CN113093256A - 一种gnss/imu测绘系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于GNSS/IMU的倾斜测量系统，包含：GNSS/IMU接收机，其中GNSS/IMU接收机包含GNSS天线、GNSS定位板卡、IMU惯性传感器、位置传递装置，GNSS天线用于接收卫星导航定位信号，GNSS定位板卡用于根据GNSS天线接收的信号计算GNSS天线相位中心坐标，作为测量相对位置点的基准坐标，IMU用于测量接收机的加速度和角速度，相对位置传递媒介用于衔接基准坐标和待测量相对位置坐标，位置传递装置用于实现相对位置点测量功能，本发明的目的为实现可靠的、高精度的相对位置点测量，以取代传统的GNSS测量方法和基于AHRS技术、空间交会技术的倾斜测量方法，提高GNSS接收机外业测量的工作效率，降低使用者的劳动强度，并拓宽GNSS接收机在数字施工、精准农业和智能驾驶等领域的应用。

Description

一种GNSS/IMU测绘系统和方法
技术领域
本发明涉及一种高精度GNSS/IMU接收机系统的产品形态及其测量方法，适用于利用GNSS接收机进行点测量和放样的各测绘、工程测量、监测等测量领域，以及利用GNSS接收机或GNSS/INS组合导航设备进行导航定位的车辆、飞行器、船舶等导航定位领域。
背景技术
GNSS接收机一般包含GNSS天线和GNSS定位板卡，GNSS定位板卡根据GNSS天线接收到的GNSS卫星定位信号计算GNSS天线的相位中心位置，但是GNSS天线相位中心位于GNSS接收机内部，而待测量点位于GNSS接收机外部，需要将GNSS接收机内部的GNSS天线相位中心位置传递至GNSS外部待测量点，才能实现待测量点的测量。
传统的测绘方法通过对中杆或三脚架实现GNSS接收机内部天线相位中心至外部测量点的位置传递，GNSS接收机在结构设计时就使得GNSS天线的几何中心和GNSS接收机外壳安装中心同轴，实现GNSS天线相位中心与外部的联系，并在出厂时对GNSS天线相位中心相对外部安装中心的偏差进行标定，实际测量时，将GNSS接收机安装在对中杆上，对中杆底部尖端放置在待测量点上，保持对中杆上的水准气泡居中，使得GNSS天线几何中心，安装中心与待测量点同轴，并平行于铅垂线，从而完成天线相位中心至测量点的传递，实现测量点的测量，如图1a、图1b，x,y,h为出厂标定值。
GNSS接收机传统作业方式需要进行对中整平，保持GNSS接收机平行于当地水平面，才能将天线相位中心位置传递至测量点，本质上是相对位置点测量，其作业效率低，劳动强度大，且墙角、斜坡等环境并不具备对中整平的客观条件，难以直接测量，为提高作业效率和降低劳动强度，业内一些公司开发了倾斜测量方案，倾斜测量属于相对位置点测量的一个实例，其实现方案主要有两种：一是基于AHRS技术的有磁倾斜测量方案；二是基于空间交汇理论的多位置测量方法；
基于AHRS技术的有磁倾斜测量方案，其方法是通过AHRS算法计算GNSS接收机的三维姿态，即利用加速度计或加速度计加陀螺仪跟踪GNSS接收机的俯仰角和横滚角，利用磁力计跟踪GNSS接收机的航向角，利用俯仰角、横滚角和航向角生成方向余弦矩阵，实现空间矢量的坐标转换，将天线相位中心位置补偿至地面测量点，但该方案缺点较多：
1、GNSS接收机俯仰角、横滚角跟踪的绝对精度依赖于加速度计测量精度，需要对加速度计的零偏进行定期标定，标定的精度直接影响GNSS接收机俯仰角和横滚角跟踪的精度，且一般客户不具备加速度计标定的专业知识和设备条件；
2、基于加速度计跟踪GNSS接收机的俯仰角、横滚角的前提是加速度计只敏感到重力，所以该方案只能在准静态条件下使用，动态条件下的角度跟踪精度不可靠，即使使用陀螺仪也只能提高角度跟踪的动态性，起到角度平滑跟踪的效果，长时间动态情况下角度跟踪的绝对精度依然取决于加速度的精度；
3、电磁环境的变化直接影响磁力计的测量输出，所以需要对磁力计进行定期校正，最好每次设备开机均对磁力计进行校正，磁力计系统偏差的校正效果直接影响航向角测量的精度，进而直接影响倾斜测量的精度，且GNSS接收机使用过程中内外部电磁环境的变化很难监测，所以该方案的可靠性非常差；
由于有磁方案的精度无法保证，可靠性和重复性差，且校正过程繁琐，所以实用性非常差。
基于空间交会理论的多位置测量方法通过固定对中杆底部尖端放置在已知点上不动，移动对中杆采集GNSS接收机在多个位置上的坐标，以对中杆的长度作为约束条件进行空间交会，计算出对中杆底部尖端的位置，但该方法的测量精度受制于GNSS接收机多位置采集点空间点分布的几何结构，但在墙角等遮挡环境下对中杆移动的空间有限，所以多位置测量点的几何结构很差，测量精度只能达到分米级，且需要多次移动对中杆采集多个位置的坐标才能完成测量，效率低下。
发明内容
针对上述问题，本发明旨在设计一种新型的GNSS/IMU接收机测量系统和方法，实现可靠的、高精度的相对位置点测量，以取代传统的GNSS测量方法和基于AHRS技术、空间交会技术的倾斜测量方法，提高GNSS接收机外业测量的工作效率，降低使用者的劳动强度，并拓宽GNSS接收机在数字施工、精准农业和智能驾驶等领域的应用。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于GNSS/IMU的倾斜测量系统，该测绘系统包含：(1)GNSS/IMU接收机，(2)相对位置传递媒介，(3)显示终端；GNSS/IMU接收机包含GNSS天线、GNSS定位板卡、IMU惯性传感器、位置传递装置，GNSS天线用于接收卫星导航定位信号，GNSS定位板卡用于根据GNSS天线接收的信号计算GNSS天线相位中心坐标，作为测量相对位置点的基准坐标，IMU惯性传感器用于测量接收机的加速度和角速度，位置传递装置用于计算接收机相对位置点的三维坐标、倾斜角和测量状态，并通过声或光对测量状态进行反馈；
相对位置传递媒介为传递相对位置测量点与GNSS/IMU接收机天线相位中心限定空间关系的物理媒介；
显示终端用于GNSS/INS接收机相对位置点测量结果和状态的显示，用于与使用者的交互；
所述测绘系统特征在于：
GNSS/IMU接收机包含IMU惯性传感器，该IMU惯性传感器以特定的空间关系安装于GNSS/IMU接收机内部，IMU惯性传感器包含加速度计和陀螺仪；
GNSS/IMU测绘系统包含相对位置传递媒介，该相对位置传递媒介为传递限定空间关系的物理媒介，可以抽象为一个三维坐标向量，描述相对位置测量点在以GNSS天线相位中心为原点建立的笛卡尔坐标系下的坐标矢量；
GNSS/IMU接收机包含位置传递装置，该位置传递装置处理GNSS板卡计算的基准位置，IMU传感器的观测数据和相对位置传递媒介数据，计算相对位置点的坐标，接收机的倾斜角和测量状态；
GNSS/IMU测绘系统包含显示终端，显示终端用于与使用者进行交互，显示位置传递装置输出的相对位置点测量结果与测量状态，其为GNSS/IMU测绘系统的选配设备，不影响GNSS/IMU测绘系统相对位置点测量功能的实现；
优选的，IMU惯性传感器以微机电系统(MEMS)的形式设计，该IMU传感器至少包含三轴的MEMS加速度计和三轴的MEMS陀螺仪，且加速度计和陀螺仪的三个轴系对应平行设计；所述的IMU惯性传感器采用工业级或较低精度的加速度计和陀螺仪设计；
优选的，IMU以特定的空间关系安装在GNSS/IMU接收机内部，其安装方式包括：IMU传感器固定于接收机内部结构支架上，供电和数据传输通过排针或排线实现，或者IMU传感器以贴片方式固定于PCB板上，供电和数据传输通过PCB电路设计实现；
优选的，相对位置传递媒介，其为一个以GNSS天线相位中心为原点，坐标轴系指向定义与IMU的陀螺仪和加速度计坐标轴系指向定义相同的笛卡尔坐标下的三维向量，定义该笛卡尔坐标系为机体坐标系，描述待测量的相对位置点相对GNSS天线相位中心的空间矢量在机体坐标系下的投影坐标；
优选的，相对位置传递媒介，其中，所述物理媒介是对中杆，三脚架，AVG车辆，无人机，无人船，摆渡车，拖拉机，插秧机，播种机，收割机，推土机，平地机，挖掘机，摊铺机，压路机，装载机，起重机，钻孔机，铲车，除雪车，洒水车，环卫车，消防车中的一种。
优选的，相对位置传递媒介，由于GNSS天线相位中心在接收机内部，使用者不能直接接触，需接收机外部点衔接，特征在于其所述三维向量至少由两部分组成：1)GNSS/IMU接收机外部衔接点相对GNSS天线相位中心在机体坐标系下的第一三维向量，该向量为定值存储在接收机内存中；2)将机体坐标系的原点平移至外部衔接点，记新坐标系为衔接系，待测量相对位置点相对GNSS/INS接收机外部衔接点在衔接系下的第二三维向量，该向量由使用者设定；相对位置传递媒介定义的三维向量由第一、第二三维向量的几何关系确定，如平移加减或三角函数关系计算，作为位置传递向量，GNSS/IMU接收机安装面中心为接收机外部衔接点的一个实例，衔接点可为接收机外部任意可接触的、相对接收机固定的点；
优选的，位置传递装置，该位置传递装置被构造成用于获取GNSS板卡导航定位数据和IMU观测数据，通过GNSS/INS组合导航算法计算GNSS/IMU接收机的俯仰角(±90°)，横滚角(±180°)和航向角(±180°/0-360°)作为基准三维姿态，通过基准坐标、基准三维姿态和位置传递向量导出待测量相对位置点的三维坐标，通过基准三维姿态计算GNSS/IMU接收机相对当地水平坐标系的倾斜角，对外输出基准坐标、基准三维姿态、位置传递向量、相对位置点坐标、倾斜角以及相对位置点测量功能的相关状态，通过声/光形式反馈相对位置点测量的结果和相关状态，相对位置点坐标、倾斜角和相对位置点测量功能相关状态为必选输出，其余为可选输出；
GNSS/IMU接收机的基准三维姿态根据IMU定义的坐标轴系定义，表征GNSS/IMU接收机相对导航坐标系围绕IMU坐标轴系转动的角度；
GNSS/IMU接收机相对当地水平坐标系的倾斜角由竖直倾角和方向倾角构成，根据IMU定义的坐标轴系定义，竖直倾角表征IMU的Z轴与铅垂线的夹角(0-180°)(Z轴一般指右手坐标系的中指所指方向)，方向倾角表征IMU的Z轴与铅垂线所构成的平面与真北方向的夹角(±180°)；
本发明还提供一种借助对中杆实施相对位置点测量功能的测绘方法，该测绘方法至少包含1)相对位置点测量功能初始化和2)相对位置点测量两个过程；
相对位置点测量功能初始化过程至少包括以下两个步骤：1.设定相对测量点相对外部衔接点的空间矢量在衔接系下的三维投影向量，在该测绘方法中外部衔接点可选为接收机安装面中心，则该三维向量为对中杆顶部中心至对中杆底部尖端的矢量长度在衔接系下的三维投影坐标，2.通过特定的操作动作完成基准姿态的初始化，作为GNSS/INS组合导航算法的姿态初始值，从而进入GNSS/INS组合导航滤波解算；步骤1，2的次序可颠倒；
相对位置点测量过程至少包括以下两个步骤：1.将对中杆的底部尖端放置在待测量的测量点上，实现相对位置点与实际待测量点的连接，2.采集位置传递装置输出的相对测量点的三维坐标；
优选的，完成基准姿态初始化的特定操作动作包括如下几种：
1)打开相对位置点测量功能后，原地静止一段时间，前后重复晃动对中杆直至GNSS/IMU接收机或显示终端通过声或光的形式提示初始化过程完成；
2)打开相对位置点测量功能后，原地静止一段时间，左右重复晃动对中杆直至GNSS/IMU接收机或显示终端通过声或光的形式提示初始化过程完成；
3)打开相对位置点测量功能后，原地静止一段时间，前后左右重复晃动对中杆直至GNSS/IMU接收机或显示终端通过声或光的形式提示初始化过程完成；
4)打开相对位置点测量功能后，原地静止一段时间，顺时针使对中杆重复做圆周运动直至GNSS/IMU接收机或显示终端通过声或光的形式提示初始化过程完成；
5)打开相对位置点测量功能后，原地静止一段时间，逆时针使对中杆重复做圆周运动直至GNSS/IMU接收机或显示终端通过声或光的形式提示初始化过程完成；
6)打开相对位置点测量功能后，手持或肩扛对中杆步行一段距离，前后重复晃动对中杆直至GNSS/IMU接收机或显示终端通过声或光的形式提示初始化过程完成；
7)打开相对位置点测量功能后，手持或肩扛对中杆步行一段距离，左右重复晃动对中杆直至GNSS/IMU接收机或显示终端通过声或光的形式提示初始化过程完成；
8)打开相对位置点测量功能后，手持或肩扛对中杆步行一段距离，前后左右重复晃动对中杆直至GNSS/IMU接收机或显示终端通过声或光的形式提示初始化过程完成；
9)打开相对位置点测量功能后，手持或肩扛对中杆步行一段距离，顺时针使对中杆重复做圆周运动直至GNSS/IMU接收机或显示终端通过声或光的形式提示初始化过程完成；
10)打开相对位置点测量功能后，手持或肩扛对中杆步行一段距离，逆时针使对中杆重复做圆周运动直至GNSS/IMU接收机或显示终端通过声或光的形式提示初始化过程完成；
晃动对中杆的操作可以是前后、左右、圆周运动的任意组合，静止时间可设定为1至5秒，步行距离可设定为1-10米，重复晃动次数和圆周运动次数可设定为1-10次，静止时间长短，步行距离长短，以及晃动的组合顺序和重复次数不影响初始化过程的实行；
优选的测量过程，使用者手持对中杆或者将对中杆靠/扛在肩膀上，将对中杆的底部尖端放置在待测点上，GNSS/IMU接收机的竖直倾角在0-90°范围内均可，其区别于传统的借助对中杆实现测量功能的测绘方法，无需通过保持对中杆上的水准气泡居中来保证接收机的竖直倾角为0°或者近似0°；
优选的，其采集相对测量点三维坐标的方法有如下几种：
单位置单次采集：使用者通过按钮或者声音发出采集命令后，显示终端或者接收机保存收到命令后位置传递装置输出的第一个相对测量点三维坐标，作为测量结果；
单位置多次采集：使用者通过按钮或者声音发出采集命令后，显示终端或者接收机保存收到命令后位置传递装置输出的连续多个相对测量点三维坐标，取它们的平均值作为测量结果；
多位置单次采集：使用者通过按钮或者声音发出采集命令后，显示终端或者接收机保存收到命令后位置传递装置输出的第一个相对测量点三维坐标，作为第一位置测量值，保持对中杆尖端放置在待测量点上，移动对中杆至第二位置，使用者通过按钮或者声音再次发出采集命令后，显示终端或者接收机保存收到命令后位置传递装置输出的第一个相对测量点三维坐标，作为第二位置测量值，重复上述步骤，采集多个位置的测量值，取它们的平均值作为测量结果；
多位置多次采集：使用者通过按钮或者声音发出采集命令后，显示终端或者接收机保存收到命令后位置传递装置输出的连续多个相对测量点三维坐标，取它们的平均值作为第一位置测量值，保持对中杆尖端放置在待测量点上，移动对中杆至第二位置，使用者通过按钮或者声音再次发出采集命令后，显示终端或者接收机保存收到命令后位置传递装置输出的连续多个相对测量点三维坐标，取它们的平均值作为第二位置测量值，重复上述步骤，采集多个位置的测量值，取它们的平均值作为测量结果；
单位置和多位置测量时，对中杆的状态满足权利要求9的条件即可，多次采集时采集点的个数和多位置测量时移动位置的次数不影响数据采集过程的实行；
多位置测量时，切换位置过程中对中杆的底部尖端可以离开待测量点，只需触发采集命令和数据采集过程中对中杆底部尖端放置在同一个待测量点上即可；
本发明还提供一种借助相对位置点测量功能实现放样功能的测绘方法，该方法包含以下过程：
获取相对位置点的测量信息：显示终端实时接收位置传递装置输出的对中杆底部尖端相对位置点的三维坐标信息和GNSS/IMU接收机倾斜角信息；
计算待放样距离：显示终端根据实时接收的对中杆底部尖端位置信息与待放样点的位置信息计算两点之间的三维坐标向量，将该三维坐标向量在当地水平坐标系进行投影，其在水平面投影坐标的矢量和即为水平待放样距离，其在高程方向的投影坐标即为高程待放样距离，水平待放样距离和高程待放样距离共同构成了待放样距离；
计算待放样方向：显示终端根据实时接收的对中杆底部尖端位置信息与待放样点的位置信息计算两点之间的三维坐标向量，通过该三维坐标向量计算其与真北方向的夹角，记为方向角一，显示终端实时接收的位置传递装置输出的GNSS/IMU接收机方向倾角，记为方向角二，方向角二相对方向角一的差值即为待放样方向；
放样引导，显示终端通过显示器或者声音提示待放样距离和待放样方向，使用者根据提示进行放样操作，放样操作可分为两类，一是找点，一是放样；
完成放样：当显示终端提示的水平待放样距离和高程待放样距离均满足放样精度指标要求后，对中杆底部尖端所在位置即为放样点位置，从而完成放样；
其中，放样操作包括：
根据显示终端提示的水平待放样距离的大小将放样操作划分为找点和放样两类，当显示终端提示的水平放样距离大于放样距离阈值时为找点操作，当显示终端提示的水平放样距离小于放样距离阈值时为放样操作，放样距离阈值为一经验参考值，只为提示使用者区分两类操作，推荐为0.3m；
找点操作过程如下：使用者手持对中杆，或者将对中杆靠/扛在肩膀上，GNSS/IMU接收机的竖直倾角在0-90°范围内均可，使用者按照显示终端提示的待放样方向步行，使显示终端提示的待放样水平距离缩小，直至显示终端提示的水平待放样距离小于放样距离阈值，进入到放样操作过程；
放样过程根据放样精度需求可以分为粗放样和精放样两个步骤，粗放样：使用者手持对中杆，或者将队中干靠在肩膀上，按照显示终端提示的待放样方向移动对中杆的底部尖端直至显示终端提示的水平待放样距离和高程待放样距离均满足放样精度要求；精放样：在完成粗放样的基础上，使用者保持对中杆底部尖端位置不变，手持对中杆，或者将对中杆靠在肩膀上，移动对中杆，使得GNSS/IMU接收机的竖直倾角小于10度(即对中杆近似竖直)，若显示终端提示的水平待放样距离和高程待放样距离仍然满足放样精度要求，则完成放样，若水平待放样距离或高程待放样距离不满足放样精度要求，则按照显示终端提示的待放样方向小幅度移动对中杆，使水平待放样距离和高程待放样距离满足放样精度要求，完成放样；
在放样精度要求较高的情况下可以进行精放样步骤，以确保放样精度满足要求，精放样步骤不影响GNSS/IMU接收机放样功能的实现。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：(1)本发明在传统的GNSS接收机内部集成了IMU惯性传感器，通过kalman滤波器融合惯性导航定位结果和卫星导航定位结果实现惯性导航定位和卫星导航定位的优势互补，充分发挥卫星导航定位的高精度和惯性导航的高动态、全自主的优点，实现高精度、高可靠的GNSS/IMU接收机三维姿态动态跟踪，以此为基础实现GNSS/IMU接收机相对位置点测量功能，使使用者摆脱水准气泡居中的限制，降低使用者劳动强度的同时极大的提高了测量效率；
(2)通过Kalman滤波器融合惯性导航机械编排的推算结果和GNSS解算结果，估计机械编排的姿态误差、速度误差和位置误差和惯性传感器的残余零偏误差，并进行反馈校正，从而实现三维姿态的高频、高精度动态跟踪解算，由于没有使用磁力计，所以从根本上避免了对磁力计的校正和因电磁环境干扰导致的可靠性差的问题；由于对运动状态进行了完整的建模，所以三维姿态的跟踪不会受到GNSS接收机运动状态变化的影响，所以本发明可以实现高精度高动态三维姿态跟踪，并基于三维姿态实现实时的相对位置点测量，无需在准静态条件下进行；
(3)本发明充分利用GNSS的速度和位置信息实现GNSS/INS松组合解算的状态初始化，包括三维位置、三维速度和三维姿态信息，三维位置和三维速度的初始值可以通过GNSS接收机获取，俯仰角和横滚角的初始值可以通过加速度计的量测信息获取，重点是航向角初始值的获取，GNSS/INS松组合解算的航向角初始值本质上是惯性传感器的坐标轴系与真北方向的夹角，由于GNSS/IMU接收机是非固定安装设备，惯性传感器的坐标轴系与真北方向的夹角在初始时刻是任意的、非固定的，导致传统的GNSS/INS松组合算法模型不满足线性化条件，而本发明通过重构kalman滤波的状态量(《基于变换估计量建模方案的载体初始航向估算方法》，CN 109764870A)，使非线性模型线性化，只需使用者手持GNSS/IMU接收机按照特定动作操作一段时间，即可在航向角初始值为任意值的前提下估计出满足GNSS/INS松组合算法模型要求的小角度误差的航向角初值，进入GNSS/INS松组合解算过程，进而实现高精度、高动态的三维姿态跟踪；
(4)本发明设定了特定的操作来完成相对位置点测量功能的初始化，用户只需手持GNSS/IMU接收机保持静止一段时间，或者步行一段距离，然后再晃动接收机即可完成初始化，操作动作简单易行，使用者一般10秒内即可完成，几乎不影响正常的测量作业流程；
(5)本发明设定了特定的操作来实现放样功能，传统的放样方法基于显示终端上的磁力计确定待放样方向，精度差，可靠性，尤其到达待放样点附近后由于显示终端与GNSS接收机空间不一致，显示终端上的待放样方向没有参考意义，体验差，且到达待放样点附近必须保持对中杆水准气泡居中才能实现精确放样，效率低，劳动强度大，本发明计算GNSS/IMU接收机本身的倾斜角，精度高，可靠性高，且到达待放样点附近后，只需移动对中杆底部尖端即可完成放样，操作简单方便，可以极大的提升放样的效率，降低使用者的作业强度。
附图说明
图1a、图1b为传统的测绘方法涉及到的GNSS接收机安装示意图和出厂标定示意图；图1c为本发明涉及的GNSS/IMU接收机系统构成图；
图2相对位置点测量功能数据处理流程图；
图3相对位置点测量功能初始化过程说明图；
图4相对位置点测量功能测量过程说明图；
图5放样功能找点过程说明图；
图6a和图6b为放样功能放样过程说明图。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅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做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。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”“前端”、“后端”、“两端”、“一端”、“另一端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
请参阅图1c-图6所示，本发明提供的一种GNSS/IMU测绘系统，包括：GNSS/IMU接收机，相对位置传递媒介，显示终端：其中GNSS/IMU接收机至少包含GNSS天线、GNSS定位板卡、IMU惯性传感器、位置传递装置：GNSS天线的作用为跟踪和接收导航定位卫星发射的电磁波信号。GNSS定位板卡的作用为解析GNSS天线接收的电磁波信号，运行卫星导航定位程序计算GNSS天线相位中心的坐标位置，作为相对位置点测量的基准坐标。
在图1c中所示，A表示：GNSS天线，用于跟踪和接收导航定位卫星发射的电磁波信号；B表示：GNSS定位板卡，用于处理GNSS天线接收的电磁波信号，执行卫星导航定位解算程序，输出卫星导航定位结果；C表示：IMU惯性传感器，用于测量GNSS/IMU接收机的三维惯性角速度和三维惯性加速度；D表示：位置传递装置，用于接收GNSS板卡输出的卫星导航定位信息和IMU惯性传感器的观测信息，执行惯性捷联解算，GNSS/INS松组合算法，相对位置点传递算法等；E表示：GNSS/IMU接收机，包含GNSS天线，GNSS板卡，IMU惯性传感器，位置传递装置；F表示：相对位置传递媒介，为一三维坐标向量，描述相对位置点在机体系下的三维投影坐标向量；显示终端：用于显示相对位置点测量的结果和状态，实现和使用者的交互，提升工作效率。
在本发明中，IMU惯性传感器的作用为测量GNSS/IMU接收机在惯性空间的三轴线加速度和三轴角速度，该IMU惯性传感器以特定的空间关系安装于GNSS/IMU接收机内部，包含三轴加速度计和三轴陀螺仪，且加速度计和陀螺仪的三个轴系对应平行设计，轴系定义满足右手定则，加速度计和陀螺仪以微机电系统的形式设计，采用工业级或消费级的加速度计和陀螺仪，IMU惯性传感器可以固定于GNSS/IMU接收机内部结构支架上或PCB板上，通过排线或排针实现供电和数据传输，或者IMU惯性传感器以贴片方式固定于GNSS/INS接收机内部的PCB板上，供电和数据传输通过PCB电路设计实现。
其中，位置传递装置的作用为计算GNSS/IMU接收机相对位置点的三维坐标位置、GNS/IMU接收机的倾斜角度和相对位置点测量的状态，并控制GNSS/IMU接收机通过声或光对相对位置点测量结果和状态进行反馈，其为一计算机可执行程序，位置传递装置被构造成获取GNSS板卡定位数据和IMU观测数据，通过GNSS/INS组合导航算法计算GNSS/IMU接收机的俯仰角、横滚角和航向角，作为基准三维姿态，通过基准坐标、基准姿态和位置传递媒介定义的位置传递向量计算待测量相对位置点的三维坐标，通过基准姿态计算GNSS/IMU接收机相对当地水平坐标系的竖直倾角和方向倾角，记竖直倾角和方向倾角为倾斜角，对外输出基准坐标、基准三维姿态、位置传递向量、待测量相对位置点三维坐标、倾斜角以及相对位置点测量功能的相关状态，控制GNSS/IMU接收机通过声或光的形式反馈相对位置点测量功能的结果和相关状态，待测量相对位置点三维坐标、倾斜角以及相对位置点测量功能的相关状态为必选输出，其余为可选输出；倾斜角由竖直倾角和方向倾角构成，根据IMU定义的坐标轴系定义，竖直倾角表征IMU的Z轴与铅垂线的夹角(0-180°)(Z轴一般指右手坐标系的中指所指方向)，方向倾角表征IMU的Z轴与铅垂线所构成的平面与真北方向的夹角(±180°)。
在本发明中，相对位置传递媒介为GNSS/IMU接收机天线相位中心至相对位置测量点空间关系传递的物理媒介，包括测量用的对中杆，三脚架，包括安装GNSS/IMU接收机的AVG车辆，摆渡车，拖拉机，插秧机，播种机，收割机，推土机，平地机，挖掘机，摊铺机，压路机，装载机，起重机，钻孔机，铲车，除雪车，洒水车，环卫车，消防车，无人机，无人船等运载体，可以将物理媒介抽象为一个三维坐标向量，其作用为描述待测量相对位置点与GNSS/IMU接收机天线相位中心的限定空间关系，定义如下坐标系：以GNSS天线相位中心为坐标原点，坐标轴系指向定义与IMU惯性传感器的坐标轴系指向定义相同的笛卡尔坐标系，记该笛卡尔坐标系为机体坐标系，相对位置传递媒介描述了待测量相对位置点相对GNSS天线相位中心的空间矢量在机体坐标系下的三维坐标矢量；由于GNSS天线相位中心位于GNSS/IMU接收机内部，使用者不能直接接触，需要通过GNSS/IMU接收机外部点进行衔接，因此限定空间关系至少由两部分组成，若选取GNSS/IMU接收机的安装面中心为外部衔接点，则记该安装面中心相对GNSS天线相位中心的空间向量在机体坐标系下的三维坐标向量为第一三维向量，该向量为定值存储在GNSS/IMU接收机的内存中；将机体坐标系的原点平移至该安装面中心，记为衔接系，待测量相对位置点相对安装面中心的空间向量在衔接系下的三维坐标向量为第二三维向量，该向量由使用者设定，抽象的相对位置传递物理媒介定义的三维坐标向量由第一三维向量和第二三维向量构成，作为位置传递向量，GNSS/IMU接收机的安装面中心为外部衔接点的一个实例，衔接点可为GNSS/IMU接收机外部任意相对GNSS/IMU接收机固定的、可接触的点。
在本发明中，显示终端的作用为显示GNSS/IMU接收机相对位置点测量的结果和状态，与使用者进行交互，其为GNSS/IMU测绘系统的选配设备，不影响GNSS/IMU接收机相对位置点测量功能的基本实现。
在本发明中，还提供了一种借助对中杆实施相对位置点测量功能的测绘方法，该测绘方法至少包含相对位置点测量功能初始化和相对位置点测量两个过程：
其中，相对位置点测量功能初始化过程至少包含两个步骤：一是设定待测量相对位置点相对外部衔接点的第二三维向量，在该测绘方法中，外部衔接点为GNSS/IMU接收机安装面中心，待测量相对位置点为对中杆的底部尖端，第二三维向量为对中杆顶部中心至对中杆底部尖端的矢量长度在衔接系下的三维坐标；二是通过特定的操作动作完成基准姿态的初始化，作为GNSS/INS组合导航算法的姿态初始值，从而进入GNSS/INS组合导航滤波解算，初始化的特定操作动作可以分为两大类：1)原地静止一段时间，前后/左右/前后左右/顺时针圆周/逆时针圆周重复晃动对中杆直至GNSS/IMU接收机或者显示终端提示初始化过程完成；2)手持或肩扛对中杆步行一段距离，前后/左右/前后左右/顺时针圆周/逆时针圆周重复晃动对中杆直至GNSS/IMU接收机或者显示终端提示初始化过程完成；晃动对中杆的操作可以是前后、左右、圆周运动的任意组合，静止时间可设定为1-5秒，步行距离可设定为1-10米，重复晃动次数可设定为1-10次，静止时间长短、步行距离长短，以及晃动动作的组合顺序与重复次数不影响初始化过程的实行；步骤一和二的顺序可颠倒；
其中，相对位置点测量过程至少包含两个步骤：一是将对中杆底部尖端放置在待测量点上，实现相对位置点与待测量点的连接，此步骤中，使用者手持对中杆，或者将对中杆靠/扛在肩膀上，只需GNSS/IMU接收机的竖直倾角在0-90°范围内即可，其与传统借助对中杆实现相对位置点测量功能的测绘方法的最大区别在于无需通过保持对中杆上的水准气泡居中来保证接收机竖直倾角为0°或者接近0°，对测量的限制大幅降低；二是触发采集命令完成相对位置点三维坐标采集，采集相对位置点坐标的方法可以分为两大类：1)单位置采集，使用者通过按钮或者声音发出采集命令后，显示终端或者接收机保存收到命令后位置传递装置输出第一个相对位置测量点的三维坐标作为测量结果，或者使用者通过按钮或者声音发出采集命令后，显示终端或者接收机保存收到命令后位置传递装置输出的连续多个相对位置点测量坐标，取它们的平均值作为测量结果；2)多位置采集，使用者通过按钮或者声音发出采集命令后，显示终端或者接收机保存收到命令后位置传递装置输出第一个相对位置测量点的三维坐标或者连续多个相对位置测量点三维坐标的平均值作为第一位置测量值，保持对中杆底部尖端放置在待测量点上，移动对中杆至第二位置，使用者通过按钮或者声音再次发出采集命令后，显示终端或者接收机保存收到命令后位置传递装置输出第一个相对位置测量点的三维坐标或者连续多个相对位置测量点三维坐标的平均值作为第二位置测量值，重复上述操作，采集多个位置的测量值，去它们的平均值作为测量结果，采集待测量点三维坐标时对中杆可手持，或者靠/扛在肩膀上，只需GNSS/IMU接收机的竖直倾角在0-90°即可，取平均的测量点个数和位置数不影响数据采集过程的实行，多位置测量时，切换位置的过程中对中杆的底部尖端可以离开测量点，只需触发采集命令和数据采集过程中对中杆的底部尖端放置在同一个待测量点上即可。
在本发明中，还提供了一种借助相对位置点测量功能实现放样功能的测绘方法，该方法包含如下5个过程：1)显示终端实时接收位置传递装置输出的对中杆底部尖端相对位置点的三维坐标信息和GNSS/IMU接收机的倾斜角信息；2)计算待放样距离，根据对中杆底部尖端的三维坐标和待放样点的三维坐标计算两点之间的三维坐标矢量，将该矢量在当地水平坐标系进行投影，该投影水平方向的矢量和即为水平待放样距离，该投影在高程方向的分量即为高程待放样距离，水平待放样距离和高程待放样距离共同构成待放样距离；3)计算待放样方向，根据对中杆底部尖端与待放样点两点之间三维坐标矢量在当地水平坐标系的投影计算该投影与真北方向的夹角，记为方向角一，显示终端实时接收GNSS/IMU接收机的方向倾角记为方向角二，方向角一与方向角二的差值即为待放样方向；4)显示终端通过软件界面或者声音提示待放样距离和待放样方向，引导使用者进行放样操作，根据待放样距离可以将放样操作可以分为两类，一是找点，一是放样，当待放样距离大于阈值时为找点，使用者手持对中杆，或者将对中杆靠/扛在肩膀上，GNSS/IMU接收机的竖直倾角在0-90°范围内均可，使用者按照显示终端提示的待放样方向步行，使显示终端提示的待放样水平距离缩小，直至显示终端提示的水平待放样距离小于放样距离阈值，进入到放样操作过程；放样过程根据放样精度需求可以分为粗放样和精放样两个步骤，粗放样：使用者手持对中杆，或者将对中杆靠在肩膀上，按照显示终端提示的待放样方向移动对中杆的底部尖端直至显示终端提示的水平待放样距离和高程待放样距离均满足放样精度要求；精放样：在完成粗放样的基础上，使用者保持对中杆底部尖端位置不变，手持对中杆，或者将对中杆靠在肩膀上，移动对中杆，使得GNSS/IMU接收机的竖直倾角小于10度(即对中杆近似竖直)，若显示终端提示的水平待放样距离和高程待放样距离仍然满足放样精度要求，则完成放样，若水平待放样距离或高程待放样距离不满足放样精度要求，则按照显示终端提示的待放样方向小幅度移动对中杆底部尖端，使水平待放样距离和高程待放样距离满足放样精度要求，完成放样；在放样精度要求较高的情况下可以进行精放样步骤，以确保放样精度满足要求，该步骤不影响GNSS/IMU接收机放样功能的实现；5)当显示终端提示的待放样距离满足放样精度指标要求后，对中杆底部尖端即为待放样点位置坐标，从而完成放样。
参照图1c-图6b所示，对本发明中的GNSS/IMU相对位置点测量的原理与方法做简要说明：
第一步：同步获取GNSS定位数据和IMU观测数据:
在GNSS天线完成卫星信号跟踪和接收后，将GNSS天线观测信息以及其它相关解算信息，比如差分信号传递给GNSS定位板卡，GNSS板卡根据接收到的观测信息和解算信息进行卫星导航定位解算，输出解算时间，天线相位中心速度和天线相位中心位置信息，同时位置传递装置在CPU的控制下周期性的获取IMU惯性传感器观测的三轴加速度和三轴角速度，通常的采样频率为100Hz，同时获取GNSS板卡的PPS信号与GNSS时间信息，基于GNSS时间信息对时间信息对CPU的时间信息进行同步，从而实现IMU的观测信息和GNSS板卡的解算信息的时间同步，将同步后IMU观测信息和GNSS板卡定位信息传递给位置传递装置的解算模块；
第二步：设定相对位置传递媒介：
使用者利用钢尺测量相对位置点相对GNSS/IMU接收机外部衔接点的矢量在衔接系下的三维投影坐标，将测量值通过显示终端或者GNSS/IMU接收机传递给位置传递装置，即设置第二三维向量，位置传递装置接收到第二三维向量后从内存中读取第一三维向量，将第一三维向量和第二三维向量相加得到相对位置传递媒介，在借助对中杆进行测绘的应用中可以直接从对中杆上读取第一三维向量的矢量长度，一般情况下其在衔接系的X,Y轴的投影为0，在衔接系Z轴的投影为其矢量长度；
第三步：相对位置点测量功能初始化：
惯性导航定位算法属于航位递推算法，需要确定算法的初始值，初始值包括初始姿态，初始速度，初始位置，初始速度和初始位置可以通过GNSS板卡输出的速度和位置确定，初始俯仰角和初始横滚角可以通过IMU惯性传感器测量的加速度进行确定，只有初始航向需要通过特殊方法确定，GNSS/IMU相对位置点测量功能通过限定的操作配合大失准角初始化算法确定初始航向，使用者通过显示终端或GNSS/IMU接收机打开相对位置点测量功能后，保持GNSS/IMU接收机静止一段时间或者手持GNSS/IMU接收机步行一段距离后，按照限定的动作晃动GNSS/IMU接收机，比如前后重复晃动GNSS/IMU接收机、左右重复晃动GNSS/IMU接收机、重复使GNSS/IMU接收机做圆周运动，位置传递装置处理限定操作过程中接收的GNSS板卡导航定位信息和IMU惯性传感器观测信息即可完成初始航向的计算，从而完成惯性导航定位算法的初始化，进入惯性导航定位解算和GNSS/INS松组合解算过程；
第四步：GNSS/INS松组合解算：
相对位置测量功能初始化完成后即完成了惯性导航定位算法的初始化，相对位置传递装置即可根据惯性导航机械编排算法以不高于IMU惯性传感器采样频率的频率进行惯性导航定位解算，输出惯性导航推算的三维姿态、三维速度、三维位置，记为第一姿态、第一速度、第一位置；同时相对位置传递装置根据惯性导航机械编排算法的微分方程构建GNSS/INS松组合解算的kalman滤波器模型，并以惯性导航定位解算相同的频率进行kalman滤波器的时间更新，当相对位置传递装置接收到GNSS板卡输出的三维速度和三维位置时，记为第二速度和第二位置，以第一位置和第二位置的差值与第一速度和第二速度的差值作为滤波器的观测量进行kalman滤波器的量测更新，估计第一位置、第一速度、第一姿态的误差以及IMU惯性传感器零偏的误差，将滤波器估计的误差量反馈修正至惯性导航定位推算的第一位置、第一速度、第一姿态和IMU传感器的零偏值，以修正后的第一位置、第一速度、第一姿态做为GSNN/INS松组合解算的结果输出，至此完成一次GNSS/INS的松组合解算，相对位置传递装置循环执行以上过程，以实现GNSS/IMU接收机三维姿态、速度和位置的动态高精度跟踪；
第五步：计算相对位置点三维坐标：
GNSS板卡输出的GNSS天线相位中心位置是在地心地固坐标系(ECEF)下的笛卡尔位置或者曲线位置，相对位置传递装置输出的三维姿态描述的是机体系相对导航系(当地水平坐标系)的旋转关系，ECEF坐标系与导航系的转换关系是关于GNSS天线相位中心位置的函数，为已知量，相对位置传递媒介是定义在机体系下的三维坐标向量，描述的是相对位置点相对GNSS天线相位中心在机体系的空间关系，因此三维姿态是将机体系下三维坐标向量传递至ECEF坐标系的纽带，获取相对位置传递媒介在ECEF系下的投影坐标即可通过三维向量的平移关系获取相对位置点在ECEF坐标系下的三维位置，从而实现相对位置点的测量，上述过程可以通过以下公式进行描述：
Figure BDA0002330674680000221
Rmeasurement：为相对位置点在ECEF下的三维位置坐标；
Rantenna：为GNSS天线相位中心在ECEF下的三维位置坐标；
Figure BDA0002330674680000222
为根据位置传递装置输出的三维姿态确定的方向余弦矩阵，表征机体系至导航系的旋转关系；
leverb：为机体系下的相对位置传递媒介。
第六步：计算GNSS/IMU接收机的倾斜角：
相对位置传递装置根据计算的三维姿态计算GNSS/IMU接收机在当地水平坐标系下的竖直倾角和方向倾角，以便通过GNSS/IMU接收机或显示终端直观的提示当前GNSS/IMU接收机的空间状态，引导使用者进行测量作业。
综上所述，本发明在传统的GNSS接收机内部集成了IMU惯性传感器，通过kalman滤波器融合惯性导航定位结果和卫星导航定位结果实现惯性导航定位和卫星导航定位的优势互补，充分发挥卫星导航定位的高精度和惯性导航的高动态、全自主的优点，实现高精度、高可靠的GNSS/IMU接收机三维姿态动态跟踪，以此为基础实现GNSS/IMU接收机相对位置点测量功能，使使用者摆脱水准气泡居中的限制，降低使用者劳动强度的同时极大的提高了测量效率；采用GNSS/INS松组合算法进行三维姿态的跟踪解算(一种新型GNSS接收机倾斜测量系统及方法》，CN 109269471 A)，通过Kalman滤波器融合惯性导航机械编排的推算结果和GNSS解算结果，估计机械编排的姿态误差、速度误差和位置误差和惯性传感器的残余零偏误差，并进行反馈校正，从而实现三维姿态的高频、高精度动态跟踪解算，由于没有使用磁力计，所以从根本上避免了对磁力计的校正和因电磁环境干扰导致的可靠性差的问题；由于对运动状态进行了完整的建模，所以三维姿态的跟踪不会受到GNSS接收机运动状态变化的影响，所以本发明可以实现高精度高动态三维姿态跟踪，并基于三维姿态实现实时的相对位置点测量，无需在准静态条件下进行；充分利用GNSS的速度和位置信息实现GNSS/INS松组合解算的状态初始化，包括三维位置、三维速度和三维姿态信息，三维位置和三维速度的初始值可以通过GNSS接收机获取，俯仰角和横滚角的初始值可以通过加速度计的量测信息获取，重点是航向角初始值的获取，GNSS/INS松组合解算的航向角初始值本质上是惯性传感器的坐标轴系与真北方向的夹角，由于GNSS/IMU接收机是非固定安装设备，惯性传感器的坐标轴系与真北方向的夹角在初始时刻是任意的、非固定的，导致传统的GNSS/INS松组合算法模型不满足线性化条件，而本发明通过重构kalman滤波的状态量(《基于变换估计量建模方案的载体初始航向估算方法》，CN 109764870 A)，使非线性模型线性化，只需使用者手持GNSS/IMU接收机按照特定动作操作一段时间，即可在航向角初始值为任意值的前提下估计出满足GNSS/INS松组合算法模型要求的小角度误差的航向角初值，进入GNSS/INS松组合解算过程，进而实现高精度、高动态的三维姿态跟踪；设定了特定的操作来完成相对位置点测量功能的初始化，用户只需手持GNSS/IMU接收机保持静止一段时间，或者步行一段距离，然后再晃动接收机即可完成初始化，操作动作简单易行，使用者一般10秒内即可完成，几乎不影响正常的测量作业流程；设定了特定的操作来实现放样功能，传统的放样方法基于显示终端上的磁力计确定待放样方向，精度差，可靠性，尤其到达待放样点附近后由于显示终端与GNSS接收机空间不一致，显示终端上的待放样方向没有参考意义，体验差，且到达待放样点附近必须保持对中杆水准气泡居中才能实现精确放样，效率低，劳动强度大，本发明计算GNSS/IMU接收机本身的倾斜角，精度高，可靠性高，且到达待放样点附近后，只需移动对中杆底部尖端即可完成放样，操作简单方便，可以极大的提升放样的效率，降低使用者的作业强度。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (14)

1.一种GNSS/IMU测绘系统和方法，其特征在于：包括GNSS/IMU接收机，相对位置传递媒介和显示终端。
2.根据权利要求1所述的一种GNSS/IMU测绘系统和方法，其特征在于，所述GNSS/IMU接收机包括GNSS天线、GNSS定位板卡、IMU惯性传感器、位置传递装置。
3.根据权利要求2所述的一种GNSS/IMU测绘系统和方法，其特征在于，所述IMU惯性传感器包括三轴加速度计和三轴陀螺仪，三轴加速度计和陀螺仪的三个轴系对应平行设计，IMU惯性传感器固定于GNSS/IMU接收机内部结构支架上或PCB板上。
4.根据权利要求3所述的一种GNSS/IMU测绘系统和方法，其特征在于：所述相对位置传递媒介为GNSS/IMU接收机天线相位中心至相对位置测量点空间关系传递的物理媒介，包括测量用的对中杆，三脚架，以及运载装置，用于描述待测量相对位置点与GNSS/IMU接收机天线相位中心的限定空间关系。
5.根据权利要求4所述的一种GNSS/IMU测绘系统和方法，其特征在于：所述GNSS天线的作用为跟踪和接收导航定位卫星发射的电磁波信号；所述GNSS定位板卡的作用为解析GNSS天线接收的电磁波信号，运行卫星导航定位程序计算GNSS天线相位中心的坐标位置，作为相对位置点测量的基准坐标。
6.根据权利要求5所述的一种GNSS/IMU测绘系统和方法，其特征在于：所述IMU惯性传感器的作用为测量GNSS/IMU接收机在惯性空间的三轴线加速度和三轴角速度。
7.根据权利要求6所述的一种GNSS/IMU测绘系统和方法，其特征在于：所述位置传递装置的作用为计算GNSS/IMU接收机相对位置点的三维坐标位置、GNS/IMU接收机的倾斜角度和相对位置点测量的状态，并控制GNSS/IMU接收机通过声或光对相对位置点测量结果和状态进行反馈。
8.根据权利要求1-7任一项所述的一种GNSS/IMU测绘系统和方法，其特征在于：其中测绘方法包括相对位置点测量功能初始化和相对位置点测量。
9.根据权利要求8所述的一种GNSS/IMU测绘系统和方法，其特征在于：所述相对位置点测量功能初始化过程包括：设定待测量相对位置点相对外部衔接点的第二三维向量，外部衔接点为GNSS/IMU接收机安装面中心，待测量相对位置点为对中杆的底部尖端，第二三维向量为对中杆顶部中心至对中杆底部尖端的矢量长度在衔接系下的三维坐标；通过操作动作完成基准姿态的初始化，作为GNSS/INS组合导航算法的姿态初始值，设定第二三维向量共和操作动作完成基准姿态初始化的步骤可以颠倒，其中初始化的操作动作可以分为两大类：1)原地静止一段时间，前后/左右/前后左右/顺时针圆周/逆时针圆周重复晃动对中杆直至GNSS/IMU接收机或者显示终端提示初始化过程完成；2)手持或肩扛对中杆步行一段距离，前后/左右/前后左右/顺时针圆周/逆时针圆周重复晃动对中杆直至GNSS/IMU接收机或者显示终端提示初始化过程完成；晃动对中杆的操作可以是前后、左右、圆周运动的任意组合，静止时间可设定为1-5秒，步行距离可设定为1-10米，重复晃动次数可设定为1-10次，静止时间长短、步行距离长短，以及晃动动作的组合顺序与重复次数不影响初始化过程的实行。
10.根据权利要求9所述的一种GNSS/IMU测绘系统和方法，其特征在于：相对位置点测量过程包括：将对中杆底部尖端放置在待测量点上，实现相对位置点与待测量点的连接；触发采集命令完成相对位置点三维坐标采集。
11.根据权利要求9所述的一种GNSS/IMU测绘系统和方法，其特征在于：其中GNSS/IMU相对位置点测量的具体过程包括：
步骤S1：同步获取GNSS定位数据和IMU观测数据；
步骤S2：相对位置点测量功能初始化；
步骤S3：位置传递装置进行GNSS/INS组合解算，计算接收机三维姿态；
步骤S4：位置传递装置计算相对位置点三维坐标。
12.一种借助相对位置点测量功能实现放样功能的测绘方法，其特征在于：包括以下步骤:
步骤(1)：显示终端实时接收位置传递装置输出的对中杆底部尖端相对位置点的三维坐标信息和GNSS/IMU接收机的倾斜角信息；
步骤(2)：计算待放样距离，根据对中杆底部尖端的三维坐标和待放样点的三维坐标计算两点之间的三维坐标矢量，将该矢量在当地水平坐标系进行投影，该投影水平方向的矢量和即为水平待放样距离，该投影在高程方向的分量即为高程待放样距离，水平待放样距离和高程待放样距离共同构成待放样距离；
步骤(3)：计算待放样方向，根据对中杆底部尖端与待放样点两点之间三维坐标矢量在当地水平坐标系的投影计算该投影与真北方向的夹角，记为方向角一，显示终端实时接收GNSS/IMU接收机的方向倾角记为方向角二，方向角一与方向角二的差值即为待放样方向；
步骤(4)：显示终端通过软件界面或者声音提示待放样距离和待放样方向；
步骤(5)：当显示终端提示的待放样距离满足放样精度指标要求后，对中杆底部尖端即为待放样点位置坐标，从而完成放样。
13.根据权利要求12所述的一种借助相对位置点测量功能实现放样功能的测绘方法，其特征在于：所述步骤(4)中具体包括：引导使用者进行放样操作，根据待放样距离可以将放样操作可以分为两类，一是找点，一是放样，当待放样距离大于阈值时为找点，使用者手持对中杆，或者将对中杆靠/扛在肩膀上，GNSS/IMU接收机的竖直倾角在0-90°范围内，使用者按照显示终端提示的待放样方向步行，使显示终端提示的待放样水平距离缩小，直至显示终端提示的水平待放样距离小于放样距离阈值，进入到放样操作过程。
14.根据权利要求13所述的一种借助相对位置点测量功能实现放样功能的测绘方法，其特征在于：所述放样过程根据放样精度需求分为粗放样和精放样两个步骤，粗放样：使用者手持对中杆，或者将对中杆靠在肩膀上，按照显示终端提示的待放样方向移动对中杆的底部尖端直至显示终端提示的水平待放样距离和高程待放样距离均满足放样精度要求；精放样：在完成粗放样的基础上，使用者保持对中杆底部尖端位置不变，手持对中杆，或者将对中杆靠在肩膀上，移动对中杆，使得GNSS/IMU接收机的竖直倾角小于10度，若显示终端提示的水平待放样距离和高程待放样距离仍然满足放样精度要求，则完成放样，若水平待放样距离或高程待放样距离不满足放样精度要求，则按照显示终端提示的待放样方向小幅度移动对中杆底部尖端，使水平待放样距离和高程待放样距离满足放样精度要求，完成放样；在放样精度要求较高的情况下可以进行精放样步骤。
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