CN1415938A - Gps定位系统 - Google Patents

Abstract

本发明所提出的GPS定位系统包括一个固定站和一个移动站。移动站具有位置定位装置、成像装置、方向检测装置和运算处理装置。位置定位装置通过接收来自卫星的无线电波测量位置坐标。成像装置设置在相对GPS位置定位装置的一个预定位置上。方向检测装置检测成像装置在摄影期间的摄影方向。运算处理装置形成景象数据，其中成像装置输出的图像数据与方向检测装置输出的方位数据相关联。

Description

GPS定位系统

技术领域

本发明涉及通过接收来自卫星的无线电波可以得到位置坐标的全球定位系统(以下称为GPS定位系统)。

背景技术

GPS内的动态定位，在一个由一个天线和一个接收机构成的能进行GPS定位的基本组合定义为一个站时，是一种测量方法，其中以固定方式设置在一个基准点的一对站为固定站，而以另一个可移动的站为一个移动站，在使移动站在大量的测量点之间相继移动时执行定位，因此得到对于固定站的相对位置坐标。其中基准点的位置坐标是已知的。

存在一种实时动态定位(以下称为RTK)，作为一种改进的动态定位方法。这是一种可以实时获得作为定位结果的位置的定位方法。

在RTK中，固定站和移动站同时接收来自一个卫星的无线电波，在移动站内参照由固定站得到的接收数据对定位数据进行分析。因此，可以立即得到从安装固定站的基准点到移动站的定位点的相对坐标。

此外，在从固定站向移动站发送定位数据时，通常采用了从固定站用具有特定频率的无线电波传输数据的方法。具体地说，固定站配备有一个无线电发射机(例如频率为400MHz，输出功率为10mW左右)，不断地发送定位数据，而移动站配备有一个能接收所发送的无线电波的无线电接收机，因此能随时参考所发送的定位数据。

在RTK定位的情况下，所得到的定位结果是由一些位置坐标构成的数值。

因此，它很难用作为定位结果的位置坐标来识别定位工作站点的状况之类。

虽然有可能通过对工作站点进行摄影来识别工作站点的状况，但可以获取的状况内容非常模糊，不可能知道与一个定位点的具体关系。

此外，一个原来安排进行定位的点例如可能是一个不容易进行定位操作的点。如所揭示的那样，由于工作站点的环境和状况很难预测，因此希望一个操作员可以灵活地处理站点环境状况的变动。

然而，在发现定位操作得到的定位结果有问题并且错误的定位是由于站点的状况引起时，不可能用位置坐标的值进行检验。因此，即使再次执行定位操作也很可能出现由于同样的原因引起的问题。而且，没有办法准确地予以识别这样的问题。

发明内容

本发明的目的是使有效和准确地获取GPS定位操作站点的状况成为可能。

按照本发明的GPS定位系统包括固定站和移动站。

移动站包括位置定位装置、成像装置、方向检测装置和运算处理装置。

位置定位装置是通过接收来自卫星的无线电波测量位置坐标的GPS位置定位装置。

成像装置是设置在相对GPS位置定位装置的一个预定位置上的成像装置。

方向检测装置是检测成像装置在摄影期间的摄影方向的方向检测装置。

运算处理装置是将成像装置输出的图像数据与方向检测装置输出的方位数据相关联、形成景象数据的运算处理装置。

GPS定位装置得出位置坐标数据，而且将位置坐标数据与景象数据相关联。

此外，GPS定位系统具有在成像装置摄影期间检测摄影时间的时间检测装置。时间检测装置最好是一个时钟，并将摄影时间加入景象数据中。

此外，GPS定位系统还包括向一个设置在远地的数据服务器发送景象数据的通信装置。

运算处理装置用来根据在同一个定位点得到的多个图像数据和方位数据合成多个景象数据。

此外，位置定位装置具有一个GPS接收天线和一个接收机。

上述GPS定位系统的成像装置、方向检测装置、通信装置、时间检测装置等的主要功能如下所述。

在移动站执行定位操作的定位点，成像装置得到图像数据，而方向检测装置得到作为摄影方向数据的摄影方向。采用这种方法，可以与定位数据一起得到图像数据与摄影方向数据相结合的测量点景象数据。

此外，在一个预定定位点按成像装置的每个视场角执行全周边摄影的情况下，一系列全景图像根据所结合的摄影方向数据进行处理。全景图像在检验定位点周围的状况时是非常有用的信息。

更进一步地，在移动站配有通信装置时，可以将摄影得到的图像数据通过通信装置发送给一个服务器。服务器根据方向数据对图像数据进行处理，形成可用来方便地识别定位点在定位期间的状况的景象数据。

最好，对测量人员的认证数据附加到GPS的景象数据上，再加入认证所需的硬件。

附加个人认证数据的目的和作用说明如下。

目的是指定测量人员。在指定测量定位数据的测量人员后，可以因此保证测量值的准确性。也就是说，指定测量人员可以保证测量值的准确性。例如，如果测量人员具有注册测量员执照，测量值的可靠性就可以得到保证。

此外，还可以采用接入数据服务器的接入密钥。在接入存储定位数据的数据服务器时，可以用验证数据作为密钥，这增强了安全性和提高了数据的可靠性。

需认证的目标和硬件如下：

(a)指纹和指纹传感器

(b)虹膜和虹膜传感器

(c)脸形和CCD图像传感器

(d)语音和拾音器

优选的认证方法如下：

A.添加有关个人的认证数据

(1)每次测量时从传感器得到认证数据。将认证数据附加到景象数据，用于在定位时对定位操作员的个人认证。

(2)在初始设置时执行认证。将个人认证数据加入系列测量结果。

B.数据服务器接入

(1)对于存储在数据服务器内的景象数据，可以根据认证数据指定操作员。

(2)根据认证数据，在将景象数据存入数据服务器时控制是否同意接入。此外，存储位置是自动选择的。

附图说明

图1为示意性地示出按照本发明的一个实施例设计的GPS定位系统的主要部分的外观图。

图2为示意性地示出按照本发明的一个实施例设计的GPS定位系统的主要部分的系统配置图。

图3为示出按照本发明的GPS定位系统的位置坐标和方向的例示图。

图4为示出按照本发明的GPS定位系统采用通信装置的RTK定位方法的例示图。

图5为示出按照本发明的GPS定位系统的景象数据的例示图。

图6为示出按照本发明的GPS定位系统形成全景图像的方法的例示图。

图7为按照本发明的GPS定位系统产生景象数据的示例流程图。

图8为按照本发明的GPS定位系统产生全景景象数据的示例流程图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的优选实施例进行说明。

图1和2分别为外观图和配置示意图，示出了按照本发明设计的GPS定位系统的一个实施例。

GPS定位系统具有GPS接收天线1和接到接收天线1上的GPS接收机2。

此外，这个GPS定位系统还有：设置在相对天线1的一个预定位置上的能够进行360°任意方向摄影的成像装置3；能检测摄影方向的方向检测装置4；连接到GPS接收部分2a或成像装置3的运算处理装置5；能与数据服务器11进行双向通信的通信装置6；能接到通信装置6上的接口部分7；以及能为操作员显示各种信息的显示装置8。

此外，GPS定位系统还具有存储诸如定位数据和分析结果之类的数据的存储装置9。在存储装置9内配置了一个存储器部分和一个数据存储部分。

显示装置8可以置于接收机2内。

此外，接收机2具有一个能检测垂直度的气泡管(未示出)，用来准确地将天线1安装在定位点的垂线上，作为定位操作的设备。

如图1所示，天线1可以安装在接收机2的上端。接收机2安装在一个尖头的杆构件10上，使得接收机2的下端可以准确、方便地安装在定位点上。

杆构件10的下端放在一个所要求的定位点Pn(Xn，Yn，Zn)上，用气泡管之类保持垂直状态，因此可以将天线1准确地布置在定位点Pn(Xn，Yn，Zn)的上方。

杆构件10的长度是已知的，预先将它考虑为定位得到的位置坐标与实际测量点的位置坐标之间的滑距。

最好，这些装置具有便携性，使操作员可以携带着它们，而且这些装置可以用一个电池作为电源独立地进行操作。虽然通常用化学蓄电池作电池，但是所希望的是用有双电层电容器的物理电池，因为从输出稳定和寿命长来看它的性能较稳定。

成像装置3配有一个CCD传感器(未示出)和一个在CCD传感器上形成图像的成像光学系统(未示出)。

操作员将成像装置3朝向摄影对象，按下摄影按钮(未示出)，从而得到摄影对象的图像，作为图像信息的图像数据。

基本上，图像信息是通过从正在执行定位操作的定位点对站点的外围进行摄影得到的。

成像装置3固定在杆构件10上，固定位置可以任意改变。

下面参照图3说明所检测的方向与位置坐标之间的关联。

虽然定位操作得到的位置坐标基本上是定位点的位置坐标Pn(Xn，Yn，Zn)(N＝1，2...)，但在成像装置3的安装位置与Pn之间在垂直方向上有一个滑距(11)。

因此，成像装置3得到的图像数据是以位于定位点Pn(Xn，Yn，Zn)上距离h的点作为基准，这个点称为景象基准点Sn(Xn，Yn，Zn)。

基准代码L表示定位点Pn(Xn，Yn，Zn)与天线1之间的距离，如图1所示。

景象基准点也成为检测方向数据θ时的基准点。

方向检测装置4用来得出成像装置3的摄影方向，它检测成像光学系统的光轴的方向或针盘指针(index)的方向，例如，针盘指针与唯一配置的成像光学系统的光轴成一个预定的角度。

方向检测装置4配置成可以分别检测在水平面内的水平角θh和与水平面正交的仰角θv。

水平角θh可以用初始设置时设置的预定位置作为基准，通过诸如编码器之类的角度检测装置得到，也可以将磁北极作为基准检测地磁的朝向而得到。

另一方面，仰角θv可以通过用水平位置检测装置(未示出)得出的垂直度作为基准得到，也可以在杆构件10垂直的前提下通过检测与杆构件10的夹角得到。

朝向数据，也就是方向数据θ，具有水平角θh和仰角θv中至少之一。

方向检测装置4检测摄影方向是与成像装置3摄影同时执行的，因此摄影方向可以作为在图像数据定位点的摄影方向数据θ。方向检测装置4检测到的摄影方向基本上与成像光学系统的光轴方向一致。

运算处理装置5将成像装置3得到的图像数据与在成像装置3摄影时同时得到的摄影方向数据θ相关联，形成景象数据。

景象数据是在操作员从定位点朝摄影方向θ查看时的景象图像数据。

所得到的景象数据存储在与运算处理装置5连接的存储装置9内。

在这里，景象数据具有用景象基准点Sn(Xn，Yn，Zn)作为基准的方向数据。然而，景象数据可以在将它看作外围景象信息时被看作在定位点Pn(Xn，Yn，Zn)的数据，因为滑距h基本上没有什么影响。

此外，最好是运算处理装置5在诸如时钟15之类的时间检测装置对时间进行检测后将时间数据加入景象数据。所加入的时间数据直接从运算处理装置5或为另一个与时钟装置连接的装置配置的时钟15直接得到。

为了使时间数据准确，希望用GPS接收机2作为向运算处理装置5发送时间数据的装置。

最好，将通过在同一个定位点而方向有变动的摄影得到的景象数据根据所加入的方向数据θ合成为一个连续连接的图像(全景图像)。

虽然图像合成可以由运算处理装置5执行，但也可以用诸如数据服务器11之类的更高效率运算装置处理。

此外，在RTK定位系统包括用来从一个固定站接收供参考的基准定位数据的通信装置6的情况下，通信装置6可以向数据服务器11发送图像数据和景象数据。

下面将参照图4说明它的实施例。固定站16以固定方式设置在位置坐标已知的点，不断地或周期性地接收来自卫星12的无线电波，以得到与安装位置有关的基准定位数据。基准定位数据通常是来自卫星12的接收数据和已知位置坐标相结合的数据，利用一种被称为CMR的数据格式，随时从通信装置6发送给数据服务器11。

在RTK定位的情况下，在分析时参考在一个适当的固定站16的基准定位数据，就可以得出高精度的移动站13的位置坐标。

虽然移动站13通过通信装置6接收来自数据服务器11的基准定位数据，但通信装置6还可以向数据服务器11发送景象数据。

数据服务器11具有：中央运算处理装置，数据存储部分，以及接受诸如来自固定站16的基准定位数据和来自移动站的景象数据之类的各种数据输入的通信接口。

总是与各个固定站16连接的外部线路和能与移动站13双向通信的无线线路都接到通信接口上。

此外，外部线路可以接到除了固定站16之外的诸如互联网之类的网络上。可以通过该线路执行与处在远地的个人计算机之类的通信，下载所存储的景象数据或由景象数据所合成的全景图像数据，使用户可以在远地的个人计算机上参考这些数据。

此外，通信接口还可以用来接收来自移动站13的定位数据和将基准定位数据发送给移动站13。

诸如蜂窝电话机、PHS和无线LAN之类的能进行双向通信的装置都可用作具体的无线线路。顺便说一下，采用高速的通信装置可以减小在移动站分析期间的时间滞后。

中央运算处理装置执行对通过通信接口的数据通信的控制、将移动站13发送的景象数据存入存储部分的存储处理、根据附加多个景象数据的方向数据θ得到全景图像数据的合成处理等。

图5示出了景象数据的一个例子。

图5所示的图像为在光学系统的光轴(对准轴)处于(θhn，θvn)时成像装置3所摄取的图像。

图像数据的宽度和高度取决于成像光学系统的视场角，因此可以将它们与定位点的视场角相关联。由于视场角由光学系统唯一确定，因此在图像数据内的一个预定的定位点的位置坐标与一个预定方向相应。

在这里，要注意的是，宽度和高度根据成像光学系统的视场角对于水平方向和垂直方向设置为(θhf，θvf)。

此外，对于包括在方向数据内的水平角θh和仰角θv的数据在图像数据的垂直方向上和水平方向上各减小Δθh和Δθv的滑距量，在图像数据合成时按照此滑距量(Δθh，Δθv)校正定位，由此可以得到一个连续的全景图像。

在这里，滑距量(Δθh，Δθv)可以按下式得出。

Δθh＝θh2-θhI

Δθv＝θv2-θv1

存储部分除了景象数据之外还能灵活地存储各种信息，例如中央运算处理装置进行处理所需的数据、从移动站接收到的各种数据和有关定位操作员或用户的信息。例如，除了固定站的位置信息、需接收的定位数据、来自移动站的定位数据和位置信息之外，该存储部分还存储移动站的测量范围和环境信息等，以便稍后使用。

注意，这里所说的定位数据是具有一种在卫星测量中所指定的格式的数据的总称，它是在分析后可以予以处理的数据之类，例如接收数据或位置信息。作为格式，有二进制数据、文本数据等。

下面将说明一个具体测量操作的例子，作为优选实例。

首先将说明对移动站的初始化和设置。

对于普通动态测量的操作程序，将移动站13安排在基准点，执行初始化操作。

此时，如果需要的话可以同时执行方向检测装置4的初始设置。它最好是以与在普通测量操作中基准角设置相同的程序那样执行。

然后，在配备通信装置6时，执行与数据服务器11的通信设置、通信状况确认之类。

接下来根据定位计划将移动站13安排在定位点，通过接收来自卫星12的无线电波执行定位操作。

在定位操作前和定位操作后，操作员将成像装置3指向预定方向，摄下定位点的外围情况。

与摄影操作同时，方向检测装置4检测摄影方向，得到方向数据θ。

在这里所检测的方向数据θ是在成像装置3内的成像光学系统的光轴方向的数据或者一个到光轴有一个已知的预定角度的方向的数据。

方向检测装置4能分别检测在水平面上的水平角θh和在与水平面正交的垂直面上的仰角θv。特别是，可以根据磁极朝向得出水平角。

操作员可以任意执行摄影操作，但是在显示装置8上根据成像装置3的视场角为操作员显示和指出成像装置3的方向时可以执行更准确和有效的操作。

另一方面，通过运算处理装置5将图像数据与方向数据相关联，得出景象数据，存入存储装置9。

在RTK的情况下，位置坐标可以与景象数据关联存储，因为定位点的位置坐标可以通过从固定站16接收基准定位数据在本地得出。

下面说明一个处理相互关联的图像数据和方向数据的例子。使与图像数据中的摄影光轴相应的位置(基本上为中央部分)为方向数据(水平角θh，仰角θv)，再用这个位置作为基准按照成像光学系统的已知视场角将图像数据内的每个定位点与得出的方向相关联。

采用这种关联，处理不同的图像数据，使得所关联的方向叠置，从而形成一个全景图像。重复这个操作，形成一个在定位点处全周边的全景图像。

此外，在提供通信装置6时，将这景象数据通过通信装置6发送给数据服务器11。

此时，景象数据能加入由RTK得出的位置坐标数据被发送，也可以在将它预先形成为位置坐标与景象数据关联的格式后再发送。

在发送图像数据中，图像数据受到考虑传输期间线路负荷的压缩处理，再通过通信装置6与定位数据一起发送给数据服务器11。

具体的数据处理过程参照图7说明。

(1)在定位开始后用RTK方法得出定位点的位置坐标数据。

(2)选择是否执行对外围摄影。

(3)在“否”的情况下，将位置坐标数据存入存储装置9。

(4)在“是”的情况下，将成像装置3指向一个任意的或预定的方向，执行摄影，从而得到图像数据Gn。

(5)用方向检测装置4检测在摄影期间成像装置3的光轴方向数据(θhn，θvn)。

(6)通过运算处理装置5将图像数据Gn与光轴数据(θhn，θvn)相关联，形成景象数据Kn。

(7)将景象数据Kn存入存储装置9。

(8)选择是否结束在定位点的摄影操作。

(9)在“否”的情况下，将成像装置3指向另一个方向，再次执行摄影操作。

(10)在“是”的情况下，将在定位点的位置坐标数据Pn与景象数据Kn相关联，将它们存入存储装置9。

(11)通过通信装置6向服务器11发送所存储的位置坐标数据Pn和景象数据Kn。

(12)移动到下一个定位点。

下面将参照图8说明全景景象数据处理的一个例子。

(1)在定位开始后，首先从存储装置9读出要用来形成全景的景象数据(K1，K2)。

(2)提取对于两个景象数据是共同的定向区域。

(3)叠置这两个景象数据(K1，K2)，使得所提取的定向区域相互交叠。

(4)将经叠置的景象数据作为全景景象数据存储。

(5)选择是否结束对合成景象数据的处理。

(6)如果为“是”，就结束处理，否则，如果为“否”，返回到开始点，进行处理。

按照本发明，可以有效和准确地获取GPS定位操作的站点的状况。

例如，在本发明的GPS定位系统用于RTK测量时，可以记录观察点在定位期间的状况。

此外，在用服务器对图像数据执行处理时，可以在远地实时知道定位点的状况。

而且，在图像上显示的从定位点到目标之类的方向已知时，即使根据图像也可以很方便地获取站点的状况，因此在需要指挥时可以明确地将指令传送给操作员。

Claims (7)

1.一种包括一个固定站和一个移动站的GPS定位系统，其中：

(a)所述移动站包括位置定位装置、成像装置、方向检测装置以及运算处理装置；

(b)所述位置定位装置是通过接收来自卫星的无线电波测量位置坐标的GPS位置定位装置；

(c)所述成像装置设置在相对所述GPS位置定位装置的一个预定位置上；

(d)所述方向检测装置检测所述成像装置摄影期间的摄影方向；以及

(e)所述运算处理装置形成景象数据，其中所述成像装置输出的图像数据与所述方向检测装置输出的方位数据相关联。

2.按照权利要求1所述的GPS定位系统，其中：

由所述GPS位置定位装置得出的位置坐标数据与所述景象数据相关联。

3.按照权利要求1或2所述的GPS定位系统，其中：

所述系统还包括在所述成像装置摄影期间检测摄影时间的时间检测装置，所述摄影时间被加入所述景象数据。

4.按照权利要求1至3中任一项所述的GPS定位系统，所述GPS定位系统还包括：

向一个设置在远地的数据服务器发送所述景象数据的通信装置。

5.按照权利要求1至3中任一项所述的GPS定位系统，其中：

所述运算处理装置配置成根据在同一个定位点得到的多个图像数据和方位数据合成多个景象数据。

6.按照权利要求1所述的GPS定位系统，所述GPS定位系统还包括：

用来从定位操作员得到证实该操作员身份的认证数据的认证装置，其中，

所述有关操作员的认证数据与景象数据相关联。

7.按照权利要求6所述的GPS定位系统，其中：

所述认证数据可以用作控制接入数据服务器的数据。

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