一种基于RTK的分体式GNSS真北定向装置的制作方法

本发明涉及卫星定向领域，特别是关于一种基于rtk的分体式gnss真北定向装置。

背景技术：

gnss(globalnavigationsatellitesystem，全球导航卫星系统)，它是泛指所有的卫星导航系统，包括全球的、区域的和增强的，如美国的gps、俄罗斯的glonass、欧洲的galileo和中国的北斗卫星导航系统，以及相关的增强系统。最少通过天上的4颗卫星能够快速确定gnss接收机在地球上的位置。

rtk(real-timekinematic，载波相位差分技术)定位技术就是基于载波相位观测值的实时动态定位技术，利用gnss全球导航定位系统，它能够实时地提供测站点在指定坐标系中的三维定位结果，并达到厘米级精度。在rtk作业模式下，基准站通过数据链将其观测值和测站坐标信息一起传送给流动站。流动站不仅通过数据链接收来自基准站的数据，还要采集gps观测数据，并在系统内组成差分观测值进行实时处理，同时给出厘米级定位结果，历时不足一秒钟。流动站可处于静止状态，也可处于运动状态；可在固定点上先进行初始化后再进入动态作业，也可在动态条件下直接开机，并在动态环境下完成整周模糊度的搜索求解。在整周未知数解固定后，即可进行每个历元的实时处理，只要能保持四颗以上卫星相位观测值的跟踪和必要的几何图形，则流动站可随时给出厘米级定位结果。

真北介绍：真北(truenorth，tn)指地球的北极，即北纬90度或者经圈交汇的地方，又称正北方向，为过地球上一点指向地球地理北极的方向。通过地球表面某点的真子午线的切线方向，成为该点的真子午线方向。真子午线方向指向北极的方向叫真北方向。真北是地球自转的地理北极，真北方向地球仪上所有经线的起始点。

磁北介绍：磁北是指南针所指示的北，这主要是由于地球的磁场两极与地理上的南北两极不重合，因此指南针指示的北为磁北而非真北，磁北会随着时间而变化。磁北方向极度不精确，一般仅用于旅行。磁北到真北的夹角称为磁偏角。

坐标北介绍：坐标北也叫图北、方格北，是指在某张地图上纵向方格线指示的"上"方。也就是所谓的上北下南。在高斯平面直角坐标系中，纵坐标轴所指的方向或与纵坐标轴平行的方向，就是坐标北方向，在测量工作中，当方位角为零时，仪器所指的方向就是坐标北方向。在工程测量和施工中，我国普遍使用的是1954北京或者1980西安的高斯投影平面直角坐标系，目前总图专业用到的北均为坐标北。

如图1所示，真北、磁北和坐标北的关系示意图，三者之间可以通过一定的计算公式进行互相转换。

目前寻找真北定向方法主要分类：

(1)磁寻北，磁寻北寻找的主要是磁北，通过一系列转换到与真北的方位角。

(2)天文寻北，通过观测北极星的高度角或时角确定观测点的真北方向。

(3)陀螺经纬仪寻北，陀螺仪具有定向性和进动性，在地球自转过程中，陀螺仪低转有效分量的影响下，其主轴总是向子午面方向进动，并可保持在子午面附近做连续不断的、不衰减的椭圆简谐摆动，利用此特性经过粗略定向、精密定向、最终得到与真北的夹角，在通过旋转经纬仪可以确定真北方向。

(4)卫星寻北法，卫星寻北主要指gnss(全球导航卫星系统)寻北，确定空间两点所成几何矢量在给定坐标系下的指向，通过一系列计算可以得到两点连线与真北的夹角。

采用以上方法寻北的过程具有以下缺陷：

(1)磁寻北法：定向精度容易受到电磁环境影响；实现精确磁北到真北转换比较繁琐；纬度越高定向精度越差。磁北每年每天都是在不停变动的，它的轨迹大致是一个椭圆形。

(2)天文寻北：受到气候与时间条件影响，无法全天候实时高精度测量。

(3)陀螺经纬仪寻北：陀螺仪价格昂贵，使用寿命有限；陀螺长时间使用精度会发生漂移，需要重新校准，维护成本高。

(4)卫星寻北法：该类方法寻北精度易受到单点定位误差影响，同时对两台接收机间的基线要求较高(一般超过100m)，不利于在较为狭窄的环境下架设。该方法得到的只是与真北的夹角，没法快速准确指向真北。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是：为了解决现有技术中寻北受环境影响和不能全天候寻北的问题，本发明提供一种基于rtk的分体式gnss真北定向装置来解决上述问题。

本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于rtk的分体式gnss真北定向装置，其特征在于：它包括观瞄设备和被瞄设备；所述观瞄设备包括第一三脚架、高精度gnss定位光电观瞄仪、第一天线连接器和第一gnss天线；其中，所述第一gnss天线与所述高精度gnss定位光电观瞄仪采用中心对称原则通过所述第一天线连接器连接在一起，并一块设置在所述第一三脚架上；所述高精度gnss定位光电观瞄仪包括第一高精度光电观瞄设备，且所述第一高精度光电观瞄设备包括瞄准镜机构和激光红光发射器；所述被瞄设备包括第二三脚架、高精度gnss无线定位仪、第二天线连接器、第二gnss天线和被瞄杆，且所述被瞄杆设置在所述瞄准镜机构和所述激光红光发射器的瞄射范围内；其中，所述被瞄杆设置在所述第二gnss天线的几何中心上；所述第二gnss天线与所述高精度gnss无线定位仪通过所述第二天线连接器采用中心对称原则连接在一起，所述高精度gnss无线定位仪设置在所述第二三脚架上。

所述被瞄杆包括被瞄杆开关、被瞄杆电池、led灯、垂直刻线柱和透明材质；其中，所述被瞄杆开关连接所述被瞄杆电池，所述被瞄杆电池连接所述led灯，所述被瞄杆开关用于控制所述led灯的开启和关闭；所述led灯下方设置有所述垂直刻线柱，所述垂直刻线柱设置有一道刻线，所述垂直刻线柱的外围设置有所述透明材质。

所述透明材质采用透明塑料或透明玻璃。

所述高精度gnss定位光电观瞄仪包括第一显示设备、第一高精度gnss定位仪、第一高精度光电观瞄设备、第一无线通信设备和第一主控设备；其中，所述第一主控设备分别连接所述第一显示设备、所述第一高精度gnss定位仪、所述第一高精度光电观瞄设备和所述第一无线通信设备；所述第一显示设备采用oled显示屏或lcd显示屏；所述第一高精度gnss定位仪采用具有差分功能的北斗定位设备或gps定位设备；所述第一高精度光电观瞄设备采用经纬仪；所述第一无线通信设备采用数传电台、无线网桥设备或2g/3g/4g网络设备；所述第一主控设备采用arm处理器或x86嵌入式处理器。

所述第一高精度gnss定位仪在rtk模式下定位水平方向精度≤1cm。

所述高精度gnss无线定位仪包括第二显示设备、第二高精度gnss定位仪、第二无线通信设备和第二主控设备；其中，所述第二主控设备分别连接所述第二显示设备、所述第二高精度gnss定位仪和所述第二无线通信设备；所述第二显示设备采用oled显示屏、lcd显示屏或led指示灯；所述第二高精度gnss定位仪采用具有差分功能的北斗定位设备或gps定位设备；所述第二无线通信设备采用数传电台、无线网桥设备或2g/3g/4g网络设备；所述第二主控设备采用arm处理器或x86嵌入式处理器。

所述第二高精度gnss定位仪在rtk模式下定位水平方向精度≤1cm。

所述观瞄设备与所述被瞄设备之间的最佳观测距离是200m之内。

本发明的有益效果是：1、本发明采用观瞄设备和被瞄设备分体式设置，免去校准的麻烦，距离可以随意拉近或拉远，根据寻北精度要求的不同，调整二者之间的距离，只要观瞄设备中的瞄准镜机构能够看得见被瞄设备中的被瞄杆即可。本发明采用gnss全天候实时定位定向功能，利用rtk技术与分体式定向技术，可在较短基线内实现高精度定向功能，结合高精度光电观瞄设备实现高精度真北定向，即可不受时间限制、地域限制、设备长时间工作不需要进行校准，维护成本低、在短距离内即可实现高精度寻北定向。2、本发明采用被瞄杆，被瞄杆中被瞄杆开关连接被瞄杆电池，被瞄杆电池连接led灯，被瞄杆开关用于控制led灯的开启和关闭。led灯下方设置有垂直刻线柱，垂直刻线柱设置有一道刻线，垂直刻线柱的外围设置有透明材质，以便在在夜间led灯开启时，灯光通过透明材质反射在垂直刻线柱上，便于夜间瞄准观测。鉴于以上理由，本发明可以军民两用，同时大面积推广，可广泛用于矿山，大地测量、军事测量以及卫星定向等领域。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是真北，磁北与坐标北的关系图；

图2是本发明的结构示意图；

图3是高精度gnss定位光电观瞄仪的示意图；

图4是高精度gnss无线定位仪的示意图；

图5是被瞄杆；

图6是坐标北计算示意图；

图7本发明提供的一种实施例中的高精度gnss定位光电观瞄仪的装置示意图；

图8是图7的结构框图；

图9是本发明提供的一种实施例中的高精度gnss无线定位仪的装置示意图；

图10是图9的结构框图；

图11是本发明提供的另一种实施例中的高精度gnss定位光电观瞄仪的装置示意图；

图12是图11的结构框图。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

如图2所示，本发明包括观瞄设备1和被瞄设备2。

观瞄设备1包括第一三脚架11、高精度gnss定位光电观瞄仪12、第一天线连接器13和第一gnss天线14。

其中，第一gnss天线14与高精度gnss定位光电观瞄仪12采用中心对称原则通过第一天线连接器13连接在一起，并一块设置在第一三脚架11上。

如图3所示，高精度gnss定位光电观瞄仪12包括第一显示设备121、第一操作按钮122、第一电池123、第一高精度gnss定位仪124、第一高精度光电观瞄设备125、第一水平调节设备126、第一无线通信设备127和第一主控设备128。

其中，第一主控设备128分别连接第一显示设备121、第一操作按钮122、第一电池123、第一高精度gnss定位仪124、第一高精度光电观瞄设备125和第一无线通信设备127。第一水平调节设备126用于调节高精度gnss定位光电观瞄仪12相对重力线成90°的水平线，用于连接第一三脚架11。

如图3所示，第一高精度光电观瞄设备125包括水平粗调机构1251、水平细调机构1252、水平编码器1253、垂直粗调机构1254、垂直细调机构1255、垂直方向编码器1256、瞄准镜机构1257和激光红光发射器1258，瞄准镜机构1257上方设置激光红光发射器1258。上述第一高精度光电观瞄设备125采用经纬仪，以上第一高精度光电观瞄设备125描述的部件经纬仪中都具有，故不再详述。水平编码器1253、垂直方向编码器1256和激光红光发射器1258分别连接第一主控设备128(图中未示出)。

上述实施例中，第一显示设备121可以采用包括但不限于oled(organiclight-emittingdiode，有机发光二极管，又称为有机电激光显示、有机发光半导体)显示屏和lcd(liquidcrystaldisplay)显示屏。

上述实施例中，第一高精度gnss定位仪124在rtk模式下定位水平方向精度≤1cm。第一高精度gnss定位仪124可以采用包括但不限于具有差分功能的北斗定位设备和gps定位设备。

上述实施例中，第一高精度光电观瞄设备125可以采用包括但不限于经纬仪，如南方经纬仪dt-05和自研设备。

上述实施例中，第一无线通信设备127可以采用包括但不限于数传电台、无线网桥设备和2g/3g/4g网络设备。

上述实施例中，第一主控设备128可以采用包括但不限于arm处理器和x86嵌入式处理器。

如图2所示，被瞄设备2包括第二三脚架21、高精度gnss无线定位仪22、第二天线连接器23、第二gnss天线24和被瞄杆25。

其中，被瞄杆25设置在第二gnss天线24的几何中心上。第二gnss天线24与高精度gnss无线定位仪22通过第二天线连接器23采用中心对称原则连接在一起，高精度gnss无线定位仪22设置在第二三脚架21上。

上述实施例中，高精度gnss无线定位仪22在rtk模式下定位水平方向精度≤1cm。

如图4所示，高精度gnss无线定位仪22包括第二显示设备221、第二操作按钮222、第二电池223、第二高精度gnss定位仪224、第二水平调节设备225、第二无线通信设备226和第二主控设备227。

其中，第二主控设备227分别连接第二显示设备221、第二操作按钮222、第二电池223、第二高精度gnss定位仪224和第二无线通信设备226。第二水平调节设备225用于调节高精度gnss无线定位仪22相对重力线成90°的水平线，用于连接第二三脚架21。

上述实施例中，第二显示设备221可以采用包括但不限于oled显示屏、lcd显示屏和led指示灯。

上述实施例中，第二高精度gnss定位仪224在rtk模式下定位水平方向精度≤1cm。第二高精度gnss定位仪224可以采用包括但不限于具有差分功能的北斗定位设备和gps定位设备。

上述实施例中，第二无线通信设备226可以采用包括但不限于数传电台、无线网桥设备和2g/3g/4g网络设备。

上述实施例中，第二主控设备227可以采用包括但不限于arm处理器和x86嵌入式处理器。

如图5所示，被瞄杆25包括被瞄杆开关251、被瞄杆电池252、led灯253、垂直刻线柱254和透明材质255。

其中，被瞄杆开关251连接被瞄杆电池252，被瞄杆电池252连接led灯253，被瞄杆开关251用于控制led灯253的开启和关闭。led灯253下方设置有垂直刻线柱254，垂直刻线柱254上具有一道刻线，用于观瞄设备1中瞄准镜机构1257瞄准刻线，就说明观瞄设备1瞄准了被瞄设备2。垂直刻线柱254的外围设置有透明材质255，以便在在夜间led灯253开启时，灯光通过透明材质255反射在垂直刻线柱254上，便于夜间瞄准观测。

上述实施例中，透明材质255可以采用包括但不限于透明塑料或透明玻璃。

上述实施例中，观瞄设备1与被瞄设备2之间的最佳观测距离是200m之内。

本发明工作时：

1)观瞄设备1与被瞄设备2可随意放置在相互距离大于10m范围的地方，二者之间距离的远近与找北精度有关系，目前rtk在水平方向定位精度在10mm，则：

距离：10m，定向精度：0.06°

距离：100m，定向精度：0.006°

距离：300m，定向精度：0.002°

距离：600m，定向精度：0.001°

2)观瞄设备1中的高精度gnss定位光电观瞄仪12内部的第一高精度gnss定位仪124与被瞄设备2中的第二高精度gnss定位仪224通过gnss卫星与无线通信设备实现高精度rtk定位，观瞄设备1和被瞄设备2两者之间进行直接无线链路差分，提高两点相对精度，获知观瞄设备1和被瞄设备2的两点坐标，从而根据两点的坐标得到两点之间高精度的坐标北方向，被瞄设备2坐标传递给观瞄设备1，观瞄设备1内的第一主控装备128计算坐标北和子午线收敛角，从而计算出真北方向。第一主控装备128内预先设置坐标北、子午线收敛角和真北夹角α之间的计算公式；上述过程均为现有技术，故不再详述。

如图6所示，通过坐标投影计算得到两点连线与真北的夹角，计算两点连线与真北的夹角α的过程如下：

1、设观瞄设备1为坐标原点o(y2,x2)，被瞄设备2为a点(y1,x1)。

2、通过坐标转换把经纬度坐标转换到2000国家大地坐标上，2000平面坐标中横轴为y，纵轴为x。

3、坐标北计算公式如下：

δx＝x1-x2

δy＝y1-y2

β＝|arctan(δx/δy)|

是o(y2,x2)点和a(y1,x1)点连线与坐标北x的夹角

子午线收敛角γ计算公式：

t＝tan(o),o为原点纬度

h＝t²

w＝(l-l0)×cos(o),l0为当地中央子午线，l为点经度

m＝w²

其中a与b为84椭球长轴半径与短轴半径(wgs84，即世界大地坐标系)均为已知量，故不再详述。

e＝e'²×(cos(o))²

q＝1+e

γ＝(t×w×(1+m×((q+e)×q÷3+m×(2-h)÷15)))×180÷π

真北夹角α计算公式：

3)观瞄设备1中的高精度gnss定位光电观瞄仪12通过第一高精度光电观瞄设备125中水平粗调机构1251、水平细调机构1252、垂直粗调机构1254和垂直细调机构1255进行粗调与细调，使内部的瞄准镜机构1257瞄向被瞄设备2中第二gnss天线24上端的被瞄杆25，此时按下高精度gnss定位光电观瞄仪12中第一操作按钮122中的相对清零按键，此为现有部件，故不再详述，则此时第一显示设备121上显示的数值就为当前观瞄设备1与被瞄设备2两点连线与真北的夹角α；

4)水平旋转观瞄设备1中高精度gnss定位光电观瞄仪12，使第一显示设备121中显示的数值为0，则此时高精度gnss定位光电观瞄仪12瞄向的方向即为真北方向，为了更加方便观察，可通过高精度gnss定位光电观瞄仪12内的激光红光发射器1258发出激光红光，该激光红光指向的方向就是真北的方向。

实施例一

观瞄设备1包括第一三脚架11、高精度gnss定位光电观瞄仪12、第一天线连接器13和第一gnss天线14。

其中，如图7和图8所示，高精度gnss定位光电观瞄仪12包括第一显示设备121、第一操作按钮122、第一电池123、第一高精度gnss定位仪124、第一高精度光电观瞄设备125、第一水平调节设备126、第一无线通信设备127和第一主控设备128。

上述第一显示设备121采用2.4寸128*64的oled显示屏；

第一电池123采用4000mah/12v的锂电池；

第一高精度gnss定位仪124采用司南k505北斗板卡；

第一高精度光电观瞄设备125采用经纬仪；

第一无线通信设备127采用trp数传电台(trp为数传电台型号，深圳华夏盛科技的trp数传电台模块)与4g网络(华为me909u-5214g网络模块)两种互补网络通信方式，满足不同应用方式；

第一主控设备128采用stm32f427的arm处理器，arm处理器通过串口与经纬仪(第一高精度光电观瞄设备125)、司南k505北斗板卡(高精度gnss定位仪124)、trp数传电台与4g网络(第一无线通信设备127)进行连接。

第一gnss天线14采用北斗卫星接收天线；

观瞄设备1中高精度光电观瞄设备1采用经纬仪(第一高精度光电观瞄设备125)，激光红光发射器1258放置在经纬仪(第一高精度光电观瞄设备125)镜筒上，与镜筒保持平行安装。

被瞄设备2包括所述第二三脚架(21)、高精度gnss无线定位仪22、第二天线连接器23、第二gnss天线24和被瞄杆25。

如图9和图10所示，高精度gnss无线定位仪22包括第二显示设备221、第二操作按钮222、第二电池223、第二高精度gnss定位仪224、第二水平调节设备225、第二无线通信设备226和第二主控设备227。

上述高精度gnss无线定位仪22中第二显示设备221采用1.69寸128*64的oled显示屏；第二电池223采用4000mah/12v的锂电池第二高精度gnss定位仪224采用司南k505北斗板卡；第二无线通信设备226采用trp数传电台与4g网络(华为me909u-5214g网络模块)两种互补网络通信方式，满足不同应用方式，第二主控设备227采用stm32f427的arm处理器。

北斗接收天线(第一gnss天线14)与经纬仪(第一高精度光电观瞄设备125)采用中心对称原则通过第一天线连接器13连接在一起，并一块设置在第一三脚架11上。

被瞄设备2包括第二三脚架21、高精度gnss无线定位仪22、第二天线连接器23、第二gnss天线24和被瞄杆25。

其中，被瞄杆25设置在第二gnss天线24的几何中心上。第二gnss天线24与高精度gnss无线定位仪22通过第二天线连接器23采用中心对称原则连接在一起，高精度gnss无线定位仪22设置在所述第二三脚架(21)上。

观瞄设备1与被瞄设备2可随意放置在相互距离大约100m范围的地方。观瞄设备1中的gnss定位仪与被瞄设备2中的高精度gnss无线定位仪22通过gnss卫星与无线通信设备实现高精度rtk定位，从而得到两点之间高精度的坐标北方向。通过坐标投影计算得到两点连线与真北的夹角。

观瞄设备1中的经纬仪(第一高精度光电观瞄设备125)通过粗调与细调，使经纬仪(第一高精度光电观瞄设备125)的瞄准镜机构1257瞄向被瞄设备2中第二gnss天线24上端的被瞄杆25内部的刻线上，此时按下高精度gnss定位光电观瞄仪12中相对清零按键，则此时第一显示121设备上显示的数值就为当前观瞄设备1与被瞄设备2两点连线与真北的夹角α。

水平旋转观瞄设备1中的经纬仪(第一高精度光电观瞄设备125)，使2.4寸oled显示屏中显示的数值为0，则此时经纬仪(第一高精度光电观瞄设备125)瞄向的方向即为真北方向，可通过经纬仪(第一高精度光电观瞄设备125)镜筒上方的激光红光发射器1258发出激光红光，该激光红光指向的方向就是真北的方向。

实施例二

如图11和图12所示，观瞄设备1采用自研设备、将k505板卡(第一高精度gnss定位仪124)、trp数传模块和4g模块(第一无线通信设备127)电池、2.4寸oled(第一显示设备121)、高精度光电观瞄仪、激光红光发射器1258集成在一起。其他操作与实施例1基本一致。故不再详述。

以上述依据本发明的理想实施例为启示、通过上述的说明内容、相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内、进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容、必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。