全站仪与GNSS协同的电力勘测三维一体化测量装置的制作方法

全站仪与gnss协同的电力勘测三维一体化测量装置
技术领域
1.本实用新型涉及电力工程勘测技术领域，尤其涉及一种全站仪与gnss协同的电力勘测三维一体化测量装置。


背景技术：

2.在电力工程勘测过程中，待测点平面坐标与正常高高程的获取方法一般有两种，一是在测站点处安置全站仪，在测站定向后，使用全站仪极坐标法获得待测点的平面坐标，以及使用全站仪三角高程测量的方法或者水准测量方法获得正常高高程，二是直接使用两台gnss接收机，一台做gnss基准站，另一台做gnss流动站，通过rtk方法获得gnss流动站处待测点的平面坐标和大地高程，然后通过高程拟合方法将大地高高程转换为正常高高程。
3.但是在工程建设的过程中，平面控制测量和高程控制测量特别容易受到施工环境的影响。首先平面控制测量和高程控制测量贯穿了工程建设的规划设计、施工建设、安全监测的整个过程，控制点使用频繁，但在施工建设的过程中，控制点经常受到破坏，由已知控制点对已被破坏的控制点放样而对其进行恢复往往需要花费大量的时间，这会对工程建设的进度造成影响，因此gnss技术开始被考虑运用到工程建设领域。
4.gnss技术是一种可以在地球表面或近地空间的任何地点为用户提供全天候全天时的三维坐标和速度以及时间信息的空基无线电导航定位系统。利用gnss技术获取的空间坐标中平面坐标(x，y)可以达到较高定位精度，但这种技术获得的大地高高程h的定位精度相比平面坐标(x，y)的定位精度而言要差，约为1/2～1/3，同时还得考虑通过高程拟合方法将大地高高程转换为正常高高程这一过程，然而这一过程还会损失高程转换精度，因此，gnss技术通常难以满足工程勘测正常高高程测量精度要求，因此提高工程勘测正常高高程测量精度有待进一步研究。


技术实现要素：

5.本实用新型所要解决的技术问题是：提供一种全站仪与gnss协同的电力勘测三维一体化测量装置，可提高工程勘测高程测量精度。
6.为了解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案为：一种全站仪与gnss协同的电力勘测三维一体化测量装置，包括壳体、gnss天线和反射件，所述gnss天线和所述反射件分别设置于所述壳体上。
7.进一步地，所述反射件为反射棱镜，所述反射棱镜嵌置于所述壳体上，所述反射棱镜靠近壳体内部的一端设有互相垂直的三个切面，所述反射棱镜过顶点的中心轴与过所述gnss天线的几何相位中心的竖向线正交。
8.进一步地，所述反射件包括至少一个的全站仪反射片，所述至少一个的全站仪反射片围绕设置于所述壳体上，所述至少一个的全站仪反射片的观测点位于同一平面上，且所述同一平面与所述gnss天线的相位中心所在的水平面平行。
9.进一步地，所述反射件还包括反射棱镜，所述反射棱镜靠近壳体内部的一端设有
互相垂直的三个切面，所述反射棱镜的顶点位于所述同一平面上。
10.进一步地，所述反射棱镜的径向深度大于或等于倍的所述反射棱镜的半径。
11.进一步地，还包括gnss接收主机，所述gnss接收主机设置于所述壳体内，所述gnss接收主机与所述gnss天线连接。
12.进一步地，还包括支撑件，所述壳体设置于所述支撑件上。
13.进一步地，还包括水准器，所述水准器水平设置于所述支撑件上。
14.进一步地，所述支撑件上设有水平平台，所述水准器设置于所述水平平台上。
15.进一步地，所述壳体上靠近所述反射件的位置处设有瞄准辅助标记。
16.本实用新型的有益效果在于：通过将全站仪反射件集成至gnss接收机中，并将集成了全站仪反射件的gnss接收机架设在已知点和待测点，由gnss接收机使用rtk方法获得待测点的平面坐标，由全站仪使用三角高程测量方法获得待测点的正常高高程，从而实现了待测点的三维定位一体化勘测作业模式，且提高了gnss接收机的高程测量精度。
附图说明
17.图1为本实用新型实施例一的一种电力勘测三维一体化测量装置的结构示意图；
18.图2为本实用新型实施例一的反射棱镜的结构示意图；
19.图3为本实用新型实施例一的反射棱镜的径向深度示意图；
20.图4为本实用新型实施例一的反射棱镜中四面体部分的结构示意图；
21.图5为本实用新型实施例一的反射棱镜中四面体部分的俯视图；
22.图6为本实用新型实施例一的反射棱镜中四面体部分的侧面图；
23.图7为本实用新型实施例一的反射棱镜中四面体部分的剖面图；
24.图8为本实用新型实施例一的反射棱镜的常数的计算原理示意图；
25.图9为本实用新型实施例二的一种电力勘测三维一体化测量装置的结构示意图；
26.图10为本实用新型实施例三的三维定位方法的流程图；
27.图11为本实用新型实施例三的高程测量原理示意图；
28.图12为本实用新型实施例三的北斗系统坐标系(cgcs2000坐标系)与电力勘测坐标系的关系示意图。
29.标号说明：
30.1、壳体；2、gnss天线；3、反射件；4、支撑件；5、水平平台；6、水准器；
31.31、反射棱镜；32、全站仪反射片。
具体实施方式
32.为详细说明本实用新型的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图详予说明。
33.请参阅图1，一种全站仪与gnss协同的电力勘测三维一体化测量装置，包括壳体、gnss天线和反射件，所述gnss天线和所述反射件分别设置于所述壳体上。
34.从上述描述可知，本实用新型的有益效果在于：可实现三维定位，且提高了gnss接收机的高程测量精确。
35.进一步地，所述反射件为反射棱镜，所述反射棱镜嵌置于所述壳体上，所述反射棱
镜靠近壳体内部的一端设有互相垂直的三个切面，所述反射棱镜过顶点的中心轴与过所述gnss天线的几何相位中心的竖向线正交。
36.进一步地，所述反射件包括至少一个的全站仪反射片，所述至少一个的全站仪反射片围绕设置于所述壳体上，所述至少一个的全站仪反射片的观测点位于同一平面上，且所述同一平面与所述gnss天线的相位中心所在的水平面平行。
37.由上述描述可知，通过在gnss接收机的外壳上设置由全站仪反射片组成的反射护圈，使得gnss接收机可全方位的接收并反射全站仪发出的信号。
38.进一步地，所述反射件还包括反射棱镜，所述反射棱镜靠近壳体内部的一端设有互相垂直的三个切面，所述反射棱镜的顶点位于所述同一平面上。
39.进一步地，所述反射棱镜的径向深度大于或等于倍的所述反射棱镜的半径。
40.由上述描述可知，保证可在反射棱镜上设置正交的三个切面，从而保证反射棱镜可完全反射全站仪发出的信号。
41.进一步地，还包括gnss接收主机，所述gnss接收主机设置于所述壳体内，所述gnss接收主机与gnss天线连接。
42.由上述描述可知，gnss天线用于为gnss接收主机搜索、跟踪、锁定gnss导航卫星信号，gnss接收主机可根据gnss导航卫星信号，解算出位置信息。
43.进一步地，还包括支撑件，所述壳体设置于所述支撑件上。
44.由上述描述可知，便于测量装置的支撑架设。
45.进一步地，还包括水准器，所述水准器水平设置于所述支撑件上。
46.进一步地，所述支撑件上设有水平平台，所述水准器设置于所述水平平台上。
47.由上述描述可知，便于后续观测测量装置是否整平。
48.进一步地，所述壳体上靠近所述反射件的位置处设有瞄准辅助标记。
49.由上述描述可知，便于后续全站仪进行瞄准，提高瞄准的精准度和效率。
50.实施例一
51.请参照图1-8，本实用新型的实施例一为：一种全站仪与gnss协同的电力勘测三维一体化测量装置，可应用于电力勘测工程。
52.如图1所示，包括壳体1、gnss天线2、反射件3、gnss接收主机(图中未示出)和支撑件4，壳体1设置于支撑件5上，本实施例中，支撑件5为支撑杆，壳体1的下端与支撑杆的上端螺旋连接。gnss天线2设置于壳体1上，进一步地，设置于壳体1的顶部，即壳体1远离支撑件4的一侧，gnss接收主机设置于壳体1内，gnss接收主机通过信号线与gnss天线2的馈线连接。gnss天线用于为gnss接收主机搜索、跟踪、锁定gnss导航卫星信号，gnss接收主机可根据gnss导航卫星信号，解算出位置信息。优选地，gnss天线2位于壳体1顶部的中心处，gnss天线2采用半径小于5cm的轻质天线材质。
53.进一步地，支撑件4上水平设有水平平台5，优选地，水平平台5设置于支撑杆的中部且与支撑杆正交；水平平台5上设有水准器6，本实施例中，水准器6采用圆水准器。
54.反射件3设置于壳体1上，反射件3用于接收全站仪发出的电磁波信号，并将其反射回去。本实施例中，壳体1上靠近反射件3的位置处可设置瞄准辅助标记(图中未示出)，例如，在壳体外表面画瞄准辅助线，便于后续全站仪进行瞄准，提高瞄准的精准度和效率。
55.本实施例中，反射件3为反射棱镜31，反射棱镜31嵌置于壳体1上，进一步地，反射
棱镜3位于壳体1的侧边，反射棱镜31靠近壳体1外部的一端面与壳体1的外侧壁齐平，结合图2所示，反射棱镜31靠近壳体1内部的一端设有互相垂直的三个切面，反射棱镜31过顶点(即三个切面的交点，也即图2中的点s)的中心轴与过gnss天线2的几何相位中心的竖向线正交，同时，该正交点与gnss天线2的几何相位中心以及支撑件4的轴心共线。本实施例中，反射棱镜的材质为玻璃，折射率为1.45-1.55，优选为1.5。
56.图3示出了反射棱镜的径向深度h，本实施例中，r为反射棱镜的半径，才可保证可实现反射棱镜的功能，具体推导过程如下：
57.由于反射棱镜的一端设有正交的三个切面，因此反射棱镜的一端可看作为一个四面体，如图4所示，s为四面体顶点，as
⊥
bs，bs
⊥
cs，sc
⊥
as，且sa＝sb＝sc，
△
abc为等边三角形，即ac＝cb＝ba。
58.图5为反射棱镜中四面体部分的俯视图，并在俯视图中作
△
abc的外接圆，其中，点o是四面体的顶点s在平面abc上的垂直投影点，因此点o为等边三角形abc外接圆的圆心，假设
△
abc外接圆半径为r，oa＝ob＝oc＝r，过o作op
⊥
ab，则∠oap＝30
°
，op＝(1/2)r，
59.图6为四面体的侧面图，由于因此并且由于sa＝sb，as
⊥
bs，即
△
abs为等边直角三角形，因此根据体积原理可得：
[0060][0061]
其中，v
s-abc
为四面体的体积，s
sac
为
△
sac的面积，s
abc
为
△
abc的面积，h为四面体的高，即h＝so。
[0062]
对上述公式进行推理计算可得
[0063]
图7为反射棱镜中四面体部分的剖面图，剖切面即为spo所在的平面，其中，点m为
△
abc外接圆的圆心o在圆m(以m点为圆心的圆)所在平面的投影，由于op＝(1/2)r，md＝r(md即为反射棱镜的半径)，并根据三角形相似原理可得：
[0064][0065]
可得则
[0066]
从上述推导可得，为了实现棱镜的功能，反射棱镜的径向深度h与其半径r的关系为
[0067]
即仅当径向深度h与其半径r满足上述关系，才能保证可在反射棱镜上切出三个互相垂直的面，从而使得反射棱镜可实现接收并反射全站仪发出的信号的功能。
[0068]
如图8所示，反射棱镜的常数p＝-(n-1)
×
h+d，其中，n为反射棱镜的材质的折射率，本实施例中，n为1.45-1.55，优选地，n＝1.5；h为反射棱镜的径向深度，d为反射棱镜的顶点与过gnss天线的几何相位中心的竖向线之间的距离。
[0069]
本实施例中，通过将全站仪反射件集成至gnss接收机中，使得后续进行三维定位
时，可通过原来的gnss天线实现待测点平面坐标的测量，通过全站仪自由设站法实现待测点高程的测量，从而实现待测点的三维定位一体化勘测作业模式。
[0070]
实施例二
[0071]
请参照图9，本实施例为实施例一的全站仪与gnss协同的电力勘测三维一体化测量装置的另一种实施方式，相同之处不再累述，区别在于，如图所示，本实施例中，反射件3包括至少一个的全站仪反射片32，至少一个的全站仪反射片32围绕设置于壳体1上，形成反射护圈，这些全站仪反射片32的观测点(即全站仪反射片上的标靶标记的中心点)位于同一平面上，且该同一平面与gnss天线2的几何相位中心所在的水平面平行。
[0072]
假设两平面相差固定距离为d，全站仪反射片的高程为y(可通过全站仪三角高程测量方法获得)，因此，gnss天线的几何相位中心的高程z＝y+d或z＝y-d。而gnss天线的几何相位中心的平面坐标可通过gnss卫星定位技术实现，并通过gnss天线的瞬时相位中心、平均相位中心与几何相位中心之间的相互转换关系获得。
[0073]
进一步地，在其他可选的实施例中，反射件3还包括实施例一所述的反射棱镜31，即同时包括反射棱镜31和全站仪反射片32，且反射棱镜31的顶点与全站仪反射片32的观测点位于同一平面上，即在反射棱镜31位于反射护圈的某个方位处。
[0074]
本实施例通过在gnss接收机的外壳上设置由全站仪反射片组成的反射护圈，使得gnss接收机可全方位的接收并反射全站仪发出的电磁波信号。
[0075]
实施例三
[0076]
请参照图10-12，本实施例为基于上述实施例的全站仪与gnss协同的电力勘测三维一体化测量装置的三维定位方法，如图10所示，包括如下步骤：
[0077]
s1：分别在已知点和待测点上架设三维定位装置(即三维一体化测量装置)，并在已知点和待测点的预设范围内的任意点上架设全站仪，即全站仪自由架站。
[0078]
如图11所示，在已知点a和待测点b架设上述实施例所述的电力勘测三维一体化测量装置，已知点a上的三维定位装置可作为基准站，待测点b上的三维定位装置可作为流动站。架设好基准站后，检查相关设备的连接状况，包括基准站与电源连接、基准站与流动站通过电台信号连接，流动站与移动手簿通过蓝牙信号连接。然后在合适的任意点k架设全站仪，并整平全站仪。
[0079]
s2：获取已知点的正常高高程，并获取已知点上的三维定位装置的反射件到已知点的高度，得到第一高度，获取待测点上的三维定位装置的反射件到待测点的高度，得到第二高度。
[0080]
具体地，可通过卷尺测量已知点上的三维定位装置中的反射件到已知点的竖直高度，作为第一高度va，同理，通过卷尺测量待测点上的三维定位装置中的反射件到待测点的竖直高度，作为第二高度vb。
[0081]
s3：将全站仪照准已知点上的三维定位装置的反射件，获取第一斜距以及第一竖直夹角。如图11所示，第一斜距sa为k点上的全站仪与已知点(a点)上的三维定位装置中被照准的反射件之间的距离，第一竖直夹角αa为全站仪与已知点上的三维定位装置中被照准的反射件之间的连线与水平方向(水平面)之间的夹角。
[0082]
s4：将全站仪照准待测点上的三维定位装置的反射件，获取第二斜距以及第二竖直夹角。如图11所示，第二斜距sb为k点上的全站仪与待测点(b点)上的三维定位装置中被
照准的反射件之间的距离，第二竖直夹角αb为全站仪与待测点上的三维定位装置中被照准的反射件之间的连线与水平方向(水平面)之间的夹角。
[0083]
在执行步骤s3和s4时，保持全站仪在k点不动。
[0084]
s5：根据已知点的正常高高程、第一高度、第二高度、第一斜距、第一竖直夹角、第二斜距和第二竖直夹角，计算待测点的正常高高程。
[0085]
具体地，在一个可选的实施例中，根据第一高程计算公式hb＝ha+sb·
sinα
b-sa·
sinαa+v
a-vb，计算待测点的正常高高程hb，其中，ha为已知点a的正常高高程，sa为第一斜距，αa为第一竖直夹角，sb为第二斜距，αb为第二竖直夹角，va为第一高度，vb为第二高度。
[0086]
在一种实施方式中，将已知点和待测点上的三维定位装置中的反射件放置得一样高，即va＝vb，则待测点的正常高高程hb＝ha+sb·
sinα
b-sa·
sinαa。
[0087]
在另一个可选的实施例中，根据第二高程计算公式hb＝ha+sb·
sinα
b-sa·
sinαa+[(1-k)/2r
地
][(sb·
cosαb)
2-(sa·
cosαa)2]+v
a-vb，计算待测点的正常高高程hb，其中，k为大气垂直折光系数，即地球曲率半径与视线曲率半径之比，k＝0.14，r
地
为地球曲率半径，一般取6371km。通过修正大气垂直折光误差、地球曲率误差等因素对高程测量的综合影响，提高电力勘测三维定位装置高程测量精度。
[0088]
s6：确定北斗系统坐标系与电力勘测坐标系之间的转换关系。
[0089]
具体地，在流动站显示为固定解的状态下，采集至少两个已知点的北斗系统坐标系(本实施例中的北斗系统使用cgcs2000坐标系)下的平面坐标，确定cgcs2000坐标系相对于电力勘测坐标系的四个转换参数：旋转参数α、尺度参数m、平移参数x0、y0，具体确定过程如下所述。
[0090]
如图12所示，o
’‑
x’y’为北斗系统使用的cgcs2000坐标系(2000国家大地坐标系)，o-xy为电力勘测坐标系，假设已知点pi在cgcs2000坐标系中的坐标为(xi，yi)，在电力勘测坐标系中的坐标为(xi，yi)，cgcs2000坐标系的原点o’在电力勘测坐标系中的坐标为(x0，y0)，cgcs2000坐标系与电力勘测坐标系之间的旋转角为α，cgcs2000坐标系到电力勘测坐标系的尺度参数为m，则有：
[0091][0092][0093][0094]
令a＝mcosα-1，b＝msinα，则有：
[0095][0096]
[0097]
令
[0098]
假设有n个已知点p，这n个已知点在电力勘测坐标系中的坐标分别为(x1，y1)，(x2，y2)，
……
，(xn，yn)，这n个已知点在cgcs2000坐标系中分别为(x1，y1)，(x2，y2)，
……
，(xn，yn)，则有：
[0099][0100]
则v＝bx-l，v为改正数矩阵(若无误差，v为零矩阵)，根据最小二乘原理，参数解算应当满足条件v
t
v＝min，可得x＝(b
t
b)-1bt
l，解出x后，即求得x0和y0，同时求得a和b，进而可以解出m和α，计算过程如下
[0101]
由于，
[0102]
变形为：
[0103][0104]
即：
[0105][0106]
由旋转参数α、尺度参数m、平移参数x0、y0，建立cgcs2000坐标系与电力勘测坐标系之间的转换关系：
[0107][0108]
其中，(x,y)为某个点电力勘测坐标系中的坐标，(x’,y’)为该点cgcs2000坐标系中的坐标，α为cgcs2000坐标系到电力勘测坐标系的旋转角度(旋转参数)，m为电力勘测坐标系的单位长度与cgcs2000坐标系的单位长度的比值(尺度参数)，(x0，y0)为cgcs2000坐标系的原点在电力勘测坐标系中的坐标(平移参数)。
[0109]
s7：通过待测点上的三维定位装置获取所述待测点在北斗系统坐标系中的平面坐标，并根据所述转换关系，转换得到所述待测点在电力勘测坐标系中的平面坐标。
[0110]
即通过待测点上的三维定位装置中的gnss天线和gnss接收主机，获取待测点在
cgcs2000坐标系中的平面坐标，然后通过步骤s6中的转换关系，将cgcs2000坐标系中的平面坐标转换为电力勘测坐标系中的平面坐标。
[0111]
进一步地，上述步骤中，步骤s1和步骤s6可不分先后执行，步骤s2-s5和步骤s7可不分先后执行。
[0112]
本实施例通过在已知点处和待测点处架设集成了全站仪反射件的gnss接收机，并将已知点处的接收机设为基准站模式，待测点处的接收机设为流动站模式，通过接收机的rtk测量方式测得已知点与待测点处的平面坐标，通过全站仪自由设站测量高程的方法，由已知点的高程推算待测点的高程，从而在使用接收机测得待测点平面坐标的同时也可以测得待测点处的高程，进而克服了gnss接收机高程测量精确度无法满足电力工程勘测要求的缺点。
[0113]
综上所述，本实用新型提供的一种全站仪与gnss协同的电力勘测三维一体化测量装置，结合了gnss技术在平面坐标测量中快速、简便、精度高等优点，使用全站仪三角高程测量方法对其高程测量精度不高的缺点进行了弥补，通过将全站仪反射件集成至gnss接收机中，将gnss技术获取待测点空间三维坐标(平面坐标+大地高)的方法改为获取2+1维坐标，即由gnss接收机使用rtk方法获得平面坐标，由全站仪使用三角高程测量的方法获得正常高高程，实现全站仪与gnss协同三维定位一体化勘测作业模式。
[0114]
以上所述仅为本实用新型的实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。