本发明属于工业现场大尺寸测量系统的内参校准方法，特别是涉及一种基于三维坐标基准场的室内空间测量定位系统扫描光面模型参数校准方法。
背景技术：
室内空间测量定位系统，典型代表为wmps(workshopmeasurementpositioningsystem)是针对大型装备制造业的测量需求，基于空间角度交汇原理发展起来的一种多站分布式大空间测量定位系统，具有测量范围广、测量精度高以及可多任务并行测量等优势。测量系统主要由四部分组成：部署在测量空间内的多台发射站、放置在被测点的球形接收器、控制盒以及任务计算机。现有的wmps在部署多个发射站组成测量网络后，利用已标定出参数的视为理想平面的扫描光面对接收器形成约束，测量其各发射站下的方位角，再结合多站间定向方位利用角度交汇原理解算得到接收器的空间坐标。
事实上，发出扫描光面的激光器透镜加工与装配误差将造成扫描光面的弯曲变形，使得扫描光面的实际形状偏离理想平面，在大空间范围下尤为明显。由于wmps定位系统采用在扫描光面约束下的空间角度交会进行三维坐标测量，扫描光面的模型与扫描光面实际形状的贴合程度直接影响单台发射站的测角性能，从而影响整个系统的测量精度。现阶段使用与实际情况存在偏差的理想平面作为扫描光面的模型，将在单台发射站测量模型中造成一定量的系统误差，从而影响多发射站组网中的坐标测量精度。
因此，研究wmps扫描光面校准方法对提高室内空间测量定位系统单台发射站测角性能进而提高该系统的测量精度具有重要价值。
技术实现要素：
为克服现有技术的不足，针对wmps的实际情况，为了得到贴合其实际形状的扫描光面结构参数，本发明利用激光跟踪仪干涉测距精度高的特点，提出一种基于三维坐标基准场的wmps扫描光面校准方法来校准扫描光面，能够提高wmps系统的测量精度。为此，本发明采用的技术方案是，三维坐标基准场室内空间测量定位扫描光面校准方法，使用激光跟踪仪在多站位下测量全局控制点，配合优化测角误差的加权算法，获取控制点组成的三维坐标基准场，将坐标场基准作为室内空间测量定位系统wmps扫描光面校准的基准，部署一台发射站测量记录每个扫描光面经过各个控制点的时刻，将二次曲面作为扫描光面更贴近实际形状的一种典型模型，由基准场空间内控制点坐标构建约束方程，联立其它约束使用最小二乘法对扫描光面的参数进行解算，将其作为wmps单台发射站的内参数进行重新配置。
具体步骤进一步细化如下：
步骤一、三维坐标基准场中的全局控制点布设
根据wmps实际工作距离与覆盖角度，在基准场空间中将每3个控制点编为1组，每组中控制点垂直分布且间隔为0.5米，且其中最低的控制点应距离地面0.5米，确保2n+6≥27，其中n为控制点个数,也即建立优化方程数大于等于待解算参数数量，以确保wmps扫描光面校准步骤能够完成参数的解算，将各组控制点均匀分布在基准场空间，每组控制点间隔保持在1m；
步骤二、依托控制点配合激光跟踪仪构建三维坐标基准场
激光跟踪仪站位则围绕基准场空间布设，与各组控制点之间距离大于4米，依次在激光跟踪仪的m个站位下，使用激光跟踪仪配合跟踪仪反射镜测量得到n个控制点的空间坐标，共m*n个坐标数据，确保m*n>3(m+n)，利用激光跟踪仪测量误差特性，建立冗余测长约束，采用加权优化测角误差的方法，建立最优化目标方程并解算出各控制点在全局坐标系下的高精度坐标，满足后续扫描光面校准步骤的需要；
步骤三、获取待校准扫描光面上离散点坐标
布置单台wmps发射站，与坐标基准场间距大于5m，待发射站初始化后，配合wmps球型接收器进行扫描光面校准步骤：记录该台发射站两个扫描光面分别扫过各个控制点的时刻，测得扫描光面扫过控制点时相较于初始位置所旋转的角度，结合坐标基准场对各控制点坐标进行旋转变换，得到位于初始位置的扫描光面上若干离散点坐标，用来对位于初始位置的扫描光面进行校准；
步骤四、校准扫描光面以优化测量模型
相对于现有的扫描光面理想平面模型，使用更贴近扫描光面实际形状的曲面模型，利用步骤三经变换得到的若干离散点，将其坐标视为其位于待拟合光曲面之上来构建约束方程，并联立其它约束条件对方程组进行解算，得到经校准的扫描光面模型参数，作为wmps单台发射站的内参数进行重新配置，建立扫描光面实际、确切的几何形状，修正wmps测量模型中的系统误差，进而提高wmps测量精度。
步骤二进一步细化如下：
步骤二-1)依次在激光跟踪仪的m个站位下，使用激光跟踪仪配合跟踪仪反射镜测量得到n个控制点的空间坐标，共m*n个坐标数据；
步骤二-2)选择激光跟踪仪的某站位的测量坐标系作为全局坐标系，ri与ti为全局坐标系与第i个站位测量坐标系间的旋转平移矩阵，(xg,yg,zg)表示全局坐标系下控制点的坐标最优值，(xj,yj,zj)表示第i个站位测量坐标系下第j个控制点的坐标测量值，把最优坐标值转站变换到各站位的测量坐标系下，v为转站后的最优值与测量值间的距离差值，将其作为约束条件，建立目标优化方程：
步骤二-3)空间某被测点至跟踪仪的距离为l，水平角为ha，垂直角为va；跟踪仪测长固定误差为elf，相对误差为elr，水平角测量固定误差为ehf，相对误差为ehr，垂直角测量固定误差为evf，相对误差为evr，优化测角误差的加权矩阵p表示为：
其中r表示为：
步骤二-4)将加权矩阵代入目标优化函数，利用最小二乘法解算出坐标基准场中各控制点的精密坐标：
v·p·vt＝min
步骤三进一步细化如下：
步骤三-1)依次记录该发射站下旋转初始时刻与两个光面扫过每个控制点时的时刻t0、t1、t2，由此可以通过计算得到光面扫过控制点时相对于初始位置转过的角度为θ1＝ω(t1-t0)，θ2＝ω(t2-t0)；
步骤三-2)将步骤三中的全局坐标系亦作为本步骤的全局坐标系，为了提高校准精度，在控制校准的复杂性的条件下，控制点取25个；
步骤三-3)将全局坐标系到待校准发射站测量坐标系的方向定位参数r与t视为待优化求解的未知量，将步骤三获取的全局坐标系下第j个控制点坐标最优值坐标(xgj,ygj,zgj)转站变换成发射站测量坐标系下的(xwj,ywj,zwj)：
步骤三-4)由发射站的两个光面分别扫过第j个控制点时相对初始位置转过的角度θ1、θ2，将控制点绕扫描光面旋转轴逆向旋转大小相同的角度，也即对其进行旋转变换，则可得到位于初始位置的光面上的若干离散点坐标的采样测量值。
步骤四进一步细化如下：
步骤四-1)选用二次曲面模型作为一种典型的更贴合扫描光面实际形状的模型，将每个由步骤三-4)得到的离散点坐标视为位于待拟合光面之上建立约束方程，用每个控制点对一台发射站的两个扫描光面建立约束方程，即把步骤三-4)得到的离散点坐标代入待拟合光面参数方程；
步骤四-2)当坐标基准场内共含有n个控制点时，每个点分别对应一台发射站的2个扫描光面可建立2个约束方程，步骤三-3)中的旋转矩阵r作为单位正交矩阵提供6个约束方程，共计2n+6个约束方程，将上述2n+6个约束方程记为fj(x)(j＝1,2,3,…,2n+6)，联立2n+6个约束方程线性展开的误差方程vj可以得到线性方程组v：
v＝aδx(5)
其中优化方程为：
δx＝[δa1,δb1,…,δe1,δa2,δb2,…,δj2,δr1,δr2,…,δr9,δtx,δty,δtz]t(7)
系数矩阵a的组成元素表示为：
对于线性方程(5)，当2n+6大于等于扫描光面待求解模型参数的数量27时，使用最小二乘法可以求得待求参数的最优解。
本发明的特点及有益效果是：
本发明为提升单台发射站测角性能，进而提高wmps的坐标测量精度，使用激光跟踪仪在多站位下测量全局控制点，配合优化测角误差的加权算法，获取控制点组成的三维坐标基准场，将坐标场基准作为wmps扫描光面校准的基准，部署一台发射站测量记录每个扫描光面经过各个控制点的时刻，将二次曲面作为扫描光面更贴近实际形状的一种典型模型，由基准场空间内控制点坐标构建约束方程，联立其它约束使用最小二乘法对扫描光面的参数进行解算，将其作为单台wmps发射站的内参数进行重新配置，相较于将扫描光面视为理想平面的现有测量模型，修正了模型中的系统误差提高单站测角性能，从而提升wmps的测量精度。
附图说明：
图1为；wmps基于角度交汇的光电扫描测量原理示意图；
图2为：wmps发射站现阶段扫描光面模型与扫描光面的实际形状示意图；
图3为：本发明构建三维坐标基准场过程中各站位下测量全局控制点的过程示意图；
图4为；基于三维坐标基准场的扫描光面参数校准过程的示意图；
图5为：与激光跟踪仪反射镜大小一致(典型为1.5英寸)的wmps球型接收器的示意图。
具体实施方式
针对wmps的实际情况，为了得到贴合其实际形状的扫描光面结构参数，本发明充分利用激光跟踪仪干涉测距精度高的特点，提供一种基于三维坐标基准场的wmps扫描光面校准方法来校准扫描光面。布设完成控制点后，利用激光跟踪仪测量误差特性，建立冗余测长约束，采用加权优化测角误差的方法构建三维坐标基准场，作为wmps系统扫描光面几何模型参数校准的基准，利用校准手段建立扫描光面实际、确切的几何形状，通过修正原有测量模型中的系统误差提升单台发射站测量性能，进而提高wmps系统的测量精度。
本发明所采用的技术方案是：
步骤一、三维坐标基准场中的全局控制点布设
为使wmps可以依托激光跟踪仪构建的坐标基准进行扫描光面的校准，使用n个兼容wmps球型接收器与激光跟踪仪反射球镜的球座，进行三维坐标基准场控制点的布设：根据wmps实际工作距离与覆盖角度，在基准场空间中将每3个控制点编为1组，每组中控制点垂直分布且间隔为0.5米，且其中最低的控制点应距离地面0.5米，确保2n+6≥27，其中n为控制点数量，也即建立优化方程数大于等于待解算参数数量，以确保wmps扫描光面校准步骤能够完成参数的解算，将各组控制点均匀分布在基准场空间，每组控制点间隔保持在1m左右；
步骤二、依托控制点配合激光跟踪仪构建三维坐标基准场
激光跟踪仪站位则围绕基准场空间布设，与各组控制点之间距离大于4米，依次在激光跟踪仪的m个站位下，使用激光跟踪仪配合跟踪仪反射镜测量得到n个控制点的空间坐标，共m*n个坐标数据，确保m*n>3(m+n)，利用激光跟踪仪测量误差特性，建立冗余测长约束，采用加权优化测角误差的方法，建立最优化目标方程并解算出各控制点在全局坐标系下的高精度坐标，满足后续扫描光面校准步骤的需要；
步骤三、获取待校准扫描光面上离散点坐标
布置单台wmps发射站，与坐标基准场间距大于5m，待发射站初始化后，配合wmps球型接收器进行扫描光面校准步骤：记录该台发射站两个扫描光面分别扫过各个控制点的时刻，测得扫描光面扫过控制点时相较于初始位置所旋转的角度，结合坐标基准场对各控制点坐标进行旋转变换，得到位于初始位置的扫描光面上若干离散点坐标，用来对位于初始位置的扫描光面进行校准；
步骤四、校准扫描光面以优化测量模型
相对于现有的扫描光面理想平面模型，使用更贴近扫描光面实际形状的曲面模型，利用步骤三经变换得到的若干离散点，将其坐标视为其位于待拟合光曲面之上来构建约束方程，并联立其它约束条件对方程组进行解算，得到经校准的扫描光面模型参数，作为wmps单台发射站的内参数进行重新配置，建立扫描光面实际、确切的几何形状，修正wmps测量模型中的系统误差，进而提高wmps测量精度。
下面结合附图对本发明提供的基于三维坐标基准场的室内空间测量定位系统(典型为wmps)扫描光面校准方法进一步说明。
本方法是基于wmps，也即现有的室内空间测量定位系统的相关技术，提出一种基于三维坐标基准场的wmps扫描光面校准方法，用以校准发射站扫描光面的模型参数。wmps的组成如图1所示，采用基于光电扫描的空间角度自动测量方法对单个光电接收器(简称接收器如图5所示)进行定位，单台发射站仅能测量到目标接收器的方位角信息，结合多台发射站间的方向定位使用角度交汇方法计算接收器的三维坐标。
现阶段的发射站测量模型将扫描光面视为理想平面，使用纯平面模型的扫描光面对被测点进行约束获取其方位角，而扫描光面的实际形状为曲面，如图2所示。为了精确描述扫描光面的面型提高以发射站单站的测角精度从而提升整个系统的测量精度，本发明提供了一种基于使用三维坐标基准场的wmps扫面光面校准方法，包括图3、图4所示的以下步骤：
步骤一、三维坐标基准场中的全局控制点布设
为使wmps可以依托激光跟踪仪构建的坐标基准进行扫描光面的校准，使用n个兼容wmps球型接收器与激光跟踪仪反射球镜的球座，进行三维坐标基准场控制点的布设：根据wmps实际工作距离与覆盖角度，在基准场空间中将每3个控制点编为1组，每组中控制点垂直分布且间隔为0.5米，且其中最低的控制点应距离地面0.5米，确保2n+6≥27，其中n为控制点的数量，也即建立优化方程数大于等于待解算参数数量，以确保wmps扫描光面校准步骤能够完成参数的解算，将各组控制点均匀分布在基准场空间，每组控制点间隔保持在1m左右；
步骤二、依托控制点配合激光跟踪仪构建三维坐标基准场
激光跟踪仪站位则围绕基准场空间布设，与各组控制点之间距离大于4米，依次在激光跟踪仪的m个站位下，使用激光跟踪仪配合跟踪仪反射镜测量得到n个控制点的空间坐标，共m*n个坐标数据，确保m*n>3(m+n)，利用激光跟踪仪测量误差特性，建立冗余测长约束，采用加权优化测角误差的方法，建立最优化目标方程并解算出各控制点在全局坐标系下的高精度坐标，满足后续扫描光面校准步骤的需要，步骤如下：
步骤二-1)依次在激光跟踪仪的m个站位下，使用激光跟踪仪配合跟踪仪反射镜测量得到n个控制点的空间坐标，共m*n个坐标数据；
步骤二-2)选择激光跟踪仪的某站位的测量坐标系作为全局坐标系，ri与ti为全局坐标系与第i个站位测量坐标系间的旋转平移矩阵，(xg,yg,zg)表示全局坐标系下控制点的坐标最优值，(xj,yj,zj)表示第i个站位测量坐标系下第j个控制点的坐标测量值，把最优坐标值转站变换到各站位的测量坐标系下，v为转站后的最优值与测量值间的距离差值，将其作为约束条件，建立目标优化方程：
步骤二-3)空间某被测点至跟踪仪的距离为l，水平角为ha，垂直角为va；跟踪仪测长固定误差为elf，相对误差为elr，水平角测量固定误差为ehf，相对误差为ehr，垂直角测量固定误差为evf，相对误差为evr，优化测角误差的加权矩阵p表示为：
其中r表示为：
步骤二-4)将加权矩阵代入目标优化函数，利用最小二乘法解算出坐标基准场中各控制点的精密坐标：
v·p·vt＝min
步骤三、获取待校准扫描光面上离散点坐标
布置单台wmps发射站，与坐标基准场间距大于5m，待发射站初始化后，配合wmps球型接收器进行扫描光面校准步骤：记录该台发射站两个扫描光面分别扫过各个控制点的时刻，测得扫描光面扫过控制点时相较于初始位置所旋转的角度，结合坐标基准场对各控制点坐标进行旋转变换，得到位于初始位置的扫描光面上若干离散点坐标，用来对位于初始位置的扫描光面进行校准，步骤如下：
步骤三-1)依次记录该发射站下旋转初始时刻与两个光面扫过每个控制点时的时刻t0、t1、t2，由此可以通过计算得到光面扫过控制点时相对于初始位置转过的角度为θ1＝ω(t1-t0)，θ2＝ω(t2-t0)；
步骤三-2)将步骤三中的全局坐标系亦作为本步骤的全局坐标系，为了提高校准精度，在控制校准的复杂性的条件下，控制点取25个；
步骤三-3)将全局坐标系到待校准发射站测量坐标系的方向定位参数r与t视为待优化求解的未知量，全局坐标系与激光跟踪各站位的测量坐标系均为激光跟踪仪的测量坐标系，区别于wmps发射站的测量坐标系。将步骤三获取的全局坐标系下第j个控制点坐标最优值坐标(xgj,ygj,zgj)转站变换成发射站测量坐标系下的(xwj,ywj,zwj)：
步骤三-4)由发射站的两个光面分别扫过第j个控制点时相对初始位置转过的角度θ1、θ2，将控制点绕扫描光面旋转轴逆向旋转大小相同的角度，也即对其进行旋转变换，则可得到位于初始位置的光面上的若干离散点坐标的采样测量值。
步骤四、校准扫描光面以优化测量模型
相对于现有的扫描光面理想平面模型，使用更贴近扫描光面实际形状的曲面模型，利用步骤三经变换得到的若干离散点，将其坐标视为其位于待拟合光曲面之上来构建约束方程，并联立其它约束条件对方程组进行解算，得到经校准的扫描光面模型参数，作为wmps单台发射站的内参数进行重新配置，建立扫描光面实际、确切的几何形状，修正wmps测量模型中的系统误差，进而提高wmps测量精度，步骤如下：
步骤四-1)选用二次曲面模型作为一种典型的更贴合扫描光面实际形状的模型，将每个由步骤三-4)得到的离散点坐标视为位于待拟合光面之上建立约束方程，用每个控制点对一台发射站的两个扫描光面建立约束方程，即把步骤三-4)得到的离散点坐标代入待拟合光面参数方程；
步骤四-2)当坐标基准场内共含有n个控制点时，每个点分别对应一台发射站的2个扫描光面可建立2个约束方程，步骤三-3)中的旋转矩阵r作为单位正交矩阵提供6个约束方程，共计2n+6个约束方程，将上述2n+6个约束方程记为fj(x)(j＝1,2,3,…,2n+6)，联立2n+6个约束方程线性展开的误差方程vj可以得到线性方程组v：
v＝aδx(5)
其中优化方程为：
δx＝[δa1,δb1,…,δe1,δa2,δb2,…,δj2,δr1,δr2,…,δr9,δtx,δty,δtz]t(7)
系数矩阵a的组成元素表示为：
对于线性方程(5)，当2n+6大于等于扫描光面待求解模型参数的数量27时，使用最小二乘法可以求得待求参数的最优解。
步骤四-3)将解算得到的扫描光面参数作为wmps系统内部参数进行重新配置，建立扫描光面实际、确切的几何形状，以修正原有测量模型中的系统误差提高单站测角性能，从而提升wmps的测量精度。
综上，本发明为修正wmps单站测量模型中的系统误差，来提高单台发射站的测角性能，进而提升wmps即室内空间测量定位系统的测量精度，根据激光跟踪仪测距溯源精度达激光波长的特点，利用激光跟踪仪测量误差特性，建立冗余测长约束，采用加权优化测角误差的方法获取控制点高精度三维坐标，构建三维坐标基准场，并将三维坐标基准场作为wmps发射站扫描光面参数也即内参数校准的基准，使用更贴近扫描光面实际形状的曲面模型对扫描光面进行校准，获得经优化的扫描光面模型参数，作为wmps单台发射站的内参数进行重新配置，建立扫描光面实际、确切的几何形状，以修正原有测量模型中的系统误差提高单站测角性能，从而提升wmps的测量精度。本发明具有以下优点：
使用激光跟踪仪与球座，提出了一套三维坐标基准场的布设与构建方法，获得的控制点高精度坐标能够作为校准步骤的可靠的基准，溯源精度高；
依托三维坐标基准场，提出规范系统的校准流程，通过校准步骤建立扫描光面实际、确切的几何形状，提升发射站测量性能；
发明中对扫描光面进行拟合的典型模型为二次曲面模型，在今后的研究与工程应用中，可以根据研究的进展选择更贴合扫描光面实际形状的模型进行校准，本发明为其提供了方法支持；
在提高wmps扫描光面参数精度的同时，不影响其校准程序的效率。
尽管上面结合图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。