专利名称：用低漂移差分全球定位系统制作精确地形图的系统的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及地形图绘制领域，尤其涉及一种用低漂移差 分全球定位系统制 作精确地形图的系统。
背景技术：
为一区域内一系列位置绘制地面高程图，例如制作该区域的地形图，可以由横贯 整个区域并且周期性测量该区域内不同位置的方位和高程数据来完成。而每一位置的方位 和高程的测量典型地由全球定位系统(GPS)接收机，诸如广域差分全球定位系统接收机等 类似设备来完成的。在为对坡度很敏感的应用，如水流分析、农业区域排水或其它此类应 用，做地形图时要求相对高程精度。例如，为水流分析和/或农业区域排水所作的地形图要 求相对精度在1到2厘米范围之内。要注意的是，对诸如此类的应用只要高程测量是相对 于一个恒定基准线做出，对绝对垂直精度不作要求。在制作勘测质量的地形图时可能会用到实时动态(RTK)系统测量高程。这些地形 图对农业区域水流和排水的分析以及其它农业之外的对坡度敏感的应用的分析都是很有 帮助的。这些方面的应用尤其要求相对于一个恒定的基准线所作的高程测量的精度要在1 到2厘米范围之内。由于GPS接收机接收到的卫星信号会受到来自大气比如电离层、对流 层、云层、天气等的干扰，所以GPS接收机所测量的高程数据可能会随着时间不同而有所漂 移。RTK系统不断的把GPS系统接收到的数据与一个已勘测地点，例如已勘测的基准站，的 方位与高程测量作比较。因为GPS接收机接收的卫星信号所受的大气干扰与RTK系统在基 准站上接收到的信号所受的大气干扰是相同的，所以通过数据的比较可以得到一些修正因 子，这些修正因子则可以用来修正已勘测基准站附近的GPS接收机所测量的结果。RTK系统利用与基准站的无线电链路将修正因子发送给GPS接收机，从而调整接 收机接收到的高程测量，随后允许修正的测量结果的绝对垂直精度在几厘米的范围之内。 修正的高程测量结果的绝对垂直精度确保了测量结果之间的相对精度。用来通过无线电链 发送和接收信号的设备的有效范围，以及基准站附近区域可能导致修正因子的精确度低于 要求值的不同的大气情况将RTK系统可以提供渴望精确度的区域范围局限在以已勘测基 准站为圆心的相对较小的半径范围之内。典型地，这个半径的最大值在10到20千米之间。 RTK系统其它的问题还包括在无线电的发送机和接收机之间需要无障碍空间；存在有可 能与RTK系统使用同样波段作为无线电链路的外部干扰源，这些外部干扰源干扰RTK系统 信号的接收。因此，提供一种应用GPS接收机，诸如广域差分GPS接收机等在一区域获得高程数 据的方法，而不需要与RTK系统或其它类似系统的基准站通信，这将是有利的。
发明内容
因此，本发明提供一种获得一区域高程数据的方法，该高程数据可用来制作精确 地形图。本发明的方法利用GPS，诸如具有低位置漂移率的广域差分GPS等绘制地面高程 图。该方法包括大体沿着一第一轴引导出多条横贯一区域大体平行的路径(例如在该区 域内往返行驶)，同时用GPS周期性记录方位、高度(未修正的高程)和时间。大体沿着与 第一轴相交的第二轴引导出横贯该区域的至少一交叉路径，所以该交叉路径与前述路径相 交，同时用GPS周期性记录方位、高度和时间。记录的数据随后再经过处理，从交叉路径上 得来的高程数据被用来调整用于大体平行路径上的高程数据，抵消GPS记录的测量结果的 高程漂移。在本发明具体实施例中，假设由大体平行路径上得到的高程数据的漂移率与时 间呈线性变化；但是，也可以利用高程随时间的不同变化。因为交叉路径位于一大体直的路 径上，所以在大体平行路径上被该交叉路径横切的两点之间交叉路径时间非常短，从而所 述切点的高程漂移率被假设为零。最后，用本发明的方法将整个区域内调整的数据进行处 理以获得该区域的高程图。例如，在应用一个低方位漂移率的差分GPS过程中，如使用三西格马、XY上每15 分钟2厘米，用一辆车沿着一块田地的边界和/或中心线做一个初始断面，同时用一个差分 GPS接收机记录X、Y和垂直方位信息。在完成该路径后，该车再以与要求清晰度相适应的 间距作垂直于起始断面的横切。然后利用边界和/或中心横断面上的初始信息，随后与中 心线的垂直相交可用来测量和调整来自于这些路径的GPS漂移。在该后续处理结束后，可 由此重建的信息制作一精确地形图。另外，如果该田地内的一单个点可被相对一绝对方位 来定位，则整块田地的数据都可以根据该方位而定位，而且整块田地内的数据都可经过调 整以反映该点的绝对垂直方位。可以理解，前面的概述以及随后的详细描述都是示例性和解释性的，并不对本发 明的权利要求构成限制。作为说明书一部分的附图举例说明了本发明的实施例，并与前面 的概述一起用来解释本发明的原理。
通过参考附图，本发明的诸多优点可以更好地被本领域的技术人员理解，其中图1是说明本发明一具体实施例所述的一种获得一区域的高程数据的方法的流 程图；图2是说明根据图1所述方法获得一区域的高程数据的系统的系统方框图；图3是本发明一具体实施例所述的高程已测量区域的平面图；图4是利用本发明所述的具体方法制作的地形图的立体图；图5是本发明一具体实施例所述的高程已测量区域的平面图。
具体实施例方式现在详细参考本发明的优选实施例，它们的一些实例在附图中示出。总体上参考图1到图3，描述了本发明一具体实施例所述的获得一区域内适合制作精确地形图的高程数据的方法。为一区域内一系列位置绘制地面高程图，诸如为一区域制作地形图，可以通过横贯该区域并周期性测量该区域内不同位置的方位和高程数据来完 成。每一位置的方位和高程的测量典型地由全球定位系统(GPS)接收机，诸如广域差分全 球定位系统接收机等来完成。在为对坡度很敏感的应用，例如水流分析、农业区域排水或其 它此类的应用做地形图时，要求相对高程精度。例如为水流分析和/或农业区域排水所作 的地形图要求相对精度在1到2厘米范围之内。要注意的是，对诸如此类的应用只要高程 测量是相对于一个恒定基准线所做的，则不再对绝对垂直精度作要求。如图1、3、4所示，该方法100包括在步骤102，横穿一区域，大体沿着第一轴引导 出多条大体平行的路径，包括至少一第一路径和大体与该第一路径相平行的一第二路径， 同时用GPS周期性记录方位、高度(未修正的高 程)和时间。在具体实施例中，步骤102可 以通过驾驶一辆装配有GPS接收机的车辆，比如一辆装配有低漂移广域差分GPS接收机的 拖拉机等，沿着区域300内往返路径302反复的横穿区域300来完成，同时周期性的记录下 方位、高度(未修正的高程)和时间。由于GPS接收机接收到的卫星信号会受到来自大气 比如电离层、对流层、云层、天气等的干扰，所以GPS接收机所测量的高程数据可能会随着 时间不同而有所漂移。例如，在图3所示的例子中，GPS接收机在沿着往返路径302横贯区 域300的过程中接收机所测的高程从位置304到位置306漂移了 0. 005米。为了达到本发 明的目的，假设这个漂移与时间呈线性变化。但是本领域内的普通技术人员会认识到这种 漂移也可以在不偏离本发明范围和意图的情况下用不同的方法来估算，比如对多项式或对 数关系作曲线拟合等。为了增加在横贯该区域300的一部分时所测得高程测量值的相对精度，在步骤 104中，路径302被大体沿着与第一轴相交的第二轴导引出的横贯该区域300的至少一个交 叉路径所横截，因此该交叉路径与步骤102中导引出的那些路径相交。在步骤104中，在交 叉路径的导引过程中用GPS接收机再次测量方位、高度(未修正的高程)和时间。在具体 实施例中，该交叉路径可通过驾驶一辆装配有GPS的车辆行驶在与往返路径302大体垂直 的直线上来完成。在驾驶GPS车辆并横截该往返路径302时，在位于第三个横截路径或交 叉路径308的位置304和306测量出新的高程数据。因为在位置304和306之间的交叉路 径308大体上是一条笔直线，所以在位置304和306之间行驶只需要相当短的时间。因此 为了达到本发明的意图，可以认为位置304和306的新的高程测量值没有漂移。沿着交叉 路径308得到的新高程测量值随后被用于代替在往返路径302上运动时测得的位置304和 306的初始高程值。在步骤106和108中，记录下来的数据经过处理，从交叉路径上得来的数据被用来 调整用于大体平行路径的数据，从而使GPS纪录的测量结果的高程漂移得到抵消。例如， 通过将位置304和306的新高程测量值与同样位置上的初始高程测量值做比较，用一线性 时间函数调整在往返路径302测得的高程测量值，诸如在位置310、312、314等测得的高程 测量值。依照本发明具体实施例，在位置304和306处测量初始高程值的时间会被记录下 来，在位置310、312和314处测量高程值的时间也会被记录下来。为了得到更高的高程测 量值之间的相对精度，这些记录下来的时间然后被用来调整位置310、312和314处的高程 值。最后，在步骤110，用本发明的方法将整个区域内修正过的数据进行处理，以得到该区域 300的高程图400。根据本发明的具体实施例，现在提供一个具体例子来解释应用方法100进行高程测量并随后调整以制作该区域300的地形图400。在步骤102中，该区域300被横贯，在时 间405秒测得位置304的第一高程测量值386. 105米。往返路径302是该区域300的一部 分、位置310的第二高程测量值387. 582米、位置312的第二高程测量值386. 345米和位置 314的第二高程测量值386. 857米分别在时间第556秒、第680秒和第912秒被测得。位置 306的第三高程测量值386. 242米在第1080秒被测得。在整个300区域被横贯完毕后，在 步骤104中，做出一个与步骤102中所做路径大体垂直的横断面，例如贯穿往返路径302的 横截面308。位置304的第四高程测量值为386. 108米，以及位置306的第五高程测量值为 386. 240 米。在该方法100的步骤106中，为往返路径302计算了一个漂移误差。该漂移误 差等于横截面308上测得的第四和第五高程值之差减去往返路径302上测得的第一和 第三高程值之差。例如，在本例子中，漂移误差等于位置306的第三高程测量值386. 242 米与位置304第四高程测量值386. 108米之和减去位置304第一高程测量值386. 105 米，再减去位置 306 第五高程测量值 386. 24 0 米386. 242m+386. 108m_386. 105m_386. 240m = 0.005m。因此，在该例子中，往返路径302上的初始的第一和第三高程测量值 之差(386. 105m-386. 242m = -0. 137m)与横断面308上第四和第五高程测量值之差 (386. 108m-386. 240m = -0. 132cm)间的漂移误差等于 0. 005 米(-0. 132m-(-0. 137)m = 0. 005m)。本领域内的普通技术人员会认识到这种漂移误差可用不同的方法来计算，在保证 结果相同的情况下高程测量值的加法和减法的顺序是可以改变的。但是值得注意的是，为 了防止高程负的变化变成正的变化或正的变化变成负的变化等，在计算漂移误差时保留运 算数字结果的正负号是很重要的。接着，在该方法100的步骤108中，为了获得高程测量值之间的更高相对精度，该 偏移误差被用来调整往返路径302中的位置310、312和314的高程测量值。在本发明的一 具体实施例中，该高程测量值通过第二高程测量值(在本例子中是位置310、312和314的 高程测量值之一)与位置304的第四高程测量值386. 108米之和减去位置304的第一高程 测量值386. 105米与该漂移误差0. 005m的一部分来调整。该漂移误差的此部分与一比值成 比例，该比值是在位置304测得第一高程的时间(第一时间)和测得第二高程的时间(此 时在310、312和314其中一个位置上测得高程)之差与该第一时间和在位置306测得第三 高程的时间之差的比值。本领域内的普通技术人员会认识到在不偏离本发明范围和意图的 情况下，310、312和314的高程测量值可以用不同的方法来调整，包括把位置306的第三高 程测量值386. 242米和位置306的第五高程测量值386. 240米结合起来应用等。例如，将在第556秒测得位置310的第二高程测量值387. 582米以如下方式来调 整首先计算位置304的第一高程测量值测得的时间(第405秒)与位置310的第二高程测 量值测得的时间(第556秒)之差，结果是151秒(556秒-405秒=151秒)。然后，计算 该第一时间(第405秒)与位置306的第三高程测量值测得的时间(第1080秒)之差，结 果是675秒(1080秒-405秒=675秒)。因此，用来调整位置310高程测量值的漂移误差 0. 005m的那一部分就应该是0. 005米*151/675。然后，位置310的第二高程测量值387. 582 米与位置304的第四高程测量值386. 108米之和是773. 690米(387. 582m+386. 108m = 773. 690m)。最后，位置310的第二高程测量值387. 582米与位置304的第四高程测量值 386. 108米之和减去位置304的第一高程测量值386. 105米，再减去漂移误差0. 005m的一部分即 0. 005 米 *151/675，结果是 387. 584 米(773. 690m_386. 105m_0. 005m*151/675 = 387. 584m)。现在所得到的这个新的高程值就与位置310的高程相关联，是一个相对于往返 路径302中其它调整过的高程值更精确的一个高程测量值。在另一例子中，将在第680秒测得位置312的第二高程测量值386. 345米进行如 下调整首先计算位置304的第一高程测量值测得的时间(第405秒)与位置312的第二高 程测量值测得的时间(第680秒)之差，结果是275秒(680秒-405秒=275秒)。然后，计 算该第一时间(第405秒)与位置306的第三高程测量值测得的时间(第1080秒)之差， 结果是675秒(1080秒-405秒=675秒)。因此，用来修正位置312高程测量值的漂移误差 0. 005m的一部分为0. 005米*275/675。然后，位置312的第二高程测量值386. 345米与位 置 304 的第四高程测量值 386. 108 米之和是 772. 453 米(386. 345m+386. 108m = 772. 453m)。 最后，位置312的第二高程测量值386. 345米与位置304的第四高程测量值386. 108米之 和减去位置304的第一高程测量值386. 105米，再减去漂移误差0. 5的一部分即0. 005米 *275/675，结果是 386. 346 米(772. 453m_386. 105m-0. 005m*275/675 = 386. 346m)。现在所 得到的这个新的高程值就与位置312的高程相关联，是一个相对于往返路径302中其它调 整过的高程值更精确的一个高程测量值。在又一例子中，将在第912秒测得位置314的第二高程测量值386. 857米作如下 调整首先计算位置304的第一高程测量值测得的时间(第405秒)与位置314的第二高程 测量值测得的时间(第912秒)之差，结果是507秒(912秒-405秒=507秒)。然后，计 算第一时间(第405秒)与位置306的第三高程测量值测得的时间(第1080秒)之差，结 果是675秒(1080秒-405秒=675秒)。因此，用来修正位置314高程测量值的漂移误差 0. 005m的那一部分就应该是0. 005米*507/675。然后，位置314的第二高程测量值386. 857 米与位置304的第四高程测量值386. 108米之和是772. 965米(386. 857m+386. 108m = 772. 965m)。最后，位置314的第二高程测量值386. 857米与位置304的第四高程测量值 386. 108米之和减去位置304的第一高程测量值386. 105米，再减去漂移误差0. 005m的一 部分即 0. 005 米 *507/675，结果是 386. 856 米(772. 965m_386. 105m-0. 005m*507/675 = 386. 856m)。现在所得到的这个新的高程值就与位置314的高程相关联，是一个相对于往返 路径302中其它调整过的高程值更精确的一个高程测量值。在本发明的另一方面，如果该区域300内一位置的高程可以根据一已知绝对高程 的点测得，那么区域300内所有其它点的高程测量值都可以经过调整以反映该点的绝对垂 直方位。例如，根据一已知绝对高程的点测出位置312的高程值。位置312的比较精确的 高程测量值是386. 344米，位置312的第二高程测量值(在本发明的一个具体实施例中为 得到更高的相对精度已将该测量值进行调整)386. 345米被调整为386. 344米，从而使该值 能更精确反映该点的垂直方位。相应的，该区域300内所有的其它的高程测量值随后都被 调整以反映位置312的386. 344米的绝对垂直方位。在本实施例中，该区域300内所有其它高程测量值的调整是通过将每一测量值减去0. OOlm(386. 344m_386. 345m = -0. 001m)来完成的，从而使调整后的测量值能够反映在 往返路径302时得到的位置312的高程测量值(为了得到更高的相对精度这些值已被修 正)与根据一已知绝对高程的位置得到的312的垂直方位的差。例如，位置304的第四高 程测量值386. 108米减去0. OOlm后被调整为386. 107m,同样的，位置306的第五高程测量值386. 240米被调整为386. 239m，位置310的第二高程测量值(调整后的)387. 584米被调整为387. 583米，最后，位置314的第二高程测量值386. 857米被调整为386. 856米。现在参考图2、3和4，描述了一个用在本发明的示例方法比如方法100的低漂移 广域差分GPS接收机装置200。该差分GPS接收机装置包括以总线结构208相互连接的全 球定位系统接收机装置202和与存储器206连接的处理器204。该全球定位系统接收机设 备202从全球定位系统那里接收定位信号，并且产生基于全球定位系统的导航信息，包括 方位(例如经度和纬度)、路线或航向、速度、时间等，这些信息将会被处理器204、存储器 206和导航系统200的其它组件所用到。在具体实施例中，该全球定位系统接收机装置202 从GPS那里接收定位信号，该GPS是由美国空军为美国政府管理的天基无线导航系统。但 是可以预想到的是，全球定位系统接收机装置202也选择性地适用于其它基于无线电的导 航/全球定位系统，诸如由俄罗斯太空中心(RPA)为俄罗斯联邦管理的GL0NASS导航卫星 系统。另外，在本发明的具体实施例中，该全球定位系统接收机装置202也可以接收和应用 由差分GPS系统和广域差分GPS (WADGPS)系统提供的强化的定位信息，比如由约翰_迪尔 (John Deere)、莫林(Moline)公司和伊利诺伊(Illinois)公司开发的STARFIRETM广域差 分GPS系统和由美国政府联邦航空管理局提供的广域增强系统(WAAS)等。在这些实施例 中，全球定位系统接收机装置202可以包括或连接一个用来接收差分误差修正信息的无线 电接收机。在本发明的具体实施例中，全球定位系统接收机装置202与一个导航控制系统 210以总线结构208相互连接。例如，导航控制系统利用全球定位系统接收机装置202所提 供的导航信息为车辆的驾驶者提供导航或指导信息。此外，在自动驾驶时，导航控制系统用 该信息控制车辆的驾驶控制器，驾驶控制器就会驾驶车辆沿着预期的路径(比如路径302 和308)横贯区域300。例如，在具体实施例中，导航控制系统应该能够在一区域内引导和可 选择的驶出一些大体平行的路径。在本发明另外的具体实施例中，该导航控制系统可以对 往返路径302的横切提供信息或/和引导，使得正好横切在往返路径的几个特殊的点上，从 而使横切面上的交点(比如点304和306)与以前往返过程中作了记录的数据点相匹配。本领域内的普通技术人员会认识到，差分GPS接收机装置200接收到的数据可以 存储在存储器206中，以备处理器204对数据进行调整或处理，数据在差分GPS接收机装置 200的工作过程中得到动态的调整或处理。或者可选择的，可将存储在存储器206中的数据 从存储器转移至一外部信息处理装置比如台式电脑、笔记本、或主机电脑等中进行外部处 理。现在参考图4，在区域300 (图3)测得并且随后在示例方法100的步骤102至 110(图1)调整的高程值可以被用来制作地形图，比如地形图400。可选择地，也可以将这 些高程测量值存储在信息处理装置、电脑可读存储器或DGPS接收机装置200的存储器206 等装置中。参考图5，描述本发明另外一具体实施例所述的一种获得适合制作精确地形图的 区域500的高程数据的方法。该方法包括，对该区域500做环行导引，比如导引路径508、 514,516和518。该区域500的环行导引包括大体沿着第一轴引导出横贯区域500的交 叉路径，比如交叉路径508和516，当横穿这些交叉路径时，使用GPS周期性记录方位、高度 和时间。然后，大体沿着第二轴引导出多条该横贯该区域500的大体平行的路径，比如路径502，同时用GPS周期性记录下方位、高度(未修正的的高程)和时间。优选地，该第二轴与 第一轴大体垂直。记录下来的数据随后经过处理，以便由交叉路径获得的数据被用来调整 用于大体平行路径上高程数据，抵消由GPS纪录的测量结果的高程漂移。因为每个交叉路 径位于一个大体笔直路径上，所以沿着被交叉路径横切的大体平行路径的点之间的交叉路 径时间非常短，从而横切面上点的高程漂移被假定为零，例如点504和506之间的高程漂移 被假定为零。最后整个区域内调整过的数据再经过本发明的方法处理后就可以得到本区域 高程图。例如，在路径508和516上记录的方位和高程数据可用来调整沿着502路径的位 置510和512的高程测量值。本领域内的普通技术人员会认识到，在交叉路径508和512上记录的方位、高程和 时间数据可以用来计算沿着交叉路径和大体平行路径的点的具有更高精度的相对高程。例 如为路径502所做的交叉路径508和516之间的平均漂移率可以用来计算位置510和512 的具有较高精度的相对高程值。应该注意的是，这些大体平行路径，比如路径502等的延伸 方向应该同在区域500中做环行导引时引出的其中一条交叉路径如路径516方向相同，但 是同另外的交叉路径如路径508方向相反。为了把在交叉路径上漂移误差可以忽略这个假 设带来的误差降到最低，在任一条交叉路径上得到的数据都可以被使用。例如，在修正位置 510和512高程测量值时，比较好的选择可以是使用与502路径延伸方向相同的交叉路径 516上测得的数据。或者，在另外一个例子中比较好的选择则是使用与502路径延伸方向相 反的交叉路径508上测得的数据。本领域内的普通技术人员应该会理解任何一条交叉路 径，例如交叉路径508或516等，都可以用来调整大体平行路径如路径502上测得的高程， 而且为了得到更高的测量相对精度和/或提高交叉路径上的测量相对精度，由各个交叉路 径修正过的数据可以再进行比如平均等的比较。在具体实施例中，所描述的这些方法可以由一些指令或由能被某装置可读的软件 来完成。而且可以理解，所公开方法中的特定顺序和分级步骤都是示意性的实例。基于优 选设计，可以理解上述方法中的特定顺序和分级步骤在本发明的范围之内还可以进行重新 排列。随后的方法权利要求仅仅是以示例顺序表示了不同步骤，并不限定于所示的特定顺 序和分级步骤。可以相信，通过前面的描述，本发明以及其诸多优点将被理解，并且显然，在不脱离本发明的范围和精神或不牺牲本发明的实质优点的情形下，其部件的形成、构造和排列 可作各种改变。上文描述只是其解释性实施例，权利要求书概括和包含了此类改变。
权利要求
一种获得一区域的高程数据的系统，包括大体沿着一第一轴引导出该区域的第一路径的装置；大体沿着与第一轴相交的第二轴引导出该区域的第二路径的装置；引导出该区域的第三路径的装置，该第三路径与所述第二路径大体平行；用一差分GPS沿着第一、第二和第三路径周期性纪录方位、高度和时间数据的装置；处理该记录的方位、高度和时间数据以获得该区域的高程数据的装置，其中该第一路径的方位、高度和时间数据与第二和第三路径的方位和时间数据被用来调整第二和第三路径的高度数据，以解决高程漂移。
全文摘要
本发明涉及一种获得一区域的高程数据的系统，包括大体沿着一第一轴引导出该区域的第一路径的装置；大体沿着与第一轴相交的第二轴引导出该区域的第二路径的装置；引导出该区域的第三路径的装置，该第三路径与所述第二路径大体平行；用一差分GPS沿着第一、第二和第三路径周期性纪录方位、高度和时间数据的装置；处理该记录的方位、高度和时间数据以获得该区域的高程数据的装置，其中该第一路径的方位、高度和时间数据与第二和第三路径的方位和时间数据被用来调整第二和第三路径的高度数据，以解决高程漂移。
文档编号G01S19/27GK101832767SQ201010185790
公开日2010年9月15日 申请日期2005年3月22日 优先权日2004年4月7日
发明者弗雷德里克·W·纳尔逊, 拉里·L·汉德瑞克森, 泰伦斯·D·皮克特 申请人:迪尔公司