CN203759252U - 一种动态定位系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种动态定位系统，包括：脉冲激光测距设备、摄影测量设备、卫星定位设备、姿态测量设备、同步控制机构、数据采集设备以及主控机；同步控制机构分别与脉冲激光测距设备、摄影测量设备和卫星定位设备连接；脉冲激光测距设备、摄影测量设备、卫星定位设备和姿态测量设备的输出端均与数据采集设备的输入端连接，数据采集设备的输出端与主控机的输入端连接。将多种测量设备采用组件化架构集成到一起，可根据具体应用及技术要求提高各组件性能，系统成本控制灵活；由于集成多种测量设备，也提高了定位精度。

Description

一种动态定位系统

技术领域

本实用新型属于主动定位技术领域，具体涉及一种动态定位系统。

背景技术

目前，在移动式主动定位研究技术领域，主要研究对象为基于GPS与三维激光扫描仪的集成应用研究。美国，加拿大，瑞典，日本，荷兰等国家均陆续研发出相关陆地移动测试产品，例如美国俄亥俄州立大学的GPS Van系统，卡尔加里大学的VISATTM系统，慕尼黑联邦军事大学的KISSTM系统，瑞典的Top Eye机载系统，美国的Cyra系统，法国Riegl公司的小型地面系统等。我国也研发出了同类产品，例如武汉测绘科技大学地球空间信息技术开发组开发的激光扫描测量系统，中国测绘科学开发院四维公司研发的三维影像扫描测量系统等。

然而，现有的移动式主动定位设备普遍存在固定投资大、灵活性差、目标针对性不强、数据采集量大、目标区控制点需要已知、生产工艺复杂的缺陷。

实用新型内容

针对现有技术存在的缺陷，本实用新型提供一种动态定位系统，将多种测量设备采用组件化架构集成到一起，可根据具体应用及技术要求提高各组件性能，系统成本控制灵活；由于集成多种测量设备，也提高了定位精度。

本实用新型采用的技术方案如下：

本实用新型提供一种动态定位系统，包括：脉冲激光测距设备、摄影测量设备、卫星定位设备、姿态测量设备、同步控制机构、数据采集设备以及主控机；所述主控机的输出端通过所述同步控制机构分别与所述脉冲激光测距设备、所述摄影测量设备和所述卫星定位设备的输入端连接；所述脉冲激光测距设备、所述摄影测量设备、所述卫星定位设备和所述姿态测量设备的输出端均与所述数据采集设备的输入端连接，所述数据采集设备的输出端与所述主控机的输入端连接。

优选的，所述数据采集设备为多串口集成板；所述脉冲激光测距设备、所述摄影测量设备、所述卫星定位设备和所述姿态测量设备的输出端均连接到所述多串口集成板中的对应串口上；所述多串口集成板的输出端通过USB数据线与所述主控机连接。

优选的，所述主控机配置有输入输出设备。

优选的，所述输入输出设备包括显示屏、键盘以及鼠标。

优选的，所述摄影测量设备为加固型长焦距数码相机；和/或所述姿态测量设备为三维数字罗盘；和/或所述卫星定位设备包括：BDS/GPS双频OEM板和天线；所述脉冲激光测距设备为高精度低延迟脉冲激光测距仪；和/或所述主控机为防尘防水防盐雾电脑。

本实用新型还提供一种动态定位方法，包括以下步骤：

S1，将动态定位设备安装到动态观测站上，在动态观测站运动过程中，当所述动态观测站运动到某一位置时，如果需要对目标控制点进行定位，则通过同步控制机构，同时触发执行以下三个操作：

操作一，触发脉冲激光测距设备工作，获取动态观测站与目标控制点之间距离信息；

操作二，触发摄影测量设备工作，获取目标控制点所在目标区域的影像信息；

操作三，触发卫星定位设备工作，获取时空基准信息；所述时空基准信息包括：动态观测站当前的空间位置信息，以及，BDS/GPS时间基准信息；其中，所述BDS/GPS时间基准信息为所述脉冲激光测距设备发射激光脉冲信号时刻的时间信息，同时也为所述摄影测量设备曝光时刻的时间信息；

另外，姿态测量设备实时测量动态观测站的姿态信息时序以及摄影测量设备的姿态信息时序；

S2，数据采集设备采集测量信息，所述测量信息包括：动态观测站与目标控制点之间距离信息、目标控制点所在目标区域的影像信息、时空基准信息、动态观测站的姿态信息时序以及摄影测量设备的姿态信息时序；然后，所述数据采集设备将所述测量信息传输给所述主控机；

S3，所述主控机根据所述动态观测站的姿态信息时序以及所述BDS/GPS时间基准信息，计算得到BDS/GPS时间基准时刻动态观测站的姿态信息；还根据所述摄影测量设备的姿态信息时序，计算得到BDS/GPS时间基准时刻摄影测量设备的姿态信息；

S4，所述主控机采用测边/测角交会定位方法对上述各测量信息进行数据处理，获得目标控制点的空间位置信息。

优选的，S1中，所述同步控制机构触发脉冲激光测距设备、摄影测量设备和卫星定位设备同时进行信号采集的过程具体为：

通过触发激光控制按钮或拍照开关产生三路时间同步脉冲信号，第一路脉冲信号触发卫星定位设备工作，第二路脉冲信号触发脉冲激光测距设备工作，第三路脉冲信号触发摄影测量设备工作。

优选的，S1中，所述动态观测站的姿态信息时序为一系列带时刻标记的姿态，具体包括：俯仰角信息、航向角信息和横滚角信息。

优选的，S3中，所述主控机根据所述动态观测站的姿态信息时序以及所述BDS/GPS时间基准信息，计算得到BDS/GPS时间基准时刻动态观测站的姿态信息具体为：

对所述动态观测站的姿态信息时序进行外推或内插计算，推算出BDS/GPS时间基准时刻动态观测站的姿态信息。

优选的，S4之后，还包括：

S5，通过目标控制点的空间位置信息以及摄影测量设备的空间位置信息，反解外方位元素，根据摄影测量的前方交会原理，估计获得目标区域影像上所有特征点的空间位置信息。

本实用新型的有益效果如下：

本实用新型提供的动态定位系统，具有以下优点：（1）通过采用脉冲激光测距设备实现了无棱镜辅助下高精度的主动式动态定位，能够对不宜或不易到达的目标区域控制点进行定位；（2）通过目标区域影像采集和无棱镜辅助下主动式动态定位，实现目标区域的目标控制点定位，进而对不宜或不易到达的目标区域的特征点进行定位；（3）基于动态观测站的空间位置信息、脉冲激光测距设备的测距信息、发射激光脉冲信号时刻的时间信息、目标区影像信息、影像曝光时刻的时间信息，以及动态观测站和摄影测量设备的姿态信息，综合计算目标区特征点的空间位置信息，提高了移动动态定位的精度和效率。

附图说明

图1为本实用新型提供的动态定位系统的结构示意图；

图2为本实用新型提供的动态定位方法的原理示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型进行详细说明：

如图1所示，本实用新型提供一种动态定位系统，包括：脉冲激光测距设备、摄影测量设备、卫星定位设备、姿态测量设备、同步控制机构、数据采集设备以及主控机；

其中，脉冲激光测距设备用于测量动态观测站与目标控制点之间距离信息，其测距原理为：通过测量激光脉冲信号发射和经目标点反射后再次接收之间的时间差，获取动态观测站与目标控制点之间的距离信息。具体实施过程中，脉冲激光测距设备可以为高精度低延迟脉冲激光测距仪，其无需在目标控制点处架设反射棱镜进行辅助测量，使得目标控制点选择机动灵活，具有很好的主动性。优选地，可使用uscontrol激光测距仪，其作用距离可达500米，测距精度为0.05m，能够满足对于某些无法确立站标的地段的无棱镜辅助测量，其中，无法确立站标的地段例如：不能登陆的岛屿，火山口，塌陷区域、危险禁区等。

摄影测量设备用于获取目标控制点所在目标区域的影像信息；利用加固相机镜头和机身保持相机稳定的内方位元素以保证摄影测量，通过曝光拍照获取目标区域的影像信息。具体实施过程中，摄影测量设备可以为加固型长焦距数码相机，其无需在目标区域的特征点架设反射棱镜进行辅助测量，使得目标区域选择机动灵活，具有很好的主动性和高效性。优选地，可使用5DMAXII相机，其焦距达70mm，能够满足对于某些工作人员难以靠近的地段的摄影测量，例如，对于不能登陆的岛屿，火山口，塌陷区域、危险禁区等的摄影测量。

卫星定位设备用于测量时空基准信息，其中，空间基准信息为：动态观测站和摄影测量设备的空间位置信息，如，三维坐标；时间基准信息为：脉冲激光测距设备发射激光脉冲信号时刻的时间信息，同时也为所述摄影测量设备曝光时刻的时间信息；具体实施过程中，卫星定位设备可以通过BDS/GPS双频OEM板和天线实现。BDS/GPS双频OEM板具有接收BDS/GPS信号、处理信号、输出观测数据和定位结果等功能：接收来自天线单元的信号，并通过变频、放大、滤波等一系列处理过程，对GPS卫星信号进行跟踪、锁定、测量，最后生成计算位置的数据信息，包括：纬度、经度、高度、速度、日期、时间、航向、卫星状况等，并由串口输出串行数据。此外，由于卫星定位设备和脉冲激光测距设备是被同步控制的，因此，该BDS/GPS接收机所测量的发射脉冲时刻的BDS/GPS时间即为自身被触发时刻的BDS/GPS时间，即为时间基准信息。

同步控制机构分别与脉冲激光测距设备、摄影测量设备和卫星定位设备的输入端连接；用于同步控制脉冲激光测距设备、摄影测量设备和卫星定位设备的同步工作；

姿态测量设备用于实时测量动态观测站的姿态信息时序以及摄影测量设备的姿态信息时序；包括：动态观测点的俯仰角信息、航向角信息和横滚角信息。具体实施过程中，该姿态测量设备可以通过三维数字罗盘来实现，输出RS232/RS485/RS422格式数据帧。

脉冲激光测距设备、摄影测量设备、卫星定位设备和姿态测量设备的输出端均与数据采集设备的输入端连接，数据采集设备的输出端与主控机的输入端连接。主控机通过对测量数据进行计算，获得目标控制点和目标区域影像特征点的空间位置信息，实现对目标控制点和目标区域影像特征点的定位。其中，数据采集设备为多串口集成板；所述脉冲激光测距设备、所述摄影测量设备、所述卫星定位设备和所述姿态测量设备的输出端均连接到所述多串口集成板中的对应串口上；所述多串口集成板的输出端通过USB数据线与所述主控机连接。最后通过外接供电接口与供电电池进行连接。可见，本实用新型提供的动态定位系统采用组件化架构，可根据具体应用及技术要求提高各组件性能，系统成本控制灵活。

主控机配置有输入输出设备，通过输入输出设备，输入控制指令，例如，BDS/GPS采样率设置指令、数字罗盘采样率设置、摄影测量的光圈大小等；以及，实时显示当前时刻测量信息，例如动态观测站的位置坐标、测距信息、目标控制点的空间位置信息、目标区的影像等。具体实施过程中，输入输出单元可以通过掌上电脑的键盘和显示屏来实现。

另外，为适应海上作业需求，主控机可以选用防尘防水防盐雾电脑，相应的，显示屏、键盘以及鼠标也选用防尘防水防盐雾的显示屏、键盘以及鼠标。另外，主控机可以选用掌上电脑，安装多串口转USB接口驱动程序，且基本配置应为：windows XP操作系统，支持USB接口，处理器1.2GHz，内存1GB。

如图2所示，本实用新型提供一种动态定位方法，采用空间测距/测角交汇定位原理，M、N分别为目标控制点，区域T为目标控制点所在目标区域，点1-6为目标区域特征点；载有动态定位设备的动态观测站沿轨迹线A-B-C移动。在移动过程中，动态定位设备依次在A点、B点和C点处分别按照下述的S1、S2方法测量，得到多个测量数据，形成多目标多测站多历元观测数据，然后对观测数据进行分析，实现对目标控制点和特征点的定位，具体包括以下步骤：

S1，将动态定位设备安装到动态观测站上，在动态观测站运动过程中，当所述动态观测站运动到某一位置时，如图2中的A位置，如果需要对目标控制点进行定位，则通过同步控制机构，同时触发执行以下三个操作：

操作一，触发脉冲激光测距设备工作，获取动态观测站与目标控制点之间距离信息；

操作二，触发摄影测量设备工作，获取目标控制点所在目标区域的影像信息；

操作三，触发卫星定位设备工作，获取时空基准信息；所述时空基准信息包括：动态观测站当前的空间位置信息，以及，BDS/GPS时间基准信息；其中，所述BDS/GPS时间基准信息为所述脉冲激光测距设备发射激光脉冲信号时刻的时间信息，同时也为所述摄影测量设备曝光时刻的时间信息；

由于本实用新型提供的动态定位系统在动态作业条件下工作，需要将各种测量信息统一到相同的时刻。同步控制机构为动态环境目标量测定位提供高精度的时间同步。具体实施过程中，可以通过脉冲信号同步控制卫星定位设备、脉冲激光测距设备、摄影测量设备，实现BDS/GPS定位与激光测距和影像采集的同步量测。该同步控制机构的基本原理为，通过触发激光控制按钮或拍照开关产生三路时间同步脉冲信号，第一路脉冲信号触发卫星定位设备工作，即：定位和授时，其中，定位为：获取动态观测站空间位置坐标；授时为：获取BDS/GPS时间；第二路脉冲信号触发脉冲激光测距设备获取测距信息;第三路脉冲触发摄影测量设备获取影像信息。

另外，姿态测量设备实时测量动态观测站的姿态信息时序以及摄影测量设备的姿态信息时序；动态观测站的姿态信息时序为一系列带时刻标记的姿态，具体包括：俯仰角信息、航向角信息和横滚角信息。

S2，数据采集设备采集测量信息，所述测量信息包括：动态观测站与目标控制点之间距离信息、目标控制点所在目标区域的影像信息、时空基准信息、动态观测站的姿态信息时序以及摄影测量设备的姿态信息时序；然后，所述数据采集设备将所述测量信息传输给所述主控机；

S3，所述主控机根据所述动态观测站的姿态信息时序以及所述BDS/GPS时间基准信息，计算得到BDS/GPS时间基准时刻动态观测站的姿态信息；还根据所述摄影测量设备的姿态信息时序，计算得到BDS/GPS时间基准时刻摄影测量设备的姿态信息；

由于姿态测量设备按一定采样率输出动态观测站姿态时序，还需要根据卫星定位设备输出的时空基准信息，对输出数据进行外推或内插计算，以获得动态观测站在脉冲激光测距设备的脉冲发射时刻和摄影测量设备的曝光时刻的姿态信息，即：动态观测站在测距时刻和拍照时刻的姿态信息。此外，考虑到三维数字罗盘的测量原理是测量地球磁场，在仪器使用前可按生产厂家提供的方法削弱周围电磁环境对姿态测量的影响。

S4，所述主控机采用测边/测角交会定位方法对上述各测量信息进行数据处理，获得目标控制点的空间位置信息。

具体的，同步后的历元观测数据为统一时空基准下的动态观测站位置坐标信息、动态观测站的姿态信息、目标区域的影像信息以及动态观测站至目标控制点的斜距信息。在存储观测数据的同时，通过测边/测角交会定位方法进行数据处理，获得目标控制点空间位置信息，包括：目标控制点的空间位置三维坐标、定位精度以及当前观测网几何结构等。

S4之后，还包括：

S5，通过目标控制点的空间位置信息以及摄影测量设备的空间位置信息，反解外方位元素，根据摄影测量的前方交会原理，估计获得目标区域影像上所有特征点的空间位置信息。

综上所述，本实用新型提供的动态定位系统及动态定位方法，具有以下优点：

（1）通过采用脉冲激光测距设备实现了无棱镜辅助下高精度的主动式动态定位，能够对不宜或不易到达的目标区域控制点进行定位；（2）通过目标区域影像采集和无棱镜辅助下主动式动态定位，实现目标区域的目标控制点定位，进而对不宜或不易到达的目标区域的特征点进行定位；（3）基于动态观测站的空间位置信息、脉冲激光测距设备的测距信息、发射激光脉冲信号时刻的时间信息、目标区影像信息、影像曝光时刻的时间信息，以及动态观测站和摄影测量设备的姿态信息，综合计算目标区特征点的空间位置信息，提高了移动动态定位的精度和效率。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本实用新型的保护范围。

Claims (5)

1.一种动态定位系统，其特征在于，包括：脉冲激光测距设备、摄影测量设备、卫星定位设备、姿态测量设备、同步控制机构、数据采集设备以及主控机；所述主控机的输出端通过所述同步控制机构分别与所述脉冲激光测距设备、所述摄影测量设备和所述卫星定位设备的输入端连接；所述脉冲激光测距设备、所述摄影测量设备、所述卫星定位设备和所述姿态测量设备的输出端均与所述数据采集设备的输入端连接，所述数据采集设备的输出端与所述主控机的输入端连接。

2.根据权利要求1所述的动态定位系统，其特征在于，所述数据采集设备为多串口集成板；所述脉冲激光测距设备、所述摄影测量设备、所述卫星定位设备和所述姿态测量设备的输出端均连接到所述多串口集成板中的对应串口上；所述多串口集成板的输出端通过USB数据线与所述主控机连接。

3.根据权利要求1所述的动态定位系统，其特征在于，所述主控机配置有输入输出设备。

4.根据权利要求3所述的动态定位系统，其特征在于，所述输入输出设备包括显示屏、键盘以及鼠标。

5.根据权利要求1所述的动态定位系统，其特征在于，所述摄影测量设备为加固型长焦距数码相机；和/或所述姿态测量设备为三维数字罗盘；和/或所述卫星定位设备包括：BDS/GPS双频OEM板和天线；所述脉冲激光测距设备为高精度低延迟脉冲激光测距仪；和/或所述主控机为防尘防水防盐雾电脑。