陳石平,莊桂玉,徐彬雄,談書才,丁榕

(廣州奧格智能科技有限公司,廣東 廣州 510663)

0　引　言

目前地理信息系統(tǒng)(GIS)采集器,普遍采用衛(wèi)星定位技術(shù)采集當(dāng)前點(diǎn)位坐標(biāo),進(jìn)而達(dá)到測(cè)量的目的。GIS采集器一般有低精度和高精度之分,精度從十米級(jí)、亞米級(jí)到厘米級(jí)不等。由于城市發(fā)展日新月異,智慧城市GIS采集器設(shè)備應(yīng)用越來越廣,但由于定位存在盲區(qū),例如高架橋下、隧道、大樹下等可見衛(wèi)星數(shù)量少的環(huán)境難以定位,或者道路中井蓋、欄桿、綠化帶等人員難以到達(dá),市面上的GIS采集器功能顯得尤為不足,這給智慧城市GIS信息采集帶來很大的難度。

1　目前技術(shù)狀況

目前的技術(shù)實(shí)現(xiàn)方案如下:

實(shí)用新型專利[1]:北斗定位高精度手持機(jī)(CN201520549528.4),提供一種北斗定位高精度手持機(jī),基于WIFI定位設(shè)備、北斗定位設(shè)備、GPS定位設(shè)備、三軸陀螺儀、三軸加速計(jì)和處理器設(shè)計(jì):在室外通過北斗定位設(shè)備和GPS定位設(shè)備進(jìn)行雙重室外定位;在室內(nèi)工作時(shí),無GNSS信號(hào),通過使用內(nèi)置的WIFI定位設(shè)備,可實(shí)現(xiàn)高精度實(shí)時(shí)定位。使用集成在終端設(shè)備上的陀螺儀和三軸加速計(jì),可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)高精度定位。由于WIFI定位精度誤差大,覆蓋半徑小,需要布置WIFI網(wǎng)絡(luò)勢(shì)必額外增加應(yīng)用成本,無法獲取目標(biāo)點(diǎn)定位,限制應(yīng)用范圍。

實(shí)用新型專利[2]:高精度手持機(jī)移動(dòng)定位系統(tǒng)(CN201520549839.0),包括高精度手持機(jī)、數(shù)據(jù)傳輸通道和后臺(tái)服務(wù)器;集人員定位、通話、拍照、視頻錄像、工單調(diào)度等多種功能于一體的設(shè)備。顯然在衛(wèi)星信號(hào)較弱或無衛(wèi)星信號(hào)應(yīng)用時(shí)便無法獲取目標(biāo)點(diǎn)的位置信息。

實(shí)用新型專利[3]:一種新型高精度GIS測(cè)距手持機(jī)(CN201320150527.3),高精度GIS測(cè)距手持機(jī),相比于常規(guī)的高精度GIS手持機(jī)只是多了一個(gè)激光測(cè)距儀。由于不能獲得姿態(tài)信息,無法獲取目標(biāo)點(diǎn)的精確位置信息。

發(fā)明專利[4]:基于GNSS/INS/激光測(cè)距組合定位的手持接收機(jī)及測(cè)量方法(CN201610375322.3),集成GNSS模塊、慣性導(dǎo)航(INS)、激光測(cè)距等模塊,GNSS用于定位;激光測(cè)距模塊用于測(cè)定測(cè)量點(diǎn)與目標(biāo)點(diǎn)之間的距離;微處理器根據(jù)測(cè)量點(diǎn)的姿態(tài)、坐標(biāo)及其與目標(biāo)點(diǎn)之間的距離獲取目標(biāo)點(diǎn)的坐標(biāo)。其中激光模塊采用不可見激光模式,需要瞄準(zhǔn)鏡,因此體積大,重量大,野外作業(yè)攜帶不便,功能較為單一,且無拍照、GIS軟件功能。

聯(lián)系人: 陳石平E-mail:oldslam@126.com

鑒于現(xiàn)有技術(shù)的不足,本文所要解決的技術(shù)問題是提供一種高精度定位的GIS采集器及其目標(biāo)點(diǎn)計(jì)算方法,以解決現(xiàn)有普通GIS采集器在作業(yè)時(shí)難以獲得目標(biāo)點(diǎn)高精度位置的問題。

2　系統(tǒng)設(shè)計(jì)

設(shè)備系統(tǒng)包括微處理器、GNSS載波相位差分定位模塊、電子羅盤、激光測(cè)距模塊、攝像頭、通信模塊、藍(lán)牙模塊、顯示屏、存儲(chǔ)模塊、SIM卡座、電源模塊、開機(jī)按鈕,其中GNSS載波相位差分定位模塊、通信模塊分別連接差分定位天線、通信天線,原理框圖如圖1所示。

GNSS載波相位差分定位模塊為三系統(tǒng)八頻,其中GPS頻段:L1、L2、L5,BDS頻段:B1、B2、B3,GLONASS頻段:G1、G2,GNSS載波相位差分定位模塊通過接收GNSS衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)和CORS網(wǎng)絡(luò)差分校正信息可獲得厘米級(jí)的定位。

激光測(cè)距模塊包括激光發(fā)射器、激光接收器,激光發(fā)射器上設(shè)置有按鈕,其中激光測(cè)距模塊采用635 nm(納米)可見光激光,激光等級(jí)Ⅱ級(jí)的安全型激光,測(cè)距范圍可達(dá)百米,用于獲取參考點(diǎn)與目標(biāo)點(diǎn)的距離,與此同時(shí)電子羅盤用于(以參考點(diǎn)為基準(zhǔn)點(diǎn))獲得的目標(biāo)點(diǎn)的方位角和仰角。攝像頭用于拍攝目標(biāo)點(diǎn)實(shí)際場(chǎng)景。通信模塊用于獲取CORS網(wǎng)絡(luò)差分校正信息以及進(jìn)行目標(biāo)點(diǎn)坐標(biāo)和實(shí)際場(chǎng)景圖片傳輸。藍(lán)牙模塊可以與其它手持類設(shè)備進(jìn)行通訊。顯示屏用于顯示定位坐標(biāo)、距離、方位角、仰角等信息。微處理器根據(jù)參考點(diǎn)的高精度坐標(biāo)及其與目標(biāo)點(diǎn)之間的距離、方位角、仰角通過計(jì)算獲得目標(biāo)點(diǎn)的精確坐標(biāo)。

差分定位天線為三系統(tǒng)八頻內(nèi)置螺旋天線,減小了設(shè)備的體積,包括低噪聲放大器LNA、聲表面濾波器SAW等電路。螺旋天線總重量小于20 g,大大降低載荷負(fù)擔(dān)。天線通過標(biāo)準(zhǔn)的SMA接頭進(jìn)行饋電和信號(hào)傳輸,將天線接頭與終端設(shè)備的信號(hào)接頭連接即可固定天線,無需額外的安裝孔位。天線采用四臂螺旋結(jié)構(gòu),與傳統(tǒng)微帶結(jié)構(gòu)天線相比,其具有更好的低仰角增益、廣角圓極化特性,能接收更多低仰角的衛(wèi)星信號(hào)。天線具有穩(wěn)定的相位中心,將天線對(duì)測(cè)量誤差的影響降低到最小;天線電路采用了抗干擾技術(shù),在一定干擾的復(fù)雜環(huán)境中仍能正常工作。

GNSS載波相位差分定位模塊通過串口連接微處理器進(jìn)行通信,GNSS載波相位差分定位模塊通過接收GNSS衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)和裝有專用SIM卡的GPRS模塊,無線通信得到當(dāng)?shù)鼐钟駽ORS網(wǎng)絡(luò)差分校正信息(差分信息包括衛(wèi)星星歷誤差、衛(wèi)星鐘差,電離層、對(duì)流層等改正項(xiàng)),獲得厘米級(jí)的定位;GNSS載波相位差分定位模塊先后經(jīng)歷四種不同定位精度模式:首先獲得標(biāo)準(zhǔn)單點(diǎn)定位;接著獲得差分校正信息后很快得到偽距差分RTD定位;然后得到載波相位整周模糊度為浮點(diǎn)解的RTK定位;最后得到載波相位整周模糊度為固定解的RTK定位。四種不同定位精度模式依次分別為:10米級(jí)、米級(jí)、分米級(jí)、厘米級(jí)。GNSS載波相位差分定位模塊使用中國(guó)CGCS2000大地坐標(biāo)系,遵循NMEA-0183格式,輸出經(jīng)度、緯度和高程。

3　計(jì)算流程方法

測(cè)量過程如圖2所示,計(jì)算流程具體如下:

步驟1,首先獲得參考點(diǎn)R的大地坐標(biāo)系的坐標(biāo):經(jīng)度B0、緯度L0、高程H0,優(yōu)先采用固定解RTK定位模式,其次為浮點(diǎn)解RTK定位模式;

步驟2,大地坐標(biāo)系坐標(biāo)(B0,L0,H0)轉(zhuǎn)換為直角坐標(biāo)系坐標(biāo)(X0,Y0,Z0),計(jì)算公式為

X0=(N+H0)cosB0cosL0,

Y0=(N+H0)cosB0sinL0,

Z0=[N(1-e2)+H0]sinB0,

(1)

式中:N=a(1-e2sin2B0)-1/2；a為參考橢球長(zhǎng)半軸6 378 137.00 m;e為參考橢球的第一偏心率,e2=0.00669437999013.

步驟3,使用激光測(cè)距模塊獲得參考點(diǎn)R與目標(biāo)點(diǎn)O之間的距離D;

步驟4,獲取距離的同時(shí)使用電子羅盤獲得參考點(diǎn)R與目標(biāo)點(diǎn)O之間的方位角φ、俯仰角β,如圖2所示,得到站心地平直角坐標(biāo)(x、y、z),計(jì)算公式:

(2)

計(jì)算出目標(biāo)點(diǎn)O直角坐標(biāo)系(X1,Y1,Z1),即從站心地平直角坐標(biāo)(x、y、z)轉(zhuǎn)換到球心直角坐標(biāo)(X1,Y1,Z1),計(jì)算公式[5]

(3)

步驟5,球心直角坐標(biāo)(X1,Y1,Z1)轉(zhuǎn)換為大地坐標(biāo)系坐標(biāo)(B1,L1,H1),計(jì)算公式[5-7]為

(4)

4　實(shí)際測(cè)試結(jié)果

使用高精度RTK(定位精度為厘米級(jí))設(shè)備獲取樓頂3個(gè)水平點(diǎn)(高程均為H=64 m,俯仰角β為0°)高精度坐標(biāo)信息作為標(biāo)定點(diǎn),如表1所示。

表1　3個(gè)高精度坐標(biāo)點(diǎn)

采用上述計(jì)算方法得到結(jié)果如表2所示,采用上述3個(gè)標(biāo)定點(diǎn)作為精確的目標(biāo)點(diǎn)坐標(biāo)參與計(jì)算,本設(shè)備的定位精度為厘米級(jí)。1號(hào)點(diǎn)參考點(diǎn)測(cè)量3號(hào)目標(biāo)點(diǎn),距離為26.255 m,方位角為-36.229°,由于俯仰角β為0°,其高程誤差基本為0可以忽略不計(jì);經(jīng)度、緯度誤差分別為-0.379 m、0.545 m.從三次測(cè)量結(jié)果可以看出,高程誤差基本為0,經(jīng)度、緯度誤差均在1 m以內(nèi),定位精度屬于亞米級(jí),達(dá)到了較好的測(cè)試結(jié)果。由于電子羅盤容易受到周圍磁場(chǎng)的干擾加上磁極偏移,電子羅盤測(cè)量存在誤差較大,造成經(jīng)度、緯度誤差偏大[10],因此需要對(duì)電子羅盤的數(shù)據(jù)進(jìn)行修正,目前常用的電子羅盤糾正方式有橢圓假設(shè)法[11]和八方向二乘法。

表2　實(shí)際測(cè)試結(jié)果

本設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是:

1) 相比慣導(dǎo)系統(tǒng),使用電子羅盤低成本方案,具有很強(qiáng)的成本優(yōu)勢(shì);

2) 使用三系統(tǒng)八頻高性能高精度載波相位差分定位模塊獲得厘米級(jí)定位精度,與普通的GIS采集器10米級(jí)定位精度相比,參考點(diǎn)定位精度提高了2個(gè)數(shù)量級(jí);

3) 與普通的RTK設(shè)備相比大大減小了設(shè)備體積,減輕了用戶的負(fù)重;

4) 用戶在野外作業(yè)時(shí)無需直接接觸就可獲得精確的目標(biāo)坐標(biāo)信息,幫助用戶獲取難以到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)的坐標(biāo)信息,目標(biāo)點(diǎn)定位精度提高了1個(gè)數(shù)量級(jí);

5) 用戶不接觸目標(biāo)點(diǎn)即可獲得目標(biāo)點(diǎn)坐標(biāo)信息和照片,降低了野外的工作難度,豐富了采集信息數(shù)據(jù),特別適合于目標(biāo)點(diǎn)難以獲取GNSS衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)及人難以到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)情況,提高工作效率;

6) 激光測(cè)距模塊采用635 nm(納米)可見光激光,激光等級(jí)Ⅱ級(jí)的安全型激光,一般對(duì)人的眼睛是安全的,正常暴露激光器的光束下不會(huì)對(duì)眼睛的視網(wǎng)膜造成永久性的傷害;

7) 物料成本低、體積小、功耗低、使用Android系統(tǒng)二次開發(fā)簡(jiǎn)單。

5　結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)的GIS高精度目標(biāo)點(diǎn)采集器,通過差分定位模塊接收CORS網(wǎng)絡(luò)差分信息可獲得亞米級(jí)乃至厘米級(jí)的高精度定位;通過獲取可見光激光測(cè)距模塊、電子羅盤分別獲得目標(biāo)點(diǎn)距離、方位角和仰角,經(jīng)過計(jì)算獲得目標(biāo)點(diǎn)的坐標(biāo)并上傳至系統(tǒng)或者保存,僅需要一次測(cè)量即可獲得目標(biāo)點(diǎn)坐標(biāo),降低了室外GIS信息采集難度。采集器可以拍攝目標(biāo)的現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行上傳,并實(shí)現(xiàn)照片與目標(biāo)坐標(biāo)的自動(dòng)記錄與匹配。另外,具有物料成本低、定位精度高、體積小、功耗低、使用Android系統(tǒng)二次開發(fā)簡(jiǎn)單,兼容數(shù)據(jù)采集等優(yōu)點(diǎn)。

[1]楊晶,邰世剛. 北斗定位高精度手持機(jī):中國(guó),CN201520549528.4[P].2015-11-25.

[2]王輝等.高精度手持機(jī)移動(dòng)定位系統(tǒng):中國(guó),CN201520549839.0[P].2016-02-17.

[3]曾智,金沉虎,曾林，等. 一種新型高精度GIS測(cè)距手持機(jī):中國(guó),CN201320150527.3[P].2013-10-23.

[4]吳志露,劉焱雄,何秀鳳，等.基于GNSS/INS/激光測(cè)距組合定位的手持接收機(jī)及測(cè)量方法:中國(guó),CN201610375322.3[P].2016-11-09.

[5]凌震瑩.大地坐標(biāo)系與站心地平直角坐標(biāo)系的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換[J].聲學(xué)與電子工程,2009,(4):31-34.

[6]BOWRING B R. Transformation fromspatial to geographical coordinates[J]. Survey Review,1976,23(181):323-327.

[7]BOWRING B R. The Accuracy of Geodetic Latitude and Height Equations[J].Survey Review,1985,28(218);202-206.

[8]李征航，黃勁松，獨(dú)知行，等.GPS測(cè)量[M].武漢:武漢大學(xué)出版社.2013年.

[9]黃謨濤,翟國(guó)君,管錚,等.空間直角坐標(biāo)和大地坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換[J].測(cè)繪學(xué)院學(xué)報(bào),1998,(3):164-168.

[10]張燕,陳華.HMC5883L電子羅盤的誤差補(bǔ)償系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用.2015(5):39-42.

[11]沈鵬,徐景碩,高揚(yáng).電子磁羅盤測(cè)量誤差校正方法研究[J].儀器儀表學(xué)報(bào),2007,28(10):1902-1905.