CN109029495B - 一种反向校准仪、校准点坐标的反向校准系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施方式提出了一种反向校准仪、校准点坐标的反向校准系统和方法。水平仪模块，用于保持所述反向校准仪在测试过程中保持水平；测距模块，用于测量反向校准仪放置点与被测量点的距离，所述被测量点包括校准点和参考点，所述参考点包括场地坐标系的坐标原点和位于数轴上的预定点；角度测量模块，用于测量被测量点相对于反向校准仪放置点的方位角和俯仰角；信号处理器，用于计算预定点在场地坐标系中的相对坐标；基于预定点在场地坐标系中的相对坐标计算校准点在场地坐标系中的相对坐标。

Description

一种反向校准仪、校准点坐标的反向校准系统和方法

技术领域

本发明实施方式涉及定位技术领域，更具体地，涉及一种反向校准仪、校准点坐标的反向校准系统和方法。

背景技术

目前常见的定位技术主要包括PPD定位技术、GPS卫星定位、蓝牙定位、WIFI网络定位、北斗定位、GPRS/CDMA移动通讯技术定位等。随着社会的发展，科技的不断进步，人们对定位精度的要求也越来越高。目前基于户外的GPS定位可达十米级，可靠的室内定位也可达到厘米级。

影响定位精度的因素有很多，例如测距、延迟时间检测或者能量衰减检测的准确性和信号发射端参考点的位置精度等等，其中测距、延迟时间或者信号能量检测等影响因素都已被人们深入地研究。

目前，对参考点位置的测量较普遍的方式是人工手动测量，这样势必会带来较大的偏差，这样的偏差必然会给定位或其他应用的精度带来较大的误差。

发明内容

本发明实施方式提出一种反向校准仪、校准点坐标的反向校准系统和方法。

本发明实施方式的具体方案如下：

一种反向校准仪，包括：

水平仪模块，用于保持所述反向校准仪在测试过程中保持水平；

测距模块，用于测量反向校准仪放置点与被测量点的距离，所述被测量点包括校准点和参考点，所述参考点包括场地坐标系的坐标原点和位于数轴上的预定点；

角度测量模块，用于测量被测量点相对于反向校准仪放置点的方位角和俯仰角；

信号处理器，用于基于坐标原点与反向校准仪放置点的距离、坐标原点相对于反向校准仪放置点的方位角、坐标原点相对于反向校准仪放置点的俯仰角、预定点与反向校准仪放置点的距离、预定点相对于反向校准仪放置点的方位角和预定点相对于反向校准仪放置点的俯仰角计算预定点在场地坐标系中的相对坐标；基于预定点在场地坐标系中的相对坐标、坐标原点与反向校准仪放置点的距离、坐标原点相对于反向校准仪放置点的方位角、坐标原点相对于反向校准仪放置点的俯仰角、预定点与反向校准仪放置点的距离、预定点相对于反向校准仪放置点的方位角、预定点相对于反向校准仪放置点的俯仰角、校准点与反向校准仪放置点的距离、校准点相对于反向校准仪放置点的方位角、校准点相对于反向校准仪放置点的俯仰角计算校准点在场地坐标系中的相对坐标。

在一个实施方式中：

信号处理器，还用于获取坐标原点的经纬度坐标和预定点的经纬度坐标；基于坐标原点的经纬度坐标和预定点的经纬度坐标计算场地坐标系的正北数轴与地理正北的夹角；基于所述夹角和校准点在场地坐标系中的相对坐标计算校准点的经纬度坐标。

在一个实施方式中：

预定点在场地坐标系中的相对坐标为(X_B，0，0)，其中：

坐标原点在场地坐标系中的相对坐标为(0，0，0)；坐标原点与反向校准仪放置点的距离为r₀；坐标原点相对于反向校准仪放置点的方位角为θ₀；坐标原点相对于反向校准仪放置点的俯仰角为α₀；预定点与反向校准仪放置点的距离为r_B；预定点相对于反向校准仪放置点的方位角为θ_B；预定点相对于反向校准仪放置点的俯仰角为α_B。

在一个实施方式中：

所述场地坐标系包括Y轴、X轴和Z轴和所述坐标原点、其中Y轴方向为场地朝北，

校准点的经纬度坐标为(W，J)，其中：

R0是地球平均半径；(W1,J1)是坐标原点的经纬度坐标；γ是场地坐标系的朝北数轴与地理正北的夹角；(X，Y)是校准点在场地坐标系中的相对坐标。

一种校准点坐标的反向校准系统，该系统包括：

反向校准仪，用于测量反向校准仪放置点与被测量点的距离、被测量点相对于反向校准仪放置点的方位角和俯仰角，所述被测量点包括校准点和参考点，所述参考点包括场地坐标系的坐标原点和位于数轴上的预定点；基于坐标原点与反向校准仪放置点的距离、坐标原点相对于反向校准仪放置点的方位角、坐标原点相对于反向校准仪放置点的俯仰角、预定点与反向校准仪放置点的距离、预定点相对于反向校准仪放置点的方位角和预定点相对于反向校准仪放置点的俯仰角计算预定点在场地坐标系中的相对坐标；基于预定点在场地坐标系中的相对坐标、坐标原点与反向校准仪放置点的距离、坐标原点相对于反向校准仪放置点的方位角、坐标原点相对于反向校准仪放置点的俯仰角、预定点与反向校准仪放置点的距离、预定点相对于反向校准仪放置点的方位角、预定点相对于反向校准仪放置点的俯仰角、校准点与反向校准仪放置点的距离、校准点相对于反向校准仪放置点的方位角、校准点相对于反向校准仪放置点的俯仰角计算校准点在场地坐标系中的相对坐标；获取坐标原点的经纬度坐标和预定点的经纬度坐标；基于坐标原点的经纬度坐标和预定点的经纬度坐标计算场地坐标系的朝北数轴与地理正北的夹角；基于所述夹角计算校准点的经纬度坐标；

云端数据库，用于从反向校准仪接收校准点的经纬度坐标，并将校准点的经纬度坐标对应标识到预定地图上。

在一个实施方式中：

预定点在场地坐标系中的相对坐标为(X_B，0，0)，其中：

坐标原点在场地坐标系中的相对坐标为(0，0，0)；坐标原点与反向校准仪放置点的距离为r₀；坐标原点相对于反向校准仪放置点的方位角为θ₀；坐标原点相对于反向校准仪放置点的俯仰角为α₀；预定点与反向校准仪放置点的距离为r_B；预定点相对于反向校准仪放置点的方位角为θ_B；预定点相对于反向校准仪放置点的俯仰角为α_B。

在一个实施方式中：

所述场地坐标系包括Y轴、X轴和Z轴和所述坐标原点、其中Y轴方向为场地朝北，

校准点的经纬度坐标为(W，J)，其中：

R0是地球平均半径；(W1,J1)是坐标原点的经纬度坐标；γ是场地坐标系的朝北数轴与地理正北的夹角；(X，Y)是校准点在场地坐标系中的相对坐标。

一种校准点坐标的反向校准方法，包括：

测量反向校准仪放置点与被测量点的距离、被测量点相对于反向校准仪放置点的方位角和俯仰角，所述被测量点包括校准点和参考点，所述参考点包括场地坐标系的坐标原点和位于数轴上的预定点；

基于坐标原点与被测量点的距离、坐标原点相对于反向校准仪放置点的方位角、坐标原点相对于反向校准仪放置点的俯仰角、预定点与反向校准仪放置点的距离、预定点相对于反向校准仪放置点的方位角和预定点相对于反向校准仪放置点的俯仰角计算预定点在场地坐标系中的相对坐标；基于预定点在场地坐标系中的相对坐标、坐标原点与反向校准仪放置点的距离、坐标原点相对于反向校准仪放置点的方位角、坐标原点相对于反向校准仪放置点的俯仰角、预定点与反向校准仪放置点的距离、预定点相对于反向校准仪放置点的方位角、预定点相对于反向校准仪放置点的俯仰角、校准点与被测量点的距离、校准点相对于反向校准仪放置点的方位角、校准点相对于反向校准仪放置点的俯仰角计算校准点在场地坐标系中的相对坐标；

获取坐标原点的经纬度坐标和预定点的经纬度坐标；基于坐标原点的经纬度坐标和预定点的经纬度坐标计算场地坐标系的朝北数轴与地理正北的夹角；基于所述夹角计算校准点的经纬度坐标，并将校准点的经纬度坐标对应标识到预定地图上。

在一个实施方式中：

预定点在场地坐标系中的相对坐标为(X_B，0，0)，其中：

坐标原点在场地坐标系中的相对坐标为(0，0，0)；坐标原点与反向校准仪放置点的距离为r₀；坐标原点相对于反向校准仪放置点的方位角为θ₀；坐标原点相对于反向校准仪放置点的俯仰角为α₀；预定点与反向校准仪放置点的距离为r_B；预定点相对于反向校准仪放置点的方位角为θ_B；预定点相对于反向校准仪放置点的俯仰角为α_B。

在一个实施方式中：

所述场地坐标系包括Y轴、X轴和Z轴和所述坐标原点、其中Y轴方向为场地朝北，

校准点的经纬度坐标为(W，J)，其中：

R0是地球平均半径；(W1,J1)是坐标原点的经纬度坐标；γ是场地坐标系的朝北数轴与地理正北的夹角；(X，Y)是校准点在场地坐标系中的相对坐标。

从上述技术方案可以看出，测距模块，用于测量反向校准仪放置点与被测量点的距离，所述被测量点包括校准点和参考点，所述参考点包括场地坐标系的坐标原点和位于数轴上的预定点；角度测量模块，用于测量被测量点相对于反向校准仪放置点的方位角和俯仰角；信号处理器，用于基于坐标原点与反向校准仪放置点的距离、坐标原点相对于反向校准仪放置点的方位角、坐标原点相对于反向校准仪放置点的俯仰角、预定点与反向校准仪放置点的距离、预定点相对于反向校准仪放置点的方位角和预定点相对于反向校准仪放置点的俯仰角计算预定点在场地坐标系中的相对坐标；基于预定点在场地坐标系中的相对坐标、坐标原点与反向校准仪放置点的距离、坐标原点相对于反向校准仪放置点的方位角、坐标原点相对于反向校准仪放置点的俯仰角、预定点与反向校准仪放置点的距离、预定点相对于反向校准仪放置点的方位角、预定点相对于反向校准仪放置点的俯仰角、校准点与被测量点的距离、校准点相对于反向校准仪放置点的方位角、校准点相对于反向校准仪放置点的俯仰角计算校准点在场地坐标系中的相对坐标。可见，本发明可以精确测量某一环境中某个参考点坐标位置、而且，本发明实施方式可用来校准某场地中任一固定点坐标，并能将该坐标转换成经纬度坐标，这样可以将不同场地中的相对坐标统一到一个GPS地图中，解决了参考点或参考设备参考位置难测量和位置精确不高的难题。

附图说明

图1为根据本发明实施方式反向校准系统结构图。

图2为根据本发明实施方式反向校准仪结构图。

图3为根据本发明实施方式测量原理示意图。

图4为根据本发明实施方式经纬度坐标转换示意图。

图5为根据本发明实施方式反向校准流程图。

图6为根据本发明实施方式反向校准应用示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。

目前的参考点位置选取方法，基本都是通过提前预设，通过人工测量将参考点设置于预设位置，也可通过超声测距，激光测距等方式精确测量参考点到某一点距离，但这些方法都不能直接地得到参考点坐标。并且在难以测量的地方，人工测量的难度大，误差更大。

为解决参考点坐标的测量误差，本发明提出了一种反向校准技术方案，能够自动校准需要被校准的参考点坐标，并进一步将校准后的参考点坐标发送给云端数据库，还可以将该校准后的坐标转换成GPS坐标，实现将相对坐标对应到GPS地图中。本发明提出的反向校准技术方案可以精确测量某一环境中某个参考点坐标位置。而且，本发明还提出将相对坐标转换成GPS坐标的方法。

本发明提出的反向校准系统包括：反向校准仪和云端数据库。具体地，反向校准仪包括：水平仪模块、测距模块、角度测量模块和信号处理器。水平仪模块包括水平仪和三角架，通过水平仪调节三角架高度使得反向校准仪在测量点保持绝对水平；测距模块用于测量校准仪放置点到被测量点距离r，该距离可通过激光、超声等方式测量获得；角度测量模块用于测量校准仪放置点到被测量点的方位角θ和俯仰角

其中方位角是被测量点在正北方向顺时针旋转到校准仪放置点处的角度；俯仰角是被测量点到水平仪放置点的垂直夹角。信号处理器根据测距模块所得到的校准仪测量点到被测量点距离r，和校准仪测量点到被测量点的方位角θ和俯仰角

计算被测量点的相对坐标，该被测量点包括校准点和其它参考点，该参考点至少包括场地坐标系原点和任意数轴上一点。信号处理器还可以将相对坐标转换成GPS坐标。并将该校准后的相对坐标和GPS坐标发送给云端数据库。可以在场地内校准点布置被校准设备。该被校准设备可以是电子设备、机械设备等设备。云端数据库存储地图并用来接收校准仪发送的校准坐标，将校准后GPS坐标对应到GPS地图中供智能终端下载应用。

图1为根据本发明实施方式反向校准系统结构图。如图1所示，该系统包括：

反向校准仪，用于测量反向校准仪放置点与被测量点的距离、被测量点相对于反向校准仪放置点的方位角和俯仰角，所述被测量点包括校准点和参考点，所述参考点包括场地坐标系的坐标原点和位于数轴上的预定点；基于坐标原点与反向校准仪放置点的距离、坐标原点相对于反向校准仪放置点的方位角、坐标原点相对于反向校准仪放置点的俯仰角、预定点与反向校准仪放置点的距离、预定点相对于反向校准仪放置点的方位角和预定点相对于反向校准仪放置点的俯仰角计算预定点在场地坐标系中的相对坐标；基于预定点在场地坐标系中的相对坐标、坐标原点与反向校准仪放置点的距离、坐标原点相对于反向校准仪放置点的方位角、坐标原点相对于反向校准仪放置点的俯仰角、预定点与反向校准仪放置点的距离、预定点相对于反向校准仪放置点的方位角、预定点相对于反向校准仪放置点的俯仰角、校准点与反向校准仪放置点的距离、校准点相对于反向校准仪放置点的方位角、校准点相对于反向校准仪放置点的俯仰角计算校准点在场地坐标系中的相对坐标；获取坐标原点的经纬度坐标和预定点的经纬度坐标；基于坐标原点的经纬度坐标和预定点的经纬度坐标计算场地坐标系的朝北数轴与地理正北的夹角；基于所述夹角计算校准点的经纬度坐标；

云端数据库，用于从反向校准仪接收校准点的经纬度坐标，并将校准点的经纬度坐标对应标识到预定地图上。

在一个实施方式中：预定点在场地坐标系中的相对坐标为(X_B，0，0)，其中：

坐标原点在场地坐标系中的相对坐标为(0，0，0)；坐标原点与反向校准仪放置点距离为r₀；坐标原点相对于反向校准仪放置点的方位角为θ₀；坐标原点相对于反向校准仪放置点的俯仰角为α₀；预定点与反向校准仪放置点的距离为r_B；预定点相对于反向校准仪放置点的方位角为θ_B；预定点相对于反向校准仪放置点的俯仰角为α_B。

在一个实施方式中：所述场地坐标系包括Y轴、X轴和Z轴和所述坐标原点、其中Y轴方向为场地朝北，校准点的经纬度坐标为(W，J)，其中：

R₀是地球平均半径；(W1,J1)是坐标原点的经纬度坐标；γ是场地坐标系的朝北数轴与地理正北的夹角；(X，Y)是校准点在场地坐标系中的相对坐标。

图2为根据本发明实施方式反向校准仪结构图。如图2所示，反向校准仪包括：水平仪模块，用于保持所述反向校准仪在测试过程中保持水平；测距模块，用于测量反向校准仪放置点与被测量点的距离，所述被测量点包括校准点和参考点，所述参考点包括场地坐标系的坐标原点和位于数轴上的预定点；角度测量模块，用于测量被测量点相对于反向校准仪放置点的方位角和俯仰角；信号处理器，用于基于坐标原点与反向校准仪放置点的距离、坐标原点相对于反向校准仪放置点的方位角、坐标原点相对于反向校准仪放置点的俯仰角、预定点与反向校准仪放置点的距离、预定点相对于反向校准仪放置点的方位角和预定点相对于反向校准仪放置点的俯仰角计算预定点在场地坐标系中的相对坐标；基于预定点在场地坐标系中的相对坐标、坐标原点与反向校准仪放置点的距离、坐标原点相对于反向校准仪放置点的方位角、坐标原点相对于反向校准仪放置点的俯仰角、预定点与反向校准仪放置点的距离、预定点相对于反向校准仪放置点的方位角、预定点相对于反向校准仪放置点的俯仰角、校准点与反向校准仪放置点的距离、校准点相对于反向校准仪放置点的方位角、校准点相对于反向校准仪放置点的俯仰角计算校准点在场地坐标系中的相对坐标。

优选的，信号处理器，还用于获取坐标原点的经纬度坐标和预定点的经纬度坐标；基于坐标原点的经纬度坐标和预定点的经纬度坐标计算场地坐标系的朝北数轴与地理正北的夹角；基于所述夹角和校准点在场地坐标系中的相对坐标计算校准点的经纬度坐标。

图2所示的反向校准仪还可以进一步包含通信模块。通信模块用于向云端数据库发送校准点的经纬度坐标。

优选的，预定点在场地坐标系中的相对坐标为(X_B，0，0)，其中：

坐标原点在场地坐标系中的相对坐标为(0，0，0)；坐标原点与反向校准仪放置点的距离为r₀；坐标原点相对于反向校准仪放置点的方位角为θ₀；坐标原点相对于反向校准仪放置点的俯仰角为α₀；预定点与反向校准仪放置点的距离为r_B；预定点相对于反向校准仪放置点的方位角为θ_B；预定点相对于反向校准仪放置点的俯仰角为α_B。

在一个实施方式中，所述场地坐标系包括Y轴、X轴和Z轴和所述坐标原点、其中Y轴方向为场地朝北，校准点的经纬度坐标为(W，J)，其中：

R₀是地球平均半径；(W1,J1)是坐标原点的经纬度坐标；γ是场地坐标系的朝北数轴与地理正北的夹角；(X，Y)是校准点在场地坐标系中的相对坐标。

上述计算夹角的过程包括：利用O、B两点经纬度坐标，计算长度OB在纬度方向(正东)和经度方向(正北)的投影S1、S2；根据S1、S2的正负关系，利用反正切函数求得OY轴与正北的夹角γ。

下面具体描述反向校准系统的工作原理。

图1所示的校准系统可用来校准室内任一固定点坐标，在校准之前需设定该场地内统一坐标系，用来测量校准点场地内的位置坐标。在设立场地坐标系的过程中，选定场地朝北方向为Y轴，这样根据O-Y轴与地理正北夹角可将场地相对坐标转换成GPS坐标。本发明所提出的校准方法，测距精度可达1mm，同点测量水平方位角和俯仰角，精度可达0.1°，校准距离在10m范围内校准精度可达1cm。

校准系统具体的技术要点如下：

(1)、校准点相对坐标计算

在校准点坐标计算中，需要预设场地坐标系，为了方便计算可选定一个固定点为坐标原点，场地朝北方向为Y轴，与Y轴分别垂直的两个方向为X轴和Z轴构成X-Y-Z场地坐标系。在校准过程中需要测量校准仪测量点到被测量点的距离r、方位角θ和俯仰角θ。以坐标原点O点和X轴上的B点为例，记O点测量参数为(r_O，θ_O，α_O)，B点测量参数为(r_B，θ_B，α_B)。

图3为根据本发明实施方式测量原理示意图。

如图3所示，选取场地坐标原点O和OX轴上一点B为参考点，校准点相对坐标计算算法如下：

O点相对坐标：(0，0，0)为已知；O点测量参数：(r_O，θ_O，α_O)为测量值；B点相对坐标：(x_B，0，0)为未知数；B点测量参数：(r_B，θ_B，α_B)为测量值；校准点C相对坐标：(Xc，Yc，Zc)为未知数；校准点测量参数：(rc，θc，αc)为测量值。

第一步：测量O点距测量点A处的距离rO，O点相对于A点的方位角θ_O，O点相对于A点的俯仰角α_O；测量B点距测量点A处的距离r_B，B点相对于A点的方位角θ_B，B点相对于A点的俯仰角α_B；测量校准点C距测量点A处的距离rc，校准点C相对于A点的方位角θc，被校准C点相对于A点的俯仰角αc。

第二步：根据O点相对坐标和O点、B点测量值，由余弦定理计算B点相对坐标中x_B的值，设参考点O坐标为(0，0，0)，B点位置为(X_B，0，0)，其中：

第三步：根据O点、B点、被校准C点相对于A点测量值和B点相对坐标，计算校准点C的相对坐标(X_c，Y_c，Z_c)。设O点测量参数为(r_O，θ_O，α_O),B点测量参数为(r_B，θ_B，α_B),校准点C的测量参数为(rc,θc，αc)，B点相对坐标为(X_B，0，0)，同样根据余弦定理分别计算出校准点C的相对坐标中的X_c，Y_c，Z_c的值。

举例：

根据O点、B点测量参数(r_O，θ_O，α_O)(r_B，θ_B，α_B)和B点坐标(x_B，0，0)，计算出

根据O点和C点测量参数(r_O，θ_O，α_O)(r_c，θ_c，α_c)可计算出：

由此可得出：

其中由于测量点A所在位置不同，所测得的方位角的角度也不同，导致∠A’OC’的值互为相反数。测量点A在X-Y构成的象限中的第一、二象时C的坐标(Xc，Yc，Zc)为：

X_c＝oc'·cos(∠A'OC'+∠A'OB)

Y_c＝oc'·sin(∠A'OC'+∠A'OB)

Z_c＝sinα_Cr_C-sinα_or_O

测量点A在X-Y构成的象限中的第三、四象限时C的坐标(Xc，Yc，Zc)为

X_c＝oc'·cos(∠A'OC'+∠A'OB)

Y_c＝-oc'·sin(∠A'OC'+∠A'OB)

Z_c＝sinα_Cr_C-sinα_Or_O

然后，可以得到校准点C的相对坐标(X_c，Y_c，Z_c)。

(2)、坐标转换计算

上述步骤计算出校准点C的相对坐标(X_c，Y_c，Z_c)，这个坐标只是相对于预设的场地坐标系X-Y-Z中的相对坐标，不同场地中的预设坐标系是不同的，怎样将不同场地中的相对坐标对应到同一个坐标系中，本发明提出，从百度地图中拾取参考点O和B的经纬度坐标，通过坐标转换算法将预设场地坐标系下的相对坐标转换成统一的GPS坐标。

图4为根据本发明实施方式经纬度坐标转换示意图。场地坐标系原点O经纬度坐标：(W1，J1)为已知；OX轴方向上一点B经纬度坐标：(W2，J2)为已知；校准点C的经纬度坐标：(W,J)为未知；校准点C的相对坐标：(X_c，Y_c，Z_c)为已知；地球平均半径：R0是常数为6.371*10⁶m；计算O-Y轴与地理正北夹角：γ为未知；

根据上述条件校准点C的经纬度坐标转换算法如下：

第一步：在地图软件(比如，百度地图)上得出的O点、OX轴方向上一点B的经纬度坐标(W1，J1)、(W2，J2)计算O-Y轴与地理正北夹角γ。通过O、B两点的经纬度坐标值，计算得到OY轴与正北的夹角的过程包括：利用O、B两点经纬度坐标，计算长度OB在纬度方向(正东)和经度方向(正北)的投影S1、S2；根据S1、S2的正负关系，利用反正切函数求得OY轴与正北的夹角γ。

第二步：根据O-Y轴与地理正北夹角γ将场地坐标系下的x，y坐标，转换到地理坐标下x’,y’

第三步：根据地理坐标下C点坐标(x’，y’)和O点经纬度坐标(W1，J1)之，计算C点经纬度坐标

其中W,J就是校准点经纬度坐标(W,J)。

上述校准后的经纬度坐标可以通过校准仪发送到云端数据库，云端数据库可以将该坐标对应到GPS地图中，实现不同场地中的被测量点统一显示于GPS地图中。该坐标转换方法可以用于场所中任一相对坐标的坐标转换。

基于上述描述，本发明还提出了一种校准点坐标的反向校准方法。该方法包括：测量反向校准仪放置点与被测量点的距离、被测量点相对于反向校准仪放置点的方位角和俯仰角，所述被测量点包括校准点和参考点，所述参考点包括场地坐标系的坐标原点和位于数轴上的预定点；基于坐标原点与反向校准仪放置点的距离、坐标原点相对于反向校准仪放置点的方位角、坐标原点相对于反向校准仪放置点的俯仰角、预定点与反向校准仪放置点的距离、预定点相对于反向校准仪放置点的方位角和预定点相对于反向校准仪放置点的俯仰角计算预定点在场地坐标系中的相对坐标；基于预定点在场地坐标系中的相对坐标、坐标原点与反向校准仪放置点的距离、坐标原点相对于反向校准仪放置点的方位角、坐标原点相对于反向校准仪放置点的俯仰角、预定点与反向校准仪放置点的距离、预定点相对于反向校准仪放置点的方位角、预定点相对于反向校准仪放置点的俯仰角、校准点与反向校准仪放置点的距离、校准点相对于反向校准仪放置点的方位角、校准点相对于反向校准仪放置点的俯仰角计算校准点在场地坐标系中的相对坐标；获取坐标原点的经纬度坐标和预定点的经纬度坐标；基于坐标原点的经纬度坐标和预定点的经纬度坐标计算场地坐标系的正北数轴与地理正北的夹角；基于所述夹角计算校准点的经纬度坐标，并将校准点的经纬度坐标对应标识到预定地图上。

在一个实施方式中：预定点在场地坐标系中的相对坐标为(X_B，0，0)，其中：

坐标原点在场地坐标系中的相对坐标为(0，0，0)；坐标原点与反向校准仪放置点的距离为r₀；坐标原点相对于反向校准仪放置点的方位角为θ₀；坐标原点相对于反向校准仪放置点的俯仰角为α₀；预定点与反向校准仪放置点的距离为r_B；预定点相对于反向校准仪放置点的方位角为θ_B；预定点相对于反向校准仪放置点的俯仰角为α_B。

坐标原点相对坐标：(0，0，0)；坐标原点的测量参数为：(r₀，θ₀，α₀)；坐标轴上参考点的测量参数为：(r_B，θ_B，α_B)。

在一个实施方式中：所述场地坐标系包括Y轴、X轴和Z轴和所述坐标原点、其中Y轴方向为场地朝北，

校准点的经纬度坐标为(W，J)，其中：

R₀是地球平均半径；(W1,J1)是坐标原点的经纬度坐标；γ是场地坐标系的朝北数轴与地理正北的夹角；(X，Y)是校准点在场地坐标系中的相对坐标。

图5为根据本发明实施方式反向校准流程图。本发明的反向校准方法可以用来校准场所中任一固定点坐标，该校准可以应用在很多方面，例如机器人路径规划、智能仓储、室内定位等领域。以室内定位为例，具体说明该校准系统和方法的实施方式。在上述室内定位中，需要有至少四个信号发射器和至少一个信号接收器,该信号接收器可集成在被定为设备中。每个信号发射器都安装在室内某个固定位置，信号接收器接收信号发生器所发送的定位信号，从而得出信号接收器到各个信号发射器之间的距离Li。根据各个信号发射器的参考坐标和距离Li，通过三点定位算法就可得出信号接收端所在物体的位置。本发明的反向校准方法就可用于信号发射端参考坐标的校准，提高被定位物体的定位精度。

下面描述本发明实施方式的示范性应用。图6为根据本发明实施方式反向校准应用示意图。在图6中：01为某室内场地；02为某场地中天花板；03为云端数据库；04为室内地面；05为反向校准仪；06为被定位设备；07、08、09、10为：定位信号发射端即被校准设备。具体实施步骤包括：

第一步：在室内01的02位置处安装定位信号发射端，并设立01的室内坐标系X-Y-Z。

第二步：设立室内场地01的室内坐标系X-Y-Z，设立云端数据库，云端数据库中存储有室内地图、百度地图以及各个信号发射端ID等信息。

第三步：反向校准仪05放置室内地面04上，根据反向校准仪05中的水平仪和三角架调节水平，使得水平仪在地面的测量点绝对水平。

第四步：反向校准仪05中的信号处理器计算校准点相对坐标(x,y,z)。具体包括：

(4.1)、旋转校准仪使其对准坐标系X-Y-Z中原点O测量O点测量参数(rO，θO，αO)，旋转校准仪使其对准坐标系X-Y-Z中0X轴是上一点B，测量B点测量参数(rB，θB，αB)，旋转校准仪使其对准校准点信号发射器07所在位置，测量校准点测量参数(r1，θ1，α1)；

(4.2)、根据O点相对坐标和O点、B点测量值，由余弦定理计算B点相对坐标中X_B的值，设参考点O坐标为(0，0，0)，B点位置为(X_B，0，0)

(4.3)、根据O点、B点、被校准的信号发射端放置点测量参数和B点相对坐标，计算被校准的信号发射端的相对坐标

(4.4)、根据第三步中计算得出的x,y,z的值得出被校准设备定位信号发射端07的相对坐标(x1，y1，z1)并将该坐标发送到云端数据库，云端数据库根据存储列表或被校准设备ID存储被校准设备的相对坐标。

第五步：重复第四步，以校准定位发射器08、09、10的相对坐标(x2,y2,z2),(x3,y3,z3),(x4,y4,z4)。

第六步：根据定位信号发射端07、08、09、10发送的定位信号，计算各个信号发射端到被定位设备之间的距离L1、L2、L3、L4。

第七步：根据定位信号发射端07相对坐标(x1，y1，z1)、定位信号发射端08相对坐标(x2,y2,z2)、定位信号发射端09相对坐标(x3,y3,z3)、定位信号发射端10相对坐标(x4,y4,z4)和定位信号发射器07、08、09、10分别到被定位设备06的距离L1、L2、L3和L4，计算被定位设备06的相对坐标(x,y,z)。

计算过程包括：

其中r0为定位信号发射端到定位信号接收端时钟不同步所导致的距离误差。

第八步：将第七步中被定位设备06的相对坐标转换成GPS坐标，具体包括：

(8.1)、被定位设备06从云端获取在百度地图上得出的O点、OX轴方向上一点B的经纬度坐标(W1，J1)、(W2，J2)计算O-Y轴与地理正北夹角γ。

(8.2)、根据O-Y轴与地理正北夹角γ将场地坐标系下的x，y坐标，转换到地理坐标下x’,y’

(8.3)、根据地理坐标下被定位设备坐标(x’，y’)和O点经纬度坐标(W1，J1)，计算被定位设备经纬度坐标：

其中W,J就是被定位设备经纬度坐标(W,J)。

第九步：被定位设备06将相对坐标(x,y,z)和经纬度坐标(W,J)发送到云端数据库，云端数据库分别将相对坐标对应到室内地图，经纬度坐标对应到GPS地图中。

上述实施步骤为以室内定位为例的反向校准方法的应用，在该过程中将被定位设备的相对坐标转换成经纬度坐标，其转换原理与上述坐标转换中将校准点的相对坐标转换成经纬度坐标的原理一样。在实施定位之前反向校准各个定位信号发射端的坐标，可以提高被定位设备的定位精度，本发明所提出的反向定位技术的在10m测量范围内，校准误差可控制在1cm范围内。本发明所提出的反向定位技术可用来校准某场地中任一固定点坐标，并能将该坐标转换成经纬度坐标，这样可以将不同场地中的相对坐标统一到一个GPS地图中。该方法解决了参考点或参考设备参考位置难测量和位置精确不高的难题。

综上所述，在本发明实施方式中，测距模块，用于测量反向校准仪放置点与被测量点的距离，所述被测量点包括校准点和参考点，所述参考点包括场地坐标系的坐标原点和位于数轴上的预定点；角度测量模块，用于测量被测量点相对于反向校准仪放置点的方位角和俯仰角；信号处理器，用于基于坐标原点与反向校准仪放置点的距离、坐标原点相对于反向校准仪放置点的方位角、坐标原点相对于反向校准仪放置点的俯仰角、预定点与反向校准仪放置点的距离、预定点相对于反向校准仪放置点的方位角和预定点相对于反向校准仪放置点的俯仰角计算预定点在场地坐标系中的相对坐标；基于预定点在场地坐标系中的相对坐标、坐标原点与反向校准仪放置点的距离、坐标原点相对于反向校准仪放置点的方位角、坐标原点相对于反向校准仪放置点的俯仰角、预定点与反向校准仪放置点的距离、预定点相对于反向校准仪放置点的方位角、预定点相对于反向校准仪放置点的俯仰角、校准点与反向校准仪放置点的距离、校准点相对于反向校准仪放置点的方位角、校准点相对于反向校准仪放置点的俯仰角计算校准点在场地坐标系中的相对坐标。可见，本发明可以精确测量某一环境中某个参考点坐标位置、而且，本发明实施方式可用来校准某场地中任一固定点坐标，并能将该坐标转换成经纬度坐标，这样可以将不同场地中的相对坐标统一到一个GPS地图中，解决了参考点或参考设备参考位置难测量和位置精确不高的难题。

而且，还可以将本发明实施方式应用到各种终端中，适用范围非常广泛。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种反向校准仪，其特征在于，包括：

水平仪模块，用于保持所述反向校准仪在测试过程中保持水平；

测距模块，用于测量反向校准仪放置点与被测量点的距离，所述被测量点包括校准点和参考点，所述参考点包括场地坐标系的坐标原点和位于数轴上的预定点；

角度测量模块，用于测量被测量点相对于反向校准仪放置点的方位角和俯仰角；

信号处理器，用于基于坐标原点与反向校准仪放置点的距离、坐标原点相对于反向校准仪放置点的方位角、坐标原点相对于反向校准仪放置点的俯仰角、预定点与反向校准仪放置点的距离、预定点相对于反向校准仪放置点的方位角和预定点相对于反向校准仪放置点的俯仰角计算预定点在场地坐标系中的相对坐标；基于预定点在场地坐标系中的相对坐标、坐标原点与反向校准仪放置点的距离、坐标原点相对于反向校准仪放置点的方位角、坐标原点相对于反向校准仪放置点的俯仰角、预定点与反向校准仪放置点的距离、预定点相对于反向校准仪放置点的方位角、预定点相对于反向校准仪放置点的俯仰角、校准点与反向校准仪放置点的距离、校准点相对于反向校准仪放置点的方位角、校准点相对于反向校准仪放置点的俯仰角计算校准点在场地坐标系中的相对坐标；

其中预定点在场地坐标系中的相对坐标为(X_B，0，0)，其中：

坐标原点在场地坐标系中的相对坐标为(0，0，0)；坐标原点与反向校准仪放置点的距离为r₀；坐标原点相对于反向校准仪放置点的方位角为θ₀；坐标原点相对于反向校准仪放置点的俯仰角为α₀；预定点与反向校准仪放置点的距离为r_B；预定点相对于反向校准仪放置点的方位角为θ_B；预定点相对于反向校准仪放置点的俯仰角为α_B。

2.根据权利要求1所述的反向校准仪，其特征在于，

信号处理器，还用于获取坐标原点的经纬度坐标和预定点的经纬度坐标；基于坐标原点的经纬度坐标和预定点的经纬度坐标计算场地坐标系的朝北数轴与地理正北的夹角；基于所述夹角和校准点在场地坐标系中的相对坐标计算校准点的经纬度坐标。

3.根据权利要求1所述的反向校准仪，其特征在于，所述场地坐标系包括Y轴、X轴和Z轴和所述坐标原点、其中Y轴方向为场地朝北，校准点的经纬度坐标为(W，J)，其中：

R0是地球平均半径；(W1,J1)是坐标原点的经纬度坐标；γ是场地坐标系的正北数轴与地理正北的夹角；(X，Y)是校准点在场地坐标系中的相对坐标。

4.一种校准点坐标的反向校准系统，其特征在于，该系统包括：

反向校准仪，用于测量反向校准仪放置点与被测量点的距离、被测量点相对于反向校准仪放置点的方位角和俯仰角，所述被测量点包括校准点和参考点，所述参考点包括场地坐标系的坐标原点和位于数轴上的预定点；基于坐标原点与反向校准仪放置点的距离、坐标原点相对于反向校准仪放置点的方位角、坐标原点相对于反向校准仪放置点的俯仰角、预定点与反向校准仪放置点的距离、预定点相对于反向校准仪放置点的方位角和预定点相对于反向校准仪放置点的俯仰角计算预定点在场地坐标系中的相对坐标；基于预定点在场地坐标系中的相对坐标、坐标原点与反向校准仪放置点的距离、坐标原点相对于反向校准仪放置点的方位角、坐标原点相对于反向校准仪放置点的俯仰角、预定点与被测量点的距离、预定点相对于反向校准仪放置点的方位角、预定点相对于反向校准仪放置点的俯仰角、校准点与反向校准仪放置点的距离、校准点相对于反向校准仪放置点的方位角、校准点相对于反向校准仪放置点的俯仰角计算校准点在场地坐标系中的相对坐标；获取坐标原点的经纬度坐标和预定点的经纬度坐标；基于坐标原点的经纬度坐标和预定点的经纬度坐标计算场地坐标系的正北数轴与地理正北的夹角；基于所述夹角计算校准点的经纬度坐标；

云端数据库，用于从反向校准仪接收校准点的经纬度坐标，并将校准点的经纬度坐标对应标识到预定地图上；

其中预定点在场地坐标系中的相对坐标为(X_B，0，0)，其中：

坐标原点在场地坐标系中的相对坐标为(0，0，0)；坐标原点与反向校准仪放置点的距离为r₀；坐标原点相对于反向校准仪放置点的方位角为θ₀；坐标原点相对于反向校准仪放置点的俯仰角为α₀；预定点与反向校准仪放置点的距离为r_B；预定点相对于反向校准仪放置点的方位角为θ_B；预定点相对于反向校准仪放置点的俯仰角为α_B。

5.根据权利要求4所述的校准点坐标的反向校准系统，其特征在于，

所述场地坐标系包括Y轴、X轴和Z轴和所述坐标原点、其中Y轴方向为场地朝北，

校准点的经纬度坐标为(W，J)，其中：

R0是地球平均半径；(W1,J1)是坐标原点的经纬度坐标；γ是场地坐标系的朝北数轴与地理正北的夹角；(X，Y)是校准点在场地坐标系中的相对坐标。

6.一种校准点坐标的反向校准方法，其特征在于，包括：

测量反向校准仪放置点与被测量点的距离、被测量点相对于反向校准仪放置点的方位角和俯仰角，所述被测量点包括校准点和参考点，所述参考点包括场地坐标系的坐标原点和位于数轴上的预定点；

基于坐标原点与反向校准仪放置点的距离、坐标原点相对于反向校准仪放置点的方位角、坐标原点相对于反向校准仪放置点的俯仰角、预定点与反向校准仪放置点的距离、预定点相对于反向校准仪放置点的方位角和预定点相对于反向校准仪放置点的俯仰角计算预定点在场地坐标系中的相对坐标；基于预定点在场地坐标系中的相对坐标、坐标原点与反向校准仪放置点的距离、坐标原点相对于反向校准仪放置点的方位角、坐标原点相对于反向校准仪放置点的俯仰角、预定点与反向校准仪放置点的距离、预定点相对于反向校准仪放置点的方位角、预定点相对于反向校准仪放置点的俯仰角、校准点与反向校准仪放置点的距离、校准点相对于反向校准仪放置点的方位角、校准点相对于反向校准仪放置点的俯仰角计算校准点在场地坐标系中的相对坐标；

获取坐标原点的经纬度坐标和预定点的经纬度坐标；基于坐标原点的经纬度坐标和预定点的经纬度坐标计算场地坐标系的正北数轴与地理正北的夹角；基于所述夹角计算校准点的经纬度坐标，并将校准点的经纬度坐标对应标识到预定地图上；

其中预定点在场地坐标系中的相对坐标为(X_B，0，0)，其中：

坐标原点在场地坐标系中的相对坐标为(0，0，0)；坐标原点与反向校准仪放置点的距离为r₀；坐标原点相对于反向校准仪放置点的方位角为θ₀；坐标原点相对于反向校准仪放置点的俯仰角为α₀；预定点与反向校准仪放置点的距离为r_B；预定点相对于反向校准仪放置点的方位角为θ_B；预定点相对于反向校准仪放置点的俯仰角为α_B。

7.根据权利要求6所述的校准点坐标的反向校准方法，其特征在于，

所述场地坐标系包括Y轴、X轴和Z轴和所述坐标原点、其中Y轴方向为场地朝北，

校准点的经纬度坐标为(W，J)，其中：

R0是地球平均半径；(W1,J1)是坐标原点的经纬度坐标；γ是场地坐标系的朝北数轴与地理正北的夹角；(X，Y)是校准点在场地坐标系中的相对坐标。

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