一种惯性辅助的gps/bds融合大比例尺快速宗地测量装置与方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及卫星定位、惯性定位以及组合导航定位技术，尤其是一种惯性辅助的 GPS/BDS融合大比例快速宗地测量装置与方法，属于测绘与导航技术领域，是一种宗地测量 方法。
【背景技术】
[0002] 随着我国国民经济的快速发展，各行业对位置信息的需求日益增加，特别对于城 镇区域大比例尺地形图，是国土管理与规划部门的基础资料，大比例尺地形图成为城镇建 设规划必不可少的基础信息。目前，城镇区域存在着无图、图件缺少以及图件老旧的现状， 极大地制约城镇区域空间规划。然而，面向城镇区域空间规划对三维地理信息图件的迫切 需求，亟需解决城镇大比例尺快速更新难题。传统方法仍然是利用GPS(全球导航定位系统） 和全站仪进行分级布网，完成宗地测量任务，普遍存在着宗地测量精度不高、自身技术受限 制等诸多问题。为完成我国城镇区域海量高精度三维空间地理信息的快速采集，迫切需要 一种适应各种复杂环境的快速宗地测量技术装备，保障我国城镇地理空间信息的现势性， 满足城镇规划的需要。
[0003] GPS技术的问世，给导航与测量行业带来了深刻的变革，特别是载波相位实时动态 定位技术(RTK)的出现，基于模糊度实时固定，可以实现厘米级与毫米级的定位精度，在地 形图测量、地籍测量等领域发挥了重要的作用。随着我国自主建立的北斗导航卫星系统 (BDS)的快速发展，通过多系统的融合，能够进一步提高系统的可靠性以及精度。卫星导航 定位的实现前提是保证接收到4颗以上的卫星信号，但在城镇区域的宗地测量过程中，由于 建筑物、树木密集，卫星信号受遮挡时常发生，极大地影响到了宗地测量的效率。
[0004] 惯性导航系统（INS)是20世纪初发展起来的一种新的导航技术，通过惯性测量单 元(IMU)测量角加速度及线加速度值，提供载体的实时位置，但定位误差随时间累积。惯性 测量基于给定的初始动态(位置、速度及姿态），对加速度测量值进行一次积分得到速度信 息，对速度信息进行一次积分获得位置信息，对角速度积分推算载体的姿态角，实现坐标的 转换。惯性测量是一种无需外界信息的自主测量技术，更新速率快，适应各种作业环境，具 有短时高精度的特点。但长时导航会出现位置偏离，需要外界信息进行修正。
[0005] 集成卫星定位技术与惯性测量技术既可提高卫星定位模型的收敛速度，又可限制 INS误差累积，随着惯性导航技术的进步以及惯导设备制造技术的不断成熟，采用高精度、 低成本的惯导系统成为可能，从而能够极大的减小组合系统的重量、大小以及成本，使系统 实用性得以增强。组合系统的使用能够有效提高外业人员的工作效率，减少作业成本，是解 决遮蔽区大比例尺地形图测绘的必然趋势与发展方向。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的是针对现有宗地测量技术的不足，提供一种基于卫星定位与惯性定 位的大比例尺快速宗地测量装置与方法，本发明能够快速、便捷、高效地完成村镇区域多种 复杂环境的宗地测量工作。
[0007] 本发明为实现上述目标，采用如下技术方案：
[0008] 一种惯性辅助的GPS/BDS融合大比例尺快速宗地测量装置，包括捷联惯导模块 (3)、GNSS OEM板卡(2)、手簿控制端（100)以及FPGA核心板卡(4);捷联惯导模块(3)用于采 集惯性测量信息，输出包括加速度、角速度在内的惯导观测数据到FPGA核心板卡(4)，GNSS OEM板卡(2)用于完成高精度GNSS信号的接收与处理，输出包括伪距、相位、时间在内的GNSS 观测数据到FPGA核心板卡(4) ;FPGA核心板卡(4)用于标定惯导数据时间以及进行GNSS观测 数据与惯导观测数据的数据融合，通过通讯模块(8)传输到手簿控制端，手簿控制端（100) 包括捷联解算模块(9)、惯导辅助部分模糊度固定模块（10)、组合滤波模块（11);捷联解算 模块(9)利用惯导数据进行捷联解算，惯导辅助部分模糊度固定模块（10)用于在卫星信号 重新捕获后，利用惯导输出的定位信息进行部分模糊度固定，输出高精度相位信息;组合滤 波模块（11)集成高精度相位信息和惯导输出进行GNSS/INS组合滤波;手簿控制端还接收 GNSS原始观测信息与惯性测量信息，采用载波紧集成技术进行综合解算，同时进行点位信 息存储与显示。
[0009] 所述的宗地测量装置，惯导辅助部分模糊度固定模块(10)利用惯导输出的定位信 息进行部分模糊度固定：
[0010] 1)首先同步接收参考站和移动站GNSS载波相位和伪距观测信息，形成双差观测值
[0013] 式中，AV为双差算子，V'表示GPS "G"或北斗"C" . P和Φ为伪距和载波观测值，星 地距为Ρ(0)，Τ表示对流层误差，I为电离层误差，λ为载波波长，Μ和m分别表示伪距和载波多 路径误差，ερ和是伪距和载波观测噪声；
[0014] 2)获得双差观测值后进行降相关处理；
[0015] 3)集成利用INS预测位置信息，提高模糊度解算的可靠性，组合系统模糊度解算方 差：
[0017] 式中Δνρ为GPS/BDS系统双差伪距，Δν^为双差相位观测值，Δνρ。为INS预测星地 距，Xb为位置误差改正数，X a*n维模糊度参数向量，Hb为设计矩阵，aP和^分别为伪距和载 波观测噪声，e INS为INS系统观测噪声，由组合滤波先验方程阵得到;L为观测向量，Η为观测 模型系数矩阵，X为待估参数向量，e为观测噪声向量；
[0018] 由最小二乘解算得到的浮点解的方差为
[0021 ]式中，P为观测值权阵；
[0022]对模糊度浮点解及式(5)采用LAMBDA方法即可实现模糊度的固定；
[0023] 4)首先进行整体模糊度解算(FAR)，进行模糊度成功率和Ratio检验，若检验通过， FAR解算成功，则直接利用固定的载波相位观测值进行紧组合系统状态更新；
[0024]模糊度成功率表示为
[0026]
为实数模糊度方差协方差分解后的矩阵对角线元 素 ，I = {i + 1，. . .，n}，gps 2 P(o)，P(o)为模糊度成功率检验阈值，则表示模糊度成功率检验 通过；
[0027] Ratio检验公式为
[0029] 其中0,为最优模糊度组残差二次型，02为次优模糊度组残差二次型，若Ratio 2 K， K为Ratio检验阈值，则表示Ratio检验成功；
[0030] 5)如果FAR失败，则采用部分模糊度固定(PAR)策略，采用模糊度取整固定成功率 方法对模糊度浮点解按成功率从高到底进行排序，删除当前成功率最小的模糊度浮点解， 获取模糊度子集，重新采用LAMBDA进行解算，按式(6)和(7)进行检验，检验通过后可利用固 定的载波观测值进行组合滤波解算，若检验不通过，删除下一个取整固定成功率最小的模 糊度浮点解，依次递推，直至检验通过；
[0031] 模糊度浮点解的取整固定成功率为
[0033]
，文为第i个模糊度的最近整数；
[0034] 6)利用已固定模糊度的载波相位观测值重新解算，获得更高精度的剩余模糊度浮 点解，再次进行模糊度解算；
[0035] 7)如果当前历元无法成功固定模糊度，则采用伪距观测值进行系统状态更新。
[0036] 所述的宗地测量装置，通讯模块(8)包括RS232串口和蓝牙通讯模块，用于实时传 输GNSS原始观测信息和惯性测量信息。
[0037] 所述的宗地测量装置，还包括一根可拆卸的对中杆，用于点位对中；装置顶部安装 了一个高精度的指北针和一个圆水准气泡，用于惯性模块的姿态初始化，包含惯导初始方 位、俯仰角及横滚角的初始化;装置侧面安装电源总开关、GNSS电源开关、惯导电源开关以 及FPGA板卡的电源开关，用于系统的启动控制。
[0038] 一种惯性辅助的GPS/BDS融合大比例尺快速宗地测量方法，该方法能够完成卫星 信号遮蔽、半遮蔽区的快速宗地测量工作，具体步骤如下：
[0039] 1)在单站RTK或网络RTK工作模式下，在测区起始点架设仪器，确保线路连接正确 后，依次打开总电源开关、GNSS电源开关和惯导电源开关，进行10s左右的系统预热，再打开 FPGA板卡电源开关；
[0040] 2)打开控制手簿，通过串口或蓝牙与宗地测量装置进行连接，建立宗地测量坐标 系