一種空間測量定位系統(tǒng)測站布局智能優(yōu)化方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于工業(yè)現(xiàn)場大尺寸三維坐標(biāo)測量技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及多站組網(wǎng)測量系統(tǒng) 的測站智能優(yōu)化部署方法，具體涉及一種空間測量定位系統(tǒng)測站布局智能優(yōu)化方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 在大型工程測量中，被測對(duì)象不僅幾何尺寸大，相對(duì)測量精度要求高（優(yōu)于 IOppm)，待測關(guān)鍵點(diǎn)數(shù)量多，多個(gè)測量任務(wù)并存，且受外界環(huán)境影響大，因此測量方法和使 用的量具都具有特殊性。網(wǎng)絡(luò)式多站測量系統(tǒng)具有平衡測量范圍，測量精度及測量效率三 者間矛盾的巨大潛力，為大型裝備制造過程中的精密測量提供了有力的技術(shù)支持，是大尺 寸測量領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)及重要發(fā)展方向。
[0003]空間測量定位系統(tǒng)（workspace Measuring and Positioning System, wMPS)是一 種新型的網(wǎng)絡(luò)式多站測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)測量量程理論上可進(jìn)行無限的拓展，且可實(shí)現(xiàn)被測 空間多點(diǎn)實(shí)時(shí)并行測量。國外對(duì)該系統(tǒng)研究最早的是美國Arcsecond公司（已并入Nikon)， 稱之為室內(nèi)GPS或iGPS。其組成主要包括發(fā)射器，接收探測器，比例尺，無線接收電子元器 件及計(jì)算機(jī)控制中心。英國Bath大學(xué)和德國Karlsruhe大學(xué)大地測量研究所對(duì)iGPS進(jìn)行 了大量性能評(píng)估實(shí)驗(yàn)和動(dòng)態(tài)跟蹤應(yīng)用研究。國內(nèi)部分高校和研究機(jī)構(gòu)也對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了大 量的理論研究和樣機(jī)實(shí)驗(yàn)。
[0004] 由于空間測量定位系統(tǒng)是在多測站的共同作用下實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)測量，因此單測站的性 能以及各測站之間的協(xié)同作用是影響系統(tǒng)整體性能的兩個(gè)關(guān)鍵方面。多測站的協(xié)同作用 不僅依賴于單測站的測量模型，多測站的交匯模型，而且和測站空間幾何分布具有密切關(guān) 系。此外，隨著測站數(shù)目的增多，系統(tǒng)使用成本也在逐漸增加，為了將成本控制在合理的范 圍，選擇合適的測站數(shù)目也是工程實(shí)踐中面臨的問題。研究測站布局對(duì)系統(tǒng)定位誤差的影 響，優(yōu)化測站網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，為提高系統(tǒng)定位精度，降低成本提供理論支撐，同時(shí)為工程實(shí)踐提 供布站指導(dǎo)，是空間測量定位系統(tǒng)面臨的重要問題。
[0005] 在現(xiàn)有的測站網(wǎng)絡(luò)布局優(yōu)化研究方面，德國卡爾斯魯爾理工學(xué)院的Claudia Depenthal等人對(duì)iGPS系統(tǒng)中四發(fā)射站組成的布局進(jìn)行了研究。在實(shí)驗(yàn)中采用了 Box布局 和C布局，設(shè)計(jì)了 17個(gè)標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)，并將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與API激光跟蹤儀的測量結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，實(shí)驗(yàn) 結(jié)果表明和Box型布局相比較，C型布局的誤差分布更不均勻。德國亞琛工業(yè)大學(xué)機(jī)床與 制造工程研究所的Robert Schmitthe和Nikon-Metrology公司的Demeester等人對(duì)iGPS 在機(jī)器人定位跟蹤時(shí)的幾種典型布局進(jìn)行了仿真分析，結(jié)果表明，標(biāo)準(zhǔn)型的測量效果最好。 還有學(xué)者從wMPS網(wǎng)絡(luò)布局和定位誤差關(guān)系入手，研究了典型布局對(duì)定位誤差的影響，實(shí)驗(yàn) 結(jié)果表明〇_4型布局整體測量精度最高。以上對(duì)測站網(wǎng)絡(luò)布局的研究均是對(duì)少數(shù)站或特定 布局進(jìn)行了研究與對(duì)比實(shí)驗(yàn)，當(dāng)面臨更多測站組網(wǎng)測量時(shí)不具有一般拓展性，且布局的選 擇受限于典型布局方式，當(dāng)測量環(huán)境變得復(fù)雜時(shí)缺乏靈活性及通用性。
[0006] 同時(shí)也有學(xué)者采用標(biāo)準(zhǔn)遺傳算法以wMPS系統(tǒng)定位誤差，覆蓋面積及使用成本作 為目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行布局優(yōu)化，但是這種方法存在易使結(jié)果陷入局部最優(yōu)，收斂速度慢等問題， 導(dǎo)致測站不能達(dá)到最優(yōu)布局，影響空間測量定位系統(tǒng)性能的提高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，針對(duì)工程實(shí)踐中缺少適應(yīng)性 更廣的測站布局優(yōu)化方法，且未將影響系統(tǒng)布局的各個(gè)參數(shù)綜合考慮等問題，提出一種基 于改進(jìn)遺傳算法的空間測量定位系統(tǒng)測站的部局智能優(yōu)化方法。在空間測量定位系統(tǒng)中， 建立系統(tǒng)定位誤差，覆蓋面積及使用成本的多目標(biāo)數(shù)學(xué)關(guān)系模型。在考慮不同模型量綱不 同的情況下，運(yùn)用歸一化方法將空間測量定位系統(tǒng)的布局優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)最優(yōu)化問 題，并運(yùn)用改進(jìn)的遺傳算法進(jìn)行全局尋優(yōu)，獲得最優(yōu)的測站部署方法。
[0008] 本發(fā)明采取的技術(shù)方案是一種空間測量定位系統(tǒng)測站布局智能優(yōu)化方法，其特征 在于，在空間測量定位系統(tǒng)中，為了獲得最優(yōu)的測站布局，建立由測站定位誤差，覆蓋范圍 及使用成本組成的多目標(biāo)數(shù)學(xué)關(guān)系模型，即測站布局優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，運(yùn)用歸一化方法將空 間測量定位系統(tǒng)的布局優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)優(yōu)化問題，并利用改進(jìn)遺傳算法獲取最優(yōu)的 測站布局。
[0009] 具體步驟如下：
[0010]步驟1)、在空間定位測量系統(tǒng)中，建立測站布局優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，包括系統(tǒng)定
[0011] 位誤差模型、系統(tǒng)覆蓋范圍模型、成本模型；
[0012]步驟2)、運(yùn)用歸一化方法將空間測量定位系統(tǒng)的布局多目標(biāo)優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為單目 標(biāo)優(yōu)化問題求解；
[0013]步驟3)、使用改進(jìn)遺傳算法對(duì)測站布局優(yōu)化模型進(jìn)行求解。
[0014] 所述步驟1)中，
[0015] 系統(tǒng)定位誤差模型的建立過程如下：
[0016] 在空間定位測量系統(tǒng)中，主要包括發(fā)射站，接收器，比例尺，全向矢量棒，其直接觀 測量為光平面從零位掃描至被測點(diǎn)的時(shí)間。在發(fā)射站的局部坐標(biāo)系下，時(shí)間信息和水平角 及垂直角可建立一一對(duì)應(yīng)的函數(shù)關(guān)系。因此對(duì)于發(fā)射站的每次測量，均有下列式子成立：
[0018] 式中Tn=(X n, yn, zn)，n=1，2*"N表示為第n個(gè)發(fā)射站坐標(biāo)原點(diǎn)坐標(biāo)，P= (xTiyT，zT)表示待測點(diǎn)坐標(biāo)，R n是被測點(diǎn)在第n個(gè)發(fā)射站坐標(biāo)系下的水平投影距離坐標(biāo)原點(diǎn) 的距離。
[0019] 若mni表示第n個(gè)發(fā)射站的第i次水平角和垂直角的測量，則有：
[0020] Ini=f JT1, T2, ? ? ? Tn，P) = mni+ e ni，n = 1，2...N
[0021] 將匕函數(shù)經(jīng)泰勒級(jí)數(shù)展開并去掉所有非線性分量后，得到方位角誤差傳播矩陣H， 表示為：
[0025] 式中4和4分別表示水平角和垂直角測量方差。根據(jù)協(xié)方差矩陣進(jìn)行加權(quán)處 理，此時(shí)定位估計(jì)協(xié)方差矩陣D為：
[0026] D = (H1Vm 1H) 1
[0027] 根據(jù)矩陣D，布站方式對(duì)于空間上的任意一點(diǎn)Pk的⑶OP (精度幾何稀釋因子）表 示為：
[0029] 對(duì)所有測站的布局優(yōu)化是為了達(dá)到對(duì)被測點(diǎn)的最高定位精度，則上式可推導(dǎo)為：
[0030] O1=OTOPpko
[0031] 所述步驟1)中，
[0032] 系統(tǒng)覆蓋面積模型的建立過程如下：
[0033] 定義發(fā)射站兩個(gè)光平面傾角分別為（^和巾2，令tKax= max(<i> 巾2)則以Z軸 為對(duì)稱軸，錐角為2巾_的上下兩個(gè)倒立圓錐為發(fā)射站激光平面的掃描盲區(qū)。接收器與發(fā) 射站距離不同，光脈沖的脈寬將會(huì)發(fā)生變化，因此接收器將工作在有限的距離范圍內(nèi)。
[0034] 在水平面區(qū)域P = 0上隨機(jī)布撒的被測目標(biāo)P1，其坐標(biāo)為（Xl，yi)，對(duì)于任意測站 T,，被測目標(biāo)P 1與任意測站T ,之間的歐式距離為：
[0036] 因此只需要(!(P1, T,)在接收器的有效工作距離[LR_，LR_]之間即可。而對(duì)于有 一定高度H的平面區(qū)域，發(fā)射站能測量的方位角范圍可表示為：
[0038] 其中a為水平角，P為垂直角。則測站的覆蓋面積模型可表示為：
[0039]
[0040] 若被測目標(biāo)徑向距離及垂直角大小在測站可測范圍之內(nèi)，認(rèn)為測站測得該點(diǎn)的概 率為1，若被測目標(biāo)徑向距離或垂直角大小中有一項(xiàng)超過測站可測范圍，則認(rèn)為測得該點(diǎn)的 概率為0。
[0041] 所述步驟1)中，
[0042] 成本模型的建立過程如下：
[0043] 本發(fā)明僅考慮測站在完成測量任務(wù)時(shí)的投資成本，不考慮在測量過程中運(yùn)行成 本。在所有測站都被部署完畢后，每種布局下測站的成本消耗模型可表示為：
[0044] O3= ON
[0045] 式中C表示單個(gè)測站的成本，N表示測站的個(gè)數(shù)。在測量區(qū)域內(nèi)選擇合適的測站 數(shù)量，使得區(qū)域最大覆蓋，滿足測量系統(tǒng)精度同時(shí)使用成本少，可轉(zhuǎn)換為多目標(biāo)優(yōu)化問題求 解。
[0046] 根據(jù)測站定位誤差D和覆蓋范圍F及測站成本C，得到測站布局多目標(biāo)優(yōu)化模型：
[0047] Min O1=⑶OPpk
[0049] Min O3= C*N。
[0050] 所述步驟2)中，由于目標(biāo)函數(shù)量綱不同運(yùn)用歸一化方法將空間測量定位系統(tǒng)的 布局多目標(biāo)優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)優(yōu)化問題求解，具體過程如下：
[0051] 其中定位誤差數(shù)學(xué)模型可表示為：
[0058]式中，It是實(shí)際使用的測站數(shù)目，N_是可使用的測站數(shù)目。
[0059]因此該空間測量定位系統(tǒng)的布局優(yōu)化問題轉(zhuǎn)換為如下帶權(quán)重系數(shù)的單目標(biāo)最優(yōu) 化問題：
[0061] 所述步驟3)中，
[0062] 使用改進(jìn)遺傳算法對(duì)測站布局優(yōu)化模型進(jìn)行求解，按如下步驟進(jìn)行：
[0063] 將目標(biāo)函數(shù)的參數(shù)集合編碼成染色體，并隨機(jī)初始化一定規(guī)模的染色體種群，