CN107894604A - 一种用于航位推算和gis数据收集系统及方法 - Google Patents

一种用于航位推算和gis数据收集系统及方法 Download PDF

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颜紫科
李志学
谭献良
郑卫民
张曦
杨楠
周松林
陈益平
肖敏
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    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S19/00—Satellite radio beacon positioning systems; Determining position, velocity or attitude using signals transmitted by such systems
    • G01S19/38—Determining a navigation solution using signals transmitted by a satellite radio beacon positioning system
    • G01S19/39—Determining a navigation solution using signals transmitted by a satellite radio beacon positioning system the satellite radio beacon positioning system transmitting time-stamped messages, e.g. GPS [Global Positioning System], GLONASS [Global Orbiting Navigation Satellite System] or GALILEO
    • G01S19/42—Determining position
    • G01S19/48—Determining position by combining or switching between position solutions derived from the satellite radio beacon positioning system and position solutions derived from a further system

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  • Remote Sensing (AREA)
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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Position Fixing By Use Of Radio Waves (AREA)

Abstract

本发明属于信号处理技术领域，公开了一种用于航位推算和GIS数据收集系统及方法，GPS单元，用于在接收卫星信号正常情况下进行GIS数据收集定位；航位推算DR单元，用于在GPS单元接收卫星信号不正常情况下进行GIS数据收集定位；GIS单元，用于空间地理数据收集；在GPS中断期间，使用由DR单元提供的位置估计来更新/替换该定位信息；由放置器单元计算的定位信息然后被传递到HDC单元。本发明允许在各种地区捕获GIS数据；提出的卫星信号不可用时问题是测绘工作中实际遇到的，其解决方法具有实际意义。

Description

一种用于航位推算和GIS数据收集系统及方法
技术领域
本发明属于信号处理技术领域，尤其涉及一种用于航位推算和GIS数据收集系统及方法。
背景技术
全球定位系统(英语：Global Positioning System，通常简称GPS)，又称全球卫星定位系统，是一个中距离圆型轨道卫星导航系统。它可以为地球表面绝大部分地区(98％)提供准确的定位、测速和高精度的时间标准。GIS系统即(GIS,Geographic InformationSystem)是一种基于计算机的工具，它可以对在地球上存在的东西和发生的事件进行成图和分析。GIS系统结合GPS系统能快速获取对象的位置、几何大小形状、属性及相互关系。GPS系统需要至少三颗及以上卫星才能定位，当GPS的信号不可用或接收卫星数少于三颗时，此系统将不能正常工作。在实际地面数据采集过程中，受天气、目标区域建筑密度或者其他磁场干扰等因素影响，GPS系统会遇到信号接收问题。
综上所述，现有技术存在的问题是：当GPS系统接收卫星信号出现问题时，GIS数据收集器将不能正常工作；现有GIS数据收集器都是基于GPS，还没有一种关于GPS不能正常工作时，如何让用户能继续完成GIS数据采集工作的方法。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种用于航位推算和GIS数据收集系统及方法。
本发明是这样实现的，一种用于航位推算和GIS数据收集系统，所述用于航位推算和GIS数据收集系统包括：
GPS单元，用于在接收卫星信号正常情况下进行GIS数据收集定位；利用三维坐标中的距离公式，利用4颗卫星，组成4个方程式，解出观测点的位置(X,Y,Z)；
航位推算DR单元，用于在GPS单元接收卫星信号不正常情况下进行GIS数据收集定位；在得知当前时刻位置的条件下，通过测量移动的距离和方位，推算下一时刻位置；利用载体的速度和航向能够得出速度在当地水平轴上分向速度，将分向速度和载体所经过的时间相乘得到载体在坐标轴上增加的坐标值，与前一时刻的坐标值求和得到此时的坐标值；
GIS单元，用于空间地理数据收集；通过GPS或者航位推算定位当前位置后，手持数据收集装置进行点位坐标采集，存储在GIS数据库中。
进一步，所述用于航位推算和GIS数据收集系统包括：GPS扫描装置、GPS搜索设备、GPS测量装置；
所述GPS扫描装置包括：手持数据收集装置、GIS数据库、GPS接收器、无线电结构、天线；所述手持数据收集装置与GPS接收器互逆连接；GPS接收器与无线电结构互逆连接。GIS数据库2集成在手持数据收集装置内；
所述GPS搜索设备；包括：手持数据收集装置、GIS数据库、GPS接收器、无线电结构、天线以及DR装置；所述DR装置通过信号与GPS接收器连接；
所述手持数据收集装置与GPS接收器互逆连接；GPS接收器与无线电结构互逆连接；GIS数据库集成在手持数据收集装置内；
所述GPS测量装置包括：手持数据收集装置、GIS数据库、DGPS接收器、专业领航XR装置、GPS接收器、DR装置、芯片装置、天线；
DGPS接收器与手持数据收集装置通过GPS定位信号互逆连接；
所述芯片装置通过GPS/DR定位信号定位与手持数据收集装置连接；
DGPS接收器集成在专业领航XR装置上；GPS接收器、DR装置均集成在芯片装置上；
专业领航XR装置通过差分数据信号与芯片装置连接。
本发明的另一目的在于提供一种所述用于航位推算和GIS数据收集系统的用于航位推算和GIS数据收集方法，所述用于航位推算和GIS数据收集方法包括：
在GPS中断期间，使用由DR单元提供的位置估计来更新/替换该定位信息；改定位信息GPS接收器传递到手持数据收集装置。
进一步，所述定位信息包括通过由天线接收的GPS信号信息和DR位置估计的信息。
进一步，所述由放置器单元计算的定位信息然后被传递到HDC单元；包括：
当输入GIS信息时，从放置器单元获取相应的位置信息；所述位置信息的数据被标记为基于DR的位置信息，通知后续用户该位置信息的数据具有与基于GPS的定位信息不同的准确度。
本发明的优点及积极效果为：即使GPS信号不可用，集成GPS-DR系统也可以连续跟踪用户的位置，从而允许在各种地区捕获GIS数据。本发明的航位推算和GIS数据收集契合本单位的研究方向；提出的卫星信号不可用时问题是测绘工作中实际遇到的，其解决方法具有实际意义，遇到天气或者地形条件恶劣情况下仍然进行正常工作，保证数据采集完整性和高精度，提高工作效率。
附图说明
图1是本发明实施例提供的用于航位推算和GIS数据收集系统结构示意图；
图中：10、GPS单元；11、航位推算DR单元；12、GIS单元。
图2是本发明实施例提供的用于航位推算和GIS数据收集方法流程图。
图3是本发明实施例提供的被配置为允许GIS数据收集的GPS扫描装置的简化图。
图4是本发明实施例提供的被配置为允许在遭受GPS中断的区域中进行GIS数据收集的GPS搜索设备的简化图。
图5是本发明实施例提供的实例配置的GPS测量装置的具体实例的简化图。
图中：1、手持数据收集装置；2、GIS数据库；3、GPS接收器；4、无线电结构；5、天线；6、DR装置；7、专业领航XR装置；8、DGPS接收器；9、芯片装置。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。
如图1所示，本发明实施例提供的用于航位推算和GIS数据收集系统包括：
GPS单元10，用于在接收卫星信号正常情况下进行GIS数据收集定位；
航位推算DR单元11，用于在GPS单元接收卫星信号不正常情况下进行GIS数据收集定位；
GIS单元12，用于空间地理数据收集。
图2是本发明实施例提供的用于航位推算和GIS数据收集方法，包括：
S101：在GPS中断期间，使用由DR单元提供的位置估计来更新/替换该定位信息；
S102：由放置器单元计算的定位信息然后被传递到HDC单元。
所述定位信息包括通过由天线接收的GPS信号信息和DR位置估计的信息。
所述由放置器单元计算的定位信息然后被传递到HDC单元；包括：
当输入GIS信息时，从放置器单元获取相应的位置信息；所述位置信息的数据被标记为基于DR的位置信息，通知后续用户该位置信息的数据具有与基于GPS的定位信息不同的准确度。
GPS单元10，用于在接收卫星信号正常情况下进行GIS数据收集定位。由于卫星的位置精确可知，在GPS观测中，我们可得到卫星到接收机的距离，利用三维坐标中的距离公式，利用3颗卫星，就可以组成3个方程式，解出观测点的位置(X,Y,Z)。考虑到卫星的时钟与接收机时钟之间的误差，实际上有4个未知数，X、Y、Z和钟差，因而需要引入第4颗卫星，形成4个方程式进行求解，从而得到观测点的经纬度和高程。
航位推算DR单元11，用于在GPS单元接收卫星信号不正常情况下进行GIS数据收集定位。在知道当前时刻位置的条件下，通过测量移动的距离和方位，推算下一时刻位置。利用载体的速度和航向能够得出速度在当地水平轴上分向速度，将分向速度和载体所经过的时间相乘可以得到载体在坐标轴上增加的坐标值，与前一时刻的坐标值求和可以得到此时的坐标值。
GIS单元12，用于空间地理数据收集。通过GPS或者航位推算定位当前位置后，手持数据收集装置进行点位坐标采集，存储在GIS数据库中，达到测量的目的。
图3是本发明实施例提供的被配置为允许GIS数据收集的GPS扫描装置的简化图。
包括：手持数据收集装置1、GIS数据库2、GPS接收器3、无线电结构4、天线5；所述手持数据收集装置1与GPS接收器3互逆连接；GPS接收器3与无线电结构4互逆连接。GIS数据库2集成在手持数据收集装置1内。
图4是本发明实施例提供的被配置为允许在遭受GPS中断的区域中进行GIS数据收集的GPS搜索设备的简化图。
包括：手持数据收集装置1、GIS数据库2、GPS接收器3、无线电结构4、天线5以及DR装置6。所述DR装置通过信号与GPS接收器连接；
所述手持数据收集装置1与GPS接收器3互逆连接；GPS接收器3与无线电结构4互逆连接。GIS数据库2集成在手持数据收集装置1内。
图5是本发明实施例提供的实例配置的GPS测量装置的具体实例的简化图。包括：手持数据收集装置1、GIS数据库2、DGPS接收器8、专业领航XR装置7、GPS接收器3、DR装置6、芯片装置9、天线5；
DGPS接收器与手持数据收集装置通过GPS定位信号互逆连接；
所述芯片装置通过GPS/DR定位信号定位与手持数据收集装置连接；
DGPS接收器集成在专业领航XR装置上；GPS接收器、DR装置均集成在芯片装置上。
专业领航XR装置通过差分数据信号与芯片装置连接。
GPS单元利用4颗卫星，组成4个方程式，解出观测点的位置(X,Y,Z)；
上述四个方程式中待测点坐标x、y、z和Vto为未知参数，其中di＝c△ti(i＝1、2、3、4)。di(i＝1、2、3、4)分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4到接收机之间的距离。△ti(i＝1、2、3、4)分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4的信号到达接收机所经历的时间，c为GPS信号的传播速度；
四个方程式中各个参数意义如下：
x、y、z为待测点坐标的空间直角坐标，xi、yi、zi(i＝1、2、3、4)分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4在t时刻的空间直角坐标，可由卫星导航电文求得；Vti(i＝1、2、3、4)分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4的卫星钟的钟差，由卫星星历提供。Vto为接收机的钟差；
由四个方程解算出待测点的坐标x、y、z和接收机的钟差Vto。
如权利要求3所述的用于航位推算和GIS数据收集方法，其特征在于，所述航位推算DR单元的载体在tk时刻的位置表示为：
式中，(xe(0),xn(0))是载体t0时刻的初始东方向和北方向位置，s(t)是载体从t(t)时刻的位置(xe(t),xn(t))到t(t+1)时刻的位置(xe(t+1),xn(t+1))的位移矢量；H(t)是绝对航向；
相对航向定义为连续两个绝对航向之差，用ω(t)表示，如果给出了t0、t1、…、tt时刻的相对航向测量量ω(t)，则t(k)时刻载体绝对航向H(k)：
ΔH(k)＝ω(k)ΔT,H(k)＝H(k-1)+ΔH(k)；
载体的空间二维位置可用经纬度λ(k)、ψ(k)表示：
式中，λ(0)、表示载体的初始位置；Δλ(t)、分别表示经纬度在采样间隔内的变化：
得载体瞬时位置，有：
式中，Rm、Rn分别表示地球椭球的子午圈、卯圈曲率半径，h为高度；初始位置(λ(0)，为已知。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种用于航位推算和GIS数据收集系统，其特征在于，所述用于航位推算和GIS数据收集系统包括：
GPS单元，用于在接收卫星信号正常情况下进行GIS数据收集定位；利用三维坐标中的距离公式，利用4颗卫星，组成4个方程式，解出观测点的位置(X,Y,Z)；
航位推算DR单元，用于在GPS单元接收卫星信号不正常情况下进行GIS数据收集定位；在得知当前时刻位置的条件下，通过测量移动的距离和方位，推算下一时刻位置；利用载体的速度和航向能够得出速度在当地水平轴上分向速度，将分向速度和载体所经过的时间相乘得到载体在坐标轴上增加的坐标值，与前一时刻的坐标值求和得到此时的坐标值；
GIS单元，用于空间地理数据收集；通过GPS或者航位推算定位当前位置后，手持数据收集装置进行点位坐标采集，存储在GIS数据库中。
2.如权利要求1所述的用于航位推算和GIS数据收集系统，其特征在于，所述用于航位推算和GIS数据收集系统包括：GPS扫描装置、GPS搜索设备、GPS测量装置；
所述GPS扫描装置包括：手持数据收集装置、GIS数据库、GPS接收器、无线电结构、天线；所述手持数据收集装置与GPS接收器互逆连接；GPS接收器与无线电结构互逆连接；GIS数据库集成在手持数据收集装置内；
所述GPS搜索设备；包括：手持数据收集装置、GIS数据库、GPS接收器、无线电结构、天线以及DR装置；所述DR装置通过信号与GPS接收器连接；
所述手持数据收集装置与GPS接收器互逆连接；GPS接收器与无线电结构互逆连接；GIS数据库集成在手持数据收集装置内；
所述GPS测量装置包括：手持数据收集装置、GIS数据库、DGPS接收器、专业领航XR装置、GPS接收器、DR装置、芯片装置、天线；
DGPS接收器与手持数据收集装置通过GPS定位信号互逆连接；
所述芯片装置通过GPS/DR定位信号定位与手持数据收集装置连接；
DGPS接收器集成在专业领航XR装置上；GPS接收器、DR装置均集成在芯片装置上；
专业领航XR装置通过差分数据信号与芯片装置连接。
3.一种如权利要求1所述用于航位推算和GIS数据收集系统的用于航位推算和GIS数据收集方法，其特征在于，所述用于航位推算和GIS数据收集方法包括：
在GPS中断期间，使用由DR单元提供的位置估计来更新/替换该定位信息；改定位信息GPS接收器传递到手持数据收集装置。
4.如权利要求3所述的用于航位推算和GIS数据收集方法，其特征在于，所述定位信息包括通过由天线接收的GPS信号信息和DR位置估计的信息。
5.如权利要求3所述的用于航位推算和GIS数据收集方法，其特征在于，所述由放置器单元计算的定位信息然后被传递到HDC单元；包括：
当输入GIS信息时，从放置器单元获取相应的位置信息；所述位置信息的数据被标记为基于DR的位置信息，通知后续用户该位置信息的数据具有与基于GPS的定位信息不同的准确度。
6.如权利要求3所述的用于航位推算和GIS数据收集方法，其特征在于，所述GPS单元利用4颗卫星，组成4个方程式，解出观测点的位置(X,Y,Z)；
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上述四个方程式中待测点坐标x、y、z和Vto为未知参数，其中di＝c△ti(i＝1、2、3、4)。di(i＝1、2、3、4)分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4到接收机之间的距离。△ti(i＝1、2、3、4)分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4的信号到达接收机所经历的时间，c为GPS信号的传播速度；
四个方程式中各个参数意义如下：
x、y、z为待测点坐标的空间直角坐标，xi、yi、zi(i＝1、2、3、4)分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4在t时刻的空间直角坐标，可由卫星导航电文求得；Vt i(i＝1、2、3、4)分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4的卫星钟的钟差，由卫星星历提供。Vto为接收机的钟差；
由四个方程解算出待测点的坐标x、y、z和接收机的钟差Vto。
7.如权利要求3所述的用于航位推算和GIS数据收集方法，其特征在于，所述航位推算DR单元的载体在tk时刻的位置表示为：
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式中，(xe(0),xn(0))是载体t0时刻的初始东方向和北方向位置，s(t)是载体从t(t)时刻的位置(xe(t),xn(t))到t(t+1)时刻的位置(xe(t+1),xn(t+1))的位移矢量；H(t)是绝对航向；
相对航向定义为连续两个绝对航向之差，用ω(t)表示，如果给出了t0、t1、…、tt时刻的相对航向测量量ω(t)，则t(k)时刻载体绝对航向H(k)：
ΔH(k)＝ω(k)ΔT,H(k)＝H(k-1)+ΔH(k)；
载体的空间二维位置可用经纬度λ(k)、ψ(k)表示：
样间隔内的变化：
得载体瞬时位置，有：
式中，Rm、Rn分别表示地球椭球的子午圈、卯圈曲率半径，h为高度；初始位置(λ(0)，)为已知。
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