專利名稱：一種動(dòng)態(tài)定位系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及測(cè)繪中的定位技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種動(dòng)態(tài)定位系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有的GPS與激光測(cè)距技術(shù)集成應(yīng)用的開發(fā)大部分都是基于GPS與三維激光掃描儀的集成應(yīng)用。美國，加拿大，瑞典，日本，荷蘭等國家都陸續(xù)研發(fā)出相關(guān)陸地移動(dòng)測(cè)試產(chǎn)品，例如美國俄亥俄州立大學(xué)的GPS Van系統(tǒng)，卡爾加里大學(xué)的VISATTM系統(tǒng)，慕尼黑聯(lián)邦軍事大學(xué)的KISSTM系統(tǒng)，瑞典的Top Eye機(jī)載系統(tǒng)，美國的Cyra系統(tǒng)，法國Riegl公司的小型地面系統(tǒng)等。我國也研發(fā)出了同類產(chǎn)品，例如武漢測(cè)繪科技大學(xué)地球空間信息技術(shù)開發(fā)組開發(fā)的激光掃描測(cè)量系統(tǒng)，中國測(cè)繪科學(xué)開發(fā)院四維公司研發(fā)的三維影像掃描測(cè)量系 統(tǒng)等。然而，現(xiàn)有的GPS與激光測(cè)距技術(shù)集成產(chǎn)品普遍存在固定投資大、靈活性差、目標(biāo)針對(duì)性不強(qiáng)、數(shù)據(jù)采集量大、生產(chǎn)工藝復(fù)雜的缺陷。同時(shí)，這些產(chǎn)品對(duì)移動(dòng)載體的運(yùn)動(dòng)速度及其平臺(tái)穩(wěn)定性等具有較高要求，使得在高動(dòng)態(tài)移動(dòng)載體平臺(tái)條件下獲取目標(biāo)空間位置信息時(shí)，例如，基于船載平臺(tái)獲取海島礁位置信息時(shí)，其應(yīng)用將受到很大程度的限制。由于受脈沖激光測(cè)距技術(shù)的延遲時(shí)間、有效距離、精度限制等影響，GPS與脈沖激光測(cè)距技術(shù)的同步集成還處于空白狀態(tài)?，F(xiàn)有的GPS與脈沖激光測(cè)距儀集成的產(chǎn)品很少，超站儀是較為相近的一款產(chǎn)品。超站儀是GPS和全站儀結(jié)合的新型測(cè)繪儀器，它集成了全站儀與GPS的大部分功能，可以實(shí)現(xiàn)無地面控制的地面測(cè)量，具有定位精度高、勞動(dòng)強(qiáng)度低的優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)在很多測(cè)量領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。但該設(shè)備不能實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的動(dòng)態(tài)定位，且需要棱鏡輔助才能實(shí)現(xiàn)長距離量程，這在很大程度上使得該設(shè)備無法在動(dòng)態(tài)平臺(tái)上滿足各種目標(biāo)動(dòng)態(tài)定位需求。此外，超站儀本身無法適應(yīng)移動(dòng)載體移動(dòng)過程中基座不置平的問題，無法在移動(dòng)載體上實(shí)施測(cè)量功能，不能實(shí)現(xiàn)快速移動(dòng)測(cè)量功能。尤其，對(duì)于一些無法確立站標(biāo)的地段，例如不能登陸的島嶼，火山口，塌陷區(qū)域、危險(xiǎn)禁區(qū)等，無棱鏡反射測(cè)量的量程顯得過短，不能滿足危險(xiǎn)地段與軍事目標(biāo)的測(cè)設(shè)要求。

實(shí)用新型內(nèi)容(一 )要解決的技術(shù)問題本實(shí)用新型要解決的技術(shù)問題是提供一種動(dòng)態(tài)定位系統(tǒng)，其能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)不宜或不易到達(dá)的目標(biāo)物的定位，并能提高動(dòng)態(tài)定位的定位精度。( 二 )技術(shù)方案為解決上述問題，本實(shí)用新型提供了一種動(dòng)態(tài)定位系統(tǒng)，包括用于獲取動(dòng)態(tài)觀測(cè)站與目標(biāo)點(diǎn)之間距離信息的脈沖激光測(cè)距單元；用于獲取動(dòng)態(tài)觀測(cè)站的空間位置信息和脈沖激光測(cè)距單元發(fā)射激光脈沖信號(hào)時(shí)刻的GPS時(shí)間的衛(wèi)星定位單元；與所述衛(wèi)星定位單元和所述脈沖激光測(cè)距單元連接，用于同步控制所述衛(wèi)星定位單元和所述脈沖激光測(cè)距單元的同步控制單元；用于獲取動(dòng)態(tài)觀測(cè)站的姿態(tài)信息時(shí)序，并根據(jù)所述姿態(tài)信息時(shí)序計(jì)算所述激光脈沖信號(hào)發(fā)射時(shí)刻動(dòng)態(tài)觀測(cè)站的姿態(tài)信息的姿態(tài)測(cè)量單元；與所述衛(wèi)星定位單元、脈沖激光測(cè)距單元和姿態(tài)測(cè)量單元分別連接，用于計(jì)算目標(biāo)點(diǎn)空間位置信息的數(shù)據(jù)采集與處理單元。優(yōu)選地，系統(tǒng)還包括用于輸入控制指令，并為顯示所述目標(biāo)點(diǎn)的空間位置信息的輸入輸出單兀。優(yōu)選地，所述衛(wèi)星定位單元包括GPS雙頻OEM板和GPS天線。優(yōu)選地，所述脈沖激光測(cè)距單元為長距離低延遲脈沖激光測(cè)距儀。優(yōu)選地，所述姿態(tài)測(cè)量單元為三維數(shù)字羅盤。優(yōu)選地，所述輸入輸出單元包括防水防鹽霧的鍵盤和顯示屏。優(yōu)選地，所述數(shù)據(jù)采集與處理單元包括多串口集成板和防水防鹽霧掌上電腦。(三)有益效果本實(shí)用新型動(dòng)態(tài)定位系統(tǒng)通過采用脈沖激光測(cè)距單元實(shí)現(xiàn)了無棱鏡輔助下長距離作用范圍的主動(dòng)式動(dòng)態(tài)定位，能夠?qū)Σ灰嘶虿灰椎竭_(dá)的目標(biāo)物進(jìn)行定位；本實(shí)用新型基于動(dòng)態(tài)觀測(cè)站的空間位置信息、脈沖激光測(cè)距單元的測(cè)距信息及其發(fā)射激光脈沖信號(hào)時(shí)刻的時(shí)間信息，以及動(dòng)態(tài)觀測(cè)站的姿態(tài)信息來計(jì)算目標(biāo)點(diǎn)的空間位置信息，提高了移動(dòng)動(dòng)態(tài)定位的精度。

圖I為本實(shí)用新型實(shí)施方式中所述動(dòng)態(tài)定位系統(tǒng)的目標(biāo)點(diǎn)遙測(cè)定位原理圖；圖2為本實(shí)用新型實(shí)施方式中所述動(dòng)態(tài)定位系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖和實(shí)施例，對(duì)本實(shí)用新型的具體實(shí)施方式
作進(jìn)一步詳細(xì)描述。以下實(shí)施例用于說明本實(shí)用新型，但不用來限制本實(shí)用新型的范圍。本實(shí)用新型基于目標(biāo)點(diǎn)遙測(cè)定位原理，采用空間測(cè)距/測(cè)角交匯定位。圖I為本實(shí)用新型的定位原理圖。如圖I所示，假設(shè)O、P分別為待測(cè)目標(biāo)點(diǎn)，載有根據(jù)本實(shí)用新型的集成GPS和脈沖激光測(cè)距的全方向免接觸式多目標(biāo)動(dòng)態(tài)定位儀的作業(yè)平臺(tái)沿軌跡線A-B-C-D-E-F移動(dòng)。在移動(dòng)過程中，定位儀依次在A點(diǎn)-F點(diǎn)處分別進(jìn)行GPS定位測(cè)量、平臺(tái)姿態(tài)測(cè)量以及平臺(tái)動(dòng)態(tài)觀測(cè)站至目標(biāo)點(diǎn)O、P的激光測(cè)距測(cè)量；通過GPS提供的時(shí)空基準(zhǔn)信息，對(duì)觀測(cè)信息進(jìn)行采集與同步，形成多目標(biāo)多測(cè)站多歷元觀測(cè)數(shù)據(jù)，最終通過測(cè)邊/測(cè)角交會(huì)定位原理確定目標(biāo)點(diǎn)空間位置。如圖2所示，本實(shí)用新型所述的一種動(dòng)態(tài)定位系統(tǒng)，包括用于獲取動(dòng)態(tài)觀測(cè)站與目標(biāo)點(diǎn)之間距離信息的脈沖激光測(cè)距單元I ;用于獲取動(dòng)態(tài)觀測(cè)站的空間位置信息和脈沖激光測(cè)距單元I發(fā)射激光脈沖信號(hào)時(shí)刻的GPS時(shí)間的衛(wèi)星定位單元2 ；與所述衛(wèi)星定位單元2和所述脈沖激光測(cè)距單元I連接，用于同步控制所述衛(wèi)星定位單元2和所述脈沖激光測(cè)距單元I的同步控制單元3 ；[0030]用于獲取動(dòng)態(tài)觀測(cè)站的姿態(tài)信息時(shí)序，并根據(jù)所述姿態(tài)信息時(shí)序計(jì)算所述激光脈沖信號(hào)發(fā)射時(shí)刻動(dòng)態(tài)觀測(cè)站的姿態(tài)信息的姿態(tài)測(cè)量單元4 ；與所述衛(wèi)星定位單元2、脈沖激光測(cè)距單元I和姿態(tài)測(cè)量單元4分別連接，用于計(jì)算目標(biāo)點(diǎn)空間位置信息的數(shù)據(jù)采集與處理單元5。優(yōu)選地，系統(tǒng)還包括用于輸入控制指令，并為顯示所述目標(biāo)點(diǎn)的空間位置信息的輸入輸出單兀6。優(yōu)選地，所述衛(wèi)星定位單元2包括GPS雙頻OEM板和GPS天線。優(yōu)選地，所述脈沖激光測(cè)距單元I為長距離低延遲脈沖激光測(cè)距儀。優(yōu)選地，所述姿態(tài)測(cè)量單元4為三維數(shù)字羅盤。優(yōu)選地，所述輸入輸出單元6包括防水防鹽霧的鍵盤和顯示屏。優(yōu)選地，所述數(shù)據(jù)采集與處理單元5包括多串口集成板和防水防鹽霧掌上電腦。由于本實(shí)用新型動(dòng)態(tài)定位系統(tǒng)在動(dòng)態(tài)作業(yè)條件下工作，需要將各種測(cè)量信息統(tǒng)一到相同的時(shí)刻。同步控制單元為動(dòng)態(tài)環(huán)境目標(biāo)量測(cè)定位提供高精度的時(shí)間同步。具體實(shí)施過程中，可以通過脈沖信號(hào)同步控制衛(wèi)星定位單元和脈沖激光測(cè)距單元來實(shí)現(xiàn)GPS定位與激光測(cè)距的同步量測(cè)。該同步控制單元的基本原理為，通過觸發(fā)激光控制按鈕產(chǎn)生兩路時(shí)間同步脈沖信號(hào)，一路脈沖觸發(fā)衛(wèi)星定位單元進(jìn)行定位(獲取動(dòng)態(tài)觀測(cè)站空間位置坐標(biāo))和授時(shí)(獲取GPS時(shí)間)；另一路脈沖觸發(fā)脈沖激光測(cè)距單元獲取測(cè)距信息。本實(shí)用新型的脈沖激光測(cè)距單元，通過測(cè)量激光脈沖信號(hào)發(fā)射和經(jīng)目標(biāo)點(diǎn)反射后再次接收之間的時(shí)間差，來獲取動(dòng)態(tài)觀測(cè)站與目標(biāo)點(diǎn)的測(cè)距信息。具體實(shí)施過程中，脈沖激光測(cè)距單元可以為長距離低延遲脈沖激光測(cè)距儀，其無需在目標(biāo)點(diǎn)處架設(shè)反射棱鏡進(jìn)行輔助測(cè)量，使得目標(biāo)點(diǎn)選擇機(jī)動(dòng)靈活，具有很好的主動(dòng)性。優(yōu)選地，可使用美國制造的CountXLR激光測(cè)距儀，其作用距離可達(dá)1800米，測(cè)距精度為0. Im,能夠滿足對(duì)于某些無法確立站標(biāo)的地段(例如，不能登陸的島嶼，火山口，塌陷區(qū)域、危險(xiǎn)禁區(qū)等)的無棱鏡輔助測(cè)量。本實(shí)用新型的衛(wèi)星定位單元用于獲取時(shí)空基準(zhǔn)信息，包括動(dòng)態(tài)觀測(cè)站的GPS定位信息(動(dòng)態(tài)觀測(cè)站的三維坐標(biāo))和GPS時(shí)間信息。具體實(shí)施過程中，衛(wèi)星定位單元可以通過GPS雙頻OEM板和GPS天線實(shí)現(xiàn)。GPS雙頻OEM板具有接收GPS信號(hào)、處理信號(hào)、輸出觀測(cè)數(shù)據(jù)和定位結(jié)果等功能接收來自天線單元的信號(hào)，并通過變頻、放大、濾波等一系列處理過程，對(duì)GPS衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行跟蹤、鎖定、測(cè)量，最后生成計(jì)算位置的數(shù)據(jù)信息(包括緯度、經(jīng)度、高度、速度、日期、時(shí)間、航向、衛(wèi)星狀況等)，并由串口輸出串行數(shù)據(jù)。此外，由于衛(wèi)星定位單元和脈沖激光測(cè)距單元是被同步控制的，因此，該GPS接收機(jī)所測(cè)量的發(fā)射脈沖時(shí)刻的GPS時(shí)間即為自身被觸發(fā)時(shí)刻的GPS時(shí)間。本實(shí)用新型的姿態(tài)測(cè)量單元用于獲取動(dòng)態(tài)觀測(cè)點(diǎn)的姿態(tài)信息，包括動(dòng)態(tài)觀測(cè)點(diǎn)的俯仰角信息、航向角信息和橫滾角信息。具體實(shí)施過程中，該姿態(tài)測(cè)量單元可以通過三維數(shù)字羅盤來實(shí)現(xiàn)，輸出RS232/RS485/RS422格式數(shù)據(jù)幀。由于姿態(tài)測(cè)量單元按一定采樣率輸出測(cè)量平臺(tái)姿態(tài)時(shí)序，還需要根據(jù)衛(wèi)星定位單元輸出的時(shí)空基準(zhǔn)信息，對(duì)輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行外推或內(nèi)插計(jì)算，以獲得動(dòng)態(tài)觀測(cè)站在脈沖激光測(cè)距單元的脈沖發(fā)射時(shí)刻的姿態(tài)信息，即動(dòng)態(tài)觀測(cè)站在測(cè)距時(shí)刻的姿態(tài)信息。此外，考慮到三維數(shù)字羅盤的測(cè)量原理是測(cè)量地球磁場(chǎng)，在儀器使用前可按生產(chǎn)廠家提供的方法削弱周圍電磁環(huán)境對(duì)姿態(tài)測(cè)量的影響。本實(shí)用新型的數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)處理單元，用于采集上述衛(wèi)星定位單元、激光脈沖測(cè)距單元以及姿態(tài)測(cè)量單元獲取的GPS觀測(cè)信息、激光測(cè)距信息和姿態(tài)信息等多串口信息；以及，用于數(shù)據(jù)同步，即在脈沖測(cè)距信息和姿態(tài)測(cè)量信息中增加GPS時(shí)空基準(zhǔn)信息(測(cè)量時(shí)刻的GPS時(shí)間，以及該時(shí)刻動(dòng)態(tài)觀測(cè)站的三維坐標(biāo))。因此，同步后的歷元觀測(cè)數(shù)據(jù)應(yīng)為統(tǒng)一時(shí)空基準(zhǔn)下的測(cè)量平臺(tái)坐標(biāo)信息、姿態(tài)信息以及動(dòng)態(tài)觀測(cè)點(diǎn)至目標(biāo)點(diǎn)的斜距信息。在存儲(chǔ)觀測(cè)數(shù)據(jù)的同時(shí)，數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)處理單元通過測(cè)邊/測(cè)角交會(huì)定位方法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，獲得目標(biāo)點(diǎn)空間位置信息，包括空間位置三 維坐標(biāo)、定位精度以及當(dāng)前觀測(cè)網(wǎng)幾何結(jié)構(gòu)等。具體實(shí)施過程中，該數(shù)據(jù)采集與處理單元功能可以通過多串口集成板、USB數(shù)據(jù)線以及防水防鹽霧掌上電腦或筆記本電腦等來實(shí)現(xiàn)。其中多串口集成板用于接收來自GPSOEM、激光測(cè)距儀以及三維數(shù)字羅盤的串口輸出數(shù)據(jù)(測(cè)量信息)，防水防鹽霧掌上電腦或筆記本電腦完成數(shù)據(jù)的采集、同步、存儲(chǔ)與處理功能。其中，掌上電腦需要安裝多串口轉(zhuǎn)USB接口驅(qū)動(dòng)程序，且基本配置應(yīng)為windows XP操作系統(tǒng)，支持USB接口，處理器I. 2GHz，內(nèi)存IGB。本實(shí)用新型的輸入輸出單元實(shí)現(xiàn)的功能包括供用戶輸入控制指令，例如，GPS采樣率設(shè)置指令、數(shù)字羅盤采樣率設(shè)置等；以及，實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前時(shí)刻測(cè)量信息，例如動(dòng)態(tài)觀測(cè)站的位置坐標(biāo)、測(cè)距信息、目標(biāo)點(diǎn)的空間位置信息等。具體實(shí)施過程中，輸入輸出單元可以通過掌上電腦的鍵盤和顯示屏來實(shí)現(xiàn)。具體實(shí)施過程中，將上述脈沖激光測(cè)距單元、衛(wèi)星定位單元、姿態(tài)測(cè)量單元通過串口數(shù)據(jù)線與多串口集成板連接，再利用USB數(shù)據(jù)線將多串口集成板和掌上電腦連接，最后通過外接供電接口與供電電池進(jìn)行連接。可見，本實(shí)用新型的動(dòng)態(tài)定位系統(tǒng)采用組件化架構(gòu)，可根據(jù)具體應(yīng)用及技術(shù)要求提高各組件性能，系統(tǒng)成本控制靈活。以上實(shí)施方式僅用于說明本實(shí)用新型，而并非對(duì)本實(shí)用新型的限制，有關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員，在不脫離本實(shí)用新型的精神和范圍的情況下，還可以做出各種變化和變型，因此所有等同的技術(shù)方案也屬于本實(shí)用新型的范疇，本實(shí)用新型的專利保護(hù)范圍應(yīng)由權(quán)利要求限定。
權(quán)利要求1.一種動(dòng)態(tài)定位系統(tǒng)，其特征在于，包括 用于獲取動(dòng)態(tài)觀測(cè)站與目標(biāo)點(diǎn)之間距離信息的脈沖激光測(cè)距單元(I); 用于獲取動(dòng)態(tài)觀測(cè)站的空間位置信息和脈沖激光測(cè)距單元(I)發(fā)射激光脈沖信號(hào)時(shí)刻的GPS時(shí)間的衛(wèi)星定位單元(2); 與所述衛(wèi)星定位單元(2)和所述脈沖激光測(cè)距單元(I)連接，用于同步控制所述衛(wèi)星定位單元(2)和所述脈沖激光測(cè)距單元(I)的同步控制單元(3)； 用于獲取動(dòng)態(tài)觀測(cè)站的姿態(tài)信息時(shí)序，并根據(jù)所述姿態(tài)信息時(shí)序計(jì)算所述激光脈沖信號(hào)發(fā)射時(shí)刻動(dòng)態(tài)觀測(cè)站的姿態(tài)信息的姿態(tài)測(cè)量單元(4)； 與所述衛(wèi)星定位單元(2)、脈沖激光測(cè)距單元(I)和姿態(tài)測(cè)量單元(4)分別連接，用于計(jì)算目標(biāo)點(diǎn)空間位置信息的數(shù)據(jù)采集與處理單元(5)。
2.如權(quán)利要求I所述的一種動(dòng)態(tài)定位系統(tǒng)，其特征在于，還包括用于輸入控制指令，并為顯示所述目標(biāo)點(diǎn)的空間位置信息的輸入輸出單元(6)。
3.如權(quán)利要求I所述的一種動(dòng)態(tài)定位系統(tǒng)，其特征在于，所述衛(wèi)星定位單元(2)包括GPS雙頻OEM板和GPS天線。
4.如權(quán)利要求I所述的一種動(dòng)態(tài)定位系統(tǒng)，其特征在于，所述脈沖激光測(cè)距單元(I)為長距離低延遲脈沖激光測(cè)距儀。
5.如權(quán)利要求I所述的一種動(dòng)態(tài)定位系統(tǒng)，其特征在于，所述姿態(tài)測(cè)量單元(4)為三維數(shù)字羅盤。
6.如權(quán)利要求I所述的一種動(dòng)態(tài)定位系統(tǒng)，其特征在于，所述輸入輸出單元(6)包括防水防鹽霧的鍵盤和顯示屏。
7.如權(quán)利要求I所述的一種動(dòng)態(tài)定位系統(tǒng)，其特征在于，所述數(shù)據(jù)采集與處理單元(5)包括多串口集成板和防水防鹽霧掌上電腦。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種動(dòng)態(tài)定位系統(tǒng)，包括用于獲取動(dòng)態(tài)觀測(cè)站的空間位置信息和脈沖激光測(cè)距單元發(fā)射激光脈沖信號(hào)時(shí)刻的GPS時(shí)間的衛(wèi)星定位單元；用于獲取動(dòng)態(tài)觀測(cè)站與目標(biāo)點(diǎn)之間距離信息的脈沖激光測(cè)距單元；與所述衛(wèi)星定位單元和脈沖激光測(cè)距單元連接，用于同步控制衛(wèi)星定位單元和脈沖激光測(cè)距單元的同步控制單元；用于獲取動(dòng)態(tài)觀測(cè)站的姿態(tài)信息時(shí)序，并根據(jù)姿態(tài)信息時(shí)序計(jì)算所述激光脈沖信號(hào)發(fā)射時(shí)刻動(dòng)態(tài)觀測(cè)站的姿態(tài)信息的姿態(tài)測(cè)量單元；與所述衛(wèi)星定位單元、脈沖激光測(cè)距單元和姿態(tài)測(cè)量單元分別連接，用于計(jì)算目標(biāo)點(diǎn)空間位置信息的數(shù)據(jù)采集與處理單元。本實(shí)用新型能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)不宜或不易到達(dá)的目標(biāo)物的定位，并能提高動(dòng)態(tài)定位的定位精度。
文檔編號(hào)G01S17/08GK202502253SQ201220045769
公開日2012年10月24日 申請(qǐng)日期2012年2月13日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月13日
發(fā)明者黨亞民, 方書山, 李得海, 李源, 李謙, 楊強(qiáng), 秘金鐘, 章傳銀, 譚瑞, 谷守周 申請(qǐng)人:中國測(cè)繪科學(xué)研究院