CN110567489B - 角度交会测量系统的动态误差的获取方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供的一种角度交会测量系统的动态误差的获取方法及系统，包括：获取角度交会测量系统输出的待测目标的测量坐标；根据各测站的位置、各测站输出的观测角、各测站之间的时间同步误差以及待测目标的运动速度，得出第一测站完成测量时待测目标的理论坐标；根据测量坐标和理论坐标，得到时间同步误差引起的动态误差；根据各测站的观测角误差和角度交互测量系统的观测角误差传播矩阵，得到观测角误差引起的动态误差；根据时间同步误差引起的动态误差和观测角误差引起的动态误差，得到测量系统的动态误差。该方案从动态误差产生的源头进行误差分析，并利用测量系统的测量原理对应的几何关系来计算动态误差，更全面有效。

Description

角度交会测量系统的动态误差的获取方法及系统

技术领域

本发明涉及大尺寸动态测量技术领域，尤其涉及一种角度交会测量系统的动态误差的获取方法及系统。

背景技术

基于角度交会法的测量系统是一种以空间中角度观测量为基础构成的高精度整体测量网络，适用于大尺寸空间测量定位。随着自动化技术、通信技术和计算机技术的蓬勃发展，高精度、实时性坐标测量越来越普遍的用于大型装备制造业中。

角度交会测量系统一般包括解算工作站和至少两个测站，其测量原理为：每个测站在测得被测目标点时输出两个观测角数据，该两个观测角数据分别为目标点相对于测站的水平观测角和垂直观测角，解算工作站根据至少两个测站输出的观测角数据，以及各测站之间的几何约束关系即可解算出被测目标点的三维坐标。

现有技术中对角度交会测量系统的动态误差分析方法主要有测量数据处理及理论分析两种，但研究对象都是基于特定的测量系统，且考虑的影响系统动态误差的误差源不够全面，方法适用性差。因此，亟需一种基于理论分析层面充分考虑误差影响因素且适用于角度交会测量系统的动态误差获取方法。

发明内容

本发明实施例提供了一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的角度交会测量系统的动态误差的获取方法及系统。

第一方面本发明实施例提供了一种角度交会测量系统的动态误差的获取方法，包括：

在一个测量周期内，获取角度交会测量系统输出的待测目标的测量坐标、各测站输出的观测角以及所述各测站的观测角误差；

根据所述各测站的位置、所述各测站输出的观测角、所述各测站之间的时间同步误差以及所述待测目标的运动速度，得出第一测站完成测量时所述待测目标的理论坐标；所述第一测站为在所述测量周期内最后完成测量的测站；

根据所述测量坐标和所述理论坐标，得到所述角度交会测量系统的时间同步误差引起的动态误差；并根据所述各测站的观测角误差和所述角度交会测量系统的观测角误差传播矩阵，得到所述角度交会测量系统的观测角误差引起的动态误差；

根据所述时间同步误差引起的动态误差和所述观测角误差引起的动态误差，得到所述角度交会测量系统的动态误差。

可选地，所述根据所述各测站的位置、所述各测站的观测角、所述各测站之间的时间同步误差以及所述待测目标的运动速度，得出第一测站完成测量时所述待测目标的理论坐标，具体包括：

根据所述待测目标的运动轨迹方程，获取从第二测站完成测量的时刻到所述第一测站完成测量的时刻之间所述待测目标的速度；其中，所述第二测站为所述各测站中不同于所述第一测站的其他测站；

根据所述第一测站的位置和所述第二测站的位置、所述第一测站输出的观测角和第二测站输出的观测角、所述第一测站和所述第二测站的时间同步误差、以及所述待测目标在从所述第二测站完成测量的时刻到所述第一测站完成测量的时刻之间的速度，得出所述第一测站完成测量时所述待测目标的理论坐标。

可选地，所述各测站之间的时间同步误差服从正态分布。

可选地，所述根据所述测量坐标和所述理论坐标，得到所述角度交会测量系统的时间同步误差引起的动态误差，具体包括：

获取所述测量坐标和所述理论坐标的欧式距离，即得到所述时间同步误差引起的动态误差。

可选地，所述获取所述各测站的观测角误差，具体包括：

通过对角度交会系统标定获取所述各测站的观测角误差。

可选地，所述角度交会测量系统的观测角误差传播矩阵通过以下方式获得：

对所述角度交会测量系统的测量原理对应的数学表达式进行泰勒级数展开得到所述误差传播矩阵。

可选地，所述根据所述时间同步误差引起的动态误差和所述观测角误差引起的动态误差，得到所述角度交会测量系统的动态误差，具体包括：

获取所述时间同步误差引起的动态误差和所述观测角误差引起的动态误差的均方根，及得到所述角度交会测量系统的动态误差。

第二方面，本发明实施例提供了一种角度交会测量系统的动态误差的获取系统，包括：

第一模块，用于在一个测量周期内，获取角度交会测量系统输出的待测目标的测量坐标、各测站输出的观测角以及所述各测站的观测角误差；

第二模块，用于根据所述各测站的位置、所述各测站输出的观测角、所述各测站之间的时间同步误差以及所述待测目标的运动速度，得出第一测站完成测量时所述待测目标的理论坐标；所述第一测站为在所述测量周期内最后完成测量的测站；

第三模块，用于根据所述测量坐标和所述理论坐标，得到所述角度交会测量系统的时间同步误差引起的动态误差；并根据所述各测站的观测角误差和所述角度交会测量系统的观测角误差传播矩阵，得到所述角度交会测量系统的观测角误差引起的动态误差；

第四模块，用于根据所述时间同步误差引起的动态误差和所述观测角误差引起的动态误差，得到所述角度交会测量系统的动态误差。

本发明实施例提供的一种角度交会测量系统的动态误差的获取方法及系统，分别获取了角度交会测量系统在测量过程中由待测目标运动引起的动态误差和由观测角误差引起的动态误差，再由时间同步误差引起的动态误差和观测角误差引起的动态误差得到测量系统的总的动态误差，该方案从动态误差产生的源头进行误差分析，并利用测量系统的测量原理对应的几何关系来计算动态误差，准确性更高，且具有更好的实用性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种角度交会测量系统的动态误差的获取方法的流程图；

图2为本发明实施例中一种角度交会测量系统的示意图；

图3为本发明实施例中获取理论坐标的原理示意图；

图4为本发明实施例提供的一种角度交会测量系统的动态误差的获取系统的结构框图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

角度交会测量系统在对运动物体进行测量时，一方面，多个测站由于各自参数的区别，每个测站完成测量并不在同一时刻，即相较于选定的基准时间来说，各测站存在时间同步误差，由于该时间同步误差的存在，每个测站完成测量时，待测物体的位置也不相同；另一方面，每个测站在测量待测目标的观测角时，所测得的观测角与真实值之间也存在误差，现有技术中测量系统输出的待测目标的测量坐标的解算原理中也没有考虑这一问题。即现有技术在误差分析时考虑的不够全面。

针对上述问题，本发明实施例综合考虑了测量过程中被测目标运动造成的各测站间的时间同步误差即各测站的观测角误差，提出了一种角度交会测量系统的动态误差的获取方法。

图1为本发明实施例提供的一种角度交会测量系统的动态误差的获取方法的流程图，如图1所示，包括：

S101，在一个测量周期内，获取角度交会测量系统输出的待测目标的测量坐标、各测站输出的观测角以及所述各测站的观测角误差。

其中，一个测量周期是指测量系统中所有测站都完成对待测目标的测量，并输出对应的观测角，一个测量周期结束后，测量系统输出一个坐标值，即测量坐标。各测站输出的观测角时都会输出对应的测量时刻，且一般不同测站的测量时刻并不相同。测站输出的观测角是待测物体相对于测站的角度，一般可以分为水平方向的观测角和竖直方向的观测角。

S102，根据所述各测站的位置、所述各测站输出的观测角、所述各测站之间的时间同步误差以及所述待测目标的运动速度，得出第一测站完成测量时所述待测目标的理论坐标；所述第一测站为在所述测量周期内最后完成测量的测站。

具体地，由于各测站之间时间同步误差的存在，各测站完成对待测目标的测量时，待测目标的位置都不相同。那么测量坐标存在误差，其真实值应该是各测站中最后完成测量的测站(即第一测站)完成测量时待测目标位置的坐标(即理论坐标)。测量坐标与理论坐标之间的差异，即由待测物体运动引起的动态误差。根据各测站的位置、各测站输出的观测角、各测站之间的时间同步误差以及待测目标的运动速度，获取各测站以及不同测量时刻待测物体之间的几何关系，并根据上述几何关系求出理论坐标。

S103，根据所述测量坐标和所述理论坐标，得到所述角度交会测量系统的时间同步误差引起的动态误差；并根据所述各测站的观测角误差和所述角度交会测量系统的观测角误差传播矩阵，得到所述角度交会测量系统的观测角误差引起的动态误差；

具体地，根据测量坐标引起的动态误差和理论坐标引起的动态误差之间的差异，可以得出由待测目标运动引起的时间同步误差引起的动态误差。同时，根据观测角误差可以得出由测站输出的观测角误差引起的观测角误差。

S104，根据所述时间同步误差引起的动态误差和所述观测角误差引起的动态误差，得到所述角度交会测量系统的动态误差。

具体地，综合时间同步误差引起的动态误差和观测角误差引起的动态误差，即得到系统总的动态误差。

本发明实施例提供的一种角度交会测量系统的动态误差的获取方法，分别获取了角度交会测量系统在测量过程中由待测目标运动引起的动态误差和由观测角误差引起的动态误差，再由时间同步误差引起的动态误差和观测角误差引起的动态误差得到测量系统的总的动态误差，该方案从动态误差产生的源头进行误差分析，并利用测量系统的测量原理对应的几何关系来计算动态误差，准确性更高，且具有更好的实用性。

在上述实施例中，所述根据所述各测站的位置、所述各测站的观测角、所述各测站之间的时间同步误差以及所述待测目标的运动速度，得出第一测站完成测量时所述待测目标的理论坐标，具体包括：

根据所述待测目标的运动轨迹方程，获取从第二测站完成测量的时刻到所述第一测站完成测量的时刻之间所述待测目标的速度；其中，所述第二测站为所述各测站中不同于所述第一测站的其他测站；

根据所述第一测站的位置和所述第二测站的位置、所述第一测站输出的观测角和第二测站输出的观测角、所述第一测站和所述第二测站的时间同步误差、以及所述待测目标在从所述第二测站完成测量的时刻到所述第一测站完成测量的时刻之间的速度，得出所述第一测站完成测量时所述待测目标的理论坐标。

具体地，如图2所示为角度交会测量系统的示意图，其中1为解算工作站，2为测站，3为待测目标。

如图3所示，测量系统总共有N(N≥2)个测站，第一测站(即一个测量周期内最后完成测量的测站)表示为A_n，其位置坐标为T_n(x_n,y_n,z_n)，待测目标坐标理论坐标(即第一测站完成测量时待测目标的位置坐标)为P(x_T,y_T,z_T)。第二测站表示为A_i，i＝1，2…N-1，其位置坐标为(x_i,y_i,z_i)。从第二测站A_i完成测量的时刻到第一测站A_n完成测量的时刻之间待测目标的速度为V(v_x,v_y,v_z)，其中v_x表示V在全局坐标系下沿x轴的分量，v_y表示V在全局坐标系下沿y轴的分量，v_z表示V在全局坐标系下沿z轴的分量，V(v_x,v_y,v_z)可以根据待测目标的运动轨迹方程得到。观测角中水平方向的观测角用α表示，竖直方向的观测角用β表示，第一测站A_n输出的观测角为α_n,β_n，第二测站A_i输出的观测角为α_i,β_i。第一测站的时间同步误差为t_n，第二测站的同步时间误差为t_i(i＝1,2,…N-1)。

将V(v_x,v_y,v_z)、α_n,β_n、α_i,β_i、(x_n,y_n,z_n)、(x_i,y_i,z_i)以及P(x_T,y_T,z_T)代入以下公式：

基于式(1)通过非线性最小二乘即可求得理论坐标P(x_T,y_T,z_T)的各坐标值。在图3中，P′(x，y，z)为测量系统输出的测量坐标对应的位置，通过比较P和P’的坐标，即可得出角度交会测量系统的时间同步误差引起的动态误差。

在上述实施例中，所述各测站之间的时间同步误差服从正态分布。

具体地，以第一测站(即测站A_n)测得待测目标的时刻为基准时刻，其余N-1个测站测得目标点时刻与基准时刻的差值记为t_i，设t_i服从均值为0，标准差为20ms的正态分布，即t_i～(0,0.02)。

在上述实施例中，所述根据所述测量坐标和所述理论坐标，得到所述角度交会测量系统的时间同步误差引起的动态误差，具体包括：

获取所述测量坐标和所述理论坐标的欧式距离，即得到所述时间同步误差引起的动态误差，表达式如下：

其中，(x,y,z)为P’的坐标，即待测目标的测量坐标。(x_T,y_T,z_T)为P点坐标，即待测目标的理论坐标。

在上述实施例中，所述获取所述各测站的观测角误差，具体包括：

通过对角度交会系统标定获取所述各测站的观测角误差。

具体地，利用多齿分度台为标定过程提供角度参考基准，得出各测站水平旋转角的测量误差，再结合内参标定误差得出各观测站的观测角误差。

进一步地，所述角度交会测量系统的观测角误差传播矩阵通过以下方式获得：

对所述角度交会测量系统的测量原理对应的数学表达式进行泰勒级数展开得到所述误差传播矩阵。

具体地，设s_i表示第i个测站的观测角的测量，则有：

将f_i函数经泰勒级数展开并去掉所有非线性分量后，得到观测角误差传播矩阵H，表示为：

式中(x_T,y_T,z_T)为第一测站测得待测目标的位置坐标。

为在角度交会测量系统的全局坐标系下各测站测得待测目标位置与测站间的水平投影距离，

为运动过程中待测目标与各测站原点距离。

此时对应的观测角测量误差的协方差矩阵Δσ为：

式中

分别表示水平方向的观测角和竖直方向的观测角的测量方差，根据协方差矩阵进行加权处理，此时定位估计协方差矩阵D为：

D＝(H^TΔσ^-1H)^-1 (6)

根据矩阵D，空间中任意一个待测目标的观测角误差引起的动态误差可表示为：

那么，角度交会测量系统的动态误差的表达式为：

其中，k₁表示时间同步误差引起的动态误差的权重，k₂表示观测角误差引起的动态误差的权重，且k₁+k₂＝1。

图4为本发明实施例提供的一种角度交会测量系统的动态误差的获取系统，包括：第一模块401、第二模块402、第三模块403以及第四模块404。

第一模块401用于在一个测量周期内，获取角度交会测量系统输出的待测目标的测量坐标、各测站输出的观测角以及所述各测站的观测角误差；

第二模块402用于根据所述各测站的位置、所述各测站输出的观测角、所述各测站之间的时间同步误差以及所述待测目标的运动速度，得出第一测站完成测量时所述待测目标的理论坐标；所述第一测站为在所述测量周期内最后完成测量的测站；

第三模块403用于根据所述测量坐标和所述待测目标的理论坐标，得到所述角度交会测量系统的时间同步误差引起的动态误差；并将所述各测站的观测角误差代入到所述角度交会测量系统的观测角误差传播矩阵，得到所述角度交会测量系统的观测角误差引起的动态误差；

第四模块404用于根据所述时间同步误差引起的动态误差和所述观测角误差引起的动态误差，得到所述角度交会测量系统的动态误差。

本发明实施例提供的一种角度交会测量系统的动态误差的获取系统，分别获取了角度交会测量系统在测量过程中由待测目标运动引起的动态误差和由观测角误差引起的动态误差，再由时间同步误差引起的动态误差和观测角误差引起的动态误差得到测量系统的总的动态误差，该方案从动态误差产生的源头进行误差分析，并利用测量系统的测量原理对应的几何关系来计算动态误差，具有更好的实用性。

可选地，第二模块具体用于：

根据所述第一测站输出的观测角和第二测站输出的观测角，获取从所述第二测站完成测量的时刻到所述第一测站完成测量的时刻之间所述待测目标的速度；其中，所述第二测站为所述各测站中不同于所述第一测站的其它测站；

根据所述第一测站的位置和所述第二测站的位置、所述第一测站输出的观测角和第二测站输出的观测角、所述第一测站的时间同步误差和所述第二测站的时间同步误差、以及所述待测目标在从所述第二测站完成测量的时刻到所述第一测站完成测量的时刻之间的速度，得出所述第一测站完成测量时所述待测目标的理论坐标。

可选地，第三模块具体用于：

获取所述测量坐标和所述理论坐标的欧式距离，即得到所述时间同步误差引起的动态误差。

可选地，第一模块具体用于：

通过对角度交会系统标定获取所述各测站的观测角误差。

可选地，第四模块具体用于：

获取所述时间同步误差引起的动态误差和所述观测角误差引起的动态误差的均方根，及得到所述角度交会测量系统的动态误差。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种角度交会测量系统的动态误差的获取方法，其特征在于，包括：

在一个测量周期内，获取角度交会测量系统输出的待测目标的测量坐标、各测站输出的观测角以及所述各测站的观测角误差；

根据所述各测站的位置、所述各测站输出的观测角、所述各测站之间的时间同步误差以及所述待测目标的运动速度，得出第一测站完成测量时所述待测目标的理论坐标；所述第一测站为在所述测量周期内最后完成测量的测站；

根据所述测量坐标和所述理论坐标，得到所述角度交会测量系统的时间同步误差引起的动态误差；并根据所述各测站的观测角误差和所述角度交会测量系统的观测角误差传播矩阵，得到所述角度交会测量系统的观测角误差引起的动态误差；

根据所述时间同步误差引起的动态误差和所述观测角误差引起的动态误差，得到所述角度交会测量系统的动态误差。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述各测站的位置、所述各测站输出的观测角、所述各测站之间的时间同步误差以及所述待测目标的运动速度，得出第一测站完成测量时所述待测目标的理论坐标，具体包括：

根据所述待测目标的运动轨迹方程，获取从第二测站完成测量的时刻到所述第一测站完成测量的时刻之间所述待测目标的速度；其中，所述第二测站为所述各测站中不同于所述第一测站的其他测站；

根据所述第一测站的位置和所述第二测站的位置、所述第一测站输出的观测角和第二测站输出的观测角、所述第一测站的时间同步误差和所述第二测站的时间同步误差、以及所述待测目标在从所述第二测站完成测量的时刻到所述第一测站完成测量的时刻之间的速度，得出所述第一测站完成测量时所述待测目标的理论坐标。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述各测站之间的时间同步误差服从正态分布。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述测量坐标和所述理论坐标，得到所述角度交会测量系统的时间同步误差引起的动态误差，具体包括：

获取所述测量坐标和所述理论坐标的欧式距离，即得到所述时间同步误差引起的动态误差。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获取所述各测站的观测角误差，具体包括：

通过对角度交会测量系统标定获取所述各测站的观测角误差。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述角度交会测量系统的观测角误差传播矩阵通过以下方式获得：

对所述角度交会测量系统的测量原理对应的数学表达式进行泰勒级数展开得到所述误差传播矩阵。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的方法，其特征在于，所述根据所述时间同步误差引起的动态误差和所述观测角误差引起的动态误差，得到所述角度交会测量系统的动态误差，具体包括：

获取所述时间同步误差引起的动态误差和所述观测角误差引起的动态误差在一定权重比例下的均方根，即得到所述角度交会测量系统的动态误差。

8.一种角度交会测量系统的动态误差的获取系统，其特征在于，包括：

第一模块，用于在一个测量周期内，获取角度交会测量系统输出的待测目标的测量坐标、各测站输出的观测角以及所述各测站的观测角误差；

第二模块，用于根据所述各测站的位置、所述各测站输出的观测角、所述各测站之间的时间同步误差以及所述待测目标的运动速度，得出第一测站完成测量时所述待测目标的理论坐标；所述第一测站为在所述测量周期内最后完成测量的测站；

第三模块，用于根据所述测量坐标和所述理论坐标，得到所述角度交会测量系统的时间同步误差引起的动态误差；并根据所述各测站的观测角误差和所述角度交会测量系统的观测角误差传播矩阵，得到所述角度交会测量系统的观测角误差引起的动态误差；

第四模块，用于根据所述时间同步误差引起的动态误差和所述观测角误差引起的动态误差，得到所述角度交会测量系统的动态误差。

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