GIS高精度目标点采集器设计及其计算方法

陈石平,庄桂玉,徐彬雄,谈书才,丁榕

(广州奥格智能科技有限公司,广东 广州 510663)

0　引　言

目前地理信息系统(GIS)采集器,普遍采用卫星定位技术采集当前点位坐标,进而达到测量的目的。GIS采集器一般有低精度和高精度之分,精度从十米级、亚米级到厘米级不等。由于城市发展日新月异,智慧城市GIS采集器设备应用越来越广,但由于定位存在盲区,例如高架桥下、隧道、大树下等可见卫星数量少的环境难以定位,或者道路中井盖、栏杆、绿化带等人员难以到达,市面上的GIS采集器功能显得尤为不足,这给智慧城市GIS信息采集带来很大的难度。

1　目前技术状况

目前的技术实现方案如下:

实用新型专利[1]:北斗定位高精度手持机(CN201520549528.4),提供一种北斗定位高精度手持机,基于WIFI定位设备、北斗定位设备、GPS定位设备、三轴陀螺仪、三轴加速计和处理器设计:在室外通过北斗定位设备和GPS定位设备进行双重室外定位;在室内工作时,无GNSS信号,通过使用内置的WIFI定位设备,可实现高精度实时定位。使用集成在终端设备上的陀螺仪和三轴加速计,可以实现实时高精度定位。由于WIFI定位精度误差大,覆盖半径小,需要布置WIFI网络势必额外增加应用成本,无法获取目标点定位,限制应用范围。

实用新型专利[2]:高精度手持机移动定位系统(CN201520549839.0),包括高精度手持机、数据传输通道和后台服务器;集人员定位、通话、拍照、视频录像、工单调度等多种功能于一体的设备。显然在卫星信号较弱或无卫星信号应用时便无法获取目标点的位置信息。

实用新型专利[3]:一种新型高精度GIS测距手持机(CN201320150527.3),高精度GIS测距手持机,相比于常规的高精度GIS手持机只是多了一个激光测距仪。由于不能获得姿态信息,无法获取目标点的精确位置信息。

发明专利[4]:基于GNSS/INS/激光测距组合定位的手持接收机及测量方法(CN201610375322.3),集成GNSS模块、惯性导航(INS)、激光测距等模块,GNSS用于定位;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、坐标及其与目标点之间的距离获取目标点的坐标。其中激光模块采用不可见激光模式,需要瞄准镜,因此体积大,重量大,野外作业携带不便,功能较为单一,且无拍照、GIS软件功能。

联系人: 陈石平E-mail:oldslam@126.com

鉴于现有技术的不足,本文所要解决的技术问题是提供一种高精度定位的GIS采集器及其目标点计算方法,以解决现有普通GIS采集器在作业时难以获得目标点高精度位置的问题。

2　系统设计

设备系统包括微处理器、GNSS载波相位差分定位模块、电子罗盘、激光测距模块、摄像头、通信模块、蓝牙模块、显示屏、存储模块、SIM卡座、电源模块、开机按钮,其中GNSS载波相位差分定位模块、通信模块分别连接差分定位天线、通信天线,原理框图如图1所示。

GNSS载波相位差分定位模块为三系统八频,其中GPS频段:L1、L2、L5,BDS频段:B1、B2、B3,GLONASS频段:G1、G2,GNSS载波相位差分定位模块通过接收GNSS卫星导航信号和CORS网络差分校正信息可获得厘米级的定位。

激光测距模块包括激光发射器、激光接收器,激光发射器上设置有按钮,其中激光测距模块采用635 nm(纳米)可见光激光,激光等级Ⅱ级的安全型激光,测距范围可达百米,用于获取参考点与目标点的距离,与此同时电子罗盘用于(以参考点为基准点)获得的目标点的方位角和仰角。摄像头用于拍摄目标点实际场景。通信模块用于获取CORS网络差分校正信息以及进行目标点坐标和实际场景图片传输。蓝牙模块可以与其它手持类设备进行通讯。显示屏用于显示定位坐标、距离、方位角、仰角等信息。微处理器根据参考点的高精度坐标及其与目标点之间的距离、方位角、仰角通过计算获得目标点的精确坐标。

差分定位天线为三系统八频内置螺旋天线,减小了设备的体积,包括低噪声放大器LNA、声表面滤波器SAW等电路。螺旋天线总重量小于20 g,大大降低载荷负担。天线通过标准的SMA接头进行馈电和信号传输,将天线接头与终端设备的信号接头连接即可固定天线,无需额外的安装孔位。天线采用四臂螺旋结构,与传统微带结构天线相比,其具有更好的低仰角增益、广角圆极化特性,能接收更多低仰角的卫星信号。天线具有稳定的相位中心,将天线对测量误差的影响降低到最小;天线电路采用了抗干扰技术,在一定干扰的复杂环境中仍能正常工作。

GNSS载波相位差分定位模块通过串口连接微处理器进行通信,GNSS载波相位差分定位模块通过接收GNSS卫星导航信号和装有专用SIM卡的GPRS模块,无线通信得到当地局域CORS网络差分校正信息(差分信息包括卫星星历误差、卫星钟差,电离层、对流层等改正项),获得厘米级的定位;GNSS载波相位差分定位模块先后经历四种不同定位精度模式:首先获得标准单点定位;接着获得差分校正信息后很快得到伪距差分RTD定位;然后得到载波相位整周模糊度为浮点解的RTK定位;最后得到载波相位整周模糊度为固定解的RTK定位。四种不同定位精度模式依次分别为:10米级、米级、分米级、厘米级。GNSS载波相位差分定位模块使用中国CGCS2000大地坐标系,遵循NMEA-0183格式,输出经度、纬度和高程。

3　计算流程方法

测量过程如图2所示,计算流程具体如下:

步骤1,首先获得参考点R的大地坐标系的坐标:经度B0、纬度L0、高程H0,优先采用固定解RTK定位模式,其次为浮点解RTK定位模式;

步骤2,大地坐标系坐标(B0,L0,H0)转换为直角坐标系坐标(X0,Y0,Z0),计算公式为

X0=(N+H0)cosB0cosL0,

Y0=(N+H0)cosB0sinL0,

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

(1)

式中:N=a(1-e2sin2B0)-1/2；a为参考椭球长半轴6 378 137.00 m;e为参考椭球的第一偏心率,e2=0.00669437999013.

步骤3,使用激光测距模块获得参考点R与目标点O之间的距离D;

步骤4,获取距离的同时使用电子罗盘获得参考点R与目标点O之间的方位角φ、俯仰角β,如图2所示,得到站心地平直角坐标(x、y、z),计算公式:

(2)

计算出目标点O直角坐标系(X1,Y1,Z1),即从站心地平直角坐标(x、y、z)转换到球心直角坐标(X1,Y1,Z1),计算公式[5]

(3)

步骤5,球心直角坐标(X1,Y1,Z1)转换为大地坐标系坐标(B1,L1,H1),计算公式[5-7]为

(4)

4　实际测试结果

使用高精度RTK(定位精度为厘米级)设备获取楼顶3个水平点(高程均为H=64 m,俯仰角β为0°)高精度坐标信息作为标定点,如表1所示。

表1　3个高精度坐标点

采用上述计算方法得到结果如表2所示,采用上述3个标定点作为精确的目标点坐标参与计算,本设备的定位精度为厘米级。1号点参考点测量3号目标点,距离为26.255 m,方位角为-36.229°,由于俯仰角β为0°,其高程误差基本为0可以忽略不计;经度、纬度误差分别为-0.379 m、0.545 m.从三次测量结果可以看出,高程误差基本为0,经度、纬度误差均在1 m以内,定位精度属于亚米级,达到了较好的测试结果。由于电子罗盘容易受到周围磁场的干扰加上磁极偏移,电子罗盘测量存在误差较大,造成经度、纬度误差偏大[10],因此需要对电子罗盘的数据进行修正,目前常用的电子罗盘纠正方式有椭圆假设法[11]和八方向二乘法。

表2　实际测试结果

本设计的优点是:

1) 相比惯导系统,使用电子罗盘低成本方案,具有很强的成本优势;

2) 使用三系统八频高性能高精度载波相位差分定位模块获得厘米级定位精度,与普通的GIS采集器10米级定位精度相比,参考点定位精度提高了2个数量级;

3) 与普通的RTK设备相比大大减小了设备体积,减轻了用户的负重;

4) 用户在野外作业时无需直接接触就可获得精确的目标坐标信息,帮助用户获取难以到达目标点的坐标信息,目标点定位精度提高了1个数量级;

5) 用户不接触目标点即可获得目标点坐标信息和照片,降低了野外的工作难度,丰富了采集信息数据,特别适合于目标点难以获取GNSS卫星导航信号及人难以到达目标点情况,提高工作效率;

6) 激光测距模块采用635 nm(纳米)可见光激光,激光等级Ⅱ级的安全型激光,一般对人的眼睛是安全的,正常暴露激光器的光束下不会对眼睛的视网膜造成永久性的伤害;

7) 物料成本低、体积小、功耗低、使用Android系统二次开发简单。

5　结束语

本文设计的GIS高精度目标点采集器,通过差分定位模块接收CORS网络差分信息可获得亚米级乃至厘米级的高精度定位;通过获取可见光激光测距模块、电子罗盘分别获得目标点距离、方位角和仰角,经过计算获得目标点的坐标并上传至系统或者保存,仅需要一次测量即可获得目标点坐标,降低了室外GIS信息采集难度。采集器可以拍摄目标的现场情况进行上传,并实现照片与目标坐标的自动记录与匹配。另外,具有物料成本低、定位精度高、体积小、功耗低、使用Android系统二次开发简单,兼容数据采集等优点。

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