基于光学测距和倾斜补偿的手持分体式gnss定位接收装置与位置坐标获取方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于光学测距和倾斜补偿的手持分体式GNSS定位接收装置与位置坐标获取方法，包括卫星接收天线、激光测距仪、倾角传感器、移动终端、定位模块，将各个组件进行连接封装成一整体，并通过获得卫星接收天线的相位中心纬度、经度、高程坐标、倾角传感器输出倾角、激光测距仪输出距离得到被测点的位置坐标，减少了传统的RTK一体机和手持式一体机进行GIS信息采集时为了满足“天线相位中心投影与被测点重合”这一要求，而给操作者带来的负担，可适用于更加复杂的环境，改善了用户体验。
【专利说明】
基于光学测距和倾斜补偿的手持分体式GNSS定位接收装置与位置坐标获取方法
技术领域
[0001]本发明涉及地理信息系统(GIS)数据采集、全球导航卫星系统(Globalnavigat1n Satellites System)技术领域，尤其涉及了一种基于光学测距和倾斜补偿的手持分体式GNSS定位接收装置与位置坐标获取方法。
【背景技术】
[0002]全球导航卫星系统简称GNSS，是卫星导航系统的总称，所有已经处于运行阶段或在建过程中，及未来出现的利用卫星进行导航定位的系统都属于GNSS系统。其中全球系统包括美国的GPS系统、俄罗斯的GL0NASS系统、欧洲的Gali Ieo系统、中国的北斗系统等。
[0003]在GIS数据采集应用中，被测点的三维位置坐标作为描述被测地物的基本属性而被获取和使用。
[0004]定位接收装置输出的原始位置坐标是符合NMEA-0183标准的经度、玮度和高程坐标，具体对应于卫星接收天线的相位中心，被测点的坐标是通过相位中心坐标来推算。
[0005]传统的方法是按照以下步骤进行:(I)调平:调整卫星天线平面和水平面平行，保证卫星天线能够均匀的接收来自不同方向和高度的卫星信号；(2)对中:调整天线位置，使得天线相位中心在水平面上的投影和被测点重合，从而保证该经玮度坐标与被测点的经玮度坐标相同；(3)计算高程差:天线相位中心高程坐标减去对中杆长度。
[0006]现有用于GIS数据采集的定位接收装置可分为RTK—体机和手持式一体机两种。RTK—体机主要由定位主机、手持终端、对中杆组成，定位主机核心部件是卫星接收天线和定位解算模块;手持终端是主机和操作者之间的人机界面，它和主机之间通过有线或无线方式进行通讯，操作者通过手持终端对主机发送控制指令、读取数据、存储数据等工作。手持式一体机则将卫星接收天线和定位解算模块集成在手持终端中，简化了操作流程。
[0007]对中杆是一头尖、另一头带螺纹柱的细长杆，杆上安装有调平液泡。对中杆和接收机的位置结构保证了当对中杆垂直于水平面时，天线相位中心在地面的投影恰好与杆头重入口 ο
[0008]对于定位精度在厘米级的应用，目前无论是非手持式还是手持式测量型定位接收装置，都要进行对中和调平。现有方法可以借助于对中杆和其上的液泡，也可以采用光学对中加姿态补偿的方式，这些方式的不足表现在:
1.实际操作过程中，对于RTK—体机，需要将对中杆尖头抵在被测点上，操作者根据液泡的位置不断调整对中杆的角度，保持对中杆垂直于水平面;对于带有光学对中和姿态补偿的一体式手持机，需要将激光光斑对准被测点并同时调整设备姿态，以保持激光光束垂直于水平面。这两种方式的调整都需在测量过程中持续手动调节对中杆倾角或者设备姿态以尽量满足“天线相位中心投影与被测点重合”这一要求，因此会明显增加工作负担；
2.对于测量高程坐标，由于对中杆是长度一般都不超过3米的伸缩杆，难以适应更复杂的环境； 3.使用光学对中和姿态补偿方法时，如果是基于实现“对中”和“调平”的思路，同样要面对I所遇到的问题。
【发明内容】
[0009]针对现有技术存在的不足，本发明的目的就在于提供了一种基于光学测距和倾斜补偿的手持分体式GNSS定位接收装置与位置坐标获取方法，克服了传统的RTK—体机和手持式一体机进行GIS信息采集时为了满足“天线相位中心投影与被测点重合”这一要求，而给操作者带来的负担，可适用于更加复杂的环境，改善了用户体验。
[0010]为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是这样的:
一种基于光学测距和倾斜补偿的手持分体式GNSS定位接收装置，包括卫星接收天线，用于接收导航卫星广播的信号，并将该信号传输到定位模块；
激光测距仪，用于测量卫星接收天线的相位中心到被测点之间的距离；
倾角传感器，用于得到所述倾角传感器敏感轴和重力加速度之间的夹角；
移动终端，用于接收由定位模块处理后的卫星及定位信息，其中包括卫星接收天线相位中心对应的坐标；
定位模块，用于处理来自于卫星接收天线的射频信号，再从该射频信号中获取载波频率、相位、伪随机码、导航电文的信息，并将定位信息传输给移动终端。
[0011 ]作为一种优选方案，所述定位接收装置包括前盖、后盖，该前盖与后盖形成一整体外壳;所述卫星接收天线设置于外壳顶部，激光测距仪、倾角传感器、定位模块均设置于外壳内；所述定位接收装置的外壳内还包括锂电池，用于供电。
[0012]作为一种优选方案，所述卫星接收天线采用圆柱形的螺旋天线。
[0013]作为一种优选方案，所述倾角传感器与激光测距仪对应设置于定位接收装置的外壳内，且倾角传感器的敏感轴与激光测距仪的激光光束共线。
[0014]作为一种优选方案，所述定位接收装置与移动终端均设置有蓝牙模块，定位接收装置的蓝牙模块与移动终端的蓝牙模块匹配连接，用于所述定位接收装置处理后的定位数据的传输。
[0015]一种基于光学测距和倾斜补偿的位置坐标获取方法，包括如下步骤:
(1)随机选取定位接收装置的第一位置，所述激光测距仪发出的激光光束遇到被测点表面产生一个可见光光斑，并将该激光光斑对准被测点，定位模块处理卫星接收天线的射频信号，并将处理后获得的定位接收装置的定位数据发送至移动终端，移动终端记录此时卫星接收天线的相位中心玮度、经度、高程坐标、倾角传感器输出倾角γ 1、激光测距仪输出D1，再随机选取定位接收装置的第二位置和定位接收装置的第三位置，记录对应的、γ 2、
D2、、丫 3、D3,;
(2)利用高斯-克吕格投影正算法，将玮度和经度坐标转换到同一个高斯平面下的平面坐标，分别为，，;
(3)在以上高斯平面内，以为圆心，为半径的第一位置的圆方程为，然后分别列出以为圆心，为半径的第二位置的圆方程，以为圆心，为半径的第三位置的圆方程，通过定位接收装置的第一位置、第二位置、第三位置的圆方程求出这三个位置圆的交点坐标，该交点坐标被测点在高斯平面下的平面坐标； (4)被测点的高程坐标可以利用前述位置点的高程去掉，X对应第一位置、第二位置、第三位置中的任意一个，，再利用高斯-克吕格投影反算法，将转换到经玮度坐标，从而被测点的坐标确定为。
[0016]作为一种优选方案，所述步骤(I)中定位接收装置第一位置、第二位置、第三位置的选取应分散。
[0017]与现有技术相比，本发明的有益效果:本发明克服了传统的RTK—体机和手持式一体机进行GIS信息采集时为了满足“天线相位中心投影与被测点重合”这一要求，而给操作者带来的负担，可适用于更加复杂的环境，改善了用户体验。
【附图说明】
[0018]图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明实施例中位置测量示意图。
【具体实施方式】
[0019]下面结合具体实施例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。
[0020]实施例:
如图1所示，一种基于光学测距和倾斜补偿的手持分体式GNSS定位接收装置，包括卫星接收天线2，用于接收导航卫星广播的信号，并将该信号传输到定位模块6;
激光测距仪3，用于测量卫星接收天线2的相位中心84到被测点8之间的距离；
倾角传感器4，用于得到所述倾角传感器4敏感轴和重力加速度之间的夹角；
移动终端5，用于接收由定位模块6处理后的卫星及定位信息，其中包括卫星接收天线2相位中心对应的坐标；
定位模块6，用于处理来自于卫星接收天线2的射频信号，再从该射频信号中获取载波频率、相位、伪随机码、导航电文的信息，并将定位信息传输给移动终端5。
[0021]本发明中激光测距仪3发出的激光光束遇到物体表面产生一个可见光光斑，激光测距仪3给出的测量结果是测距起算点到光斑之间的距离，实施时测距起算点可以通过现有的软件补偿到激光光束向量上的任意一个点；本装置的结构设计满足卫星接收天线2相位中心84和激光测距仪3的光束向量之间的误差可以忽略不计，在使用中认为二者是共线关系。因此，激光测距仪3可以给出卫星接收天线2相位中心84到光斑之间的距离。
[0022]本发明中倾角传感器4通过测量重力加速度在倾角传感器4敏感轴上的投影，从而获得倾角传感器4敏感轴和重力加速度之间的夹角。
[0023]本发明优选所述定位接收装置I包括前盖11、后盖12，该前盖11与后盖12形成一整体外壳;所述卫星接收天线2设置于外壳顶部，激光测距仪3、倾角传感器4、定位模块6均设置于外壳内；所述定位接收装置I的外壳内还包括锂电池7，用于供电。实施时，各个组件相互连接，其中倾角传感器4采用芬兰VTI Technologies的MEMS倾角传感器CMA3000。
[0024]本发明优选所述卫星接收天线2采用圆柱形的螺旋天线，在保证接收卫星信号质量的同时，让本发明的结构布局更利于使用者进行佩戴或者握持。
[0025]本发明优选所述倾角传感器4与激光测距仪3对应设置于定位接收装置I的外壳内，且倾角传感器4的敏感轴与激光测距仪3的激光光束共线。
[0026]本发明优选所述定位接收装置I与移动终端5均设置有蓝牙模块，定位接收装置I的蓝牙模块与移动终端5的蓝牙模块匹配连接，用于所述定位接收装置I处理后的定位数据的传输;实施时，所述定位接收装置I将解算后的定位数据通过装置中的中央处理单元转发给装置中的蓝牙模块，带有蓝牙模块的手机、平板电脑及其他移动终端5可以搜索到定位接收装置I中的蓝牙模块，并完成配对和连接工作，从而移动终端5就可以获得定位接收装置I解算出的定位数据，定位数据中的坐标对应于定位接收装置I中卫星接收天线2的相位中心84;本发明中定位接收装置I与移动终端5的通讯方式包括但不限于蓝牙模块通讯，也可为WIFI模块等通讯方式进行数据的传输。
[0027]如图2所示，一种基于光学测距和倾斜补偿的位置坐标获取方法，包括如下步骤:
(1)随机选取定位接收装置I的第一位置81，所述激光测距仪3发出的激光光束遇到被测点8表面产生一个可见光光斑，并将该激光光斑对准被测点8，定位模块6处理卫星接收天线2的射频信号，并将处理后的定位接收装置I的定位数据发送至移动终端5，移动终端5记录此时卫星接收天线2的相位中心84玮度、经度、高程坐标、倾角传感器4输出倾角γ 1、激光测距仪3输出D1，再随机选取定位接收装置I的第二位置82和定位接收装置I的第三位置83，记录对应的、丫 2、D2、、Y 3、D3 ；
(2)利用高斯-克吕格投影正算法，将玮度和经度坐标转换到同一个高斯平面下的平面坐标，分别为，，;
(3)在以上高斯平面内，以为圆心，为半径的第一位置81的圆方程为，然后分别列出以为圆心，为半径的第二位置82的圆方程，以为圆心，为半径的第三位置83的圆方程，通过定位接收装置I的第一位置81、第二位置82、第三位置83的圆方程求出这三个位置圆的交点坐标，该交点坐标被测点8在高斯平面下的平面坐标；
(4)被测点8的高程坐标可以利用前述位置点的高程去掉，X对应第一位置81、第二位置82、第三位置83中的任意一个，，再利用高斯-克吕格投影反算法，将转换到经玮度坐标，从而被测点8的坐标确定为。
[0028]本发明优选所述步骤(I)中定位接收装置第一位置、第二位置、第三位置的选取应分散。
[0029]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形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
【主权项】
1.一种基于光学测距和倾斜补偿的手持分体式GNSS定位接收装置，其特征在于:包括 卫星接收天线，用于接收导航卫星广播的信号，并将该信号传输到定位模块； 激光测距仪，用于测量卫星接收天线的相位中心到被测点之间的距离； 倾角传感器，用于得到所述倾角传感器敏感轴和重力加速度之间的夹角； 移动终端，用于接收由定位模块处理后的卫星及定位信息，其中包括卫星接收天线相位中心对应的坐标； 定位模块，用于处理来自于卫星接收天线的射频信号，再从该射频信号中获取载波频率、相位、伪随机码、导航电文的信息，并将定位信息传输给移动终端。2.根据权利要求1所述的一种基于光学测距和倾斜补偿的手持分体式GNSS定位接收装置，其特征在于:所述定位接收装置包括前盖、后盖，该前盖与后盖形成一整体外壳;所述卫星接收天线设置于外壳顶部，激光测距仪、倾角传感器、定位模块均设置于外壳内；所述定位接收装置的外壳内还包括锂电池，用于供电。3.根据权利要求2所述的一种基于光学测距和倾斜补偿的手持分体式GNSS定位接收装置，其特征在于:所述卫星接收天线采用圆柱形的螺旋天线。4.根据权利要求2所述的一种基于光学测距和倾斜补偿的手持分体式GNSS定位接收装置，其特征在于:所述倾角传感器与激光测距仪对应设置于定位接收装置的外壳内，且倾角传感器的敏感轴与激光测距仪的激光光束共线。5.根据权利要求1所述的一种基于光学测距和倾斜补偿的手持分体式GNSS定位接收装置，其特征在于:所述定位接收装置与移动终端均设置有蓝牙模块，定位接收装置的蓝牙模块与移动终端的蓝牙模块匹配连接，用于所述定位接收装置处理后的定位数据的传输。6.根据权利要求1-5中任意一项所述的一种基于光学测距和倾斜补偿的位置坐标获取方法，其特征在于，包括如下步骤: (1)随机选取定位接收装置的第一位置，所述激光测距仪发出的激光光束遇到被测点表面产生一个可见光光斑，并将该激光光斑对准被测点，定位模块处理卫星接收天线的射频信号，并将处理后获得的定位接收装置的定位数据发送至移动终端，移动终端记录此时卫星接收天线的相位中心玮度、经度、高程坐标、倾角传感器输出倾角γ:、激光测距仪输出D1，再随机选取定位接收装置的第二位置和定位接收装置的第三位置，记录对应的、γ 2、D2、、丫 3、D3,; (2)利用高斯-克吕格投影正算法，将玮度和经度坐标转换到同一个高斯平面下的平面坐标，分别为，，; (3)在以上高斯平面内，以为圆心，为半径的第一位置的圆方程为，然后分别列出以为圆心，为半径的第二位置的圆方程，以为圆心，为半径的第三位置的圆方程，通过定位接收装置的第一位置、第二位置、第三位置的圆方程求出这三个位置圆的交点坐标，该交点坐标被测点在高斯平面下的平面坐标； (4)被测点的高程坐标可以利用前述位置点的高程去掉，X对应第一位置、第二位置、第三位置中的任意一个，，再利用高斯-克吕格投影反算法，将转换到经玮度坐标，从而被测点的坐标确定为。7.根据权利要求6所述的一种基于光学测距和倾斜补偿的位置坐标获取方法，其特征在于:s所述步骤(I)中定位接收装置第一位置、第二位置、第三位置的选取应分散。
【文档编号】G01S19/13GK106019342SQ201610479678
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年6月28日
【发明人】胡华, 韩友东, 张桂江, 张芙盛, 李庆武, 毕勤, 李培培, 刘鑫
【申请人】苏州星恒通导航技术有限公司