CN108700416A

CN108700416A - 改进的测量杆

Info

Publication number: CN108700416A
Application number: CN201580085841.XA
Authority: CN
Inventors: M·E·帕瑞斯加拉夫; D·卡勒罗斯坎兰; E·费尔南德兹穆尔西亚
Original assignee: FUNDACIO PRIVADA CT TECNOLOGIC DE TELECOMUNICACIONS DE CATALU
Current assignee: FUNDACIO PRIVADA CT TECNOLOGIC DE TELECOMUNICACIONS DE CATALU
Priority date: 2015-12-30
Filing date: 2015-12-30
Publication date: 2018-10-23
Anticipated expiration: 2035-12-30
Also published as: ES2742894T3; US20200166338A1; CN108700416B; US10704902B2; EP3397923A1; EP3397923B1; WO2017114577A1

Abstract

当前可用于GNSS的测量杆系统依赖于磁力计传感器。这些类型的传感器的使用表明当在磁场附近操作时性能下降。本发明提供了一种测距杆系统的新方法，其即使在磁场附近工作时也能够提供所要求的性能。

Description

改进的测量杆

技术领域

本发明总体上涉及地形测量杆领域，并且特别地涉及一种用于通过测量杆、特别是具有改进的鲁棒性和扩展的可用性的测量杆进行的改进的位置确定的方法和装置。

背景技术

测量杆是用于测量不同地理参数(诸如地面上的点位置、距离以及角度)的地形仪器。典型应用是位置测量市场、建筑物、道路建设和制图。最近，用于室外环境中的地形测量工作的经典的基于镜子的测量杆已经被基于GNSS的杆代替，基于GNSS的杆依赖于如Trimble R8等全球导航卫星系统GNSS的辅助。图1描绘了基于GNSS的杆100，其包括棒110，棒110具有底端120，底端120用于定位在地面上的点140上，该点140需要被定位。顶端130包括用于确定GNSS天线参考点150的地理坐标的GNSS设备。当杆完全竖直时，地面点140和GNSS点150之间的坐标差异等于杆160的高度(大约是棒的长度)。基于GNSS的杆更易于操作，因为它们不需要外部设备来进行进一步测量，因为所有GNSS电子器件都被包含在GNSS设备中。它们还提供快速位置计算，并且因此比传统的基于镜子的系统更快地进行地形测量。

测量杆的理论基础是，首先通过大地测量GNSS接收器计算GNSS天线位置150，并且随后在考虑到高度差160的情况下将该点投影到地面。该操作由操纵测量杆的用户执行，以将底端120放置在期望的地面点140上，以获取其3D位置坐标。主要缺点在于，杆需要完全竖直，因此必须使用水平仪调平杆。这需要进一步处理，花费更多时间，并且可能导致错误。

不幸的是，即使实现了极好的竖直度，也存在不允许将杆放置在所需要的竖直位置的情况，并且因此，不可能使用这种杆。这种情况可能是由于障碍物造成的，例如，在建筑物内部或周围、隧道入口或树木。图2描绘了这样的情况，其中树220或建筑物230遮挡(由十字表示)GNSS设备和卫星系统210之间的直接视线。

存在测量杆解决方案，其试图通过允许杆倾斜以用于确定竖直和倾斜模式下的地面点坐标来解决该问题。倾斜杆的能力具有测量原本无法接近的点的优点，例如在不可能完全看到天空的环境条件下，诸如被树木遮挡的区域、建筑物内部或其他障碍物体。而且，通过倾斜杆，可以比其他方式具有到更多卫星的直接视线，并且因此可以确定更精确的地面点位置。

然而，为了适当地执行地面点投影，需要确定倾斜杆的姿态或取向，以便确定杆的顶端和底端之间的实际竖直差异。因此，有必要包括附加的硬件传感器以测量该杆取向并且补偿由于杆倾斜引起的竖直高度差异。

图3描绘了限定测量杆的姿态或取向的三个旋转角度。第一角度θ(航向或偏航角)是限定围绕竖直z轴310的旋转的角度。当杆指向北方时，航向为零，但是通过顺时针或逆时针旋转杆，生成航向。第二角度α(即，俯仰角)是限定围绕水平y轴320的旋转的角度。当杆完全竖直时，俯仰角为零，但是通过向前或向后移动杆生成俯仰角。第三角度β(即，侧倾角)是限定围绕水平x轴330的旋转的角度。当杆完全竖直时，侧倾角为零，然而通过向右或向左移动杆，生成侧倾角。

当前的GNSS倾斜测量杆解决方案使用磁力计和倾角计(如Trimble R10)来估计杆的取向，这是以一定角度执行GNSS定位所必需的。图4描绘了测量杆400，测量杆400包括GNSS设备410内的附加磁力计和倾角计组件。通过使用磁力计，可以获得相对于磁北极的杆取向，即，航向。通过使用两个正交的倾角计，可以确定关于地面相对于竖直轴的杆的剩余两个倾斜角度(俯仰角和侧倾角)。因此，该解决方案允许在倾斜模式下工作，因为使用磁力计和倾角计获得所有三个角度。

然而，这种解决方案主要由于环境磁场引起的干扰而受到严重限制。在这种情况下发现的最强电磁场是通过电磁感应生成的，诸如存在于铁路附近、电力站或靠近金属物体，这些通常是需要进行地形测量的建筑环境。周围的电磁场影响测量结果，因为这些传统的杆感测地球的磁场，并且测量结果被这个干扰场扭曲，导致姿态确定有误差并且地形测量不准确。

因此，需要有效地解决上述问题。

发明内容

因此，本发明的一个目的是提供上述问题的解决方案。特别地，本发明的一个目的是提供基于GNSS的定位杆或测量杆，其可以在竖直以及倾斜或非垂直模式下使用，并且即使在存在电磁场的情况下或在强磁场的影响下也是高度准确和可靠的。

这通过提供包括卫星定位传感器和惯性传感器的定位杆来实现。初始化阶段使用与至少三个不同杆倾角相对应的惯性数据样本以高准确度确定相对于地理北的地面点位置和绝对航向。然后在操作阶段使用绝对航向，使得能够将杆用于新的地面点或取向确定，但是不必每次都执行新的初始化过程。

当在开放空间、即“非磁化”场景中时，改进的定位杆能够以极高的准确度以及至少与当前地形系统相同的准确度定位地面点。然而，在半封闭空间或具有强电磁场的空间中，其中经典的基于GNSS的杆不能够操作，改进的杆使得能够以地形可接受的性能执行快速定位，而不使用磁传感器。因此，提供了一种更鲁棒的测量杆(因为它不受磁场影响)并且其具有扩展的可用性(因为它在其他杆不能测量的情况下能够测量，例如，在没有或具有低视线卫星能见度的环境)。

因此，本发明的一个目的是提供一种用于位置确定的改进的定位杆。

本发明的另一目的是提供一种通过定位杆进行的改进的位置确定的方法。

本发明的另一目的是提供一种将传统的地形杆转换为改进的定位杆的方法。

本发明的另一目的是提供一种包括指令的计算机程序，该指令一旦在处理器上执行则用于执行通过定位杆进行的改进的位置确定的方法的步骤。

本发明的另一目的是提供一种包括指令的计算机可读介质，该指令一旦在处理器上执行则用于执行通过定位杆进行的改进的位置确定的方法的步骤。

本发明提供了实现本发明的各个方面、实施例和特征的方法和设备，并且通过各种部件来实现。各种部件可以包括例如硬件、软件、固件或其组合，并且这些技术可以以各种装置中的任何一个或其组合来实现。

对于硬件实现，各种部件可以包括在一个或多个专用集成电路(ASIC)内实现的处理单元、数字信号处理器(DSP)、数字信号处理设备(DSPD)、可编程逻辑器件(PLD)、现场可编程门阵列(FPGA)、处理器、控制器、微控制器、微处理器、被设计用于执行本文中描述的功能的其他电子单元、或其组合。

对于软件实现，各种部件可以包括执行本文中描述的功能的模块(例如，过程、功能等)。软件代码可以存储在存储器单元中并且由处理器执行。存储器单元可以在处理器内或处理器外部实现。

描述了本发明的各个方面、配置和实施例。特别地，本发明提供了实现本发明的各个方面、配置和特征的方法、装置、系统、处理器、程序代码、计算机可读介质以及其他装置和元件，如下所述。

附图说明

通过下面结合附图给出的详细描述，本发明的特征和优点将变得更加明显，附图中的相同的附图标记在不同附图中标识相应的元素。也可以使用不同的字符来指代相应的元素。

图1描绘了传统的基于GNSS的测量杆。

图2描绘了传统测量杆能够或不能操作的情况。

图3描绘了限定测量杆的取向的不同角度。

图4描绘了包括磁力计和倾角计的测量杆。

图5描绘了根据本发明的改进的定位杆。

图6描绘了用于本发明的改进的定位杆的位置确定的部件。

图7描绘了使用本发明的改进的定位杆进行的位置确定的方法。

图8描绘了初始化阶段中的定位杆移动的俯视图。

图9至13描绘了使用五个样本的初始化过程的一部分。

图14至18描绘了用于位置确定的方法步骤。

图19描绘了位置确定中涉及的步骤。

图20描绘了使用三个不同取向样本的杆初始化。

图21描绘了使用三个取向样本的数据集来确定绝对航向的过程。

具体实施方式

图5描绘了根据本发明的一个实施例的改进的定位杆500。杆包括棒510，棒510具有底端520，底端520用于定位在地面上的点140，点140需要被定位。顶端530包括定位装置以用于确定杆的取向角度和参考点550的大地坐标。发明人利用棒的恒定长度560，底端520在整个过程中放置在相同的地面点140上这一事实，并且考虑到顶端550的坐标由卫星定位并且由惯性传感器对杆的相对取向来确定。

杆包括根据算法或软件进行操作的硬件组件，用于执行改进的位置确定。该过程由卡尔曼滤波器迭代地执行，卡尔曼滤波器由第一信息集初始化，第一信息集然后在时间上依次周期性地连续更新。以周期性时间间隔，或每当新的惯性数据或卫星定位GNSS数据可用时，定位装置的卡尔曼滤波器重新计算取向角度(根据角速度)和位置(根据线性加速度)。

图6描绘了用于位置确定的部件600或定位设备，其包括用于卫星定位的部件610、620、用于惯性感测的部件630、处理部件640和存储部件670。位置确定的结果可以输出到外部设备680。

用于卫星定位的部件包括连接到GNSS接收器620的GNSS天线610，用于根据GNSS协议与一个或多个卫星通信并且接收原始卫星位置数据。原始卫星数据用于通过使用差分处理来确定顶端的GNSS坐标。这可以通过使用1)包括差分处理能力的GNSS接收器，2)从RTK处理器实时应用实时动态校正，或3)在后处理阶段离线应用这种差分处理来实现。两者通过射频RF电缆连接(对低于2GHz的信号的低衰减)，并且卫星定位部件通过数字串行通信(RS232等)连接到处理部件640。GNSS接收器对地理坐标的确定不在本发明的范围内，并且技术人员可以使用容易获取的GNSS接收器，只要它们提供顶端的大地坐标。

惯性感测部件630或惯性传感器是包括加速度计和角速率传感器或陀螺仪的惯性测量单元IMU。它经由通信接口连接到处理部件640，诸如串行到并行接口SPI(或类似的模拟的或数字的通信信道)。本领域技术人员可以使用容易获取的IMU，只要它们提供随后确定定位杆的取向所需要的惯性数据。

处理部件640包括获取部件650或获取模块、以及数据处理部件660或数据处理模块。获取部件包括初始化部件652，用于初始地面点位置和取向估计。地面点使用机械化方程基于惯性数据来确定。处理部件还包括定时部件654，用于对位置数据以及惯性数据进行时间标记。定时部件的输出被发送到通信部件656，用于通过诸如TCP/IP协议等通信接口将数据递送到数据处理部件660。数据的副本本地存储在存储器存储部件658中以及可选地存储在存储器部件670中用于外部后处理。内部存储器部件670可以永久地安装或可拆卸地耦合到处理部件640，并且可以是例如智能盘SD卡。

定时部件654提供用于对所获取的原始数据进行时间标记的参考定时。然而，该参考时钟非常不稳定，并且因此需要被稳定。使用由GNSS接收器620提供的每秒脉冲PPS同步信号进行校正。处理器时钟漂移以一秒间隔使用该PPS信号被补偿，以便保持良好的参考时间戳，从而产生准确的时间标记。

数据处理部件660负责使用从获取部件确定的数据作为卡尔曼滤波器的输入来确定地面点位置140。该地面点计算由用于定位的部件662执行，并且可选地，由通信部件664经由TCP/IP协议等传输到任何外部设备680，诸如人机接口或显示器。计算出的地面点的副本本地存储在存储器存储装置666中以及可选地存储在存储器部件670中。

地面的位置从初始地面点估计开始确定，初始地面点估计是基于GNSS天线点550的坐标和杆长度510的知识而确定的粗略的面点位置。初始地面点估计通过解决以下最小二乘问题来确定，其中天线点坐标和地面点坐标通过杆长度相关。两个点之间的距离差异始终是杆长度：

L＝||Xi-Xg||

[等式1]

其中L是(已知的)杆长度560，Xi是第i步的(已知的)GNSS天线大地坐标550，并且Xg是必须确定的地面点140的(未知的)大地坐标。接下来，通过在两个不同的杆取向或姿态下获得至少两个其他地面点估计来准确地确定地面点。这是通过在不同方向上倾斜杆并且估计地面点来完成的。最终的地面点基于至少三个数据集的结果。至少三个数据集提供来自用于确定地确定地面点的位置的自惯性传感器的取向角信息。

惯性传感器或惯性测量单元IMU是使用三个加速度计和三个陀螺仪的组合来测量和报告施加在主体上的特定力和角速率的电子设备。加速度计基于牛顿第二定律“主体的加速度是平行的并且与净施加力F成正比并且与其质量m成反比”来测量加速力。通常，加速度单位以米/秒/秒(m/s²)表示。陀螺仪测量从参考方向的角度旋转增量。陀螺仪基于科里奥利(Coriolis)效应，科里奥利效应测量移动物体在参考系中旋转时的偏转力(Fc)。通常，陀螺仪单位以度/秒(deg/sec)表示。加速度计和陀螺仪以如下方式放置：该方式使得它们的测量轴彼此正交，作为三个不同的轴(x，y，z)。惯性传感器示出惯性数据，该惯性数据包括三个加速度(每个轴一个)和三个陀螺仪(每个轴一个)。

针对至少三个杆倾角获取惯性数据样本。根据任何一个倾角处的惯性数据，可以确定测量杆的俯仰角和侧倾角。俯仰角被确定为在本体坐标系的x轴上测量的加速度除以恒定的地球重力的圆弧正弦。侧倾角被确定为在本体坐标系的y轴上测量的加速度除以恒定的地球重力的圆弧正弦。以下等式是这些计算的示例：

α＝-asin(a_x/g) [等式2]

β＝aSin(a_y/g) [等式3]

其中α是俯仰角，β是侧倾角，a_x是在x轴上测量的中等加速度，a_y是在y轴上测量的中等加速度，并且g是重力，其等于9.81m/s²。因此，俯仰和侧倾取向角分别基于x轴和y轴的中等加速度数据来确定。

针对杆的每个倾角，多个地面点候选显现为竖直投影570与杆的顶端的水平投影580的多个可能的交叉点：

竖直投影＝杆高度*cos(β)*cos(a) [等式4]

水平投影＝杆高度*sin(β)*sin(a) [等式5]。

竖直投影是将杆高度560与棒的余弦和俯仰角的余弦相乘的结果。水平投影是杆高度560与棒的正弦和俯仰角的正弦相乘的结果。

从与每个杆倾角相对应的多个地面点候选，最终地面点位置对应于与至少三个不同杆倾角或姿态共同的候选。换言之，它是与所有杆倾角相一致的候选。图20描绘了三个不同倾角或姿态(GNSS点1至3)的杆。候选地面点针对所有三个倾角而言相同的点是最终地面点140。在图20的描绘中，这对应于三个圆的交点，每个圆对应于在每个杆姿态下可能的多个候选。因此，为了确定地确定最终地面点值，至少需要三个地面点候选。

因此，位置确定设备设置在测量杆上，测量杆即使在磁化环境中也能准确地起作用，因为它不使用磁力计。然而，由于其设计简单，它是经济的并且需要最少的处理资源。使用最少三个采样点的这种确定是准确的并且也是简单和快速的。

在期望确定第二或另一地面点的位置的情况下，通常需要针对每个新的地面点重复一次新的地面点的初始化。然而，在本发明的另一方面，一旦测量第一地面点，就可以在内部跟踪差异直到新的地面点，并且因此确定新的地面点的地理坐标而不执行另一初始化阶段。这是通过在初始化阶段也确定杆点相对于地理北极的绝对航向来实现的。因此，当处于新位置时，可以基于先前和新的航向信息导出新的地面点位置。尽管可以直接从惯性数据确定俯仰和侧倾，但是不能直接确定绝对航向，因为只有相对信息可用。因此，在下一步骤中，使用来自至少三个样本的数据以及所确定的地面点来确定航向或绝对北。

因此，简单的用户友好的算法在第一初始化阶段允许任何专用或非专用用户在与GNSS卫星进行视线接触时初始化设备。在随后的操作阶段，用户可以在没有与卫星视线接触的环境中继续使用测量杆，因为内部跟踪机构允许始终计算杆的俯仰、侧倾和航向以及测地坐标。因此，提供了用户友好的定位杆，其即使在具有电磁干扰并且不提供与卫星的直接接触的情况下也能够以简单、经济和资源有效的方式准确地操作。

图21描绘了使用三个采样点或姿态的数据集来确定绝对航向的过程。在该方面，基于从至少三个初始数据样本确定的俯仰、侧倾、竖直投影和水平投影来确定绝对航向角θ或相对于地理北的角度。通过使用旋转矩阵(包含航向、俯仰和侧倾角度)并且使用平移向量(杆距离)将每个GNSS点投影到至少三个姿态角中的每个处的已知地面点来确定航向θ：

Xg＝Xi+RM(θ,α,β)＊Tv(0，0,L)

[等式6]

其中L是(已知的)杆长度560，α是(已知的)俯仰角，β是(已知的)倾侧角，θ是(未知的)航向角，Xi是第i步的(已知的)GNSS天线大地坐标550，Xg是必须确定的地面点140的(已知的)大地坐标，RM是旋转矩阵，并且Tv是平移向量。一旦航向被确定，后续位置确定不需要初始化步骤并且可以非常快速地执行。

此时，由于定位设备通过显示器或某种其他接口提供地面点的坐标以及杆的取向(包括航向、俯仰和侧倾角度)，因此完成了测量杆对位置和取向的确定过程。

然而，在本发明的另一方面，使用多于三个候选来执行位置和取向确定过程。随着更多采样点被考虑在内，地面点候选中的误差容限降低，并且固有的传感器误差被滤除。例如，已经发现，从五种不同的姿态获得数据集提供了所需要的准确度。在这个最佳方面，以速度为代价获得更高的准确度，因为需要更多的测量结果。在说明书的其余部分中，提供了进一步的细节，但是使用五个样本的确定作为示例。技术人员将理解，相同的描述可以应用于任何数目的样本，只要它们是从至少三个不同的姿态获取的数据集。

在另一方面，已经认识到，惯性传感器表现出固有的不准确性，其传播并且导致角度确定的进一步误差。误差可以归类为诸如偏差的系统误差(例如，由于未对准和温度影响)和非系统误差，诸如由于环境白噪声。惯性感测装置包括用于校正系统误差或偏差的误差补偿机制。惯性感测装置的偏差导致角度确定的不准确性，其最终表示地面点候选也是不准确的并且遭受偏差。而且，这使得作为在至少三个不同姿态下应当相同的一个候选的最终地面点的准确确定变得复杂，因为没有候选完全重合。因此，在本发明的另一方面，通过估计惯性传感器的偏置来校准定位装置，并且从惯性数据读数中迭代地减去它，得到经补偿的惯性数据。没有固有的系统误差的经补偿的惯性数据导致地面点位置和取向确定的高准确度。

接下来，通过基于以下公式确定加速度计偏差值的矢量来确定惯性传感器偏差值：

B^b _accel＝a^b-R_M(θ，α，β)＊(0，0，g)^T [等式7]

其中B_accel是表示本体坐标系中的加速度计的偏差的(未知的)矢量。矢量a^b是在第一校准步骤中来自惯性传感器(在Bfrd配置中)的感测加速度的(已知的)平均值，R_M是在本地参考系和本体参考系之间的(已知的)旋转矩阵，并且g是重力，其等于9.81m/s²。在该表达式中，基于作为重力而测量的唯一力，在静态位置确定加速度计传感器偏差值。力可以分布在三个轴上，因此需要旋转矩阵来将局部参考系变换为本体参考系。

接下来，基于以下公式确定陀螺仪偏差值的矢量：

B^b _gyro＝w^b-R^b _e＊(0，0，w)^T [等式8]

B_gyro是表示本体坐标系中的陀螺仪的偏差的(未知的)矢量。矢量w^b是在第一校准步骤中来自惯性传感器(在Bfrd配置中)的感测角速度的(已知的)平均值，R^b _e是在地球中心地球固定ECEF参考系和本体参考系之间的(已知的)旋转矩阵，并且w是地球的速度旋转，其等于15^Q/h。陀螺仪传感器偏差值通过知道所测量的唯一角度旋转是地球的旋转在静态位置被确定。角速度可以分布在三个轴上，因此需要旋转矩阵将地球中心地球固定ECEF参考系变换为本体参考系。

一旦计算出这些偏差值，从惯性数据读数中减去它们，以便使用以下公式补偿传感器系统误差。针对加速度计，经校正的加速度(a^b _c)的(未知的)矢量是从本体坐标系(a^b)中测量的加速度的实际(已知的)矢量中减去先前计算的(已知的)加速度计偏差矢量(B^b _accel)。一个示例公式是：

a^b _c＝a^b-B^baccel [等式9]

其中a^b是本体坐标系中测量的加速度的矢量，B^b _accel是加速度计偏差的矢量，a^b _c是经校正的加速度的矢量。针对陀螺仪，经校正的角速度(w^b)的(未知的)矢量是从本体坐标系中测量的角速度的实际(已知的)矢量(w^b)中减去先前计算的(已知的)角速度偏差矢量(B^b _gyro)。下面示出了这种计算的示例：

w^b _c＝w^b-B^b _gyro [等式10]

其中w^b是本体坐标系中测量的角速度的矢量，B^b _gyro是角速度偏差的矢量，并且w^b _c是经校正的角速度的矢量。

因此，通过使用误差校正的惯性数据，更准确地确定杆的地面位置和取向角α、β、θ。在下文中，描述包括误差校正，然而，如上所述，也可以在没有所描述的误差校正机制的情况下使用杆取向和位置确定，但是它将不那么准确。

图7描绘了用于确定地面坐标的初始值的方法700，地面坐标的初始值包括误差校正机制。在第一初始化步骤中，姿态或三维杆取向被确定710。在第二步骤中，惯性传感器校准值被确定720。在第三步骤中，0地面点坐标基于确定的姿态和校准值被确定73。

姿态确定算法710包括确定定位杆500的取向参数，即，确定航向角θ、俯仰角α和侧倾角β。图8在视觉上描绘了包括采样五个数据集的方面的杆移动(杆的俯视图)，其中第一GNSS位置在第一位置810处被确定，然后第二GNSS位置在第二位置820处被确定，然后第三GNSS位置在第三位置830处被确定，然后第四GNSS位置在第四位置840处被确定，并且第五GNSS位置在第五位置850处被确定。提示用户通过指示符改变位置，诸如LED、振动器或在GUI屏幕上，指示符具有指示正在确定位置的第一处理模式、以及指示要倾斜杆的第二改变模式。定位装置还可以包括按钮，用于用户在每次杆倾斜到所需要的位置之一时进行指示，并且提示定位装置开始其位置确定。作为按钮的代替，用户还可以经由某种其他用户界面(诸如键盘、鼠标或平板屏幕上的GUI等)提供该指示。在下文中，描述初始化阶段的每个步骤。图9至13描绘了杆在五个不同位置的倾斜，而图14至18分别描绘了在五个位置中的每个中执行的方法步骤。初始化程序应当在开阔天空下进行，与GNSS卫星直接视线接触。

图9和图14描绘了处于第一位置的杆，因为第一GNSS位置1在取向参数α1＝0和β1＝0处确定，其是完全竖直的。一旦被放置于第一位置1410，用户按下1420按钮并且在例如几秒的预定时间间隔T1期间保持该位置。如果在预定时间内未按下按钮，则算法中止1430并且等待按下按钮。在肯定情况下，来自GNSS点1的数据和惯性传感器数据被确定1440。在时间间隔已经过去之后，如果数据未被正确获取，则LED闪烁1460“红色”，以指示用户重复该步骤，如由反馈箭头所描绘的。否则，LED闪烁1450“绿色”并且继续1以等待针对第二位置的按钮按下。

图10和图15描绘了处于第二位置820的杆，因为第二GNSS位置2在取向参数α2和β2处确定。在此，用户使杆在任何方向上在20至45度之间倾斜。一旦被放置在第二位置，用户按下1520按钮并且在预定时间间隔内保持该位置。如果在预定时间内未按下按钮，则算法中止1530并且等待按下按钮。在肯定情况下，来自GNSS点2的数据和惯性传感器数据被确定。在时间间隔已经过去之后，如果数据未被正确获取，则LED闪烁1560“红色”，以指示用户重复该步骤，如反馈箭头所描绘的。否则，LED闪烁1550“绿色”并且继续2以等待针对第三位置的按钮按下。由于杆可以在任何方向上倾斜，因此考虑到特定测量场景中存在的障碍，这使得用户可以灵活地使用杆来确定位置。

图11和图16描绘了处于第三位置830的杆，因为第三GNSS位置3在取向参数α3和β3处确定。在此，用户使杆在第二位置的相反方向上倾斜，或者在相反方向上从竖直方向倾斜20至45度。一旦被放置在第三位置，用户按下按钮并且在预定时间间隔内保持该位置。如果在预定时间内未按下按钮，则算法中止1630并且等待按下按钮。在肯定情况下，来自GNSS点3的数据和惯性传感器数据被确定。在时间间隔已经过去之后，如果数据未被正确获取，则LED闪烁660“红色”，以指示用户重复该步骤，如反馈箭头所描绘的。否则，LED闪烁1650“绿色”并且继续3以等待针对第四位置的按钮按下。

图12和图17描绘了处于第四位置840的杆，因为第四GNSS位置4在取向参数α4和β4处确定。在此，用户在垂直于由前面步骤的第二和第三位置绘制的轴的方向上使杆在20至45度之间倾斜。一旦被放置在第四位置，用户按下按钮并且在预定时间间隔内保持该位置。如果在预定时间内未按下按钮，则算法中止1730并且等待按下按钮。在肯定情况下，来自GNSS点4的数据和惯性传感器数据被确定。在时间间隔已经过去之后，如果数据未被正确获取，则LED闪烁1760“红色”，以指示用户重复该步骤，如反馈箭头所描绘的。否则，LED闪烁1750“绿色”并且继续4以等待针对第五位置的按钮按下。

图13和图18描绘了处于第五位置850的杆，因为第五GNSS位置5在取向参数α5和β5处确定。在此，用户使杆在第四位置的相反方向上倾斜，在相反方向上从竖直方向倾斜20至45度。一旦被放置在第五位置，用户按下按钮并且在预定时间间隔内保持该位置。如果在预定时间内没有按下按钮，则算法中止1830并且等待按下按钮。在肯定情况下，来自GNSS点5的数据和惯性传感器数据被确定。在时间间隔已经过去之后，如果数据未被正确获取，则LED闪烁1860“红色”，以指示用户重复该步骤，如反馈箭头所描绘的。否则，LED闪烁1850“绿色”并且继续5以执行地面点140位置确定。

图19描绘了位置确定中涉及的步骤。在步骤1910中，第一地面点140位置估计被确定。接下来，在步骤1920中，姿态角(航向、俯仰、侧倾)被确定。接下来，在步骤1930中，惯性感测装置的偏置被确定。在步骤1940中，第一地面点位置估计通过考虑所确定的偏差被更新，从而得到准确的地面点位置140。然后将该位置存储在本地存储器存储装置以及内部存储器存储装置670中。其也可用于外部设备。接下来，在步骤1950中，确定按钮是否仍被按下。在否定情况下，不断更新1940地面点位置。

然而，在肯定情况下，在步骤1960中，确定按钮是否被按压小于T1的第二预定时间段T2，以指示期望新的地面点位置确定。在肯定情况下，在步骤1970中，新的第一地面点确定被执行，如在步骤1910中，然而现在该估计使用现有的姿态角和偏差值立即被更新1940。不需要重复初始化和误差偏差值，因为假定杆用于测量不同的地面点，但是在相同情况下在类似的电磁干扰的影响下。当按钮不再被按下时，该过程在1980结束，指示不需要进一步的位置确定。如果再次按下按钮持续较长的预定持续时间T1，则设备开始新的初始化和偏置估计过程，因为假定场景已经改变并且杆受到不同电磁干扰的影响。

在一个方面，位置确定算法的所有步骤可以被实时地执行。在另一方面，一些步骤可以使用存储在各种存储装置中的所有数据在后处理阶段中执行。而且，一些或整个位置确定算法可以在设备本身内本地执行，或者也可以是输出到任何外部计算设备以执行所需要的计算的数据。

因此，所描述的本发明的不同方面使得能够通过允许定位杆在任何位置(不仅仅是水平)使用而对于磁场具有弹性的地形应用进行快速且准确的位置确定，从而增加了其中可以使用工具的场景的数目，从而产生更通用但可靠的测量杆(其可以用于复杂的环境，诸如铁路或能源发电站)。此外，当与经典INS/GNSS机械化方程结合使用时，产生整体更快的系统初始化和惯性传感器校准，从而产生更有效的位置确定工具。

此外，应当理解，本文中描述的实施例、实现和方面可以通过硬件、软件、固件、中间件、微代码或其任何组合的各种装置来实现。本文中描述的各个方面或特征一方面可以实现为方法或过程或功能，另一方面可以实现为从任何计算机可读设备、载体或介质可访问的装置、设备、系统或计算机程序。所描述的方法或算法可以直接实施为硬件、由处理器执行的软件模块或两者的组合。

各种部件可以包括软件模块，其驻留在RAM存储器、闪存、ROM存储器、EPROM存储器、EEPROM存储器、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM或本领域已知的任何其他形式的存储介质中。

各种部件可以包括逻辑块、模块和电路，其可以用被设计为执行所述功能的通用处理器、数字信号处理器(DSP)和专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、或其他可编程逻辑器件、离散门或晶体管逻辑、分立硬件组件或其任何组合来实现或执行。通用处理器可以是微处理器，但是替代地，处理器可以是任何传统的处理器、控制器、微控制器或状态机。

各种部件可以包括计算机可读介质，包括但不限于磁存储设备(例如，硬盘、软盘、磁条等)、光盘(例如，激光磁盘(CD)、数字通用盘(DVD)等)、智能卡和闪存设备(例如，EPROM、卡、棒、钥匙驱动器等)。另外，本文中描述的各种存储介质可以表示用于存储信息的一个或多个设备和/或其他机器可读介质。术语机器可读介质可以包括但不限于能够存储、包含和/或携带(多个)指令和/或数据的各种介质。另外，计算机程序产品可以包括计算机可读介质，其具有可操作以引起计算机执行本文中描述的功能的一个或多个指令或代码。

以上描述的内容包括一个或多个实施例的示例。当然，不可能出于描述前述实施例的目的而描述组件和/或方法的每个可想到的组合或置换。然而，本领域普通技术人员将认识到，在从本公开的直接和客观的阅读可导出的总体发明构思内，各种实施例的很多其他组合和置换是可能的。因此，旨在涵盖落入所附权利要求范围内的所有这些改变、修改和变化。

在下文中，提供了本发明的其他实施例。一种用于地面点位置确定的定位杆，包括棒和位于该棒的顶端的位置确定装置，该棒具有用于放置在待确定的地面点上的底端，位置确定部件包括：卫星定位部件，用于获取特定杆倾角处的顶端参考点的大地坐标；惯性感测部件，用于获取与杆倾角相对应的顶端参考点的惯性数据；以及处理部件，用于根据棒的长度、以及与至少三个不同的棒倾角相对应的所获取的大地坐标和惯性数据来确定地面点的坐标。其中位置确定部件还包括用于存储所获取的所有数据和确定的结果的存储器存储部件。其中卫星定位部件包括GNSS天线和GNSS接收器，并且其中顶端参考点的大地坐标对应于GNSS天线的大地坐标。其中处理部件包括获取部件，用于从卫星定位部件获取大地坐标以及从惯性感测部件获取所述惯性数据。其中处理部件包括用于使用获取部件的数据确定地面点的坐标的数据处理部件，其中地面点位置是根据杆的俯仰角和侧倾角来确定的。其中处理装置还包括用于对位置数据以及惯性数据进行时间标记的时间标记部件，并且还包括用于向外部设备递送所获取的数据和/或确定的结果的通信部件，并且还包括用于指示要在何时以新的倾斜姿态倾斜杆并且用于指示何时已确定了地面点的指示器部件。

一种通过定位杆进行的地面点位置确定的方法，定位杆包括棒和位于棒的顶端的位置确定部件，棒具有用于放置在待确定的地面点上的底端，方法包括初始化阶段，初始化阶段包括：针对至少三个不同的棒倾角，获取顶端参考点的大地坐标和惯性数据；以及根据棒的长度、以及与至少三个不同的棒倾角相对应的所获取的大地坐标和惯性数据来确定地面点的坐标。其中至少三个不同的棒倾角包括倾斜杆的顶端，同时针对三个、或至少四个、或优选五个不同的棒倾角保持底端固定在相同的地面点上，其中针对三个倾角的情况，每个倾角处的顶端优选地对应于等边三角形的角，其中针对四个倾角的情况，每个倾角处的顶端优选地对应于正方形的角，并且其中针对五个倾角的情况，每个倾角处的顶端优选地对应于正方形的角和正方形的中心点。包括根据与每个棒倾角相对应的惯性数据，将杆的俯仰角和侧倾角分别确定为在x轴和y轴上测量的中等加速度的函数，并且其中地面点位置也根据俯仰角和侧倾角被确定。包括基于当前俯仰角、当前侧倾角以及先前地面点和当前地面点的大地坐标来确定杆的绝对航向角。还包括纠错机制，纠错机制包括估计惯性传感器偏差值并且从所获取的惯性数据值中减去惯性传感器偏差值，其中偏差值是加速度计偏差值和陀螺仪偏差值。还包括不利用大地坐标和惯性数据获取的后续操作阶段，其中地面点位置是根据先前地面点的坐标来确定的并且跟踪俯仰角、侧倾角和航向角的差异。

一种从传统测量杆产生改进的测量杆的方法，所述方法包括用放置在传统杆的顶端上的单个位置确定装置替换所述传统杆的所有电子设备。

一种计算机程序，包括一旦在处理器上执行时用于执行上述方法步骤的指令。一种计算机可读介质，包括一旦在处理器上执行时用于执行上述方法步骤的指令。

Claims

1.一种用于地面点位置确定的定位杆，包括棒和位于所述棒的顶端的位置确定部件，所述棒具有用于放置在待确定的地面点上的底端，所述位置确定装置包括：

用于获取特定杆倾角处的顶端参考点的大地坐标的卫星定位部件；

用于获取与所述杆倾角相对应的所述顶端参考点的惯性数据的惯性感测部件；以及

用于根据所述棒的长度以及与至少三个不同的棒倾角相对应的所获取的大地坐标和惯性数据来确定所述地面点的坐标的处理部件。

2.根据权利要求1所述的杆，其中所述位置确定部件还包括用于存储所获取的所有数据和所述确定的结果的存储器存储部件。

3.根据权利要求2所述的杆，其中所述卫星定位部件包括GNSS天线和GNSS接收器，并且其中所述顶端参考点的大地坐标对应于所述GNSS天线的大地坐标。

4.根据权利要求3所述的杆，其中所述处理部件包括获取部件，所述获取部件用于从所述卫星定位部件获取所述大地坐标以及从所述惯性感测部件获取所述惯性数据。

5.根据权利要求4所述的杆，其中所述处理部件包括用于使用所述获取部件的所述数据确定所述地面点的所述坐标的数据处理部件，其中所述地面点位置是根据所述杆的俯仰角和侧倾角来确定的。

6.根据权利要求4所述的杆，其中所述处理部件还包括用于对所述位置数据以及惯性数据进行时间标记的时间标记部件，并且还包括用于向外部设备递送所获取的数据和/或所述确定的结果的通信部件，并且还包括用于指示要在何时以新的倾斜姿态倾斜所述杆并且用于指示何时已确定了所述地面点的指示器部件。

7.一种通过定位杆进行的地面点位置确定的方法，所述定位杆包括棒和位于所述棒的顶端的位置确定部件，所述棒具有用于放置在待确定的地面点上的底端，所述方法包括初始化阶段，所述初始化阶段包括：

针对至少三个不同的棒倾角，获取顶端参考点的大地坐标和惯性数据；以及

根据所述棒的长度、以及与所述至少三个不同的棒倾角相对应的所获取的大地坐标和惯性数据来确定所述地面点的坐标。

8.根据权利要求7所述的方法，其中所述至少三个不同的棒倾角包括倾斜所述杆的所述顶端，同时针对三个、或至少四个、或优选五个不同的棒倾角保持所述底端固定在相同的地面点上，其中针对三个倾角的情况，每个倾角处的顶端优选地对应于等边三角形的角，其中针对四个倾角的情况，每个倾角处的顶端优选地对应于正方形的角，并且其中针对五个倾角的情况，每个倾角处的顶端优选地对应于正方形的角和正方形的中心点。

9.根据权利要求8所述的方法，包括根据与每个棒倾角相对应的所述惯性数据，将所述杆的所述俯仰角和所述侧倾角分别确定为在x轴和y轴上测量的中等加速度的函数，并且其中所述地面点位置也根据所述俯仰角和所述侧倾角被确定。

10.根据权利要求9所述的方法，包括基于当前俯仰角、当前侧倾角以及先前地面点和当前地面点的大地坐标来确定所述杆的绝对航向角。

11.根据权利要求8所述的方法，还包括纠错机制，所述纠错机制包括估计惯性传感器偏差值并且从所获取的惯性数据值中减去所述惯性传感器偏差值，其中所述偏差值是加速度计偏差值和陀螺仪偏差值。

12.根据权利要求9所述的方法，还包括不利用大地坐标和惯性数据获取的后续操作阶段，其中所述地面点位置是根据先前地面点的坐标来确定的并且跟踪俯仰角、侧倾角和航向角的差异。

13.一种从传统测量杆产生改进的测量杆的方法，所述方法包括利用放置在杆的顶端的根据权利要求1所述的单个位置确定装置替换所述传统杆的所有电子设备。

14.一种计算机程序，包括指令，所述指令一旦在处理器上执行以用于执行根据权利要求7至13中任一项所述的方法步骤。

15.一种计算机可读介质，包括指令，所述指令一旦在处理器上执行以用于执行根据权利要求7至13中任一项所述的方法步骤。