基于北斗双天线和激光测距仪的实时定位装置及定位方法与流程

本发明属于卫星定位技术领域，尤其涉及一种基于北斗双天线和激光测距仪的实时定位装置及定位方法。

背景技术：

目前，最接近的现有技术：

在数字地形图测绘过程中，需要精确测定各个特征点的平面位置和高程。目前生产中广泛采用的主要有两类方法：一种是在控制点上架设全站仪，通过角度和距离测量，确定碎部点的坐标；另一种是采用全球导航卫星系统(globalnavigationsatellitesystem,gnss)动态实时定位(realtimekinematic,rtk)技术，在特征点上采集gnss观测数据，实时解算三维坐标。

基于全站仪测角测距的方法需要遵循“先控制后碎部”的原则，需要埋设控制点，并精确确定控制点的坐标。获得控制点坐标后，才能进行碎部点的测量工作。由于全站仪测距范围有限，为了保证碎部点和控制点之间的良好通视性，在复杂地物环境中往往需要增加控制点个数，势必大大增加控制点埋设、测量和维护的成本。而且，全站仪测量需要对中、整平、量取仪器高等操作，角度测量需要重复多个测回完成，作业流程较为复杂，对测量人员的专业技术水平要求较高，限制了生产效率的提升，增加了外业作业的人力和时间成本。

利用gnssrtk进行地面点定位时，测量员需要逐点定位，每个点都需要跑到；当测点没有卫星信号时，测量工作就不能进行。若使用基于北斗双天线和激光测距仪的实时定位装置进行地面点定位时，测量员不需要逐点进行，只需利用仪器的激光测距仪测量仪器至测点之间的距离，然后依据仪器上两根天线的已知位置(卫星定位的结果)，就可以获得测点的位置，大大提高了测量工作的效率。遇到测点没有卫星信号时，测量工作依旧能进行。

基于rtk的测量方法可以直接得到碎部点的坐标，不需要控制点，操作相对简单，但仍然需要测量员手持流动站天线到达每一个待测点处，才能获得该点坐标，工作效率低。在很多场景下碎部点不容易到达，如悬崖、水坝、海滩等，或者虽然可以到达点位，但如果点位上方有遮挡，如果高大建筑物拐角处、屋檐、水面，以及有顶棚遮蔽的半开放空间，这些点位gnss信号的观测条件较差，可视卫星数较少或信号受多路径干扰严重，影响定位精度或无法采用rtk定位。

对gnss双天线基线测量的研究目前主要用于姿态确定，未见将gnss双天线与激光测距仪联合定位的方法或仪器。

综上所述，现有技术存在的问题是：(1)现有技术中，基于全站仪的传统测量方法，需要通过测角和测距确定待测点坐标，并且需要量取仪器高和目标高，作业较为复杂，外业劳动强度大。同时，基于全站仪的传统测量方法还依赖于精确的控制点坐标，而控制点埋设、测量和维护的成本较高，且很容易遭到破坏，致使测量无法进行或效率大大降低。

(2)现有技术中，基于rtk的测量方法仍然需要测量员手持流动站天线到达每一个待测点处，才能获得该点坐标，工作效率低。在很多场景下碎部点受到建筑物遮挡或多路径干扰严重，影响定位精度或无法采用rtk定位。

现有技术没有将gnss双天线与激光测距仪联合进行定位。

(3)现有rtk技术，多采用单gps系统观测值，未能充分利用北斗观测数据。单gps系统可见卫星数较少，卫星观测的几何条件差，制约定位精度和收敛速度的提升。

解决上述技术问题的难度：基于北斗双天线基线测量和激光测距仪确定待测点坐标，一方面要实时精确测定两个北斗天线的基线向量，另一方面要实时确定其中一个天线的精确位置。实时基线测量和实时定位的精度直接影响待测点坐标的精度和方法的适用距离，因此北斗实时高精度数据处理是解决上述问题的难点之一。

解决上述问题的另一个难点是测量装置本身的误差控制。因为该方法测定碎部点坐标的基本原理是待测点和两个北斗天线相位中心三点共线，北斗天线安装误差以及北斗天线相位中心的偏差和变化都会影响待测点坐标精度，所以需要对两个北斗天线相对位置进行精确标定和校准，采用高精度的天线相位中心偏差和天线相位中心变化改正模型。

解决上述技术问题的意义：解决上述技术问题可以实现基于北斗双天线和激光测距仪的实时定位，将该定位装置及定位方法应用于碎部测量，可以简化作业流程，提高作业效率。由于实时精密定位的基准来自于卫星精密产品或者基准站坐标，因此不再依赖于控制点的坐标，相比于传统的全站仪方法，不仅减少了控制测量和控制点维护的成本，还使得测量更加灵活、自由，可以选择卫星观测好的区域任意设站，且得到的碎部点成果就是wgs84或cgcs2000，为后续坐标成果的转化和应用提供了便利。

常规的rtk、精密单点定位(precisepointpositioning,ppp)等精密定位手段，本质上是将导航卫星的时空基准通过伪距和相位观测值传递到地面，传递方式可以认为是沿直线的、点状的。利用本方法，突破了常规技术思路的限制，能够实现时空基准的折线传递，来自导航卫星的时空基准沿直线传递到定位装置，经过“中继”后在测站周围辐射，并以面状展开，从而实现碎部点的快速测量。

技术实现要素：

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于北斗双天线和激光测距仪的实时定位装置及定位方法。在本发明中，北斗：北斗卫星导航系统(beidousatellitenavigationsystem,bds)；rtk：实时动态定位技术(real-timekinematic，rtk)。

本发明是这样实现的，一种基于北斗双天线和激光测距仪的实时定位方法，包括：

将两个北斗天线安置在一个横杆上，形成固定基线，实时获得天线相位中心的三维坐标，并实时确定基线的方向向量；

将待测点与两个北斗天线三点共线，利用激光测距仪测出任意天线或基线上已知位置一点沿基线向量到待测点的距离，利用共线方程，求得待测点三维坐标。

若已知北斗天线1，北斗天线2点的坐标，且北斗天线1，北斗天线2,和p三点位于同一直线上，测出p到北斗天线2点的距离，根据北斗天线1点坐标推导求得p点坐标。

假设北斗天线1，北斗天线2两点的坐标分别为(x1,y1,z1)，(x2,y2,z2)，待测点p的坐标为(x,y,z)，点p到点2的距离为d，则北斗天线1，北斗天线2点所在直线的方向向量s为(x1-x2,y1-y2,z1-z2)，直线上任意一点的坐标(x,y,z)满足

将直线的参数方程表示为

用激光测距仪测得由点p到北斗天线2点的距离d，有

(x-x2)²+(y-y2)²+(z-z2)²＝d²

因为点p在北斗天线1点、北斗天线2点确定的直线上，满足

则

t²(x1-x2)²+t²(y1-y2)²+t²(z1-z2)²＝d²

化简，得到

由直线的参数方程得，点p的坐标为

式中的正负号，根据实际中点p与北斗天线1点、北斗天线2点的相对位置确定。

本发明的另一目的在于提供一种基于北斗双天线和激光测距仪的实时定位装置包括：

北斗天线，固定横梁上，并通过基座固定在三脚架上；

激光测距仪，位于横梁一端，并通过望远镜瞄准待测点；

通信模块，用于接收基准站电台、移动网络或卫星播发的增强信息；

数据处理单元，利用两个北斗天线接收的观测数据和通信模块接收的增强信息，实时计算两个北斗天线的三维坐标，并利用天线坐标和测距仪输出距离解算待测点坐标；

电源，为北斗天线、测距仪、通信模块提供电源。

横梁采用合金材质制成，能绕水平轴和竖轴旋转；

电源采用太阳能充电和外接能源；

通信模块、数据处理单元、电源为分离模式或集中在一个固定箱内。

本发明的另一目的在于提供一种搭载所述基于北斗双天线和激光测距仪的实时定位装置的星基增强或地基增强定位模式碎部点测量系统，其特征在于，所述星基增强或地基增强定位模式碎部点测量系统包括：

北斗接收机；

所述北斗接收机连接北斗天线。

本发明的另一目的在于提供一种存储在计算机可读介质上的计算机程序产品，包括计算机可读程序，供于电子装置上执行时，提供用户输入接口以实施所述基于北斗双天线和激光测距仪的实时定位方法

本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，包括指令，当其在计算机上运行时，使得计算机执行所述的基于北斗双天线和激光测距仪的实时定位方法。

为了更好地证明本方法的可行性，开展了仿真实验，在一把固定的水准尺上按照一定间隔选取一系列点作为待测点，在已知坐标的测站上架设全站仪，观测水准尺上各个待测点并计算其坐标。选取其中两个点作为基准点，相当于本发明中两个北斗天线的相位中心，利用基准点坐标和前述共线方程原理推算其余各待测点的坐标。将各点推算坐标与全站仪测量坐标比较，验证本方法的可行性，并进行精度分析。表1-3是三组仿真实验数据。

表1第一组仿真实验结果

表2第二组仿真实验结果

表3第三组仿真实验结果

从仿真实验结果可以看出，两基准点相隔约20cm，最远待测点距基准点距离约3m，约为基准点间距的15倍，待测点推算坐标与全站仪测量坐标差值的绝对值在1cm以内。

综上所述，本发明的优点及积极效果为：基于北斗双天线和激光测距仪的实时定位装置，集北斗实时高精度定位技术和激光测距技术于一体，利用北斗双天线和待测点三点共线的几何关系，快速解算待测点三维坐标，具有北斗卫星定位仪和全站仪的功能，是一种新型的测绘设备。该装置既不依赖于控制点坐标，也可以避开信号遮挡、多路径效应等因素对gnss定位精度的不利影响。实施测量时，不需要对仪器进行对中、整平等操作，也不需要测量员到达待测点，即可实时解算待测点空间位置。整套装置在基本不增加成本的基础上，作业方法更为简便，可以实现“设站自由，随架随测，指哪儿测哪儿”，显著提高外业测量效率。

基于北斗双天线，利用rtk、星基增强或地基增强等实时高精度定位技术既可以确定天线的绝对位置，又可以确定一个空间向量。对于一些不容易到达或无法通视的待测点，当该定位装置瞄准待测点时，待测点与两个北斗天线共线，此时通过激光测距仪测出待测点到其中一个天线的距离，便可以利用共线方程解算出待测点的绝对位置。由于可以获得北斗天线的绝对位置，因此理论上测定待测点三维坐标时，不需要将该装置架设在已知控制点上，可以任意设站，为外业施测带来了极大的便利。对于可以很方便到达且观测环境良好的待测点，也可以直接将定位装置末端接触待测点标识中心，利用天线位置和定位装置自身坐标系，直接得到待测点坐标，作业方式较为灵活，视不同场景而定。

与传统测绘仪器相比，该设备具有以下优点：

仪器安置便捷，测量时，无需对仪器进行对中、整平、量取仪器高等操作。不怕测点卫星信号遮挡，只要仪器(测站)上空有北斗等导航卫星信号即可测量。

设站自由，随设随测(即设即测)，无需控制测量即可进行测绘工作。

测点无需一一立镜，测绘工作效益高，劳动强度小。

附图说明

图1是本发明实施例提供的基于北斗双天线和激光测距仪的实时定位装置示意图。

图中：1、北斗天线；2、激光测距仪；3、通信模块；4、数据处理单元；5、电源；6、三脚架。

图2是本发明实施例提供的基于北斗双天线和激光测距仪的实时定位装置结构侧视图(长度150cm-180cm)。

图3是本发明实施例提供的两个北斗天线连接示意图。

图4是本发明实施例提供的坐标差值随距离变化情况(第一组)曲线图。

图5是本发明实施例提供的坐标差值随距离变化情况(第二组)曲线图。

图6是本发明实施例提供的坐标差值随距离变化情况(第三组)曲线图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

现有技术中，基于rtk的测量方法仍然需要测量员手持流动站天线到达每一个待测点处，才能获得该点坐标，工作效率低。在很多场景下碎部点受多路径干扰严重，影响定位精度或无法采用rtk定位。现有技术没有将gnss双天线与激光测距仪联合进行定位。

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于北斗双天线和激光测距仪的实时定位装置，下面结合附图对本发明作详细的描述。

如图1和图2所示，本发明实施例提供的基于北斗双天线和激光测距仪的实时定位装置主要有以下几部分构成：

北斗天线1，固定在约2m长的横梁上，横梁可采用合金材质制成，形变系数小，可以满足高精度测量需求，同时横梁可以绕水平轴和竖轴旋转，并能通过基座固定在三脚架6上。

激光测距仪2，位于横梁一端，并可通过望远镜瞄准待测点。

通信模块3，用于接收基准站电台、移动网络或卫星播发的增强信息。

数据处理单元4，具备北斗数据实时高精度定位功能，能够利用两个北斗天线接收的观测数据和通信模块接收的增强信息，实时计算两个北斗天线的三维坐标，并能利用天线坐标和测距仪输出距离解算待测点坐标。

电源5，为北斗天线、测距仪、通信模块等提供电源，并支持太阳能充电和外接电源。

在设计制造仪器时，需要建立仪器坐标系，精确标定测距仪相位中心、北斗天线相位中心之间的相对位置关系，确保测距仪轴线、望远镜视准轴和两个北斗天线确定的基线严格共线或提供补偿参数。同时，充分考虑仪器的实用性、便携性、兼容性、功耗和成本，进行工业设计，使其具备较强的环境适应能力。

通信模块、数据处理单元4、电源5可分离或集中在一个固定箱内。

在本发明实施例中，本发明实施例提供的基于北斗双天线和激光测距仪的实时定位方法，利用北斗rtk或星基增强技术，可以实现实时厘米级定位。将两个北斗天线安置在一个刚性横杆上，形成一个固定基线，这样不仅可以实时获得天线相位中心的三维坐标，还可以实时确定基线的方向向量。对于待测点，只要保证待测点落在基线所在直线上，即待测点与两个北斗天线三点共线，此时，利用激光测距仪测出任意天线或基线上已知位置一点沿基线向量到待测点的距离，即可利用共线方程，求得待测点三维坐标。

如图3所示，1和2分别为两个北斗天线，若已知1,2点的坐标，且1，2,和p三点位于同一直线上，测出p到2点的距离，便可根据1点坐标推导求得p点坐标。

设1，2两点的坐标分别为(x1,y1,z1)，(x2,y2,z2)，待测点p的坐标为(x,y,z)，点p到点2的距离为d，则1，2点所在直线的方向向量s为(x1-x2,y1-y2,z1-z2)，直线上任意一点的坐标(x,y,z)满足

即可将直线的参数方程表示为

用激光测距仪可以测得由点p到点2的距离d，于是有

(x-x2)²+(y-y2)²+(z-z2)²＝d²

因为点p在点1、2确定的直线上，所以也满足

则

t²(x1-x2)²+t²(y1-y2)²+t²(z1-z2)²＝d²

化简，得到

由直线的参数方程得，点p的坐标为

式中的正负号，根据实际中点p与点1、2的相对位置确定。

在本发明实施例中，利用该方法进行碎部点测量，可以在任意开阔地架设仪器，为保证测量精度，需避开遮挡和信号反射体的干扰。如果采用rtk模式，则需要在附近已知点上架设天线，作为基准站，并确保电台通信畅通；如果采用星基增强或地基增强定位模式，则需要通过卫星或移动网络接收增强信息，要确认通讯链路正常。仪器架设稳固后，开启北斗接收机，待输出固定解后，表示初始化完成，可以开始测量。通过望远镜，瞄准待测点，并固定。按下“测距”按钮，激光测距仪以无棱镜方式测得仪器至待测点的距离。

仪器内部利用两个天线的坐标，以及测距仪测得的待测点到仪器的距离，利用上述公式，即可算得待测点位置。

下面结合仿真实验对本发明作进一步描述。

图4-6是仿真实验结果中坐标差值随距离的变化情况，从图中可以看出，随着待测点与基准点之间距离的增加，坐标差值绝对值通常会呈现线性增加。根据共线方程，结合误差传播定律可知，待测点坐标精度与基准点坐标精度和待测点与基准点距离相关，理论上待测点中误差m和基准点中误差m0存在如下关系

式中，d和d分别为基准点间距和待测点与基准点距离。在本发明中，基准点间距即两个北斗天线相位中心的间距，设计为2m，待测点与基准点距离即碎部点与测量装置的距离，一般可以为几米到几十米。鉴于北斗rtk定位精度可达厘米级，则作业半径、碎部点测量精度和能够满足的测图比例尺之间存在表4所示关系。

表4作业半径、碎部点测量精度和能够满足的测图比例尺要求

在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用全部或部分地以计算机程序产品的形式实现，所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载或执行所述计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本发明实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，所述计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线(例如同轴电缆、光纤、数字用户线(dsl)或无线(例如红外、无线、微波等)方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输)。所述计算机可读取存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质(例如软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如dvd)、或者半导体介质(例如固态硬盘)等。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。