一種基于衛星定向的方位標定方法及裝置制造方法
【專利摘要】本發明公開了一種基于衛星定向的方位標定方法及裝置，該技術采用基于載波相位解模糊的高精度相對定位原理實現兩個衛星天線表征的基線的真北方位標定，再利用經緯儀或全站儀等角度測量儀器實現基線方位的引出，測量待測方位的真北信息。本發明將高精度衛星定向作為方位基準，用經緯儀將方位基準的真北方位角引出進行方位標定的方法和裝置。該方法和裝置用可活動架設的GNSS天線替代了傳統的固定標桿等方式，也不需要衛星差分站，極大地提高了方位標定的靈活性和作業范圍。
【專利說明】一種基于衛星定向的方位標定方法及裝置

【技術領域】
[0001]本發明涉及定向測量【技術領域】，具體涉及一種采用衛星定向技術作為方位基線的方位標定方法和裝置。

【背景技術】
[0002]真北方位的精確測量是大地測量、工程測繪、儀器標定等領域的基礎問題，形成了以陀螺尋北儀、經瑋儀、全站儀等為代表的一系列測量儀器及配套方法，其中經瑋儀、全站儀可以精確地測量方位的差值，而不能直接提供真北信息，陀螺尋北儀可以標定秒級的真北方位，但價格昂貴，標定的時間較長，通常需要10至20分鐘。衍生出的陀螺經瑋儀、陀螺全站儀將陀螺尋北儀的真北標定功能與經瑋儀/全站儀的角度差測量功能結合起來，形成了完整的真北標定功能，但設備價格高昂，不便于攜帶，僅能用于極少數高精度應用和對標定時間要求寬松的場合。
[0003]另一種真北方位標定的方法是在作業區域內設置預先標定好的高精度標桿或標志點作為基準，采用經瑋儀或全站儀將基準點的方位引入到待測點完成傳遞，這種方法的顯著缺點是不能實現隨時隨地標定，只能在標桿或標準點附近才能進行作業，因此嚴重限制了應用范圍。
[0004]隨著以GPS(Global Posit1ning System,全球定位系統)為代表的衛星導航技術的興起，采用衛星導航技術完成位置和方位的測量已經成為一種常見的測量技術手段，與傳統的測量技術相比，衛星定向可以提供兩個天線之間的真北方位，具有全天候、全天時、精度高、成本低、速度快等優點。我國獨立自主的“北斗二號”區域衛星導航系統已于2012年底投入正式運營，該系統為我國及周邊區域提供與GPS系統類似的服務功能，計劃在2020年前后拓展為全球覆蓋的衛星導航系統，進一步提升了衛星定位定向的覆蓋性、可用性、精度和速度。
[0005]現有的將衛星定位定向技術與經瑋儀/全站儀等設備結合的方法通常采用固定站差分、精密單點定位(Precise Point Posit1ning, PPP)、實時動態差分(Real-time kinematic, RTK)等技術。以專利《一種差分GPS定向方位引入方法》(申請號201210319014.0)為例，仍然需要架設一個固定站播發差分信息，主運動站和運動參考站接收差分信息后提高定位精度，根據二者定位結果計算它們的基線方位，再利用經瑋儀傳遞該基線方位測量待測的方位角。這種方法的缺點是沒有擺脫傳統的固定站/運動站的差分模式，僅能在固定站播發的差分信息覆蓋范圍內進行操作，也不能實現隨時隨地地方位標定；超站儀是將全站儀與GPS技術結合的一種儀器設備，通常采用PPP技術實現無需控制點的快速高精度定位測量，不能完成方位的標定；專利《全站儀與GPS單頻實時動態組合測量方法及其系統》(申請號:200510110504.X)本質上是一種單頻RTK系統，GPS與全站儀的組合是利用全站儀提供的角度和距離測量值為單頻RTK的解算提供先驗信息，不涉及方位的傳遞問題。


【發明內容】

[0006]針對現有技術的缺陷，本發明所要解決的問題是擺脫地面標桿/標志點或衛星固定站等限制定向作業范圍的技術手段，實現任意地點的快速真北方位標定。為解決上述問題，本發明提出一種基于衛星定向的方位標定方法及裝置，該技術采用基于載波相位解模糊的高精度相對定位原理實現兩個衛星天線表征的基線的真北方位標定，再利用經瑋儀或全站儀等角度測量儀器實現基線方位的引出，測量待測方位的真北信息。為便于表述，角度測量儀器統一以經瑋儀表示，但實際可包含全站儀等其它包含角度測量功能的設備。
[0007]一種基于衛星定向的方位標定方法，步驟如下:
[0008]S1.設置經瑋儀與主GNSS天線
[0009]將主GNSS天線架設在經瑋儀上，要求經瑋儀橫軸回轉中心與主GNSS天線相位中心重合，經瑋儀與主GNSS天線的組合架設在三腳架上，調節底座，使得主GNSS天線保持水平；
[0010]S2.設置輔助瞄準標志與從GNSS天線
[0011]在從GNSS天線下方設置輔助瞄準標志，輔助瞄準標志的中心與從GNSS天線相位中心的連線與從GNSS天線的軸線重合，從GNSS天線與輔助瞄準標志的組合架設在三腳架或連桿上，調節底座，使得從GNSS天線保持水平；
[0012]S3.雙天線導航信號接收
[0013]兩個GNSS天線的信號分別經過射頻電路處理轉換為中頻信號，再由A/D轉換將模擬信號采樣為數字信號；對數字信號進行捕獲、跟蹤和解調，獲取對應的偽距、載波相位和電文原始觀測數據；
[0014]S4.衛星基線定向解算
[0015]采用最小二乘或卡爾曼濾波方法進行定位解算得到兩個天線的定位結果；采用快速降維法完成所述的載波相位模糊度求解；根據單差或雙差觀測方程模型，利用解模糊后的載波相位計算兩個衛星天線的相對定向結果；將相對定向結果轉換到定位結果表征的當地東北天坐標系，得到衛星基線的定向測量值α ;
[0016]S5.經瑋儀瞄準GNSS天線基線
[0017]轉動經瑋儀，使得經瑋儀瞄準從GNSS天線下方的瞄準輔助標志，設置為角度測量零位；
[0018]S6.待標定方位角度差及方位角計算輸出
[0019]轉動經瑋儀，使得經瑋儀瞄準待標定方位，輸出從天線基線到待標定方位的方位角度差β，將衛星基線的定向測量值與經瑋儀測量的方位角度差轉換到統一的方位角表示法，輸出待標定的方位角γ = α+β。
[0020]—種基于衛星定向的方位標定裝置，包括GNSS天線、衛星定向接收模塊、經瑋儀及固定三腳架和輔助瞄準標志及固定裝置，具體如下:
[0021]GNSS天線，共有兩個，分別為主GNSS天線和從GNSS天線，用于形成衛星定向基線；
[0022]衛星定向接收模塊，用于接收GNSS天線的導航信號，完成基于載波相位的GNSS天線相對定位定向；
[0023]經瑋儀及固定三腳架，經瑋儀與主GNSS天線共軸固定連接，二者共同固定于三腳架并調平；
[0024]輔助瞄準標志及固定裝置，輔助瞄準裝置與從GNSS天線共軸固定連接，二者共同固定于固定裝置并調平，用于輔助經瑋儀瞄準衛星定向基線。
[0025]優選地，GNSS天線是內置低噪聲放大器的零相位中心測量型天線，適合于多個頻段GNSS信號的接收。
[0026]優選地，衛星定向接收模塊是典型的帶定向解算功能的雙射頻輸入接收機，可采用兩塊獨立的單射頻輸入接收機加定向解算軟硬件搭建，也可在軟硬件上統一設計形成一套獨立的雙射頻輸入定向接收機，完成兩個GNSS天線的定位和相對定向。
[0027]優選地，經瑋儀及固定三腳架中，經瑋儀也可以使用全站儀等其它具有角度差測量功能的儀器，經瑋儀上架設有主GNSS天線，經瑋儀與架設在其上的主GNSS天線共軸安裝，經瑋儀橫軸回轉中心與主GNSS天線相位中心重合，經瑋儀與主GNSS天線的組合架設在三腳架上。
[0028]優選地，輔助瞄準標志及固定裝置中，輔助瞄準標志可以是一個標志光源，例如LED光源，或十字目標圖案，或反射棱鏡等常用瞄準標志，固定裝置不一定是三腳架，也可以是連桿、三角底座等可以將輔助瞄準標志和GNSS天線組合并固定的裝置即可。輔助瞄準標志的中心與從GNSS天線相位中心的連線與從GNSS天線的軸線重合，實現共軸安裝，從GNSS天線與輔助瞄準標志的組合架設在固定裝置上。
[0029]優選地，經瑋儀測量得到的角度差信息可以通過有線串行數據傳輸或無線藍牙、Wifi等方式輸出至衛星定向接收模塊，由衛星定向接收模塊綜合衛星基線方位與基線方位和待測方位角度差信息，輸出最終的待測方位。
[0030]本發明公開了一種將高精度衛星定向作為方位基準，用經瑋儀將方位基準的真北方位角引出進行方位標定的方法和系統。該方法和裝置用可活動架設的GNSS天線替代了傳統的固定標桿等方式，也不需要衛星差分站，極大地提高了方位標定的靈活性和作業范圍；根據方位標定的精度要求，選擇適當的衛星定向基線長度和定向處理算法，可達到與昂貴的陀螺經瑋儀等提供真北基準的設備同樣的精度，但該發明具有顯著的成本低和標定速度快的優勢。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0031]圖1為本發明提供的一種基于衛星定向的方位標定方法的流程示意圖；
[0032]圖2為本發明提供的一種基于衛星定向的方位標定裝置的具體結構圖。

【具體實施方式】
[0033]為使本發明實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。
[0034]圖1是本發明提供的基于衛星定向的方位標定方法的流程示意圖，包括步驟:
[0035]S1.設置經瑋儀與主GNSS天線
[0036]將主GNSS天線架設在經瑋儀上，要求經瑋儀橫軸回轉中心與主GNSS天線相位中心重合，經瑋儀與主GNSS天線的組合架設在三腳架上，調節底座，使得主GNSS天線保持水平。
[0037]S2.設置輔助瞄準標志與從GNSS天線
[0038]在從GNSS天線下方設置輔助瞄準標志，輔助瞄準標志的中心與從GNSS天線相位中心的連線與從GNSS天線的軸線重合，從GNSS天線與輔助瞄準標志的組合架設在三腳架或連桿上，調節底座，使得從GNSS天線保持水平。
[0039]S3.雙天線導航信號接收
[0040]兩個GNSS天線的信號分別經過射頻電路處理轉換為中頻信號，再由A/D轉換將模擬信號采樣為數字信號；對數字信號進行捕獲、跟蹤和解調，獲取對應的偽距、載波相位和電文原始觀測數據；
[0041]S4.衛星基線定向解算
[0042]采用最小二乘或卡爾曼濾波方法進行定位解算得到兩個天線的定位結果；采用快速降維法完成所述的載波相位模糊度求解；根據單差或雙差觀測方程模型，利用解模糊后的載波相位計算兩個衛星天線的相對定向結果；將相對定向結果轉換到定位結果表征的當地東北天坐標系，得到衛星基線的定向測量值α ;
[0043]S5.經瑋儀瞄準GNSS天線基線
[0044]轉動經瑋儀，使得經瑋儀瞄準從GNSS天線下方的瞄準輔助標志，設置為角度測量零位；
[0045]S6.待標定方位角度差及方位角計算輸出
[0046]轉動經瑋儀，使得經瑋儀瞄準待標定方位，輸出從天線基線到待標定方位的方位角度差β，將衛星基線的定向測量值與經瑋儀測量的方位角度差轉換到統一的方位角表示法，輸出待標定的方位角γ = α+β。
[0047]更進一步地，步驟SI和S2中的主從GNSS天線能夠同時支持多個GNSS系統不同頻點的信號接收；步驟S3中雙天線導航信號接收包含GNSS天線可接收的多個系統多個頻點信號。目前全球四大衛星導航系統中包含的信號頻點有GPS的L1/L2/L5、北斗的Β1/Β2/Β3、GLONASS的G1/G2以及Galileo的E1/E5/E6，要求GNSS天線和信號接收至少支持某個單一系統的兩個頻點，提供最低程度的載波相位模糊度解算需要的觀測信息。
[0048]更進一步地，步驟S2中，從天線和主天線的距離一般形成短基線或超短基線，滿足雙天線定向的處理條件；主天線和從天線盡量調整在相同的高度。
[0049]更進一步地，步驟S3中，根據接收衛星信號的種類不同和硬件時鐘的差異，優選算法進行載波模糊度求解和定向解算。例如若提供了北斗或GPS三頻點的原始觀測值，可利用不同頻點形成超寬巷、寬巷、窄巷組合加快模糊度求解速度；若兩個GNSS天線的采樣和信號處理采樣相同的數字時鐘和本地時間管理，不存在兩個天線信號處理的鐘差，優選地可以采用單差相對定位模型，否則采用雙差相對定位模型。
[0050]更進一步地，步驟S4中，衛星定向的典型頻率是1Hz，根據方位標定的精度和實時性需求，可進行更長時間的處理提高方位角的輸出精度。
[0051]圖2為本發明提供的一種基于衛星定向的方位標定裝置的具體結構圖，裝置由GNSS天線A、GNSS天線B、經瑋儀、輔助瞄準標志、兩個三腳架、衛星定位定向主機和若干線纜組成。GNSS天線A與經瑋儀同軸固定連接，經瑋儀與GNSS天線A的相位中心位于GNSS天線A的軸線上，GNSS天線B和輔助瞄準標志固定連接，輔助瞄準標志與GNSS天線B的相位中心位于GNSS天線B的軸線上。兩個三腳架分別用于固定GNSS天線A與經瑋儀組合以及GNSS天線B與輔助瞄準標志組合。輔助瞄準標志可以是一個標志光源，例如LED光源，或十字目標圖案，或反射棱鏡等常用瞄準標志，屬于經瑋儀角度測量的常識；兩個三腳架也可以是連桿、三角底座等可以固定并調平的裝置即可。
[0052]GNSS天線A和GNSS天線B的射頻信號輸入至衛星定位定向主機完成基于載波相位的高精度定向，確定衛星基線方位；衛星定位定向主機通常包含FPGA、ASIC、DSP、ARM等嵌入式處理器，完成衛星信號的變頻、數字化、捕獲、跟蹤等處理，并進行定位定向解算，該部分內容是衛星導航領域常識；經瑋儀測量衛星天線基線與待標定基線方位之間的夾角，也可通過有線或無線數據傳輸方式輸入至衛星定位定向主機，衛星定位定向主機將衛星基線方位與經瑋儀測得的夾角相加，作為待標定方位基線輸出。
[0053]相對于現有技術，本發明將衛星定向技術作為定向的真北基線引入方位標定中，相比于傳統的需要標桿、差分站的方法，拓展了作業的操作范圍，實現隨時隨地的標定；與采用陀螺尋北儀等設備獲取真北基準相比，具有精度相當，但成本低廉，定向速度快的優點，整套方法和設備用現有成熟的衛星定向技術及經瑋儀即可實現幾乎不受地域限制的快速方位標定。
[0054]雖然以上結合優選實施例對本發明進行了描述，但本領域的技術人員應該理解，本發明所述的方法和系統并不限于【具體實施方式】中所述的實施例，在不背離由所附權利要求書限定的本發明精神和范圍的情況下，可對本發明作出各種修改、增加、以及替換。
【權利要求】
1.一種基于衛星定向的方位標定方法，其特征在于步驟如下: 51.設置經瑋儀與主GNSS天線 將主GNSS天線架設在經瑋儀上，要求經瑋儀橫軸回轉中心與主GNSS天線相位中心重合，經瑋儀與主GNSS天線的組合架設在三腳架上，調節底座，使得主GNSS天線保持水平； 52.設置輔助瞄準標志與從GNSS天線 在從GNSS天線下方設置輔助瞄準標志，輔助瞄準標志的中心與從GNSS天線相位中心的連線與從GNSS天線的軸線重合，從GNSS天線與輔助瞄準標志的組合架設在三腳架或連桿上，調節底座，使得從GNSS天線保持水平； 53.雙天線導航信號接收 兩個GNSS天線的信號分別經過射頻電路處理轉換為中頻信號，再由A/D轉換將模擬信號采樣為數字信號；對數字信號進行捕獲、跟蹤和解調，獲取對應的偽距、載波相位和電文原始觀測數據； 54.衛星基線定向解算 采用最小二乘或卡爾曼濾波方法進行定位解算得到兩個天線的定位結果；采用快速降維法完成所述的載波相位模糊度求解；根據單差或雙差觀測方程模型，利用解模糊后的載波相位計算兩個衛星天線的相對定向結果；將相對定向結果轉換到定位結果表征的當地東北天坐標系，得到衛星基線的定向測量值α ； 55.經瑋儀瞄準GNSS天線基線 轉動經瑋儀，使得經瑋儀瞄準從GNSS天線下方的瞄準輔助標志，設置為角度測量零位； 56.待標定方位角度差及方位角計算輸出 轉動經瑋儀，使得經瑋儀瞄準待標定方位，輸出從天線基線到待標定方位的方位角度差β，將衛星基線的定向測量值與經瑋儀測量的方位角度差轉換到統一的方位角表示法，輸出待標定的方位角γ = α+β。
2.—種基于衛星定向的方位標定裝置，其特征在于:包括GNSS天線、衛星定向接收模塊、經瑋儀及固定三腳架和輔助瞄準標志及固定裝置； GNSS天線，共有兩個，分別為主GNSS天線和從GNSS天線，用于形成衛星定向基線； 衛星定向接收模塊，用于接收GNSS天線的導航信號，完成基于載波相位的GNSS天線相對定位定向； 經瑋儀及固定三腳架，經瑋儀與主GNSS天線共軸固定連接，二者共同固定于三腳架并調平； 輔助瞄準標志及固定裝置，輔助瞄準裝置與從GNSS天線共軸固定連接，二者共同固定于固定裝置并調平，用于輔助經瑋儀瞄準衛星定向基線。
3.根據權利要求2所述的基于衛星定向的方位標定裝置，其特征在于:GNSS天線是內置低噪聲放大器的零相位中心測量型天線，適合于多個頻段GNSS信號的接收。
4.根據權利要求2或3所述的基于衛星定向的方位標定裝置，其特征在于:衛星定向接收模塊是帶定向解算功能的雙射頻輸入接收機。
5.根據權利要求4所述的基于衛星定向的方位標定裝置，其特征在于:經瑋儀及固定三腳架中，經瑋儀上架設有主GNSS天線，經瑋儀與架設在其上的主GNSS天線共軸安裝，經瑋儀橫軸回轉中心與主GNSS天線相位中心重合，經瑋儀與主GNSS天線的組合架設在三腳架上。
6.根據權利要求5所述的基于衛星定向的方位標定裝置，其特征在于:輔助瞄準標志及固定裝置中，輔助瞄準標志是LED光源，或十字目標圖案，或反射棱鏡；固定裝置是三腳架、連桿或三角底座；輔助瞄準標志的中心與從GNSS天線相位中心的連線與從GNSS天線的軸線重合，實現共軸安裝，從GNSS天線與輔助瞄準標志的組合架設在固定裝置上。
7.根據權利要求6所述的基于衛星定向的方位標定裝置，其特征在于:經瑋儀測量得到的角度差信息能夠通過有線串行數據傳輸或無線藍牙、WiFi等方式輸出至衛星定向接收模塊，由衛星定向接收模塊綜合衛星基線方位與基線方位和待測方位角度差信息，輸出最終的待測方位。
【文檔編號】G01C1/02GK104502887SQ201410829323
【公開日】2015年4月8日 申請日期:2014年12月25日 優先權日:2014年12月25日
【發明者】陳曉峰, 羅丁, 肖茂森, 陸衛國, 劉建華, 朱宇虹, 翟玉濤, 蒙連勝 申請人:湖南航天電子科技有限公司, 中國人民解放軍第二炮兵裝備研究院第四研究所, 中國科學院西安光學精密機械研究所