CN106092094A - 基于gnss/ins/激光测距组合定位的手持接收机及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于GNSS/INS/激光测距组合定位的手持接收机及测量方法，包括壳体和设置在壳体空腔内的测距装置，所述壳体呈“T”型，包括水平方向的主体和竖直向后端倾斜的手柄，主体的上方平行设置有瞄准镜，所述测距装置包括惯性导航模块用于获取测量点的姿态；GNSS接收模块用于接收GNSS卫星信号；卡尔曼滤波器用于获取测量点的姿态和坐标信息；激光测距模块用于测定测量点与目标点之间的距离；微处理器根据测量点的姿态和坐标及其与目标点之间的距离获取目标点的坐标。本发明使用户仅需要一次测量即可获得目标点坐标信息，降低了野外的工作难度；当卫星信号较弱或无法接收时，可通过惯性导航获得测量点坐标，提高工作效率。

Description

基于GNSS/INS/激光测距组合定位的手持接收机及测量方法

技术领域

本发明涉及一种应用于野外便携快速获取目标坐标信息的基于GNSS/INS/激光测距组合定位的手持接收机，还涉及此种手持接收机的测量方法，属于测绘技术领域。

背景技术

在实际野外地物地貌调查时，测量的环境复杂多变，遇到的具体问题也难以预测，因此要求测绘仪器在满足基本精度的基本前提下，必须要求设备具有携带便捷、抗干扰性好、应对各种复杂环境能力强等优点。目前，在野外工作时，使用较多的为GNSS手持接收机(简称“GNSS手持机”)，GNSS手持接收机在保证较好的定位精度下，也易于携带。然而，在实际野外测量时，当被调查目标难以到达，如测量海上的一块礁石坐标或山顶的一个石头时，手持机GNSS接收机难以发挥作用，无法获取目标的坐标；此外，在山区作业时经常遇到GNSS信号遮挡问题，导致手持GNSS接收机无法使用。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供了一种基于GNSS/INS/激光测距组合定位的手持接收机及测量方法，解决了现有技术中在野外作业时GNSS手持机难以获得较难抵达目标点的坐标以及GNSS信号差时无法正常工作的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于GNSS/INS/激光测距组合定位的手持接收机，其特征是，包括壳体和设置在壳体空腔内的测距装置，所述壳体呈“T”型，包括水平方向的主体和竖直向后端倾斜的手柄，主体的上方平行设置有瞄准镜，所述测距装置包括惯性导航模块、GNSS接收模块、卡尔曼滤波器、微处理器和设置在主体前端的激光测距模块，其中，

惯性导航模块的输出端连接卡尔曼滤波器，用于获取测量点的姿态信息；

GNSS接收模块的输出端连接卡尔曼滤波器，用于接收GNSS卫星信号；

卡尔曼滤波器的输出端连接微处理器，用于将姿态信息与GNSS卫星信号进行融合获得测量点的姿态和坐标信息；

激光测距模块的输出端连接微处理器，用于测定测量点与目标点之间的距离；

微处理器根据测量点的姿态和坐标及其与目标点之间的距离获取目标点的坐标。

进一步的，还包括电源模块，电源模块输出工作电源至惯性导航模块、GNSS接收模块、卡尔曼滤波器、微处理器和激光测距模块，所述电源模块设置在手柄的空腔内。

进一步的，还包括显示模块，显示模块的输入端连接微处理器，显示模块为显示器，所述显示器设置在主体的后端。

进一步的，还包括存储模块，存储模块连接微处理器。

进一步的，还包括GPRS无线通讯模块，GPRS无线通讯模块的输出端连接卡尔曼滤波器，用于获取来自CORS站或者基站的GNSS差分信息；GPRS无线通讯模块包括通信天线、GPRS模块和SIM卡座，通信天线连接GPRS模块，GPRS模块连接SIM卡座，SIM卡座输出端连接卡尔曼滤波器。

进一步的，惯性导航模块包括一个惯性测量组件(IMU)和磁力计，IMU包括三个加速度传感器和三个陀螺仪，IMU安置在手持机质心位置，手持机质心为整个测量过程中计算的参考原点，所述三个加速度传感器正交设置，三个陀螺仪正交设置，IMU和磁力计的输出端连接卡尔曼滤波器。

进一步的，所述GNSS接收模块包括依次串联的GNSS接收天线、前置放大器、变频器和用于放大滤波处理的信号处理电路，信号处理电路的输出端连接卡尔曼滤波器。

进一步的，所述激光测距模块包括激光发射器，所述激光发射器上设置有对应其“开关”功能的按钮，所述按钮位于手柄的前端上部。

相应的，本发明还提供了一种采用以上所述手持接收机的测量方法，包括以下步骤：

步骤一，获取测量点P₀在空间直角坐标系中的坐标和手持机俯仰角ε及偏航角

步骤二，根据空间直角坐标系到大地坐标系的转换关系，获得测量点P₀在大地坐标系中的坐标(B₀，L₀，H₀)；

步骤三，获取测量点P₀与目标点S之间距离D；

步骤四，根据测量点的俯仰角ε、偏航角获取目标点S在以测量点P₀为原点的导航坐标系坐标(x_S，y_S，z_S)；

步骤五，根据导航坐标系与直角坐标系的转换关系，获取目标点S在空间直角坐标系中的坐标(X_S，Y_S，Z_S)。

进一步的，在所述步骤二中测量点坐标从直角坐标系转换到大地坐标系的计算公式为：

$L=arctan\left(\frac{Y}{X}\right)---\left(1\right)$

$\left\{\begin{array}{c}\tan u=\frac{bZ}{ar}(1+a)\\ \tan B=\frac{Z+e^{\′2}b{\sin }^{3}u}{r-e^{2}a{\cos }^{3}u}\end{array}\right.---\left(2\right)$

$H=r\cos B+Z\sin B-a\sqrt{1-e^2{\sin }^{2}B}---\left(3\right)$

其中，r²＝X²+Y²，R＝r²+Z²，X为测量点在直角坐标系中X轴坐标，Y为测量点在直角坐标系中Y轴坐标，Z为测量点在直角坐标系中Z轴坐标，a为椭球长半轴，b椭球短半轴，e为第一椭球偏心率，e'为第二椭球偏心率。

进一步的，在所述步骤四中，目标点S在以测量点P₀为原点的导航坐标系坐标(x_S，y_S，z_S)为：

进一步的，在所述步骤六中，导航坐标系到直角坐标系的旋转参数R为：

由此计算得S点空间直角坐标(X_S，Y_S，Z_S)为：

$\left(\begin{array}{c}{X}_S\\ Y_S\\ Z_S\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}{X}_{P_0}\\ Y_{P_0}\\ Z_{P_0}\end{array}\right)+R\left(\begin{array}{c}{x}_S\\ y_S\\ z_S\end{array}\right).$

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：

1)用户在野外作业时无需直接接触目标就可获得目标较为精确的坐标信息，帮助用户获取难以到达目标的坐标信息；

2)用户仅需要一次测量即可获得目标点坐标信息，降低了野外的工作难度；

3)当卫星信号较弱或无法接收卫星信号时，手持机坐标可通过惯导系统获得，保证用户的正常测量工作，提高野外工作效率。

附图说明

图1是本发明手持接收机的结构示意图；

图2是本发明测距装置的原理结构图；

图3是本发明惯性测量组件的内部结构图；

图4是本发明一实施例的测量示意图；

图5是本发明导航系统姿态角示意图；

图6是本发明一实施例目标点的空间直角坐标系与导航坐标系转换示意图。

附图标记：1、惯性测量组件；2、磁力计；3、加速度传感器；4、陀螺仪；5、卡尔曼滤波器；6、GNSS接收天线；7、前置放大器；8、变频器；9、信号处理电路；10、微处理器；11、激光发射器；12、分光器；13、反光镜；14、探测器；15、前置放大器；16、主放大器；17、门电路；18、时钟振荡器；19、计数器；20、通信天线；21、GPRS模块；22、SIM卡座；23、显示器；24、存储模块；25、电源模块；26、按钮；27、瞄准镜。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图1、图2、和图3所示，本发明的一种基于GNSS/INS/激光测距组合定位的手持接收机(可以简称“手持接收机”或“手持机”或“手持终端”)，其特征是，包括壳体和设置在壳体空腔内的测距装置，所述壳体呈“T”型，包括水平方向的主体和竖直向后端倾斜的手柄，主体的上方平行设置有瞄准镜27，所述测距装置包括惯性导航模块、GNSS接收模块、卡尔曼滤波器5、微处理器10和设置在主体前端的激光测距模块，其中，

惯性导航模块的输出端连接卡尔曼滤波器5，用于获取测量点的姿态信息；

GNSS接收模块的输出端连接卡尔曼滤波器5，用于接收GNSS卫星信号；

卡尔曼滤波器5的输出端连接微处理器10，用于将姿态信息与GNSS卫星信号进行融合获得测量点的姿态和坐标信息；

激光测距模块的输出端连接微处理器10，用于测定测量点与目标点之间的距离；

微处理器10根据测量点的姿态和坐标及其与目标点之间的距离获取目标点的坐标。

本发明的原理是通过一次测量获取手持机的姿态和坐标及其与目标点之间的距离，计算获取目标点在空间直角坐标系中的坐标，使用户在野外作业时无需直接接触目标就可获得目标较为精确的坐标信息，提高作业效率，降低工作难度，同时在卫星信号良好情况下依靠GNSS获取测量点坐标，在卫星信号较差时依靠惯性导航系统获取测量点坐标，克服了GNSS手持机在卫星质量较差情况下难以工作的困难；手持接收机的壳体呈T型还设有便于用户手握的手柄，体积小便于用户携带。

进一步的，还包括电源模块25，电源模块25输出工作电源至GNSS接收模块、微处理器和激光测距模块，如图1所示，所述电源模块25设置在手柄的空腔内。电源模块可采用现有技术中节能低功耗的电源产品。电源产品设置在手柄的空腔内，将高压电源与主体内的测距装置电子芯片隔离，减少电磁干扰；并且电源可以增加手柄部分的重量，能够保持T型壳体的平稳性。当电源模块采用电池时，设置在手柄位置便于更换电池，如电源产品为可充电电池时，设置在手柄位置也便于打开手柄的下端利用充电接口为充电电池进行充电。

进一步的，还包括显示模块，显示模块的输入端连接微处理器，显示模块为显示器23，如图1所示，所述显示器23设置在主体的后端。显示模块用于显示测量点和目标点的坐标信息，便于用户观察，显示模块可以采用现有技术中LCD显示器，也可以采用现有技术中触摸屏。

进一步的，还包括存储模块24，存储模块24连接微处理器。存储模块用于存储测量的坐标信息，便于用户以后查阅各个目标点的坐标信息，存储模块可以采用现有技术的存储器，也可以SD存储卡或采用移动硬盘。

进一步的，微处理器可以选用现有技术中处理能力强功耗低的单片机或FPGA。

进一步的，还包括GPRS无线通讯模块，GPRS无线通讯模块包括通信天线20、GPRS模块21和SIM卡座22，如图2所示，手持接收机通过GPRS通讯模块获得基准站或者CORS(卫星定位服务连续运行参考站)播发的差分信息，差分信息包括卫星轨道误差改正、大气影响改正等，将差分信息输出到卡尔曼滤波器5，通过改正最终获取高精度手持接收机测量点坐标。

进一步的，惯性导航模块为捷联惯性导航系统(简称“惯导”)，包括一个惯性测量组件(IMU)1和磁力计2，IMU由三个加速度传感器3与三个陀螺仪4组成，所述三个加速度传感器3正交设置，三个陀螺仪4正交设置，如图3所示，IMU和磁力计2输出端连接卡尔曼滤波器。加速度传感器和陀螺仪在壳体中的具体方位关系如图3所示，IMU安置在手持机质心位置，手持机质心为整个测量过程中计算的参考原点。惯性导航模块为捷联式惯性导航系统，每次定位时需要一个初始化过程来建立手持机载体固定参考系与导航坐标系统之间的关系，初始化时，惯性参考系统通过自校准过程来使地面坐标系的纵轴与检测到的加速度一致(调平)，并且测量水平地球速率从而初步判断方位角(陀螺仪4)，磁强计2用于辅助确定初始位置，也可通过地球磁场提供方向参考，陀螺仪4提供方位角与三轴姿态角速度变化率，加速度传感器3计算三个方向的加速度。

进一步的，所述GNSS接收模块包括依次串联的GNSS接收天线6、前置放大器7、变频器8和用于放大滤波处理的信号处理电路9，如图2所示，信号处理电路9的输出端连接卡尔曼滤波器。GNSS接收天线6将来自卫星的微弱能量转化为相应的电流量，通过前置放大器7将GNSS卫星信号加以放大，变频器8将信号将高频卫星信号变频为低一两个级别的中频信号，最后通过信号通道9对信号进行进一步变频、放大、滤波等一系列处理，实现对GNSS信号的跟踪、锁定、测量，提供计算位置(测量点)的数据信息。

进一步的，如图2所示，所述激光测距模块包括激光发射部分：激光发射器11、分光器12、反光镜13；激光接收部分：探测器14、前置放大器15、主放大器16；和信号处理部分：门电路17，时钟振荡器18，计数器19。系统测距时，激光发射器11发射激光脉冲信号，时钟振荡器18不断产生具有一定时间间隔的标准脉冲信号T₀，计数器19开始计时，激光通过分光器12分为两部分，一部分发射至目标物体反射，一部分通过反光镜13发射，两部分光最终都由探测器14接收，将模拟信号变为电信号，电信号通过前置放大器15与主放大器16放大整形后进入微处理器，门电路17关闭，计时器19停止计时。通过时钟脉冲时间间隔与脉冲个数相乘，就是主波与回波的时间间隔，便得到测距距离。

进一步的，所述激光发射器上设置有对应其“开关”功能的按钮26，如图1所示，所述按钮26位于手柄的前端上部。

实施例一

首先明确本发明设计的各个坐标系统定义。在量测时应用到的坐标系包括：载体固定坐标系、导航坐标系、站心坐标系、大地坐标系、空间直角坐标系，

1)手持机固定坐标系是以手持机质心为原点，y^b轴与手持机激光发射轴一致，x^b轴激光发射轴垂直，取右手为正，z^b轴与前两个方向满足右手螺旋定理；

2)导航坐标系是惯性导航模块求解坐标时采用的坐标系，原点为手持机质心，xⁿ方向为东方向，yⁿ轴为北方向，zⁿ轴为铅垂线方向；

3)站心坐标系与导航坐标系的定义一致，是大地测量行业专有坐标系，用于需了解以观察者为中心的其他物体运动规律观测站点运动规律，这里将导航坐标系与站心坐标系统一称为导航坐标系；

4)大地坐标系是大地测量中以参考椭球面为基准面建立起来的坐标系。地面点的位置用大地经度(L)、大地纬度(B)和大地高度(H)表示；

5)空间直角坐标系是定义为原点O与地球质心重合，Z轴指向地球北极，X轴指向格林尼治子午面与地球赤道的交点，Y轴垂直于XOZ平面构成右手坐标系。

以从山脚P₀点测量山顶点S为测量实例，如图4所示。进行测量之前需对本手持接收机进行初始对准，初始化完成后，通过瞄准镜27瞄准目标，利用发射按钮26进行激光测量，得到距离D，本发明的涉及到的所有坐标系统的尺度都相同，所以距离D在不同坐标系统下的长度不变，无需标注特定系统下的距离。

手持机P₀的坐标获取：在卫星情况良好，且能接收差分信息的情况下，手持机P₀发射瞬间的高精度三维空间直角坐标可通过差分GNSS/INS组合定位获得，而当卫星信号与差分信号都无法接收时，手持机坐标还可通过惯性导航系统获得，保证手持机在恶劣野外环境下能正常工作。惯导系统获取手持机坐标的过程为，野外每次工作前都需在信号较好的空旷区域通过差分GNSS(假如可以接收差分信息)获取手持机坐标空间直角坐标，作为惯导计算的坐标初始值，惯导以初始点为原点建立载体固定坐标系，以牛顿力学定理为基础，通过加速度计获得手持机在载体固定坐标系的加速度，将它对时间进行二次积分得到载体固定坐标，之后将其变换到导航坐标系(载体固定坐标系与导航坐标系的转换可以通过陀螺仪测出手持机的侧滚角、俯仰角、偏航角旋转实现)，最后将手持机导航坐标转换到换到空间直角坐标。

捷联惯导系统提供手持接收机此时的姿态。图5为姿态角(偏航角、翻滚角、俯仰角)示意图：俯仰角ε(pitch)为载体固定坐标系y^b轴与xⁿ、yⁿ平面的夹角；偏航角(yaw)为载体固定坐标系y^b轴在xⁿ、yⁿ平面上投影与导航坐标系yⁿ轴(在xⁿ、yⁿ平面上，指向目标为正)之间的夹角；滚转角Φ(roll)为载体固定坐标系z^b轴与通过载体y^b轴的铅垂面间的夹角。通过惯导获得手持机的俯仰角ε、偏航角即手持机瞄准目标时，手持机瞄准方向在xⁿ、yⁿ平面上与手持机导航坐标系的北方向(yⁿ轴)的夹角与xⁿ、yⁿ平面的夹角ε。

根据已知测量点P₀的坐标及其与目标点S之间距离计算目标点坐标的具体过程为：

首先获取测量点在大地坐标系中坐标(B₀，L₀，H₀)，空间直角坐标和大地坐标之间的关系下式所示：

$L=arctan\left(\frac{Y}{X}\right)---\left(1\right)$

$\left\{\begin{array}{c}\tan u=\frac{bZ}{ar}(1+a)\\ \tan B=\frac{Z+e^{\′2}b{\sin }^{3}u}{r-e^{2}a{\cos }^{3}u}\end{array}\right.---\left(2\right)$

$H=r\cos B+Z\sin B-a\sqrt{1-e^2{\sin }^{2}B}---\left(3\right)$

其中，r²＝X²+Y²，R＝r²+Z²，X为测量点在直角坐标系中X轴坐标，Y为测量点在直角坐标系中Y轴坐标，Z为测量点在直角坐标系中Z轴坐标，a为椭球长半轴，b椭球短半轴，e为第一椭球偏心率，e'为第二椭球偏心率。因此可获得P₀点的大地坐标(B₀，L₀，H₀)。

S点在以P₀点为原点的导航坐标系坐标S(x_S，y_S，z_S)如式(4)所示。

再将S点的导航坐标转换为空间直角坐标，如图6所示，首先将导航坐标系轴围绕z轴逆时针旋转L₀，再绕y轴转(90°+B₀)，可得两个坐标系旋转参数R，如式(5)所示。

由此计算得S点空间直角坐标(X_S，Y_S，Z_S)，如式(6)所示。

$\left(\begin{array}{c}{X}_S\\ Y_S\\ Z_S\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}{X}_{P_0}\\ Y_{P_0}\\ Z_{P_0}\end{array}\right)+R\left(\begin{array}{c}{x}_S\\ y_S\\ z_S\end{array}\right)---\left(6\right)$

综上，在基于本设备进行量测时，设备瞄准目标通过激光测距仪获取目标点与测量点之间距离，利用GNSS/INS组合定位得到的瞬时手持机坐标以及手持机姿态，最后将距离信息、坐标信息以及姿态信息代入公式(1)-(6)进行解算，最终获得目标点坐标，达到仅需一次测量且无需到达即可量测的目的，提高工作效率，降低作业难度。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于GNSS/INS/激光测距组合定位的手持接收机，其特征是，包括壳体和设置在壳体空腔内的测距装置，所述壳体呈“T”型，包括水平方向的主体和竖直向后端倾斜的手柄，主体的上方平行设置有瞄准镜，所述测距装置包括惯性导航模块、GNSS接收模块、卡尔曼滤波器、微处理器和设置在主体前端的激光测距模块，其中，

惯性导航模块的输出端连接卡尔曼滤波器，用于获取测量点的姿态信息；

GNSS接收模块的输出端连接卡尔曼滤波器，用于接收GNSS卫星信号；

卡尔曼滤波器的输出端连接微处理器，用于将姿态信息与GNSS卫星信号进行融合获取测量点的姿态和坐标信息；

激光测距模块的输出端连接微处理器，用于测定测量点与目标点之间的距离；

微处理器根据测量点的姿态和坐标及其与目标点之间的距离获取目标点的坐标。

2.根据权利要求1所述的一种基于GNSS/INS/激光测距组合定位的手持接收机，其特征是，还包括电源模块，电源模块输出工作电源至惯性导航模块、GNSS接收模块、卡尔曼滤波器、微处理器和激光测距模块，所述电源模块设置在手柄的空腔内。

3.根据权利要求1所述的一种基于GNSS/INS/激光测距组合定位的手持接收机，其特征是，还包括显示模块，显示模块的输入端连接微处理器，显示模块为显示器，所述显示器设置在主体的后端。

4.根据权利要求1所述的一种基于GNSS/INS/激光测距组合定位的手持接收机，其特征是，还包括存储模块，存储模块连接微处理器。

5.根据权利要求1所述的一种基于GNSS/INS/激光测距组合定位的手持接收机，其特征是，还包括GPRS无线通讯模块，GPRS无线通讯模块的输出端连接卡尔曼滤波器，用于获取来自CORS站或者基站的GNSS差分信息。

6.根据权利要求1所述的一种基于GNSS/INS/激光测距组合定位的手持接收机，其特征是，惯性导航模块包括一个惯性测量组件和一个磁力计，其中惯性测量组件包括三个加速度传感器、三个陀螺仪，所述三个加速度传感器正交设置，三个陀螺仪正交设置，IMU和磁力计的输出端连接卡尔曼滤波器，IMU安置在手持接收机的质心位置。

7.根据权利要求1所述的一种基于GNSS/INS/激光测距组合定位的手持接收机，其特征是，所述激光测距模块包括激光发射器，激光发射器上设置有对应其“开关”功能的按钮，所述按钮位于手柄的前端上部。

8.一种基于GNSS/INS/激光测距组合定位的手持接收机的测量方法，其特征是，包括以下步骤：

步骤一，获取测量点P₀在空间直角坐标系中的坐标和手持机俯仰角ε及偏航角

步骤二，根据空间直角坐标系到大地坐标系的转换关系，获得测量点P₀在大地坐标系中的坐标(B₀，L₀，H₀)；

步骤三，获取测量点P₀与目标点S之间距离D；

步骤四，根据测量点的俯仰角ε、偏航角获取目标点S在以测量点P₀为原点的导航坐标系坐标(x_S，y_S，z_S)；

步骤五，根据导航坐标系与直角坐标系的转换关系，获取目标点S在空间直角坐标系中的坐标(X_S，Y_S，Z_S)。

9.根据权利要求8所述的一种基于GNSS/INS/激光测距组合定位的手持接收机的测量方法，其特征是，在所述步骤四中，目标点S在以测量点P₀为原点的导航坐标系坐标(x_S，y_S，z_S)为：

10.根据权利要求8所述的一种基于GNSS/INS/激光测距组合定位的手持接收机的测量方法，其特征是，在所述步骤六中，导航坐标系到直角坐标系的旋转参数R为：

由此计算得S点空间直角坐标(X_S，Y_S，Z_S)为：

$\left(\begin{array}{c}{X}_S\\ Y_S\\ Z_S\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}{X}_{P_0}\\ Y_{P_0}\\ Z_{P_0}\end{array}\right)+R\left(\begin{array}{c}{x}_S\\ y_S\\ z_S\end{array}\right).$