CN108534727B - 斜距交会方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种斜距交会方法及系统，其中斜距交会系统包括：卫星定位接收器，用于确定空间坐标；激光测距装置，用于测定斜距；电子手簿，用于计算和显示；对中杆，用于安设前述各部件；其中，卫星定位接收器固定在对中杆顶部，激光测距装置和电子手簿均通过夹持装置固定在对中杆上。在待定点无法用卫星定位方法直接测定时，利用本发明的斜距交会方法及相应的系统，通过卫星定位接收器与激光测距相结合，无需方位角，也无需将斜距转化为平距，即可快捷的交会出待定点的坐标。系统结构简明、便于携带、成本低廉，作用范围可达数百米。本发明有效弥补了现有技术的缺陷，具有广阔的应用前景。

Description

斜距交会方法及系统

技术领域

本发明属于测绘地理信息领域，尤其涉及一种斜距交会方法及系统。

背景技术

卫星定位是指利用GPS、GLONASS、BDS等各类导航卫星进行定位的方法，由于其全天候、全天时、广覆盖、高精度的特点，目前在测绘、导航、国土、农林等行业得到广泛应用。但如果待定点附近有信号遮挡导致不能同时接收到四颗以上卫星，或者有电磁干扰导致卫星信号异常，或者待定点无法接近，则卫星定位无法顺利完成。对于这一问题，目前最常用的解决方案是先在待定点附近用卫星定位方法得到若干个已知点，然后再在已知点上架设全站仪测定待定点的坐标，此种方法的缺点在于：①全站仪及配件携带不方便；②全站仪的对中整平及测量的操作较为耗时；③全站仪造价较高。

CN101490505A涉及一种使用GPS接收器提供二维位置数据的有高度修正的手持式激光探测器，但需要借助重力感应器件，以便用倾角推算待定点与GPS天线相位中心之间的几何关系。CN102540200A披露了一种全球导航卫星系统接收机及位置测量方法；CN104931976A公开了一种便携型的地理信息现场实时测绘方法；二者均涉及将激光测距仪和GPS组合，但其需要激光测距仪提供俯仰角、方位角，存在如下缺点：1)内置的陀螺仪，其北方向与坐标北方向存在一个不可忽略的系统性偏差，且该偏差与地理位置相关，需要经常性的校正，大大削弱其便捷性；2)即使经过校正将此系统误差消除，其定北的中误差仍然存在，通常大于±1°；3)测角误差较大，通常在±0.1°以上。目前市面上还出现了一种内部带有MEMS(倾斜传感器)的GNSS接收机，当对中杆底部放置在待定点上而杆身倾斜一定角度(通常在30°以内)时，由于MEMS可给出俯仰角、方位角，便可计算出相应的坐标改正量。但除了与前述的各种缺点(主要是定北不准所导致的方位角误差大)，还需要注意的是，对中杆长度总是有限的，通常也就是2m，在此范围之内才可以测得。

CN105445774A提供了一种GNSS与激光测距相结合的测量系统及测量方法，摆脱了定位对于方位和角度观测值的依赖，但需要提供平距，在一些特定的情况下平距可能需要反复调节激光测距装置的位置，影响了测量效率。

因此研究一种便携低廉的系统以及高效易行的测量方法，使卫星定位不可测点的坐标精度能在一定的测程内达到厘米级，具有非常现实的意义和广阔的应用前景。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出一种斜距交会方法及系统，从而弥补现有技术在携带、效率、成本、精度等多方面的缺陷。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

提供一种斜距交会方法，在n个待定点附近，选择m个可测点，其中n≥1，m≥3，所述可测点是指该点上能利用卫星定位方法测量出合乎精度要求的坐标，并至少与一个待定点通视，在每一个可测点上进行下述操作：

步骤1，使对中杆竖直，用卫星定位方法测定出激光测距装置几何中心的三维坐标；

步骤2，用激光测距装置测定其到所有与之通视的待定点的斜距；

步骤3，遍历所有待定点，记某一待定点P到可测点的斜距观测值数量为q，当q≥3时，按下式计算待定点P的三维坐标，

其中，分别表示待定点P的第一坐标、第二坐标、第三坐标的最优估计值，

X₀、Y₀、Z₀分别表示待定点P的第一坐标、第二坐标、第三坐标的近似值，ΔX、ΔY、ΔZ分别表示待定点P的第一坐标、第二坐标、第三坐标的改正数，其中A表示系数矩阵，l表示差值，S_i表示待定点P到第i个可测点的斜距观测值，表示S_i的计算值，x_i、y_i、z_i分别表示与S_i对应的第i个可测点的第一坐标、第二坐标、第三坐标，W为权矩阵，其中i＝1,2,…,q。

接上述技术方案，步骤1具体实现方式为：量测出激光测距装置到卫星接收器的垂直高度d，设用卫星定位方法获得的卫星接收器的第三坐标为z′，则激光测距装置几何中心的第三坐标为z＝z′-d。

接上述技术方案，步骤2的具体实现方式为：用激光测距装置对准待定点正上方某一位置进行测距，并获取激光光斑到待定点的垂直高度h；

步骤3中，

其中h_i表示测量S_i时激光光斑到待定点的垂直高度。

接上述技术方案，步骤1和步骤2互换。

接上述技术方案，，所述第一坐标、第二坐标分别为纬度、经度，或经度、纬度，或分别为东坐标、北坐标，或北坐标、东坐标，所述第三坐标为高程。

接上述技术方案，，采用迭代方式进行r次平差，其中r≥1；即将第i次平差所得的视为第i+1次平差的坐标近似值X₀、Y₀、Z₀，反复计算，直至ΔX、ΔY、ΔZ的绝对值均小于某一阈值。

接上述技术方案，

权矩阵其中表示斜距观测值S_i的测量中误差，δ_i ²表示与S_i对应的第i个可测点的点位中误差，表示单位权中误差。

本发明还提供了一种基于上述方法的斜距交会系统，包括：

卫星定位接收器，用于确定空间坐标；

激光测距装置，用于测定斜距；

电子手簿，用于计算和显示；

对中杆，用于安设前述各部件；

其中，卫星定位接收器固定在对中杆顶部，激光测距装置和电子手簿均通过夹持装置固定在对中杆上。

接上述技术方案，对中杆上标有刻度，用于量测对中杆各处之间的长度。

接上述技术方案，该系统进一步包括一标有刻度的标尺，其上装有水准气泡，其表面覆有利于反射激光的材料。

本发明产生的有益效果是：本发明的斜距交会系统，成本低廉、便于携带，测量方案简单易行。激光测距装置仅需提供斜距观测值，无需陀螺仪等复杂器件的协助，摆脱了对于方位、角度观测值的依赖，简化了系统原理；也无需保持激光测距装置水平来测定平距，提高了工作效率；测程可达数百米，可实现多个已知点上快速作业，最终能获得待定点坐标的最优解。本发明有效弥补了现有技术的缺陷，具有广阔的应用前景。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

附图1是根据本发明构造的一个斜距交会系统的简图，其中激光测距装置为一独立的单元，并配有标尺。

附图2是根据本发明构造的一种斜距交会方法的示意图，当待定点被障碍物遮挡时，通过使用如附图1所示的装置，在多个可测点上对待定点进行观测。

附图3是根据本发明构造的一种斜距交会方法的示意图，在多个可测点上对多个待定点进行观测，使用如附图1所示的装置。

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，以下结合附图及实施例，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用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供一种斜距交会方法，在n个(n≥1)待定点附近，选择m个(m≥3)可测点，所述可测点是指该点上能利用卫星定位方法测量出合乎精度要求的坐标，并至少与一个待定点通视，在每一个可测点上进行下述操作：

步骤1，使对中杆竖直，用卫星定位方法测定出激光测距装置几何中心的三维坐标

步骤2，用激光测距装置测定其到所有与之通视的待定点的斜距，当有多个待定点时，可以共用一些可测点以提高测量效率；

步骤3，遍历所有待定点，记某一待定点P到可测点的斜距观测值数量为q，当q≥3时，按下式计算P点的三维坐标，

其中，分别表示待定点P的第一坐标、第二坐标、第三坐标的最优估计值，X₀、Y₀、Z₀分别表示待定点P的第一坐标、第二坐标、第三坐标的近似值，ΔX、ΔY、ΔZ分别表示待定点P的第一坐标、第二坐标、第三坐标的改正数，其中A表示系数矩阵，l表示差值，S_i(i＝1,2,…,q)表示待定点P到第i个可测点的斜距观测值，表示S_i的计算值，x_i、y_i、z_i分别表示与S_i对应的第i个可测点的第一坐标、第二坐标、第三坐标，W为权矩阵。

作为优选的，上述步骤1具体实现方式为：量测出激光测距装置到卫星接收器的垂直高度d，设用卫星定位方法获得的卫星接收器的第三坐标为z′，则激光测距装置几何中心的第三坐标为z＝z′-d，这样，当一些不利情况出现，例如当有遮挡时，可通过调节激光测距装置与卫星定位接收器的垂直距离，来使测距能顺利完成。

作为优选的，上述步骤2的具体实现方式为：用激光测距装置对准待定点正上方某一位置测距，记录激光光斑到待定点的垂直高度h；步骤3中，

其中h_i(i＝1,2,…,q)表示测量S_i时激光光斑到待定点的垂直高度，这样，当一些不利情况出现，例如当有障碍物遮挡时，可通过调节激光测距装置的瞄准位置，来使测距能顺利完成，而不必一定瞄准待定点处。

作为优选的，步骤1和步骤2互换，以便操作员可以根据现场情况及自己的偏好进行操作，而不影响最终的效果。

作为优选的，前述第一坐标、第二坐标、第三坐标可以分别为纬度、经度、高程或经度、纬度、高程，或分别为东坐标、北坐标、高程或北坐标、东坐标、高程，以便用户能自由地获得所需的数据。

作为优选地，前述步骤3中采用迭代方式进行r(r≥1)次平差，即将第i次平差所得的视为第i+1次平差的坐标近似值X₀、Y₀、Z₀，反复计算，直至ΔX、ΔY、ΔZ的绝对值均小于某一阈值，这样可以使计算收敛于预定的精度范围。

作为优选地，前述权矩阵其中表示斜距观测值S_i的测量中误差，δ_i ²表示与S_i对应的第i个可测点的点位中误差，表示单位权中误差，以便获得坐标的最优解。

本发明还提供一种依据前述方法的斜距交会系统，如图1所示，该斜距交会系统包括：卫星定位接收器1，用于确定空间坐标；激光测距装置2，用于测定斜距；电子手簿3，用于计算和显示；对中杆4，用于安设前述各部件。

整个测量系统以对中杆作为物理连接的骨架：卫星定位接收器位于对中杆的顶部；电子手簿和激光测距装置均通过夹持装置5固定在对中杆的适当位置；对中杆上设有水准气泡6，保持水准气泡居中时，对中杆的中心轴线将与卫星定位接收器的天线相位中心居于同一铅垂线上，从而可以归算出待定点的坐标。激光测距装置可利用现成的手持式激光测距仪，其测距精度一般为毫米级，其优点在于便携、价格低廉(仅需数百至数千元)，其测程可达数百米，配以棱镜或反射片则能使测程延长2～3倍，实际操作中也可将激光测距装置与电子手簿整合在一起，操作更为便捷。

作为优选的，对中杆上标有刻度，用于量测对中杆各处之间的长度，以便当激光测距装置在对中杆上滑动时，可以直接读取其到卫星定位接收器的垂直偏移量(高度)，从而准确地归算出激光测距装置的高程。

作为优选的，系统中还可包括一标有刻度的标尺7，标尺上还装有水准气泡8，标尺表面覆有利于反射激光的材料，此标尺用于直立于待定点的上方，当气泡居中时，标尺的轴线与待定点位于同一铅垂线上；执行测距操作时，将激光测距装置瞄准此标尺，使激光光斑F落于标尺之上；其刻度用于读取光斑距离标尺底部的距离，其表面的材料可便于作业人员观察光斑是否落于标尺之上，在明亮的环境下尤其有利，并能增加激光测距装置的测程。

本发明的第一个实施例尽可能地利用了已有的设备，将之组合为如附图1所示的测量系统。实际使用中，卫星定位接收器可以采用市面上的任何一种测地型一体机或分体机，电子手簿可使用智能手机代替，对中杆可采用通用的2.2m碳纤维可拉伸绝缘对中杆，可进一步选配对中杆支架，以便对中杆能迅速整平并保持稳定。激光测距仪可选用任何一种毫米级测距精度的产品，如某公司生产的手持激光测距仪，测距精度±1.5mm，测程0.05m～120m。测距仪可用夹持装置固定在对中杆上并可沿杆身上下滑动，以寻找最佳测距位置，并围绕其几何中心上下转动，从而能够调整激光指向待测点，注意的是，测距时应使对中杆轴线、测距几何中心、光斑位于同一铅垂面上；其几何中心到对中杆轴线的距离可以用游标卡尺等方式进行精确测定，从而可对测距结果进行精确改正；作为一种替代方案，也可由操作人员用手持的方式，让其几何中心贴准对中杆的轴线并沿对中杆滑动至最佳的测距位置。测距时，应保证对中杆的水准气泡居中。测距的指令可以直接在测距仪上操作按键，也可以通过建立电子手簿与测距仪的连接，从电子手簿上发出；同样的，测距结果可以由操作人员读取并手动填入电子手簿，也可通过数据通讯自动读取。标尺是可选的，可采用水准塔尺或带刻度的对中杆；有些情况下甚至可以直接利用待定点垂直方向的地物(如墙角点，其正上方的墙壁可作为激光反射物)，并用卷尺测量光斑至待定点的高差即可。或在现有的标尺的基础上，如由另一操作人员手持激光测距仪的反射片沿标尺上下移动到光斑处，或整尺涂上反射率高的材料，以增加测距仪的测程。

本发明的一个实施例如附图2所示，由于待定点P1位于某建筑下方，无法直接进行卫星定位，在周围选取了3个可测点Z1、Z2、Z3，但可测点与P1间还有一个障碍物M，因此在P1处树立一个带刻度的对中杆，其上带有一个可沿标尺上下移动的反射片；将反射片调节到适当高度，以便能接收到Z1、Z2、Z3处发射的激光；然后在可测点上进行卫星定位和激光测距，便可按照本发明的步骤求解P1的坐标。注意，测量过程中需要记录激光测距仪到卫星定位接收器上的垂直偏移量，以及标尺上激光光斑到待定点P1的垂直偏移量，以便对高程进行归化计算。

本发明的一个实施例如附图3所示，由于待定点P1、P2、P3均位于屋檐下，卫星被遮挡，直接采用卫星定位方法无法测出其坐标，因此在待定点附近寻找可测点，如Z1、Z2、Z3，该三处卫星信号接收良好，且同时与至少2个待定点通视，其详细步骤如下：

在Z1点上，树立对中杆，用RTK方法测出天线相位中心的北坐标、东坐标、高程分别记为x₁、y₁、H₁′，读取对中杆上的刻度，获得激光测距装置到天线相位中心的高度为d；因此得到激光测距装置几何中心的坐标为x₁、y₁、z₁，其中z₁＝H₁′-d；保持对中杆不动，用激光测距装置测定Z1到P1、P2、P3点的斜距，分别记为S11、S12、S13；遍历P1、P2、P3，均只有1个斜距观测值，因此暂不进行计算。

类似的，移动到Z2点上，用RTK方法测得激光测距装置几何中心的坐标为x₂、y₂、z₂＝H₂′-d，保持对中杆不动，用激光测距装置测定Z2到P1、P2、P3点的斜距，分别记为S21、S22、S23；遍历P1、P2、P3，均只有2个斜距观测值，因此暂不进行计算。

类似的，移动到Z3点上，用RTK方法测得激光测距装置几何中心的坐标为x₃、y₃、z₃＝H₃′-d，保持对中杆不动，用激光测距装置测定Z3到P2、P3点的斜距，分别记为S32、S33，P1与Z3不通视，因此不再测量斜距；遍历P1、P2、P3，P1只有2个斜距观测值S11、S21，因此暂不进行计算；P2有3个斜距观测值S12、S22、S32，因此利用下式计算其坐标：

其中，分别表示待定点P2的第一坐标、第二坐标、第三坐标的最优估计值，X₀、Y₀、Z₀分别表示待定点P2的第一坐标、第二坐标、第三坐标的近似值，ΔX、ΔY、ΔZ分别表示待定点P2的第一坐标、第二坐标、第三坐标的改正数，其中A表示系数矩阵，l表示差值，S_i2(i＝1,2,3)表示待定点P2到第i个可测点的斜距观测值，表示S_i2的计算值，x_i、y_i、z_i分别表示与S_i2对应的第i个可测点(也即Zi)的第一坐标、第二坐标、第三坐标，W为权矩阵。

同样的，P3也有3个斜距观测值S13、S23、S33，因此可用同样的方式计算出其坐标。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种斜距交会方法，其特征在于，在n个待定点附近，选择m个可测点，其中n≥1，m≥3，所述可测点是指该点上能利用卫星定位方法测量出合乎精度要求的坐标，并至少与一个待定点通视，在每一个可测点上进行下述操作：

步骤1，使对中杆竖直，用卫星定位方法测定出激光测距装置几何中心的三维坐标；

步骤2，用激光测距装置测定其到所有与之通视的待定点的斜距；

步骤3，遍历所有待定点，记某一待定点P到可测点的斜距观测值数量为q，当q≥3时，按下式计算待定点P的三维坐标，

其中，分别表示待定点P的第一坐标、第二坐标、第三坐标的最优估计值，X₀、Y₀、Z₀分别表示待定点P的第一坐标、第二坐标、第三坐标的近似值，ΔX、ΔY、ΔZ分别表示待定点P的第一坐标、第二坐标、第三坐标的改正数，

其中A表示系数矩阵，l表示差值，S_i表示待定点P到第i个可测点的斜距观测值，表示S_i的计算值，x_i、y_i、z_i分别表示与S_i对应的第i个可测点的第一坐标、第二坐标、第三坐标，W为权矩阵，其中i＝1,2,…,q。

2.如权利要求1所述的一种斜距交会方法，其特征在于，步骤1具体实现方式为：量测出激光测距装置到卫星定位接收器的垂直高度d，设用卫星定位方法获得的卫星定位接收器的第三坐标为z′，则激光测距装置几何中心的第三坐标为z＝z′-d。

3.如权利要求1所述的一种斜距交会方法，其特征在于，步骤2的具体实现方式为：用激光测距装置对准待定点正上方某一位置进行测距，并获取激光光斑到待定点的垂直高度h；

步骤3中，

其中h_i表示测量S_i时激光光斑到待定点的垂直高度。

4.如权利要求1至3中任意一项所述的一种斜距交会方法，其特征在于，步骤1和步骤2互换。

5.如权利要求1至3中任意一项所述的一种斜距交会方法，其特征在于，所述第一坐标、第二坐标分别为纬度、经度，或经度、纬度，或分别为东坐标、北坐标，或北坐标、东坐标，所述第三坐标为高程。

6.如权利要求1至3中任意一项所述的一种斜距交会方法，其特征在于，采用迭代方式进行r次平差，其中r≥1；即将第i次平差所得的视为第i+1次平差的坐标近似值X₀、Y₀、Z₀，反复计算，直至ΔX、ΔY、ΔZ的绝对值均小于某一阈值。

7.如权利要求1至3中任意一项所述的一种斜距交会方法，其特征在于，

权矩阵其中表示斜距观测值S_i的测量中误差，δ_i ²表示与S_i对应的第i个可测点的点位中误差，表示单位权中误差。

8.一种基于权利要求1所述方法的斜距交会系统，其特征在于，包括：

卫星定位接收器，用于确定空间坐标；

激光测距装置，用于测定斜距；

电子手簿，用于计算和显示；

对中杆，用于安设前述各部件；

其中，卫星定位接收器固定在对中杆顶部，激光测距装置和电子手簿均通过夹持装置固定在对中杆上。

9.如权利要求8所述的一种斜距交会系统，其特征在于，对中杆上标有刻度，用于量测对中杆各处之间的长度。

10.如权利要求8至9中任意一项所述的一种斜距交会系统，其特征在于，该系统进一步包括一标有刻度的标尺，其上装有水准气泡，其表面覆有利于反射激光的材料。