CN112269202A - 一种运动载体辅助的空间基准传递系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种运动载体辅助的空间基准传递系统及方法，属于测绘领域，该系统包括：基准点，用于提供空间坐标基准；运动载体，用于在一定空间范围内按照需要进行移动；基准点上测量模块，用于测定基准点与运动载体之间的几何关系；测量合作模块，搭载于运动载体上；待定点上测量模块，用于测定待定点与运动载体之间的几何关系；时间模块，用于提供精确的时间基准；运算模块，用于基于基准点与运动载体之间的几何关系，以及待定点与运动载体之间的几何关系计算待定点的空间坐标；通讯链路，用于系统各部分间数据传输。本发明通过运动载体作为辅助，能将空间基准精确地传递至传统方法无法企及的待定点。

Description

一种运动载体辅助的空间基准传递系统及方法

技术领域

本发明属于测绘领域，更具体地，涉及一种运动载体辅助的空间基准传递系统及方法。

背景技术

空间基准传递是测绘工作的核心内容，通常采用测定基准点和待定点之间几何关系的方法完成，其中几何关系主要包括距离、角度、坐标差等。现有方法可归为两类方法，一类是使用光电设备，如全站仪、三维激光扫描仪等，一类是使用卫星定位设备如GNSS接收机。光电设备要求基准点和待定点之间通视，如果两者之间存在障碍物，光电信号传输受阻，则无法进行测量。GNSS测量不要求基准点和待定点间通视，但如果点位环境较差，造成接收到的卫星数量不足，或者卫星空间分布不佳，或点位附近存在电磁干扰、多路径效应，则会导致精度达不到要求。因此，在待定点与已知点间的视线受阻且点位卫星观测环境差的情况下，迫切需要一种能够将空间基准进行有效传递的技术方案。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提出了一种运动载体辅助的空间基准传递系统及方法，通过运动载体作为辅助，能将空间基准精确地传递至传统方法无法企及的待定点。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种运动载体辅助的空间基准传递系统，包括：

基准点，用于提供空间坐标基准；

运动载体，用于在一定空间范围内按照需要进行移动；

基准点上测量模块，用于测定基准点与运动载体之间的几何关系；

待定点上测量模块，用于测定待定点与运动载体之间的几何关系；

在一些可选的实施方案中，上述基准点上测量模块和待定点上测量模块，可以是测量机器人、GNSS接收机、激光测距仪、经纬仪、罗盘等一种或多种设备的组合。

测量合作模块，搭载于运动载体上，用于协助基准点上测量模块和待定点上测量模块完成测量或提高测量精度；时间模块，用于提供精确的时间基准；

在一些可选的实施方案中，所述时间模块为石英钟。

在一些可选的实施方案中，所述时间模块为GNSS模块，能以性价比较高的方式获得高精度时间基准。

在一些可选的实施方案中，所述时间模块为原子钟，可以提供精确的时间基准。

运算模块，用于基于基准点与运动载体之间的几何关系，以及待定点与运动载体之间的几何关系计算待定点的空间坐标；

通讯链路，用于系统各部分间数据传输。

在一些可选的实施方案中，所述运动载体为塔吊或无人机，塔吊在一些施工现场属于已有和可用设备，可以直接加以利用；无人机具有更大的运动灵活性。

在一些可选的实施方案中，所述几何关系为距离、水平角和垂直角中的一种或多种组合。

在一些可选的实施方案中，所述系统还包含：测量合作模块，其搭载于所述运动载体上，用于协助测量以提高精度。

在一些可选的实施方案中，所述测量合作模块处还安装有空间定位单元，如GNSS定位模块或UWB(超宽带)定位模块，用于测定所述测量合作模块的空间概略坐标，以帮助基准点上测量模块和待定点上测量模块(尤其是光电设备)能快速地瞄准测量合作模块，提高测量效率。在一些可选的实施方案中，上述测量合作模块为棱镜，这样保证测量机器人能接收到足够强的反射信号，提高测量精度。

在一些可选的实施方案中，上述棱镜为360棱镜，这样保证测量机器人从任意角度都能接收到较强的反射信号。

在一些可选的实施方案中，上述测量合作模块为反射片，较之棱镜其重量较为轻盈且成本更为低廉。

在一些可选的实施方案中，所述测量合作模块为伪卫星，这样如果在待定点或基准点上配备GNSS接收机，就能增强待定点处可接收的卫星数量，改善卫星空间图形分布。

在一些可选的实施方案中，所述测量合作模块还包含加速度计和陀螺仪，用于测定所述测量合作模块的瞬时姿态和短时间内的位移情况。由于基准点上测量模块与待定点上测量模块需要同时进行测量，但是这个同时总是有一定的误差(也即时间差)，虽然这误差通常很微小，但若能计算出测量合作模块在这个时间差之内的位移，将有助于进一步提高待定点的定位精度。在一些可选的实施方案中，所述系统还包含气象元素测定模块，安置在基准点、待定点及运动载体处，用于测定气温、气压、水汽湿度等参数，以提高几何量的测量精度。通过气象元素测定模块获得的参数主要用于气象改正，如GNSS对流层延迟和光电测距气象改正。

按照本发明的另一方面，提供了一种运动载体辅助的空间基准传递方法，包括：

步骤1：在基准点和待定点上分别架设测量模块；

步骤2：使运动载体移动到恰当的某一辅助位置，基准点上测量模块和待定点上测量模块同时对运动载体进行测量，得到基准点与运动载体之间的几何关系，以及待定点与运动载体之间的几何关系；

步骤3：利用基准点与运动载体之间的几何关系计算出上述辅助位置的空间坐标；

步骤4：当辅助位置的累计数量不少于2个时，利用已获得的辅助位置的空间坐标、待定点与运动载体之间的多组几何关系计算出待定点的空间坐标；

步骤5：重复步骤2至步骤4，继续移动运动载体，直至获得预设精度的待定点空间坐标。

按照本发明的另一方面，提供了一种运动载体辅助的空间基准传递方法，包括：

步骤1：在基准点和待定点上分别架设测量模块；

步骤2：运动载体开始移动，在此过程中，基准点测量模块和待定点测量模块均对运动载体进行同时的、等间隔的测量；

步骤3：利用基准点与运动载体之间的几何关系计算出每一测量时刻运动载体处于的辅助位置的空间坐标；

步骤4：当测量时刻不少于2个时，利用待定点与运动载体之间的多组几何关系计算出待定点的空间坐标；

步骤5：重复步骤2至步骤4，直至获得预设精度的待定点空间坐标。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

通过运动载体作为辅助，能将空间基准精确地传递至传统方法无法企及的待定点。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种以塔吊为运动载体的定位系统构成示意图；

图2是本发明实施例提供的一种以无人机为运动载体的定位系统构成示意图。

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仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

在本发明的第一实施例中，提供了一种运动载体辅助的空间基准传递系统，包括如下部分：

基准点，用于提供空间坐标基准；

运动载体，用于在一定空间范围内按照需要进行移动；

其中，该一定空间范围可以根据实际需要进行确定。

基准点上测量模块，用于测定基准点与运动载体之间的几何关系；

待定点上测量模块，用于测定待定点与运动载体之间的几何关系；

时间模块，用于提供精确的时间基准，以使基准点上测量模块与待定点上测量模块同时进行测量；

运算模块，用于基于基准点与运动载体之间的几何关系，以及待定点与运动载体之间的几何关系计算待定点的空间坐标；

通讯链路，用于系统各部分间数据传输。

在一些可选的实施方案中，上述运动载体可以为一些施工环境中的已有设备，如塔吊，进而能充分地利用施工环境中的已有设备。

在一些可选的实施方案中，上述运动载体可以为无人机，能够灵活地变换位置。

在一些可选的实施方案中，所述测量合作模块为伪卫星，这样能在待定点上利用GNSS接收机来配合进行定位。

在一些可选的实施方案中，上述时间模块可以为GNSS模块，能便捷地获取高精度时间信息。

在本发明实施例中，上述基准点上测量模块为测量机器人。

在本发明实施例中，上述待定点上测量模块为测量机器人。

在一些可选的实施方案中，上述测量模块可以是测量机器人、GNSS、激光测距仪、经纬仪等。

在一些可选的实施方案中，上述几何关系为距离。

在一些可选的实施方案中，上述几何关系为距离、水平角。

在本发明实施例中，上述几何关系为距离、水平角和垂直角。

在一些可选的实施方案中，可以通过GNSS、全站仪、激光测距仪、经纬仪等获取几何关系。

在一些可选的实施方案中，该系统还包含：测量合作模块，其搭载于运动载体上，用于协助测量以提高精度。

在一些可选的实施方案中，上述测量合作模块为棱镜，这样保证测量机器人能接收到足够强的反射信号，提高测量精度。

在一些可选的实施方案中，上述棱镜为360度棱镜，这样保证测量机器人从任意角度都能接收到较强的反射信号。

在一些可选的实施方案中，上述测量合作模块为反射片，较之棱镜其重量较为轻盈且成本更为低廉。

在一些可选的实施方案中，该系统还包含加速度计、陀螺仪，用于测定测量合作模块的瞬时姿态和短时间内的位移情况。由于基准点上测量模块与待定点上测量模块需要同时进行测量，但是这个同时总是有一定的误差(也即时间差)，虽然这误差通常很微小，但若能计算出测量合作模块在这个时间差之内的位移，将有助于进一步提高待定点的定位精度。

在一些可选的实施方案中，该系统还包含气象元素测定模块，可安置在基准点、待定点及运动载体处，用于测定气温、气压、水汽湿度等参数，以提高几何量的测量精度。通过气象元素测定模块获得的参数主要用于气象改正，如GNSS对流层延迟和光电测距气象改正。

在本发明的第二实施例中，提供了一种运动载体辅助的空间基准传递方法，依次包含以下步骤：

步骤1：在基准点和待定点上分别架设测量模块；

步骤2：使运动载体移动到恰当的某一辅助位置，基准点上测量模块和待定点上测量模块同时对运动载体进行测量，得到基准点与运动载体之间的几何关系，以及待定点与运动载体之间的几何关系；

步骤3：利用基准点与运动载体之间的几何关系计算出上述辅助位置的空间坐标；

步骤4：当辅助位置的累计数量不少于2个时，利用已获得的待定点与运动载体之间的多组几何关系计算出待定点的空间坐标；

在本发明实施例中，基于各辅助位置的空间坐标以及已获得的待定点与运动载体之间的多组几何关系，利用自由设站法得到待定点的空间坐标。

在一些可选的实施方案中，可以利用距离后方交会得到待定点的空间坐标。

步骤5：重复步骤2至步骤4，继续移动运动载体，直至获得预设精度的待定点空间坐标。

在本发明的第三实施例中，提供了一种运动载体辅助的空间基准传递方法，依次包含以下步骤：

步骤1：在基准点和待定点上分别架设测量模块；

步骤2：运动载体开始移动，在此过程中，基准点测量模块和待定点测量模块均对运动载体进行同时的、等间隔的测量；

步骤3：利用基准点与运动载体之间的几何关系计算出每一测量时刻运动载体处于的辅助位置的空间坐标；

步骤4：当测量时刻不少于2个时，利用待定点与运动载体之间的多组几何关系计算出待定点的空间坐标；

步骤5：重复步骤2至步骤4，直至获得预设精度的待定点空间坐标。

以下结合附图及具体实施例对本发明进行详细说明。

本发明的一个优选的实施例如图1所示，待定点31位于高层建筑50的顶部，顶部因施工需要，布设了许多包含有大量金属部件的施工机械(如51a、51b)，以及金属围栏等，导致多路径效应和信号遮挡十分严重，无法采用GNSS卫星定位方法获得精确的坐标；同时待定点31也与地面已知点11不通视，无法使用全站仪等光电设备在二者间进行测量。为此，本实施例提供了由地面已知点、塔吊、测量机器人、360棱镜、GNSS定位单元、智能手机、无线路由器等构成的基准传递系统。具体对应关系为：地面已知点(11a、11b)为基准点，塔吊21为运动载体，测量机器人12为基准点上的测量模块，测量机器人32为待定点上的测量模块，360棱镜22和GNSS定位单元23为测量合作模块，无线路由器(42a、42b)为通讯链路，智能手机(内置GNSS)41为时间模块和运算单元。360棱镜22布设在塔吊21上，通过移动塔的吊臂，可以改变棱镜至所需的位置。360棱镜22上方安装有GNSS定位单元23，以便系统可以实时地获得360棱镜22在ECEF(地心地固坐标系)下的概略位置。为了有效获得31的空间坐标，12在11a上设站并通过11b完成定向，在t1时刻，载有22的21移动到某个位置P1，该位置与12和32均通视，在41上运行有APP软件，能够通过无线网络向12和32发送指令，使二者对22进行自动照准，这一过程也可以由附近的技术人员手动完成，继而41进一步发送指令，使12和32对22进行同时的测量。此时，即可由12获得P1与11a\11b在同一基准(以下简称为“工程基准”)下的空间坐标，并获得31与P1的距离、水平角和垂直角观测值。

在t2时刻，22在21的驱动下移动到新的位置P2，通过与前述相同的步骤获得P2在工程基准下的空间坐标，以及31与P2的距离、水平角和垂直角观测值。从此刻开始，即可利用自由设站公式计算31的空间坐标。根据Pi(i＝1,2,……)的空间分布情况和稳定性，可以决定是否要继续变换22的位置，并重复前述步骤，以通过最小二乘平差获得待定点31在工程基准下更为精确和可靠的空间坐标解。

在测量机器人12和32上可进一步配置电子罗盘，通过磁偏角改正，可以获得与ECEF较为一致的地理北方向；进一步利用GNSS方法(可以在12和32上专门安装GNSS模块实时测定，也可以用额外的设备如智能手机或GNSS接收机置于其上方，一次性测定，测定方法包括但不限于单点定位、RTD或RTK等)测定12和32的在ECEF下的概略坐标，可据此计算出工程基准和ECEF之间的坐标平移量和坐标轴旋转角(精度不必太高)，根据两个坐标系之间的转换关系(包括平移和旋转)使12能够根据ECEF坐标进行准确的瞄准。当获得360棱镜22的概略坐标时，12可迅速粗瞄向22，进一步利用12的自动照准功能实现精确测量；而32可直接据此完成在ECEF下的快速设站定向，从而迅速粗瞄向22，进一步利用32的自动照准功能实现精确测量。从而无需人工频繁照准22，有利于实现自动化测量，提高测量效率。

如果测量机器人12和32具有自动跟踪测量(或称锁定)功能，则可在实现初次照准后，开始对360棱镜进行持续的跟踪，只要保持视线不遮挡和信号的不中断，则可以无需GNSS单元23的辅助。但在跟踪失锁等一些意外情况下，仍可以利用GNSS单元23提供的概略坐标，实现粗瞄。

本发明的另一个优选的实施例如图2所示，情形与图1基本相同，区别主要体现在两个方面：一是用无人机21代替了塔吊，由于无人机能够更机动灵活的移动，因而能获得相比塔吊更多、更佳空间分布的辅助位置；二是通过精确的时间控制，如利用智能手机内置的GNSS的授时功能，获得当前的精确时间。可在12和32附近各连接一个带GNSS的智能手机，这两个智能手机可通过GNSS获得精确至毫秒甚至微妙的时间信息，可进行一个约定，让它们同时给附近的测量机器人发送指令，在同一个指定的时刻开始，以同样的时间间隔进行跟踪测量。以达到使12和32对无人机进行同步的跟踪测量的目的，因而可以获得大量的同步观测数据，以避免或极大地削弱无人机飞行过程中因气流等原因导致的22的坐标不稳定性误差，并通过最小二乘方法获得最优解。同时，无人机上搭载了GNSS定位单元，以便控制系统可以实时地获得无人机在ECEF坐标系下的概略位置。测量机器人12和32上配置了电子罗盘，通过磁偏角改正，可以获得与GNSS坐标系统(ECEF)较为一致的地理北方向；进一步利用GNSS方法测定12和32的在ECEF坐标系下的概略坐标，这样就可以实现12和32的快速定向，从而能找到无人机。

需要指出，根据实施的需要，可将本申请中描述的各个步骤/部件拆分为更多步骤/部件，也可将两个或多个步骤/部件或者步骤/部件的部分操作组合成新的步骤/部件，以实现本发明的目的。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种运动载体辅助的空间基准传递系统，其特征在于，包括：

基准点，用于提供空间坐标基准；

运动载体，用于在一定空间范围内按照需要进行移动；基准点上测量模块，用于测定基准点与运动载体之间的几何关系；

待定点上测量模块，用于测定待定点与运动载体之间的几何关系；

测量合作模块，搭载于运动载体上，用于协助基准点上测量模块和待定点上测量模块完成测量或提高测量精度；

时间模块，用于提供精确的时间基准；

运算模块，用于基于基准点与运动载体之间的几何关系，以及待定点与运动载体之间的几何关系计算待定点的空间坐标；

通讯链路，用于系统各部分间数据传输。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述运动载体为塔吊或无人机。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述几何关系为距离、水平角和垂直角中的一种或多种组合。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述基准点上测量模块和待定点上测量模块，可以是测量机器人、GNSS接收机、激光测距仪、经纬仪、罗盘及超宽带等一种或多种设备的组合。

5.根据权利要求1至4任意一项所述的系统，其特征在于，所述测量合作模块还包含：空间定位单元，用于确定测量合作模块的概略位置。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述测量合作模块为棱镜、反射片或伪卫星。

7.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述系统还包含加速度计和陀螺仪，用于测定所述测量合作模块的瞬时姿态和短时间内的位移情况。

8.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述系统还包含气象元素测定模块，安置在基准点、待定点及运动载体处。

9.一种运动载体辅助的空间基准传递方法，其特征在于，包括：

步骤1：在基准点和待定点上分别架设测量模块；

步骤2：使运动载体移动到恰当的某一辅助位置，基准点上测量模块和待定点上测量模块同时对运动载体进行测量，得到基准点与运动载体之间的几何关系，以及待定点与运动载体之间的几何关系；

步骤3：利用基准点与运动载体之间的几何关系计算出上述辅助位置的空间坐标；

步骤4：当辅助位置的累计数量不少于2个时，利用已获得的待定点与运动载体之间的多组几何关系计算出待定点的空间坐标；

步骤5：重复步骤2至步骤4，继续移动运动载体，直至获得预设精度的待定点空间坐标。

10.一种运动载体辅助的空间基准传递方法，其特征在于，包括：

步骤1：在基准点和待定点上分别架设测量模块；

步骤2：运动载体开始移动，在此过程中，基准点测量模块和待定点测量模块均对运动载体进行同时的、等间隔的测量；

步骤3：利用基准点与运动载体之间的几何关系计算出每一测量时刻运动载体处于的辅助位置的空间坐标；

步骤4：当测量时刻不少于2个时，利用待定点与运动载体之间的多组几何关系计算出待定点的空间坐标；

步骤5：重复步骤2至步骤4，直至获得预设精度的待定点空间坐标。

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