一種面向不動產實地測量的定位方法
【專利摘要】本發明公開了一種面向不動產實地測量的定位方法，采用慣性測量系統和激光測距模塊的組合測量裝置進行測量，包括以下幾個步驟：1）確定控制點和待測點；2）通過激光測距模塊測量待測點與組合測量裝置之間的距離；慣性測量系統進行四位置尋北，并存儲數據；3）對上述控制點處四位置尋北數據進行解算，計算激光測距時慣性測量系統的姿態角；4）進行距離轉換，將步驟2）測量的距離通過步驟3）得到的姿態角計算出待測點相對控制點的東向距離和北向距離；5）計算待測點坐標；6）重復步驟1）~5），獲得所有需要測量的待測點位置信息。本發明可以快速地實現待測點位置信息的獲取，測量過程中沒有誤差積累，提高了測量效率和定位精度。
【專利說明】
一種面向不動產實地測量的定位方法
技術領域
[0001] 本發明屬于測繪技術領域，涉及測量、捷聯慣性導航系統初始對準技術和激光測 距技術，具體涉及一種面向不動產實地測量的慣性系統/激光測距模塊定位方法。
【背景技術】
[0002] 目前，常規的不動產實地測量方法主要采用GPS-RTK技術以及全站儀測量技術，但 受到建筑物和構筑物遮擋、電磁干擾以及通視條件等制約。慣性導航系統（INS)不依賴于外 部信息，具有很好的自主性，其與GPS的組合系統正逐步應用于不動產實地測量中。
[0003] 現有的不動產實地測量方法為GPS/INS組合測量技術。當GPS信號受遮擋時，面對 復雜的測量環境，需要將測量裝置移動到待測點上;為了進行誤差抑制和補償，通常再將裝 置從待測點移回控制點，實現逆向導航解算。當控制點與待測點距離較遠時，這種測量方式 費時費力，有一定的局限性。慣導系統進行工作時，其導航解算精度很大程度上取決于慣性 傳感器(陀螺儀和加速度計）的精度，而現有的設備沒有在線實時估計補償傳感器的誤差； 同時，捷聯慣導系統的定位精度隨著時間的推移而降低，短期精度較好而長期精度較差。捷 聯慣導的初始對準精度影響著其導航解算精度，現有測量方法只進行解析粗對準，因而在 初始對準環節有待改進。現有GPS/INS組合測量裝置重量較大，在野外測量時，需多人操作， 且測量時間長，降低了測量效率。
【發明內容】
：
[0004] 本發明針對慣性系統誤差隨時間積累的問題，提出一種無需移動測量裝置，測量 過程中沒有誤差積累且能明顯提高測量效率的基于慣性系統和激光測距模塊的組合定位 方法。
[0005] 為了實現上述目的，本發明采用的技術方案是：
[0006] -種面向不動產實地測量的定位方法，其特征在于，采用慣性測量系統和激光測 距模塊的組合測量裝置進行測量，包括以下幾個步驟：
[0007] 1)確定控制點和待測點；
[0008] 2)將組合測量裝置放置在位于控制點的調平轉位機構上，通過激光測距模塊測量 待測點與組合測量裝置之間的距離;慣性測量系統進行四位置尋北，并存儲數據；
[0009] 3)對上述控制點處四位置尋北數據進行解算，計算激光測距時慣性測量系統的姿 態角；
[0010] 4)進行距離轉換，將步驟2)測量的距離通過步驟3)得到的姿態角計算出待測點相 對控制點的東向距離和北向距離；
[0011] 5)計算待測點坐標，將控制點的東向坐標和北向坐標分別與計算的東向距離和北 向距離求和，得到待測點坐標；
[0012] 6)重復步驟1)~5)，獲得所有需要測量的待測點位置信息。
[0013]步驟1)確定待測點和控制點具體為：在作業區域內確定需要進行測量的某待測 點，在待測點附近選擇一個GPS信號良好的點作為控制點，并通過GPS-RTK技術獲取其坐標。
[0014] 步驟2)中測量距離的具體方法為:將調平轉位機構放置在控制點上，并微調其位 置使機構中心基準與控制點垂直對齊，將組合測量裝置放置在調平轉位機構上，將慣性測 量系統開機進行預熱，連接激光測距模塊，通過對調平轉位機構進行水平調節和轉位操作， 使激光準確地打到待測點上，或待測點的垂線上，讀取此時的距離。
[0015] 步驟2)中，若控制點與待測點之間通視條件良好，則精確調節調平轉位機構，使測 量平面盡量水平;若控制點與待測點之間存在遮擋，則需使測量平面傾斜。
[0016]步驟2)四位置尋北具體方法為:從初始位置開始，將調平轉位機構按逆時針或順 時針方向依次旋轉3次，每次轉動90°，每個位置停留90s~120s，存儲0°、90°、180°和270°位 置處的慣性傳感器輸出數據。
[0017] 步驟3)進行數據解算具體為:根據y向加速度計在四個位置上的輸出計算出組合 測量裝置的橫滾角和俯仰角，根據y向陀螺儀在四個位置上的輸出以及計算的橫滾角和俯 仰角，解算出組合測量裝置的航向角。
[0018] 步驟4)進行距離轉換具體為:將測量距離分解到水平面的東向和北向，根據激光 測距模塊的安裝位置計算激光測距基準點與慣性測量系統測量點的水平距離，根據調平轉 位機構的運動特征和慣性測量系統的幾何關系，計算出慣性測量系統測量中心在水平面內 的位移，將以上三種轉換關系分別求和，計算出待測點相對控制點的東向距離和北向距離。
[0019] 其中，步驟(1)獲得的控制點坐標應與當地地理坐標系一致，即東北天坐標系。
[0020] 其中，步驟(2)所述組合測量裝置由慣性測量系統和激光測距模塊構成，慣性測量 系統封裝在長方體形箱體內，激光測距模塊安裝在箱體表面的東北方向一角。
[0021] 其中，步驟(2)所述調平轉位機構可進行高精度的水平調節和轉位操作，水平調節 范圍為-15°~+15°，轉位操作可按順時針或逆時針方向進行，轉位范圍為0~360°。
[0022] 其中，步驟(3)所述慣性測量系統的核心部件為慣性傳感器，由三軸光纖陀螺儀和 三軸石英撓性加速度計構成。
[0023] 其中，步驟(3)要求慣性測量系統的測量中心與調平轉位機構的中心位于一條垂 線上。
[0024] 其中，步驟(3)所述四位置尋北法是慣性測量設備從初始位置開始依次轉動4個位 置，相鄰兩個位置相隔90°。
[0025] 其中，步驟(4)所述初始姿態角為橫滾角、俯仰角和航向角。
[0026] 其中，步驟(5)所述慣性測量系統測量中心的位移是指當組合測量裝置處于傾斜 狀態時，慣性測量系統的測量中心在水平面的投影發生了移動。
[0027]其中，步驟(6)所述待測點坐標應與當地地理坐標系一致，即東北天坐標系。
[0028]本發明定位方法測量時，調平轉位機構位于控制點，將組合測量裝置放在調平轉 位機構上，通過調節調平轉位機構，使激光測距儀將激光準確打在待測點，讀出距離；同時， 慣性系統開始進行四位置尋北，用來提供高精度的姿態角，即給出激光測距儀的測量方向 與導航坐標系的方位關系。慣性系統尋北精度高，激光測距模塊可以準確地測量控制點到 待測點的距離，慣性系統和激光測距組合測量，既能彌補慣性系統在長時間數據解算后出 現的誤差累積，又能對激光測距儀的測量方向進行定位，可充分發揮兩種技術的各自優勢， 形成一體化測量系統，實現待測點位置信息的獲取。
[0029] 與現有技術相比，本發明的有益效果是：
[0030] (1)本發明彌補了GPS-RTK技術在GPS信號不良情況下無法準確定位的缺陷，實現 了對GPS信號受遮擋地區待測點的快速測量；
[0031] (2)本發明利用慣性測量系統進行四位置尋北，消除了光纖陀螺常值漂移的影響， 提高了初始對準的精度；
[0032] (3)本發明避免了純慣性定位，避免了慣性系統進行捷聯解算造成的誤差積累，提 高了定位精度；
[0033] (4)本發明提出的測量方法操作方便，無需移動測量裝置，能明顯提高測量效率， 同時一個控制點可對應多個待測點，避免了遮蔽嚴重地區利用GPS獲取多個控制點坐標的 難度。
【附圖說明】：
[0034] 圖1為本發明面向不動產實地測量的慣性系統/激光測距模塊組合定位方法流程 圖；
[0035] 圖2為本發明四位置尋北方案流程圖；
[0036] 圖3為本發明四位置尋北法解算流程圖；
[0037]圖4為本發明激光測距模塊解算流程圖。
【具體實施方式】：
[0038]下面結合附圖，對本發明的【具體實施方式】做進一步說明。
[0039]本實施例慣性定位裝備的核心部件為慣性傳感器，由三軸光纖陀螺儀和三軸石英 撓性加速度計構成，數據采集模塊選擇PC/104工控計算機，慣性傳感器輸出的數據被采集 存儲到內存卡中，由手持機通過藍牙控制PC/104工控計算機開始或停止采集和存儲數據操 作。
[0040]圖1為慣性系統/激光測距模塊組合定位方法流程圖，不動產實地測量的總體過程 如下：
[0041] (1)確定控制點和待測點：在作業區域內確定需要進行測量的某待測點，在待測點 附近選擇一個GPS信號良好的點，并通過GPS-RTK技術確定該點的坐標作為控制點。
[0042] (2)激光測距模塊測距:將調平轉位機構放置在控制點上，并微調其位置使機構中 心基準與控制點垂直對齊，將組合測量裝置放置在調平轉位機構上。連接激光測距模塊，通 過調節調平轉位機構，使激光準確地打到待測點上，或待測點的垂線上，讀取距離。
[0043] 若控制點與待測點之間通視條件良好，則微調節調平轉位機構，使測量平面盡量 水平;若控制點與待測點之間存在遮擋，則需使測量平面傾斜。
[0044] (3)慣性測量系統進行四位置尋北：組合測量裝置在進行激光測距時的姿態為初 始姿態，從初始位置開始，將調平轉位機構按逆時針方向依次旋轉3次，每次轉動90°，每個 位置停留約90s，存儲0°、90°、180°和270°位置處的慣性傳感器輸出數據。
[0045] 在數據存儲過程中不可觸碰組合測量裝置，盡量避免其周圍出現振動等外部環境 干擾。
[0046] 對四位置尋北數據進行解算，根據y向加速度計在四個位置上的輸出計算出組合 測量裝置的橫滾角和俯仰角，根據y向陀螺儀在四個位置上的輸出以及計算的橫滾角和俯 仰角，解算出組合測量裝置的航向角。
[0047] (4)距離轉換:根據激光測距模塊的安裝位置以及慣性測量系統測量中心的位移， 結合調平轉位機構在測量時的橫滾角、俯仰角和航向角，將測量距離轉化為控制點與待測 點間的東向距離和北向距離。
[0048] (5)計算待測點坐標:控制點的東向坐標和北向坐標分別與計算的東向距離和北 向距離求和，得到待測點坐標。
[0049] (6)執行步驟(1)~(5)，直至所有待測點測量完畢。
[0050] 圖2為四位置尋北流程圖，總體操作過程如下：
[0051] (1)在初始姿態下，即位置1處，存儲慣性傳感器的輸出數據。
[0052] (2)將調平轉位機構第1次逆時針轉動90°，到達位置2,存儲慣性傳感器的輸出數 據。
[0053] (3)將調平轉位機構第2次逆時針轉動90°，到達位置3,存儲慣性傳感器的輸出數 據。
[0054] (4)將調平轉位機構第3次逆時針轉動90°，到達位置4,存儲慣性傳感器的輸出數 據。
[0055] 圖3為四位置尋北法解算流程圖，具體步驟及方法如下：
[0056] 步驟1:推導慣性傳感器的輸出模型 [0057]地球自轉角速率在地理坐標系中的投影為：
[0058]
[0059] 式中，coie是地球自轉角速度，L是當地地理煒度。
[0060]重力加速度在地理坐標系中的投影為：
[0061] gn=[0 0 -g]T
[0062] 地理坐標系到載體坐標系的變換矩陣為：
[0063]
[0064] 式中，γ為橫滾角，Θ為俯仰角，φ為航向角。
[0065] 假設系統繞ζ軸陀螺的敏感軸逆時針轉動了?角，轉動后的載體坐標系記為V系， 則從b系到t/系的變換矩陣為：
[0066]
[0067]地球自轉角速度COie在t/系中的投影為：
[0068]
[0069] 式中， CO N - 〇ie COsL，- 〇ie sinL〇
[0070] 重力加速度g在v系中的投影為：
[0071]
[0072] 選擇y向陀螺進行尋北，假設初始時刻光纖陀螺的敏感軸與真北方向的夾角為Φ， 考慮陀螺的標度因數，則光纖陀螺的輸出為：
[0073]
[0074] 在實際測量過程中，由于各種誤差源和外界環境中干擾的存在，則實際輸出的模 型為：
[0075]
[0076] 式中，Ky為y軸陀螺的標度因數，ω〇為陀螺的常值漂移，ε為光纖陀螺的隨機漂移。 [0077] y向陀螺在0°、90°、180°和270°四個位置的輸出分別為：
[0078]
[0079]
[0080]
[0081]
[0082] 式中，ε:、ε2、ε 3和ε4為光纖陀螺在位置1、位置2、位置3和位置4處的隨機漂移。
[0083]步驟2:慣性傳感器輸出數據解算 [0084] (1)計算水平傾角
[0085] 由y向加速度計在四個位置的輸出可求得橫滾角和俯仰角：
[0086]
[0087]
[0088] 式中，al、a2、a3和a4為加速度計在位置1、位置2、位置3和位置4處的輸出，Kay為y軸 加速度計的標度因數。
[0089] 處理實際數據時，由于環境噪聲的影響，需對原始輸出數據進行預處理，然后對每 個位置上的數據求平均值，代入計算。
[0090] (2)計算航向角：
[0091] 將y向陀螺在相位相差180°的兩個位置上的輸出分別相減，忽略隨機漂移的差項，
得到：
[0092]
[0093]
[0094]處理實際數據時，由于環境噪聲的影響，需對原始輸出數據進行預處理，然后對每 個位置上的數據求平均值，代入計算。
[0095]解算得航向角，即方位角：
[0096
[0097] 其畔
[0098]圖4為激光測距模塊解算流程圖，具體計算過程如下：
[0099] (1)規定坐標系如下：
[0100] MU載體坐標系記為b系，將b系沿Zb軸平移到箱體上表面，記為h系;激光測距儀載 體坐標系記為b2系；以控制點為原點的導航坐標系記為η系，與當地地理坐標系重合。
[0101] 測量結果只需給出待測點的兩個水平坐標，與高度無關，因此在距離轉換及坐標 計算過程中不考慮高度的影響。
[0102] (2)測量距離在η系中的投影
[0103]假設激光測距儀的測量距離為L。由于激光束的方向和Yb軸是一致的，因此，決定 距離投影的是俯仰角P和航向角H。先將L轉換到水平面，再分別往東向和北向投影。測量距 尚在東向和北向的分量分別為：
[0104] Xe = -L cos P sin H
[0105] Yn=L cos P cos H
[0106] (3)b2系與bi系的相對位置
[0107]慣性測量系統安裝在長方體箱體內，箱體的上表面為正方形，邊長為M。激光測距 模塊固定安裝在箱體的上表面，因此b2系到h系是一個平移過程，平移后兩坐標系原點重 合。兩個坐標系在東向和北向的相對距離分別為：
[0108；
[0109；
[0110] 若系統經過了旋轉，則相對距離有橫滾角和俯仰角的影響：
[0111]
[0112]
[0113] (4加系原點在η系中的投影變化
[0114] 當系統旋轉搖擺時，h系隨之轉動和移位，此時匕系的原點O1的投影與控制點不再 與η系的原點0重合。在計算控制點到待測點的距離時，需要考慮此偏移量。根據調平轉位機 構的設計原理，基座是繞著固定擺心搖擺的，由于慣性系統與基座是一起搖擺的，因此可以 將慣性系統看作是繞這一擺心搖擺，擺臂長為h。原點O 1的偏移與三個姿態角均有關。假設 偏移后的原點為〇/，則〇/在η系的投影相對于0的東向和北向距離分別為：
[0115] Δ X2 = _h(sin P+sin R)sin H
[0116] Ay2 = h(sin P-sin R)cos H
[0117] (5)計算控制點與待測點間的東向距離和北向距離
[0118]將測量距離的投影、測量點間的距離以及測量中心的位移求和，得到控制點與待 測點間的東向距離和北向距離：
[0119]
[0120] (6)計算待測點坐標
[0121] 假設控制點的坐標為(E，N)，則待測點的坐標為：
[0122] (E,N) = (E+Xe,N+Yn)〇
【主權項】
1. 一種面向不動產實地測量的定位方法，其特征在于，采用慣性測量系統和激光測距 模塊的組合測量裝置進行測量，包括以下幾個步驟： 1) 確定控制點和待測點； 2) 將組合測量裝置放置在位于控制點的調平轉位機構上，通過激光測距模塊測量待測 點與組合測量裝置之間的距離;慣性測量系統進行四位置尋北，并存儲數據； 3) 對上述控制點處四位置尋北數據進行解算，計算激光測距時慣性測量系統的姿態 角； 4) 進行距離轉換，將步驟2)測量的距離通過步驟3)得到的姿態角計算出待測點相對控 制點的東向距離和北向距離； 5) 計算待測點坐標，將控制點的東向坐標和北向坐標分別與計算的東向距離和北向距 離求和，得到待測點坐標； 6) 重復步驟1)~5)，獲得所有需要測量的待測點位置信息。2. 根據權利要求1所述的定位方法，其特征在于，步驟1)確定待測點和控制點具體為： 在作業區域內確定需要進行測量的某待測點，在待測點附近選擇一個GPS信號良好的點作 為控制點，并通過GPS-RTK技術獲取其坐標。3. 根據權利要求1所述的定位方法，其特征在于，步驟2)中測量距離的具體方法為:將 調平轉位機構放置在控制點上，并微調其位置使機構中心基準與控制點垂直對齊，將組合 測量裝置放置在調平轉位機構上，將慣性測量系統開機進行預熱，連接激光測距模塊，通過 對調平轉位機構進行水平調節和轉位操作，使激光準確地打到待測點上，或待測點的垂線 上，讀取此時的距離。4. 根據權利要求3所述的定位方法，其特征在于，步驟2)中，若控制點與待測點之間通 視條件良好，則精確調節調平轉位機構，使測量平面盡量水平;若控制點與待測點之間存在 遮擋，則需使測量平面傾斜。5. 根據權利要求1所述的定位方法，其特征在于，步驟2)四位置尋北具體方法為:從初 始位置開始，將調平轉位機構按逆時針或順時針方向依次旋轉3次，每次轉動90°，每個位置 停留90s~120s，存儲四個位置處的慣性傳感器輸出數據。6. 根據權利要求1所述的定位方法，其特征在于，所述四個位置為0°、90°、180°和270°。7. 根據權利要求1所述的定位方法，其特征在于，步驟3)進行數據解算具體為:根據y向 加速度計在四個位置上的輸出計算出組合測量裝置的橫滾角和俯仰角，根據y向陀螺儀在 四個位置上的輸出以及計算的橫滾角和俯仰角，解算出組合測量裝置的航向角。8. 根據權利要求1所述的定位方法，其特征在于，步驟4)進行距離轉換具體為:將測量 距離分解到水平面的東向和北向，根據激光測距模塊的安裝位置計算激光測距基準點與慣 性測量系統測量點的水平距離，根據調平轉位機構的運動特征和慣性測量系統的幾何關 系，計算出慣性測量系統測量中心在水平面內的位移，將以上三種轉換關系分別求和，計算 出待測點相對控制點的東向距離和北向距離。
【文檔編號】G01S17/08GK105841700SQ201610398326
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年6月7日
【發明人】吳峻, 閆晶, 蔣晨瑤, 王永杰
【申請人】東南大學