测绘系统和方法
【专利说明】测绘系统和方法
[0001] 本发明涉及用于借助于测绘杆来测量地面上的点的位置的测绘系统和测绘方法。 还涉及用于这种测绘系统的升级套件和测绘模块以及用于执行这种测绘方法的步骤的计 算机程序产品。
[0002] 在利用GNSS设备的测绘应用中，由GNSS接收器取得的测量结果不直接对应于待 测绘的目标点；相反的是，而是GNSS天线的所谓"相位中心"的位置测量结果。当前实践 是将天线装在杆上，并且确保该杆在关注点上精确完全垂直，并且针对该杆的长度对位置 进行补偿。然而，对杆的调平花费时间，并且希望在不需要对杆调平的情况下来测量目标位 置。
[0003] 在本文中，详细描述了用于利用融合了相对低成本的惯性传感器（加速度计和陀 螺仪）和GNSS测量来准确补偿杆的倾斜的方法。相比于其它公开方法，其具有优点，例如 惯性传感器具有相对低的成本，并且传感器误差在运行时间被明确评估。
[0004] 诸如NAVSTAR全球定位系统（GPS)这样的全球导航卫星系统（GNSS)目前在使用 实时动态（RTK)算法的测绘应用中例行使用，其利用来自一个或更多个附近基站的信息校 正接收器的位置。
[0005] 由GNSS接收器测量的位置处于GNSS天线的所谓"相位中心"，其对于高质量测绘 天线来说，是通常靠近该天线的机械中心的合格的位置。然而，测绘方关注的位置不在天线 处，而在地面上的点处；该天线通常安装在杆上以优化GNSS信号的接收。
[0006] 除非杆相对于地面精确垂直，天线的水平位置与关注地面上的位置相比将偏移。 调平装置（无论传统意义的水准仪还是较复杂的传感器排布结构）可以被用于确定杆是 否垂直至一定容差度以足够进行测量。另选的是，如果可以精确地测绘杆的角取向（"姿 态"），则可以补偿这个误差，假定长度已知杆。
[0007] 测绘杆相对于地面的角度不是一个简单的工作。虽然杆相对于垂直线的角度（俯 仰和滚转）的测量可以通过许多方法准确地实现（值得注意地，利用加速度计或倾斜计测 量局部重力），但杆相对于真北（偏航或方位）的取向的测量相对较困难。
[0008] 用于实现方位测量的最显见方式是使用电子罗盘，其能够测量相对于磁北的 取向。然而，除磁北与真北之间的偏移以外，罗盘读数还可以受诸如黑色金属（ferrous metal)和电流的磁场干扰，这两者在一些建筑工地周围常见。为避免这些缺陷，确定偏航的 另一方法是所希望的。
[0009] 当在诸如汽车的常规地面交通工具中安装时，可以根据GNSS速度推断方位角，因 为车辆在正常情况下与行进方向对准。然而，因为杆安装的天线可以沿任意方向移动，所以 GNSS速度不是方位确定的可靠途径。
[0010]当静止时，高等级惯性传感器能够测量地球的转速，其接着可以被用于寻找北极。 当利用高质量陀螺仪（"陀螺仪（gyros)"）时，已知为"陀螺定罗盘"的过程可以在固定的 同时使用，以通过比较每一个轴的测量到的转速来确定北极。
[0011] 在知道了初始位置和姿态时，就能够导航高质量INS，而不需要参照GNSS或其它 外部测量结果，使其对于GPS不可用时的测绘应用有用。这例如在US 2009024325A1中进行 了描述，其描述了在GNSS方案不可用的测绘应用中使用的INS。然而，随着惯性导航方案数 学地旋转并对原始惯性传感器测量结果积分，较小的误差将累积，从而位置解（和方位解， 其必须作为副产品保持）将无边界地漂移。
[0012] INS的漂移问题已经广泛研宄了一些时间。位置和姿态解的漂移（和由此用于补 偿杆倾斜的途径）可以通过将GNSS或其它外部测量结果与已在航空航天领域中长期存在 并且现在被用于测绘应用中的惯性导航系统（所谓的"辅助惯性导航系统"(AINS))智能地 融合而遏制。
[0013] 虽然高质量"导航级"和"战术级"惯性传感器在确定位置和姿态方面无疑是有用 的（无论GNSS辅助还是其它），但它们也非常昂贵、笨重、庞大而且遭受高功耗的困扰，其中 导航级指可以有用于独立导航达许多小时（例如，包括环型激光陀螺仪（RLG)，而战术级通 常指用于短距离的导航需求，例如，包括光纤陀螺仪（F0G))。与此相反，过去十年左右已经 看到基于MEMS (微机电传感器）技术的惯性传感器的兴起，其与传统高等级装置相比具有 大致较低的性能，但与高等级惯性传感器相比，具有体积小、功率低、重量轻并且便宜超过 一个数量级的优点。MEMS惯性传感器目前被例行集成到如游戏机控制器和移动电话的低准 确度消费类应用中。虽然一些高端硅MEMS也可以被视为战术级，MEMS传感器通常是"消费 级"或"工业级"。消费级指用于诸如冲击检测、自由落体检测、移动电话或计算机游戏控制 器的应用的、具有粗糙运动感测的便宜传感器。工业级指对要求某种程度的运动感测精度 的应用有用的传感器，如，制造机器人、机器控制、汽车电子稳定性、坡道起步辅助以及入门 级姿态和航向基准系统（AHRS)。
[0014] MEMS传感器像许多集成电路技术一样，随着时间的过去在性能有了相当大的改 进。尽管它们目前仍不适用于独立惯性导航，但它们与高等级AINS方案类似的方式与GNSS 测量结果融合以保持足够准确度的姿态解，来补偿测绘杆的倾斜。而且，GNSS和INS的组 合大于其各部分之和，两者的智能集成允许评估并去除存在于MEMS惯性传感器中的大部 分误差。
[0015] 利用MEMS装置的缺陷在于，其依靠可用的高质量的GNSS方案，对于诸如定粧这样 的许多测绘和相关活动而言通常是这种情况。通常来说，根据传感器的等级，超过几秒钟没 有GNSS方案的情况下将导致姿态漂移到容差之外。一般来说，测绘应用需要高质量位置， 并且因此在GNSS停机期间姿态漂移通常不成为问题。在重新获取了 GNSS时，较小的漂移 将加速姿态解的重新收敛。稳定性与成本之间的折中由设计者进行。
[0016] 姿态可以被解释为三个不同旋转的组合：作为"（当与飞机有关时）机翼抬升、机 翼下放"的滚转；作为"机头抬升、机头下放"的俯仰；以及对应于平台所指的航向的偏航。 传统上，俯仰和滚转通过测量局部重力矢量（其诱发加速度计上的加速度测量结果）来观 察，而偏航通过使用磁罗盘来观察。
[0017] 虽然在相关技术中（例如，在 US 2003046003 A1、US 5512905 A、EP 2040029 A1、 EP 1726915 Al以及JP 2005043088 A中），加速度计（"倾斜传感器"）和罗盘先前已经被 用于补偿杆的倾斜，但其受限于传感器的准确度并且经受局部磁场扰动的影响。例如，典型 的MEMS加速度计在没有细心的工厂校准的情况下可能有四度或更大的误差，这对于测绘 应用来说是不可接受的。而且，在没有高保真和计算上昂贵的磁模型的情况下，即使没有因 (例如）汽车和电力线造成的任何本地扰动场，局部磁偏角（真北与磁北之间的角）在误差 上甚至可以达到三度。
[0018] 当惯性传感器测量与GPS智能地组合时，在经受特点运动条件时，偏航角（即使不 借助于磁罗盘）和导致俯仰和滚转方面的误差的传感器误差这两者都可以被估计。特别 地，通常被视为最难于估计的偏航角已经在学术文献示出成在惯性传感器经受水平面中的 加速度变化（通常是测绘操作期间的情况）时朝其真实值收敛。对于与高等级装置相比具 有显著误差的MEMS装置来说该情况更复杂。在高等级传感器中，竖直陀螺仪上的偏置误差 自然可通过地球旋转来观察。在MEMS装置中，地球旋转造成的信号被掩模在噪声和偏置 中。因此，MEMS需要更强势的操纵以使偏航可观察，但在运动下可观察的基本事实不改变。 [0019] 记着这种观察，可以注意到，磁罗盘对于偏航的估计不是严格地需要（并由此，如 果成本成为问题则可以去除），但仍可以用于偏航的粗略初始化或如果偏航已经因缺乏运 动达一段时间则提供补充测量。
[0020] 在本文中使用的记号如下：
[0021] 尺寸k的单位矩阵用Ik表示。从a体系（frame)至b体系的旋转矩阵用《表示。
[0022] 表示以c体系表达的、b体系相对于a体系的矢量α。
[0023] [A] X是由矢量A构造的反对称矩阵，以使当乘以矢量B时，结果等同于A和B的 叉积，即，[A] XB = ΑΧΒ。量的时间导数利用圆点记法表达（例如，樣），估计量（由于不 同于它们的真实值）利用帽子（hat)表示（例如，)。
[0024] 在本文中，b体系是主体固定体系，η体系是地球固定局部切线体系（北、东、下）， e体系是地球为中心的地球固定（ECEF)体系，并且i体系是地球为中心的惯性（ECI)体系。
[0025] GPS/INS估计INS的基准点处的位置，d。希望在杆端部处的、地面上的位置^。 因为INS基准点相对于杆的顶端的偏移量是已知的（即，杆长度和INS基准点在杆端部上 的位置），所以可以利用下式来计算杆的顶端处的点：
[0026]
【主权项】
1. 一种用于测量地面上的测量点（1)的位置的测绘系统，该测绘系统包括：鲁测绘杆 (10)，该测绘杆具有 〇主体（13)，该主体（13)具有用于接触所述测量点（1)的指针尖端（12)，以及 〇位置给出装置，该位置给出装置用于使基准位置的坐标确定可用，所述位置给出装 置以相对于所述尖端（12)的限定空间关系设置在所述主体（13)上，具体地，其中，所述位 置给出装置包括后向反射器（11)和/或GNSS天线（19)， 鲁确定装置，该确定装置用于重复确定所述位置给出装置的所述基准位置，以及 鲁评估装置（17)，该评估装置（17)用于至少基于所确定的基准位置并且基于所述位 置给出装置相对于所述尖端（12)的所述限定空间关系，来导出所述测量点（1)的所述位 置， 其特征在于， 鲁所述测绘杆（10)还包括惯性测量单元（18)，该惯性测量单元（18)以相对于所述位 置给出装置的限定空间关系设置在所述主体（13)上，其中，所述惯性测量单元（18)包括 IMU传感器，该IMU传感器包括加速度计和陀螺仪， 鲁所述测绘系统还包括頂U处理装置，该MU处理装置用于基于由所述惯性测量单元 取得的测量结果来重复确定惯性状态数据，并且在于 鲁所述评估装置（17)还被构造成用于 〇向预定滤波算法馈送重复确定的所述基准位置和重复确定的所述惯性状态数据，并 根据其导出针对所述测绘杆（10)的基准姿态数据，将所述惯性测量单元（18)相对于所述 位置给出装置的所述限定空间关系考虑在内， 〇在所述预定滤波算法内使用均差滤波器，以及 〇进一步使用所述基准姿态数据来导出所述测量点（1)的所述位置。
2. 根据权利要求1所述的测绘系统， 其特征在于， 所述惯性测量