旋转轴通过旋转连接装置与固定装置连接，旋转轴能够在竖直方向360°旋转，保证旋转角度度盘指针能够随着旋转轴的旋转而同步旋转；
当旋转轴在竖直方向360°旋转时，旋转角度度盘指针能够随着旋转轴的旋转而同步旋转，此时旋转角度度盘指针在竖直旋转角度度盘上指示的数值即为无信号点的竖直角度α。
一种GPS-RTK无卫星信号点的坐标测量方法，其特征在于，该测量方法是：开始测量无信号点时，将无信号点的位置进行标记，移动GPS流动站找到GPS信号优良并能够通视无信号点的位置，整平GPS连接的对中杆，使用激光测距仪，调整夹持装置的竖直角度，照准无信号点并测距，同时记录夹持装置的竖直角度α和激光测距仪测量的斜距S，完成后在GPS手簿中输入区别其他地物编码的单独编码，并在备注中输入激光测距仪测量的斜距及竖直角度，信息记录完成后等待GPS出现固定解，固定解时测量当前辅助位置点坐标，此为无信号点的第一个辅助点，移动GPS流动站位置，采用上述方法测量当前无信号点第二个辅助点坐标、斜距及竖直角度，完成外业测量；记录当前无信号点的辅助点的测量顺序，并记录无信号点位于辅助点连接线前进方向的左侧或者右侧。
内业计算的具体方法是：首先分别求得在第一个辅助点A和第二个辅助点B测量时，根据激光测距仪测量的斜距S和本发明测得的竖直角度α，计算激光测距仪中心至无信号点的水平距离L和竖直高度h；然后根据本发明支架高度和计算的竖直高度h，计算无信号点P的高程Zp，然后根据第一个辅助点A和第二个辅助点B计算的高程值进行平均，获取无信号点P的最终高程Zp；
已知第一个辅助点A、第二个辅助点B的平面坐标、以及无信号点P到A、B点的距离L，根据三角形公式联合求解获取无信号点P的平面位置坐标(Xp，Yp)，当求解有两个值时，根据外业测量时记录的无信号点P位于辅助测量点连线的左侧或者右侧进行自动判断。
最后综合无信号点P的平面坐标(Xp，Yp)和高程Zp得到无信号点P的三维坐标(Xp，Yp，Zp)。
本发明结构简单，生产成本低，方便携带，可安装在GPS流动站对中杆上，能够随时拆卸、方便简洁，操作简单。详细优点如下：1、装置结构简单轻巧，方便携带。2、能够完成无信号点的测量，提高测量精度。3、辅助点视野开阔、无遮挡，改善GPS卫星信号，提高卫星数量和信号质量。4、采用该装置，能够解决GPS测量中必须实际接触的缺点，可实现非接触式远距离测量。5、竖直角度盘设计能够方便快捷的读取当前激光测距仪测距的垂直角。
附图说明
图1是本发明测量无信号点的测量原理示意图。
图2是本发明整体结构示意图。
图3是本发明整体详细结构示意图。
图4是图3的侧视图。
图5是图3的俯视图。
图6是本发明方法中测距仪至无信号点水平距离和竖直高度计算示意图。
图7是本发明方法中无信号点高程计算示意图。
图8是本发明方法中无信号点平面坐标计算示意图。
图9是RTK测量原理示意图。
附图标号：1-GPS接收机；2-螺栓；3-竖直旋转角度度盘；4-激光测距仪；5-夹持装置；6-旋转角度度盘指针；7-GPS对中杆；8-旋转连接装置；9-旋转轴；10-固定装置。
具体实施方式
如图1所示，本发明主要针对流动站GPS卫星信号中断、GPS卫星信号弱，无法完成当前位置测量的情况进行设计，将手持激光测距仪与GPS-RTK流动站结合，提供一种GPS-RTK无卫星信号点的坐标测量方法及装置。在GPS接收机的对中杆上加装本装置，利用激光测距仪快速测量辅助点与无信号点的距离，利用数学空间交会的方法计算无信号点的坐标，达到准确测量无信号点(如房角点、陡坎下沿、高大树木位置等)位置的目的。
如图2、图3、图4、图5所示，一种GPS-RTK无卫星信号点的坐标测量装置，包括激光测距仪4和GPS，其特征是该装置还包括夹持装置5、固定装置10、旋转连接装置8、旋转轴9、竖直旋转角度度盘3和旋转角度度盘指针6；
其中竖直旋转角度度盘3固定在固定装置10的一端，固定装置10通过螺栓2固定到GPS的对中杆7上，固定装置10能够在对中杆上，上下移动、水平360°自由旋转；
夹持装置5将激光测距仪4夹持固定到旋转轴9上，旋转角度度盘指针6固定在旋转轴9上，且旋转角度度盘指针6与夹持装置5垂直；旋转轴9通过旋转连接装置8与固定装置10连接，旋转轴9能够在竖直方向360°旋转，保证旋转角度度盘指针6能够随着旋转轴9的旋转而同步旋转；
当旋转轴9在竖直方向360°旋转时，旋转角度度盘指针6能够随着旋转轴9的旋转而同步旋转，此时旋转角度度盘指针6在竖直旋转角度度盘3上指示的数值即为无信号点的竖直角度α。
本发明将GPS测量装置与激光测距仪相结合，采用数学的方法间接的计算无信号地区的坐标位置。本测量装置与方法不需要额外增加测量人员，只要求作业员在无信号位置附近进行两次额外观测，并进行激光测距，记录下观测编码、测量坐标、与无信号点之间的斜距和竖直角度，即可完成外业测量。内业计算根据设计的计算方法进行自动化坐标计算，即可获取无信号位置的实际坐标值，该装置与方法极大地提高了GPS-RTK外业观测的速度与效率，由于进行严密的数学运算，其无信号点的坐标精度相对其它方法有所提高。
以下根据数学公式计算无信号点的三维坐标：
(1)设A、B、P分别为第一个测量辅助点、第二个测量辅助点、以及无信号点。
A、B、P坐标分别为A(XA，YA,ZA)、B(XB，YB,ZB)、P(XP,YP,ZP)。设本发明装置在GPS对中杆上的安装高度为H。
(2)设测量第一个辅助点时，激光测距仪测量斜距为sA，竖直角
度为αA，求得在A点测量时激光测距仪中心至无信号点的水平距
离lA、竖直高度hA(如图6所示)。
hA＝sA*sinαA
lA＝sA·cosαA
(3)同理可计算在B点测量时激光测距仪中心至无信号点的水
平距离lB、竖直高度hB(如图6所示)。
hB＝sB*sinαB
lB＝sB*cosαB
(4)根据上一步计算结果可计算无信号点的高程(如图7所示)ZPA＝ZA+H+hA。同理，测量和计算第二个测量辅助点的高程ZPB＝ZB+H+hB。无信号点P的最终高程ZP根据A、B两点计
算的高程值进行平均获取，即
(5)由于GPS对中杆中心与激光测距仪中心之间的距离相对于辅助测量点与无信号点之间的距离小得多，可以忽略不计，以GPS测量点的平面坐标代替激光测距仪中心的平面坐标，所以第(2)和(3)计算所得的水平距离lA、lB即为辅助测量点A、B距离无信号点的水平距离，如图8所示。
(6)如图8所示，在一个平面内点P到已知点A和已知点B的距离已知，计算无信号点P的平面坐标，无信号点P分为三种情况：1.当P到A、B的距离之和大于A、B之间的距离时，存在两个满足条件的P点；2.当P到A、B的距离之和等于A、B之间的距离时，有且仅有满足条件的P点；3.当P到A、B的距离之和小于A、B之间的距离时，不存在满足条件的P点。在实际应用中应保证无信号点P距离辅助测量点A、B的距离之和等于或者大于A、B两点连线之间的距离。
(7)无信号点P的平面位置计算方法如下：
(XP-XA)2+(YP-YA)2＝lA 2
(XP-XB)2+(YP-YB)2＝lB 2
联合求解以上两个多项式即可求取无信号点P的平面位置坐标(XP，YP)，当求解P坐标有两个值时，根据外业测量时记录的无信号点P位于辅助测量点A、B连线的左侧或者右侧进行自动判断。
(8)最后综合计算结果，获取无信号点的三维坐标P(XP，YP，ZP)。

Claims (1)

1.一种GPS-RTK无卫星信号点的坐标测量方法，包括外业测量和内业计算，其特征在于，作业员在无信号位置附近进行两次额外观测，并进行激光测距，记录下观测编码、测量坐标、与无信号点之间的斜距和竖直角度，即可完成外业测量；内业计算根据设计的计算方法进行自动化坐标计算，即可获取无信号位置的实际坐标值；
外业测量的具体方法是：开始测量无信号点时，将无信号点P的位置进行标记，移动GPS流动站找到GPS信号优良并能够通视无信号点的位置，整平GPS连接的对中杆(7)，使用激光测距仪(4)，调整夹持装置(5)的竖直角度，照准无信号点并测距，同时记录夹持装置(5)的竖直角度α和激光测距仪测量的斜距S，完成后在GPS手簿中输入区别其他地物编码的单独编码，并在备注中输入激光测距仪测量的斜距S及竖直角度α，信息记录完成后等待GPS出现固定解，出现固定解时测量当前辅助位置点坐标，此为无信号点的第一个辅助点A，移动GPS流动站位置，采用上述辅助点测量方法测量当前无信号点第二个辅助点B坐标、斜距S及竖直角度α，完成外业测量；记录当前无信号点的辅助点的测量顺序，并记录无信号点P位于辅助点连接线前进方向的左侧或者右侧；
内业计算的具体方法是：首先分别求得在第一个辅助点A和第二个辅助点B测量时，根据激光测距仪测量的斜距S和测得的竖直角度α，计算激光测距仪中心至无信号点的水平距离L和竖直高度h；然后根据支架高度和计算的竖直高度h，计算无信号点P的高程Zp，然后根据第一个辅助点A和第二个辅助点B计算的高程值进行平均，获取无信号点P的最终高程Zp；
已知第一个辅助点A、第二个辅助点B的平面坐标、以及无信号点P到A、B点的距离L，根据三角形公式联合求解获取无信号点P的平面位置坐标(Xp，Yp)，当求解有两个值时，根据外业测量时记录的无信号点P位于辅助测量点连线的左侧或者右侧进行自动判断；
最后综合无信号点P的平面坐标(Xp，Yp)和高程Zp得到无信号点P的三维坐标(Xp，Yp，Zp)。
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