CN117331108A - 高精度定位方法、gnss接收机及系统 - Google Patents

高精度定位方法、gnss接收机及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高精度定位方法、GNSS接收机及系统，所述GNSS接收机包括一定位模块、一惯性测量模块以及一摄像机，所述高精度定位方法包括：在待测点利用所述摄像机拍摄GNSS接收机上方的影像，并利用所述惯性测量模块获取拍摄时刻的GNSS接收机的姿态信息；识别所述影像中遮挡物的范围；利用所述姿态信息、遮挡物的范围以及定位模块获取的拍摄时刻的卫星方位角判断是否存在被所述遮挡物遮挡的目标卫星，若是则所述定位模块利用除目标卫星以外的观测卫星定位以获取待测点的定位坐标。本发明能够利用目前GNSS测绘一体机已有的元器件设备，提高GNSS RTK的固定率和固定精度，使定位精度大幅度提高。

Description

高精度定位方法、GNSS接收机及系统
技术领域
本发明涉及一种高精度定位方法、GNSS接收机及系统。
背景技术
卫星导航定位技术目前已基本取代了地基无线电导航、传统大地测量和天文测量导航定位技术，并推动了大地测量与导航定位领域的全新发展。当今，GNSS系统不仅是国家安全和经济的基础设施，也是体现现代化大国地位和国家综合国力的重要标志。
GNSS(Global Navigation Satellite System)是指包括美国GPS、俄罗斯GLONASS、欧洲的Galileo、以及我国的Beidou在内的全球四大导航定位系统，可为用户提供不间断的高精度的全球覆盖的导航信号资源，从而实现全天候实时的定位、测速和授时功能。
随着测量技术的发展，GNSS测绘一体机也从仅利用GNSS卫星信号进行定位发展到增加IMU元件，利用惯性导航算法进行倾斜测量，目前较为先进的设备还增加了摄像头元件，利用摄影测量算法使得测量点位位置更加便利。但是，无论是惯性导航还是摄影测量，都只是在测量的便捷性上提供了助力，然而对作为基础要求的定位准确性却没有提高。当遇到观测环境较差的测量点，无法进行RTK固定或者无法得到可靠的高精度RTK结果，还是会增加外业操作的工作量。
发明内容
本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中GNSS接收机定位精度差的缺陷，提供一种能够利用目前GNSS测绘一体机已有的元器件设备，提高GNSS RTK的固定率和固定精度，使定位精度大幅度提高的高精度定位方法、GNSS接收机及系统。
本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题：
一种高精度定位方法，用于GNSS接收机，所述GNSS接收机包括一定位模块、一惯性测量模块以及一摄像机，其特点在于，所述高精度定位方法包括：
在待测点利用所述摄像机拍摄GNSS接收机上方的影像，并利用所述惯性测量模块获取拍摄时刻的GNSS接收机的姿态信息；
识别所述影像中遮挡物的范围；
利用所述姿态信息、遮挡物的范围以及定位模块获取的拍摄时刻的卫星方位角判断是否存在被所述遮挡物遮挡的目标卫星，若是则所述定位模块利用除目标卫星以外的观测卫星定位以获取待测点的定位坐标。
较佳地，所述高精度定位方法包括：
识别所述影像中遮挡物的范围，获取遮挡物在摄影坐标系下的摄影坐标；
利用姿态信息中相机姿态将遮挡物的摄影坐标转换到NED坐标；
利用遮挡物的NED坐标以及定位模块获取的卫星方位角判断是否存在被所述遮挡物遮挡的目标卫星，若是则所述定位模块利用除目标卫星以外的观测卫星定位以获取待测点的定位坐标。
较佳地，所述摄影坐标通过旋转矩阵转换到NED坐标，所述旋转矩阵为：
其中，α为通过姿态信息获取的航向角，β为通过姿态信息获取的俯仰角，γ为通过姿态信息获取的横滚角，b为摄影坐标，n为NED坐标。
较佳地，所述高精度定位方法包括：
获取所述影像拍摄时刻的摄像机视场内的全部观测卫星；
将全部观测卫星的NED坐标转换为摄影坐标系下的摄影坐标；
根据全部观测卫星的摄影坐标获取全部卫星在所述影像上的像素位置；
判断是否存在目标卫星的像素位置位于所述影像中遮挡物的范围之内，若是则利用除目标卫星以外的观测卫星定位以获取待测点的定位坐标。
较佳地，所述高精度定位方法包括：
判断所述全部观测卫星中是否存在低质量卫星，若是则利用除目标卫星、低质量卫星以外的观测卫星定位以获取待测点的定位坐标，其中，所述低质量卫星为像素位置与遮挡物的范围的最小距离小于预设值的观测卫星。
较佳地，所述摄像机包括一摄像头，所述摄像头嵌设于所述GNSS接收机的外壳正面，所述GNSS接收机通过一支撑杆架设于地面上，所述GNSS接收机与所述支撑杆之间设有云台或转轴，所述在待测点利用所述摄像机拍摄GNSS接收机上方的影像，包括：
在待测点调整GNSS接收机与支撑杆的夹角，将摄像方向对准上方拍摄；
利用所述摄像机拍摄GNSS接收机上方的影像。
较佳地，所述摄像头为广角摄像头。
较佳地，所述利用所述摄像机拍摄GNSS接收机上方的影像，包括：
利用所述摄像机拍摄GNSS接收机上方多个角度的初始影像；
通过特征点识别将所述初始影像拼接以获取所述GNSS接收机上方的影像；和/或，
利用所述摄像机拍摄GNSS接收机上方多个角度的初始影像，利用所述惯性测量模块获取每一拍摄时刻的GNSS接收机的姿态信息；
通过姿态信息将所述初始影像拼接以获取所述GNSS接收机上方的影像。
本发明还提供一种GNSS接收机，其特点在于，所述GNSS接收机用于实现如上所述的高精度定位方法。
本发明还提供一种GNSS接收机系统，其特点在于，所述GNSS接收机系统包括GNSS接收模块、摄像机以及一处理模块，所述摄像机与GNSS接收模块的空间位置关联，所述GNSS接收机系统用于实现如上所述的高精度定位方法。
在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本发明各较佳实例。
本发明的积极进步效果在于：
本发明能够利用目前GNSS测绘一体机已有的元器件设备，提高GNSS RTK的固定率和固定精度，使定位精度大幅度提高。
附图说明
图1为本发明实施例1的高精度定位方法的结构示意图。
图2为本发明实施例1的高精度定位方法的流程图。
图3为现有技术中星空图和对应RTK定位结果示意图。
图4为本发明实施例1的高精度定位方法的星空图和对应RTK定位结果示意图。
具体实施方式
下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。
实施例1
本实施例提供一种GNSS接收机，所述GNSS接收机包括一定位模块、一惯性测量模块以及一摄像机。
所述定位模块、所述惯性测量模块以及所述摄像机相对位置固定，且位置关系已知。
所述摄像机用于在待测点拍摄GNSS接收机上方的影像，本实施例中拍摄角度为垂直地面向上。
所述惯性测量模块用于获取拍摄时刻的GNSS接收机的姿态信息。
所述GNSS接收机的处理模块用于识别所述影像中遮挡物的范围。
处理模块用于利用所述姿态信息、遮挡物的范围以及定位模块获取的拍摄时刻的卫星方位角判断是否存在被所述遮挡物遮挡的目标卫星，若是则所述定位模块利用除目标卫星以外的观测卫星定位以获取待测点的定位坐标。
如果该卫星是被遮挡的，说明该颗卫星信号是经过其它方式藕荷进入接收机，噪声和误差都会较大。通过剔除这样的非直视卫星，可以有效的提高GNSS RTK定位的固定率和精度。
图3为常规RTK得到的星空图和对应RTK定位结果图。
图4为采用本专利方法得到的星空图和RTK定位结果。从图示结果可见，本专利方法在实际应用中能够得到较高精度的RTK结果。
进一步地，所述处理模块用于：
识别所述影像中遮挡物的范围，获取遮挡物在摄影坐标系下的摄影坐标；
利用姿态信息中相机姿态将遮挡物的摄影坐标转换到NED坐标；
利用遮挡物的NED坐标以及定位模块获取的卫星方位角判断是否存在被所述遮挡物遮挡的目标卫星，若是则所述定位模块利用除目标卫星以外的观测卫星定位以获取待测点的定位坐标。
其中，所述摄影坐标通过旋转矩阵转换到NED坐标，所述旋转矩阵为：
其中，α为通过姿态信息获取的航向角，β为通过姿态信息获取的俯仰角，γ为通过姿态信息获取的横滚角，b为摄影坐标(即载体坐标)，n为NED坐标。
具体地，所述摄像机包括一摄像头，所述摄像头嵌设于所述GNSS接收机的外壳正面。
所述GNSS接收机通过一支撑杆架设于地面上，所述GNSS接收机与所述支撑杆之间设有云台或转轴。
所述支撑杆和云台用于在待测点调整GNSS接收机与支撑杆的夹角，将摄像方向对准上方拍摄；
所述摄像机用于拍摄GNSS接收机上方的影像。
所述摄像机用于拍摄GNSS接收机上方多个角度的初始影像；
所述处理模块用于通过特征点识别将所述初始影像拼接以获取所述GNSS接收机上方的影像。
拼接后的影像范围较大，或直接采用广角摄像头获取范围较大的影像。
参见图1，利用上述GNSS接收机，本实施例还提供一种高精度定位方法，包括：
步骤100、所述摄像机在待测点拍摄GNSS接收机上方的影像，本实施例中拍摄角度为垂直地面向上。
在步骤100的执行过程中，可并行执行下述步骤：所述惯性测量模块获取拍摄时刻的GNSS接收机以及摄像机的姿态信息。
步骤101、识别所述影像中遮挡物的范围。
步骤102、利用所述姿态信息、遮挡物的范围以及定位模块获取的拍摄时刻的卫星方位角判断是否存在被所述遮挡物遮挡的目标卫星，若是则执行步骤103，若否则执行步骤104。
步骤103、所述定位模块利用除目标卫星以外的观测卫星定位以获取待测点的定位坐标，然后结束流程。
步骤104、利用全部观测卫星定位以获取待测点的定位坐标。
步骤101包括：
识别所述影像中遮挡物的范围，获取遮挡物在摄影坐标系下的摄影坐标；
利用姿态信息中相机姿态将遮挡物的摄影坐标转换到NED坐标；
在步骤101执行的同时，高精度定位方法还包括：获取的拍摄时刻的卫星方位角。
步骤102具体为：
利用遮挡物的NED坐标以及定位模块获取的卫星方位角判断是否存在被所述遮挡物遮挡的目标卫星，若是则执行所述步骤103，若否则执行所述步骤104。
其中，所述摄影坐标通过旋转矩阵转换到NED坐标，所述旋转矩阵为：
其中，α为航向角，β为俯仰角，γ为横滚角。
本实施例能够利用目前GNSS测绘一体机已有的元器件设备，提高GNSS RTK的固定率和固定精度，使定位精度大幅度提高。
实施例2
本实施例与实施例1基本相同，不同之处仅在于：
所述处理模块用于：
所述高精度定位方法包括：
获取所述影像拍摄时刻的摄像机视场内的全部观测卫星；
将全部观测卫星的NED坐标转换为摄影坐标系下的摄影坐标；
根据全部观测卫星的摄影坐标获取全部卫星在所述影像上的像素位置；
判断是否存在目标卫星的像素位置位于所述影像中遮挡物的范围之内，若是则利用除目标卫星以外的观测卫星定位以获取待测点的定位坐标。
所述NED坐标通过旋转矩阵转换到摄影坐标，所述旋转矩阵为：
其中，α为通过姿态信息获取的航向角，β为通过姿态信息获取的俯仰角，γ为通过姿态信息获取的横滚角，b为摄影坐标(即载体坐标)，n为NED坐标。
进一步地，所述处理模块还用于：
判断所述全部观测卫星中是否存在低质量卫星，若是则利用除目标卫星、低质量卫星以外的观测卫星定位以获取待测点的定位坐标，其中，所述低质量卫星为像素位置与遮挡物的范围的最小距离小于预设值的观测卫星。
其中，所述影像的获取是通过处理模块的下述功能实现：
利用所述摄像机拍摄GNSS接收机上方多个角度的初始影像，利用所述惯性测量模块获取每一拍摄时刻的GNSS接收机的姿态信息；
通过姿态信息将所述初始影像拼接以获取所述GNSS接收机上方的影像。
参见图2，利用上述GNSS接收机，本实施例还提供一种高精度定位方法，包括：
步骤200、在待测点利用所述摄像机拍摄GNSS接收机上方的影像，并获取所述影像拍摄时刻的摄像机视场内的全部观测卫星；
步骤201、根据拍摄时刻的GNSS接收机的姿态信息将全部观测卫星的NED坐标转换为摄影坐标系下的摄影坐标；
步骤202、根据全部观测卫星的摄影坐标获取全部卫星在所述影像上的像素位置；
步骤203、判断是否存在目标卫星的像素位置位于所述影像中遮挡物的范围之内，若是则执行步骤204，若否则执行步骤205。
步骤204、利用除目标卫星以外的观测卫星定位以获取待测点的定位坐标，然后结束流程。
步骤205、利用全部观测卫星定位以获取待测点的定位坐标。
本实施例的影像通过下述方法获取：
利用所述摄像机拍摄GNSS接收机上方多个角度的初始影像，利用所述惯性测量模块获取每一拍摄时刻的GNSS接收机的姿态信息；
通过姿态信息将所述初始影像拼接以获取所述GNSS接收机上方的影像。
实施例3
本实施例与实施例1基本相同不同之处仅在于：
本实施例提供一种GNSS接收机系统，所述GNSS接收机系统包括GNSS接收模块、摄像机以及一处理模块。
所述摄像机与GNSS接收模块的空间位置关联。
所述GNSS接收机系统作为一个整体可以实现实施例1中GNSS接收机的功能，即高精度定位方法。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种高精度定位方法，用于GNSS接收机，所述GNSS接收机包括一定位模块、一惯性测量模块以及一摄像机，其特征在于，所述高精度定位方法包括：
在待测点利用所述摄像机拍摄GNSS接收机上方的影像，并利用所述惯性测量模块获取拍摄时刻的GNSS接收机的姿态信息；
识别所述影像中遮挡物的范围；
利用所述姿态信息、遮挡物的范围以及定位模块获取的拍摄时刻的卫星方位角判断是否存在被所述遮挡物遮挡的目标卫星，若是则所述定位模块利用除目标卫星以外的观测卫星定位以获取待测点的定位坐标。
2.如权利要求1所述的高精度定位方法，其特征在于，所述高精度定位方法包括：
识别所述影像中遮挡物的范围，获取遮挡物在摄影坐标系下的摄影坐标；
利用姿态信息中相机姿态将遮挡物的摄影坐标转换到NED坐标；
利用遮挡物的NED坐标以及定位模块获取的卫星方位角判断是否存在被所述遮挡物遮挡的目标卫星，若是则所述定位模块利用除目标卫星以外的观测卫星定位以获取待测点的定位坐标。
3.如权利要求2所述的高精度定位方法，其特征在于，所述摄影坐标通过旋转矩阵转换到NED坐标，所述旋转矩阵为：
其中，α为通过姿态信息获取的航向角，β为通过姿态信息获取的俯仰角，γ为通过姿态信息获取的横滚角，b为摄影坐标，n为NED坐标。
4.如权利要求1所述的高精度定位方法，其特征在于，所述高精度定位方法包括：
获取所述影像拍摄时刻的摄像机视场内的全部观测卫星；
将全部观测卫星的NED坐标转换为摄影坐标系下的摄影坐标；
根据全部观测卫星的摄影坐标获取全部卫星在所述影像上的像素位置；
判断是否存在目标卫星的像素位置位于所述影像中遮挡物的范围之内，若是则利用除目标卫星以外的观测卫星定位以获取待测点的定位坐标。
5.如权利要求4所述的高精度定位方法，其特征在于，所述高精度定位方法包括：
判断所述全部观测卫星中是否存在低质量卫星，若是则利用除目标卫星、低质量卫星以外的观测卫星定位以获取待测点的定位坐标，其中，所述低质量卫星为像素位置与遮挡物的范围的最小距离小于预设值的观测卫星。
6.如权利要求1所述的高精度定位方法，其特征在于，所述摄像机包括一摄像头，所述摄像头嵌设于所述GNSS接收机的外壳正面，所述GNSS接收机通过一支撑杆架设于地面上，所述GNSS接收机与所述支撑杆之间设有云台或转轴，所述在待测点利用所述摄像机拍摄GNSS接收机上方的影像，包括：
在待测点调整GNSS接收机与支撑杆的夹角，将摄像方向对准上方拍摄；
利用所述摄像机拍摄GNSS接收机上方的影像。
7.如权利要求6所述的高精度定位方法，其特征在于，所述摄像头为广角摄像头。
8.如权利要求6所述的高精度定位方法，其特征在于，所述利用所述摄像机拍摄GNSS接收机上方的影像，包括：
利用所述摄像机拍摄GNSS接收机上方多个角度的初始影像；
通过特征点识别将所述初始影像拼接以获取所述GNSS接收机上方的影像；和/或，
利用所述摄像机拍摄GNSS接收机上方多个角度的初始影像，利用所述惯性测量模块获取每一拍摄时刻的GNSS接收机的姿态信息；
通过姿态信息将所述初始影像拼接以获取所述GNSS接收机上方的影像。
9.一种GNSS接收机，其特征在于，所述GNSS接收机用于实现如权利要求1至8中任意一项所述的高精度定位方法。
10.一种GNSS接收机系统，其特征在于，所述GNSS接收机系统包括GNSS接收模块、摄像机以及一处理模块，所述摄像机与GNSS接收模块的空间位置关联，所述GNSS接收机系统用于实现如权利要求1至8中任意一项所述的高精度定位方法。
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