CN108051835B - 一种基于双天线的倾斜测量装置及测量与放样方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于双天线的倾斜测量装置及测量与放样方法，测量装置主要包括双天线GNSS系统、倾斜测量模块、控制器，其中双天线GNSS系统包含主天线、从天线和GNSS定位模块；通过采用双天线测量方式，可得到精确的测向信息，对倾斜测量模块的偏航角信息进行补偿，从而获取高精度的测量结果，且采用该倾斜测量装置进行放样时，可简化放样操作，提高放样的灵活性。

Description

一种基于双天线的倾斜测量装置及测量与放样方法
技术领域
本发明涉及一种测量装置，特别是一种基于双天线的倾斜测量装置。
背景技术
现有的大部分RTK设备进行测量时，需要将液泡居中，让天线相位中心在地面的投影点与目标点进行重合，天线相位中心的经纬度坐标就是目标点的坐标，天线相位中心的高度减去对中杆的高度就是目标点的高度。
现有RTK设备也有少部分支持倾斜测量，允许对中杆倾斜一个小角度，操作人员将杆尖11放置在目标点上，不用保持对中杆完全垂直，然后晃动对中杆，采集多组数据，通过一定的算法计算出目标点的坐标。
这种做法在一定程度上可以减轻操作人员的工作量。但仍有很多不足之处：
1、只能允许对中杆倾斜一个小角度，对于上方遮挡较多时，倾斜小角度仍然会导致RTK设备无法接收到足够多的卫星数据而退出高精度定位模式，从而导致目标点的测量误差很大；
2、倾斜测量装置中仅采用一个天线，在倾斜测量中，需要晃动对中杆，采集多组数据，通过对多组对中杆倾斜时的投影长度画圆并求多个圆的交点得出目标点坐标，测量操作繁琐，测量精度较低，测量效率较低；
3、对于一些操作人员不方便到达的地方，就只能通过估算距离及方位来计算目标点的坐标，从而导致目标点的测量误差很大。
对倾斜测量精度影响很大的因素便是设备的偏航角信息，一般设备采用地磁信息来计算偏航角，但这种会收到设备自身以及外界的磁场干扰导致偏航角计算不准确从而导致目标点坐标计算不准确。
本发明提出使用双天线来修正偏航角的值，从而提高目标点坐标精度以及简化测量流程，用户只需将设备对准目标点即一次性获取目标点的高精度坐标。
发明内容
基于此，本发明提供了一种易于操作且测量精度高的基于双天线的倾斜测量装置。
本发明的基于双天线的倾斜测量装置包括双天线GNSS系统、倾斜测量模块、控制器，其中双天线GNSS系统包含主天线、从天线和GNSS定位模块；主天线、从天线均与GNSS定位模块电连接，GNSS定位模块、倾斜测量模块均与控制器电连接，其中，双天线GNSS系统用于获取参考点的高精度定位信息以及倾斜测量装置的高精度测向信息；倾斜测量模块用于检测倾斜测量装置的倾角信息；控制器用于根据双天线GNSS系统输出的参考点的高精度定位信息以及倾斜测量装置的高精度测向信息，以及倾斜测量模块输出的倾角，计算目标点的高精度定位信息。
进一步，所述基于双天线的倾斜测量装置还包括激光测距模块，该激光测距模块与控制器电连接，用于测量激光测距模块与目标点之间的直线距离。
进一步，所述基于双天线的倾斜测量装置还包括测量杆。
进一步，所述基于双天线的倾斜测量装置还包括蓝牙模块、移动网络通信模块、显示屏和/或天线整平机构。
采用该基于双天线的倾斜测量装置进行测量的方法包括以下步骤：
步骤一，GNSS定位模块获取主天线m相位中心在WGS-84坐标系下的大地坐标(Bm,Lm,Hm)，主天线的相位中心即为参考点，获取从天线相位中心在WGS-84坐标系下的大地坐标(Bs,Ls,Hs)，其中B是纬度，L是经度，H是高度；
步骤二，GNSS定位模块根据主天线m和从天线s相位中心在WGS-84坐标系下的大地坐标计算出主天线指向从天线的向量与主天线指向正北的向量之间的夹角，即测向角度η；
步骤三，控制器将所述主天线相位中心在WGS-84坐标系下的大地坐标(Bm,Lm,Hm)转换为WGS-84坐标系下的空间直角坐标(xm,ym,zm)；
其中
a为WGS-84椭球地球长半径，a=6378137.0m，e为WGS-84椭球第一偏心率，e=8.1819190842622e-2。
步骤四，控制器获取倾斜测量模块输出的俯仰角α、横滚角β和偏航角γ，并使用测向角度η对偏航角γ进行补偿，得到准确的偏航角γ1。
。
步骤五，控制器计算出以主天线的相位中心为ENU坐标系的坐标原点时目标点的坐标(xe,yn,zu):
，
其中D表示主天线相位中心与其在倾斜测距斜线line上的垂直投影点P的距离，L代表主天线相位中心在在倾斜测距斜线line上的垂直投影点P与目标点的距离。
步骤六，控制器根据主天线的相位中心在WGS-84坐标系下的空间直角坐标(xm,ym,zm)以及目标点在ENU坐标系下的坐标(xe,yn,zu)，计算得出目标点在WGS-84坐标系下的空间直角坐标(xt,yt,zt)，并将该空间直角坐标(xt,yt,zt)转换为目标点在WGS-84坐标系下的大地坐标(Bt,Lt,Ht)。
使用该基于双天线的倾斜测量装置的放样方法包含以下步骤：
步骤一，将待放样的线条坐标信息导入到该基于双天线的倾斜测量装置中，使显示屏显示待放样线条以及倾斜测量装置的测量杆杆尖或倾斜测量装置的激光测距模块的激光光斑的坐标点；
步骤二，移动倾斜测量装置，使显示屏中的倾斜测量装置的测量杆杆尖或倾斜测量装置的激光测距模块的激光光斑的坐标点与待放样线条重叠；
步骤三，对倾斜测量装置的测量杆杆尖所在的位置或倾斜测量装置的激光测距模块的激光光斑的位置进行标记。
此外，在步骤二中，还包括提示倾斜测量装置的测量杆杆尖或倾斜测量装置的激光测距模块的激光光斑坐标与待放样线条重叠的步骤。
本发明的有益效果包括：
（1）现有技术中测量装置仅能进行竖直测量，而在倾斜测量时，仅能使对中杆相对于竖直方向倾斜一个很小的角度进行测量，而对于可进行倾斜测量的装置，由于其仅采用一个天线，在使用时需要晃动测量装置，采集多个点的坐标及倾斜角度，通过画圆的方法，测量得出目标点的坐标，测量方式较为繁琐，且测量精度较低，测量效率较低；本发明通过采用双天线GNSS系统，使倾斜测量装置可以进行大倾角的倾斜测量，且通过采用双天线GNSS系统，可以实时获取参考点的高精度定位信息以及倾斜测量装置的高精度测向信息，通过倾斜测量装置的高精度测向信息，实时对偏航角进行补偿，从而可以获取目标点的高精度定位信息。
（2）通过采用激光测距模块，便于对特殊点（例如测量人员无法到达的目标点）进行高精度定位。
（3）采用该基于双天线的倾斜测量装置进行放样时，可简化放样操作，提高放样的灵活性。
附图说明
图1为本发明测量装置及测量方法的示意图。
图2为本发明带测量杆的测量装置示意图。
图3为本发明带激光测距模块的测量装置示意图。
图4为本发明带测量杆和激光测距模块的测量装置示意图。
图5为现有技术中测量装置显示屏显示内容的示意图。
图6为本发明测量装置显示屏显示的容的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
本发明的基于双天线的倾斜测量装置包括双天线GNSS系统、倾斜测量模块、控制器，其中双天线GNSS系统包含主天线m、从天线s和GNSS定位模块；主天线m、从天线s均与GNSS定位模块电连接，GNSS定位模块、倾斜测量模块均与控制器电连接，其中，双天线GNSS系统用于获取参考点的高精度定位信息以及倾斜测量装置的高精度测向信息；倾斜测量模块用于检测倾斜测量装置的倾角；控制器用于根据双天线GNSS系统输出的参考点的高精度定位信息以及倾斜测量装置的高精度测向信息，以及倾斜测量模块输出的倾角，计算目标点的高精度定位信息。
所述基于双天线的倾斜测量装置还包括激光测距模块2，该激光测距模块与控制器电连接，用于测量激光测距模块与目标点之间的直线距离。激光测距模块可以发出激光光线22，并在地面上形成激光光斑21。
在另一优选实施例中，所述基于双天线的倾斜测量装置包括测量杆1，测量杆1上具备控制箱3，GNSS定位模块、倾斜测量模块、控制器均设置于测量杆上的控制箱3内，其中从天线s位于靠近杆尖11的位置，主天线m位于靠近手柄12的位置。
所述基于双天线的倾斜测量装置还可以包括蓝牙模块、移动网络通信模块、显示屏和/或天线整平机构，其中移动网络通信模块用于从CORS网络获取差分数据。
该基于双天线的倾斜测量装置的测量原理如下：
步骤一，GNSS定位模块获取主天线m相位中心在WGS-84坐标系下的大地坐标(Bm,Lm,Hm)，主天线的相位中心即为参考点，获取从天线相位中心在WGS-84坐标系下的大地坐标(Bs,Ls,Hs)，其中B是纬度，L是经度，H是高度；
步骤二，GNSS定位模块根据主天线m和从天线s相位中心在WGS-84坐标系下的大地坐标计算出主天线指向从天线的向量与主天线指向正北的向量之间的夹角，即测向角度η；
步骤三，控制器将所述主天线相位中心在WGS-84坐标系下的大地坐标(Bm,Lm,Hm)转换为WGS-84坐标系下的空间直角坐标(xm,ym,zm)；
其中
a为WGS-84椭球地球长半径，a=6378137.0m，e为WGS-84椭球第一偏心率，e=8.1819190842622e-2。
步骤四，控制器获取倾斜测量模块输出的俯仰角α、横滚角β和偏航角γ，并使用测向角度η对偏航角γ进行补偿，得到准确的偏航角γ1。
。
步骤五，控制器计算出以主天线的相位中心为ENU坐标系的坐标原点时目标点的坐标(xe,yn,zu):
，
其中D表示主天线相位中心与其在倾斜测距斜线line上的垂直投影点P的距离，L代表主天线相位中心在在倾斜测距斜线line上的垂直投影点P与目标点的距离。
步骤六，控制器根据主天线的相位中心在WGS-84坐标系下的空间直角坐标(xm,ym,zm)以及目标点在ENU坐标系下的坐标(xe,yn,zu)，计算得出目标点在WGS-84坐标系下的空间直角坐标(xt,yt,zt)，并将该空间直角坐标(xt,yt,zt)转换为目标点在WGS-84坐标系下的大地坐标(Bt,Lt,Ht)。
此外，现有的放样方法都是在施工前将需要放样的线条离散成呈一定间距的点，施工人员现场施工时，将这些点的信息导入测量设备中，然后利用测量设备来找这些点，如图5所示，测量设备的显示器41显示离散后的点81以及测量装置的测量点51的位置关系，放样时，需调整测量装置的位置，使其测量点51与点81重合，随后进行标记。这种方法在放样时必须找到预先离散好的点，其不便之处在于找点很繁琐，需要将设备不停的来回移动才能对准该点。
而使用本发明的基于双天线的倾斜测量装置进行放样时，施工人员无需事先将需要放样的线离散成需要放样的点，而是直接将需要放样的线条坐标信息导入到倾斜测量装置中，施工人员手持倾斜测量装置，此时，显示屏4会显示倾斜测量装置的测量杆杆尖11或倾斜测量装置的激光测距模块的激光光斑21的坐标点5与待放样线条8的位置关系，如图6所示，施工人员通过扫动倾斜测量装置的杆尖11或激光光斑21，当杆尖11或激光光斑21的坐标点5与待放样线条重叠时，倾斜测量设备会提醒施工人员杆尖11位置或激光光斑21位置已位于待放样线条上，可以标记该点。如此，在放样的过程中，寻找杆尖11或激光光斑21与一条线的交点比寻找杆尖11或激光光斑21与一个点重叠，要简便很多，且施工人员可根据线条的弯曲度，随时调整放样点的疏密度，使放样更加灵活。
使用该基于双天线的倾斜测量装置的放样方法如下：
步骤一，将待放样的线条坐标信息导入到该基于双天线的倾斜测量装置中，使显示屏4显示待放样线条8以及倾斜测量装置的测量杆杆尖11或倾斜测量装置的激光测距模块的激光光斑21的坐标点5；
步骤二，移动倾斜测量装置，使显示屏4中的倾斜测量装置的测量杆杆尖11或倾斜测量装置的激光测距模块的激光光斑21的坐标点5与待放样线条8重叠；
步骤三，对倾斜测量装置的测量杆杆尖11所在的位置或倾斜测量装置的激光测距模块的激光光斑21的位置进行标记。
此外，在步骤二中，还可以包括提示倾斜测量装置的测量杆杆尖11或倾斜测量装置的激光测距模块的激光光斑21坐标与待放样线条重叠的步骤，即当倾斜测量装置的测量杆杆尖11或倾斜测量装置的激光测距模块的激光光斑21坐标与待放样线条重叠时，倾斜测量装置发出提示音，和/或显示屏显示重叠提醒信息。
本发明通过采用双天线结构，可以实时对偏航角进行补偿，获取高精度指北信息，在对目标点进行倾斜测量时，仅需一次测量即可得到高精度的测量结果，克服现有技术中不能倾斜测量，或者倾斜测量过程中对同一目标点需晃动测量装置获取多组测量数据，测量操作繁琐，测量精度不高的缺陷。此外，本发明采用该基于双天线的倾斜测量装置进行放样时，可简化放样操作，提高放样的灵活性。
以上仅是本发明的具体应用范例，对本发明的保护范围不构成任何限制。凡采用等同变换或者等效替换而形成的技术方案，均落在本发明权利保护范围之内。

Claims (14)

1.基于双天线的倾斜测量装置的测量方法，其特征在于：所述基于双天线的倾斜测量装置，包括双天线GNSS系统、倾斜测量模块、控制器，其中双天线GNSS系统包含主天线、从天线和GNSS定位模块；
主天线、从天线均与GNSS定位模块电连接，GNSS定位模块、倾斜测量模块均与控制器电连接；
双天线GNSS系统用于获取参考点的高精度定位信息以及倾斜测量装置的高精度测向信息；
倾斜测量模块用于检测倾斜测量装置的倾角信息；
控制器用于根据双天线GNSS系统输出的参考点的高精度定位信息以及倾斜测量装置的高精度测向信息，以及倾斜测量模块输出的倾角信息，计算目标点的高精度定位信息；
所述测量方法包括以下步骤：
步骤一，GNSS定位模块获取主天线m相位中心在WGS-84坐标系下的大地坐标(Bm,Lm,Hm)，主天线的相位中心即为参考点，获取从天线s相位中心在WGS-84坐标系下的大地坐标(Bs,Ls,Hs)，其中B是纬度，L是经度，H是高度；
步骤二，GNSS定位模块根据主天线m和从天线s相位中心在WGS-84坐标系下的大地坐标计算出主天线指向从天线的向量与主天线指向正北的向量之间的夹角，即测向角度η；
步骤三，控制器将所述主天线相位中心在WGS-84坐标系下的大地坐标(Bm,Lm,Hm)转换为WGS-84坐标系下的空间直角坐标(xm,ym,zm)；
步骤四，控制器获取倾斜测量模块输出的俯仰角α、横滚角β和偏航角γ，并使用测向角度η对偏航角γ进行补偿，得到准确的偏航角γ1；
步骤五，控制器计算出以主天线的相位中心为ENU坐标系的坐标原点时目标点的坐标(xe,yn,zu)；
步骤六，控制器根据主天线的相位中心在WGS-84坐标系下的空间直角坐标(xm,ym,zm)以及目标点在ENU坐标系下的坐标(xe,yn,zu)，计算得出目标点在WGS-84坐标系下的空间直角坐标(xt,yt,zt)，并将该空间直角坐标(xt,yt,zt)转换为目标点在WGS-84坐标系下的大地坐标(Bt,Lt,Ht)。
2.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，步骤四中对偏航角γ进行补偿的计算方法为：
3.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，还包括激光测距模块，该激光测距模块与控制器电连接，用于测量激光测距模块与目标点之间的直线距离。
4.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，还包括测量杆。
5.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，倾斜测量模块输出的倾角信息包括俯仰角α、横滚角β和偏航角γ。
6.根据权利要求1所述的测量方法，控制器基于倾斜测量装置的高精度测向信息对偏航角γ进行补偿，获取准确的偏航角γ1。
7.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，还包括蓝牙模块、移动网络通信模块、显示屏和/或天线整平机构。
8.基于双天线的倾斜测量装置的放样方法，其特征在于：所述基于双天线的倾斜测量装置，包括双天线GNSS系统、倾斜测量模块、控制器，其中双天线GNSS系统包含主天线、从天线和GNSS定位模块；
主天线、从天线均与GNSS定位模块电连接，GNSS定位模块、倾斜测量模块均与控制器电连接；
双天线GNSS系统用于获取参考点的高精度定位信息以及倾斜测量装置的高精度测向信息；
倾斜测量模块用于检测倾斜测量装置的倾角信息；
控制器用于根据双天线GNSS系统输出的参考点的高精度定位信息以及倾斜测量装置的高精度测向信息，以及倾斜测量模块输出的倾角信息，计算目标点的高精度定位信息；
所述放样方法包括以下步骤：
步骤一，将待放样的线条坐标信息导入到该基于双天线的倾斜测量装置中，使显示屏显示待放样线条以及倾斜测量装置的测量杆杆尖或倾斜测量装置的激光测距模块的激光光斑的坐标点位置关系；
步骤二，移动倾斜测量装置，使显示屏中的倾斜测量装置的测量杆杆尖或倾斜测量装置的激光测距模块的激光光斑的坐标点与待放样线条重叠；
步骤三，对倾斜测量装置的测量杆杆尖所在的位置或倾斜测量装置的激光测距模块的激光光斑的位置进行标记。
9.根据权利要求8所述的放样方法，在步骤二中，还包括提示倾斜测量装置的测量杆杆尖或倾斜测量装置的激光测距模块的激光光斑坐标与待放样线条重叠的步骤。
10.根据权利要求8所述的放样方法，其特征在于，还包括激光测距模块，该激光测距模块与控制器电连接，用于测量激光测距模块与目标点之间的直线距离。
11.根据权利要求8所述的放样方法，其特征在于，还包括测量杆。
12.根据权利要求8所述的放样方法，其特征在于，倾斜测量模块输出的倾角信息包括俯仰角α、横滚角β和偏航角γ。
13.根据权利要求8所述的放样方法，控制器基于倾斜测量装置的高精度测向信息对偏航角γ进行补偿，获取准确的偏航角γ1。
14.根据权利要求8所述的放样方法，其特征在于，还包括蓝牙模块、移动网络通信模块、显示屏和/或天线整平机构。
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