CN106153021A - 一种基于网络rtk的寻北方法及设备 - Google Patents

Abstract

本发明是一种基于网络RTK的寻北方法及设备，涉及卫星定向技术领域，利用GNSS接收机通过通信***链接网络RTK服务接入端口，持续获得差分改正数，从而获得高精度定位结果并实时反馈至控制***；再转换至ENU本地坐标，并通过伺服***调整，最终测量选取E向偏离接近0°的位置作为真北方向。本发明的有益效果是，利用高精度GNSS接收机使用网络RTK模式来提高其定位精度从而快速精确测量待测点的真北方向，从而解决现有方案中精度差、测量时间长、设备昂贵、受气候条件限制等缺点。

Description

一种基于网络RTK的寻北方法及设备

技术领域

本发明是一种基于网络RTK的寻北方法及设备，涉及卫星定向技术领域。

背景技术

随着卫星定向技术的蓬勃发展，各类应用场景对其定向精度提出了越来越高的要求，而更高定向精度的获得必然需要更高精度的测试基准为其提供支持；真北方向作为卫星定向技术的重要基准之一，其本身的获取与检校缺乏统一标准和便捷操作方法，从而影响卫星定向技术的进一步发展。因此，有必要找到一种便捷可靠并且精度较高的寻北方法来确定真北方向。

目前寻北方法主要分为四个大类：

第一类为磁寻北法，磁寻北法的寻北基准是磁北，是通过磁定向设备(包括指南针、磁罗盘、电子罗盘等)指示磁北方向，再根据磁北方向通过一系列转换得到真北方向。主要缺点是定向精度易受环境影响，尤其是在复杂电磁环境下难以使用；而且磁北方向与目前的坐标北方向并不一致，实现精确转换也较为繁琐；再者定向精度与纬度也有关系，纬度越高定向精度越差。

第二类为天文寻北法，天文寻北法通过观测北极星的高度角或时角来确定观测点的真北方向。由于北极星的位置是相对稳定不变的，且由于天文定向法观测时间较长、仪器精度较高，理论上该方法能达到很高精度，该方法的缺点是受气候条件的制约，难以保证全天候高精度测量；且只能得到天文经纬度的二维位置信息，缺乏高程信息，且使用的天文观测仪器价格一般较高，保养维护比较困难。

第三类为陀螺经纬仪寻北法，陀螺经纬仪由陀螺仪和经纬仪组成。陀螺仪具有定向性和进动性，在地球自转过程中，陀螺仪地转有效分量的影响下，其主轴总是向子午面方向进动，并可保持在子午面附近做连续不断的、不衰减的椭圆简谐摆动，利用此特性经过粗略定向、精密定向，最终得到精确的真北方向。该方法的缺点是陀螺经纬仪价格贵重，使用寿命有限；长时间使用后需要校准，维护成本高；受外界地磁环境影响较大，不具备定位功能等。

第四类为卫星寻北法，卫星寻北主要指GNSS(全球导航卫星***)寻北，基于卫星载波相位信号差分测量原理，确定空间两点所成几何矢量在给定坐标系下的指向，从而推算出真北方位，能够同时得到定位结果；该类方法寻北精度易受单点定位误差影响，同时对两台接收机间的基线长度要求较高(一般超过100m)，不利于在较为狭窄的环境架设。

发明内容

本发明的目的在于利用网络RTK技术设计一型寻北设备，旨在提高其定位精度从而快速精确测量待测点的真北方向，从而解决现有方案中精度差、测量时间长、设备昂贵、受气候及场地条件限制等缺点。

本发明的原理在于，根据真北方向的定义为某点指向北极的方向，具体在本发明的应用中，即需将一段穿过测试场地的经线(即子午线)投影绘制至测试场地，从而作为代表真北方向的基准线。本发明中结合网络RTK技术设计的寻北设备主要通过接收网络RTK服务机构播发的的差分改正信号来精确测定设备测量臂的中心点与寻北点的精确位置，通过实时计算两点的相对位置关系来控制伺服***自动调整测量臂指向，从而最终确定真北方向，并通过测量臂底端的激光对中模块对地进行投影，以便于设置测量标志。

网络RTK的工作原理是借鉴了广域差分GNSS和具有多个基准站的局域差分GNSS的基本原理和方法。广域差分GNSS采样误差分离技术,将GNSS定位中的主要误差源分别加以“模型化”,把伪距误差分离为卫星星历误差、卫星钟差和电离层误差,并产生相应的改正数。用户利用广域差分改正数改正GNSS伪距误差,以提高导航定位的精度。局域差分定位***则向用户提供综合的DGPS改正信息——观测值改正,而不是提供单个的误差源改正。与广域差分GPS和局域差分GPS不同的是,GPS网络RTK技术通过内插法或线性组合法求得改正数,对载波相位进行改正,而非对伪距或位置进行改正。因为这三种类型的差分定位中,利用载波相位进行的差分定位精度最高。

网络RTK基准站上应配备双频全波长GNSS接收机,该接收机最好能同时提供精确的双频伪距观测值。基准站的站坐标应精确已知,其坐标可采用长时间GNSS静态相对定位等方法来确定。此外,这些基准站还应配备数据通信设备及气象仪器等。网络RTK工作的主要技术方法如下:

1.基准站应按规定的采样率进行连续观测,并通过数据通信链实时将观测资料传送给数据处理中心；

2.数据处理中心根据流动站送来的近似坐标(可据伪距法单点定位求得)判断出该站位于由哪三个基准站所组成的三角形内。然后根据这三个基准站的观测资料求出流动站处所受到的***误差；

3.将求出的***误差播发给流动用户来进行修正以获得精确的结果。

有必要时可将上述过程迭代一次。基准站与数据处理中心间的数据通信可采用光纤专网或无线通信等方法进行。流动站和数据处理中心间的双向数据通信则通过移动数据网络进行。目前网络RTK大体可采用内插法、线性组合法及虚拟站等方法进行。

本发明的技术方案是，利用GNSS接收机通过通信***链接网络RTK服务接入端口，持续获得差分改正数，从而获得高精度定位结果并实时反馈至控制***；再转换至ENU本地坐标，并通过伺服***调整，最终测量选取E向偏离接近0°的位置作为真北方向。

发明的有益效果是，利用高精度GNSS接收机使用网络RTK模式来提高其定位精度从而快速精确测量待测点的真北方向，从而解决现有方案中精度差、测量时间长、设备昂贵、受气候条件限制等缺点。

附图说明

图1为结构及工作原理示意图。

图2为ENU本地坐标系示意图。

具体实施方式

参见附图1至2对本发明的实施例作进一步说明，本发明一种基于网络RTK的寻北方法及设备，其特征是包括以下方法：

利用GNSS接收机1通过通信***链接网络RTK服务接入端口，持续获得差分改正数，从而获得高精度定位结果并实时反馈至控制***；再转换至ENU本地坐标，并通过伺服***4调整，最终测量选取E向偏离接近0°的位置作为真北方向。

本发明主要包括GNSS接收机1、测量臂2、指北针3、伺服***4、激光对中模块5和控制、通信、供电***6，测量臂2安装在具有三脚架的伺服***4上，并由伺服***4控制旋转；

GNSS接收机1包括安装在测量臂2旋转中心的中心点接收机的旋转中心11和测量臂2一端的寻北点接收机12；激光对中模块5安装在寻北点接收机12下方的测量臂2上；测量臂的另一端安装控制、通信、供GNSS接收机1电***6和指北针3。

本发明包括以下步骤：

步骤1，将测量臂2按照指北针3指示的磁北方向旋转，使寻北点接收机12初步处于中心点接收机11的磁北方向；

步骤2，GNSS接收机1通过通信***链接网络RTK服务接入端口，持续获得差分改正数，从而各自获得高精度定位结果并将各自的定位结果实时反馈至控制***；

步骤3，控制***将中心点接收机11和寻北点接收机12各自获得的高精度定位结果转换至ENU本地坐标，通过判断E向偏离值的正负符号，进行逆时针或顺时针调校；粗调时伺服***4采用较大步长进动，精调时伺服***4切换为最小步长进行微调，最终通过多次测量选取E向偏离最接近0°的位置作为真北方向，控制、通信、供电***6通过指示灯告知用户寻北成功。

进一步地，所述步骤3中，还可开启激光对中模块5，对地投影设置测量标志。

进一步地，所述步骤3中，ENU本地坐标系的转换方法如下：

e²＝f(2-f)

$v=\frac{a}{\sqrt{1-e^2{{\mathrm{sin\φ}}_n}^2}}$

$r_n=\left(\begin{array}{c}(v+h)cos{\mathrm{\φ}}_{n}cos{\mathrm{\λ}}_n\\ (v+h){\mathrm{cos\φ}}_n{\mathrm{sin\λ}}_n\\ v(1-e^2){\mathrm{sin\φ}}_n\end{array}\right)$

其中：

a:地球参考椭球的长半轴，

f:地球参考椭球的扁率，

φ_n:寻北点接收机纬度，

λ_n:寻北点接收机经度，

h：寻北点接收机椭球高，

r_n＝(x,y,z)^T:寻北点接收机ECEF坐标位置；

当获取寻北点接收机ECEF坐标位置后，需结合中心点接收机经纬度将寻北点ECEF坐标转换至ENU本地坐标[e,n,u]：

r_enu＝E_r(r_n-r_c)

其中：

为旋转矩阵，

φ_c:中心点接收机纬度φ，

λ_c:中心点接收机经度，

r_c：中心点接收机ECEF坐标。

本发明还可通过以下简易方法来实现：

步骤1，在预备投影经线的起始点按测量要求架设三脚架并调水平，即通过指北针3指示的磁北方向确定投影经线，将GNSS接收机1固定于三脚架顶端测量起始点坐标，记录其经度值，标记为投影经线起始点；

步骤2，然后将GNSS接收机1装置于简易的移动测量杆之上，在预备投影经线终点附近位置进行往返测量，选择与记录经度值最为接近的点进行简单标绘；

步骤3，架设三脚架，按起始点同样步骤进行复测，记录最终该点测量的坐标值，如果其经度值与起始点坐标经度值差值在误差允许的范围内，建议为5”，即可认为该点标记为投影经线终点，并将其两点之间的连线方向视作真北方向。

Claims (5)

1.一种基于网络RTK的寻北方法及设备，其特征是包括以下方法：

利用GNSS接收机(1)通过通信***链接网络RTK服务接入端口，持续获得差分改正数，从而获得高精度定位结果并实时反馈至控制***；再转换至ENU本地坐标，并通过伺服***(4)调整，最终测量选取E向偏离接近0°的位置作为真北方向。

2.根据权利要求1所述的一种基于网络RTK的寻北方法及设备，其特征是，主要包括GNSS接收机(1)、测量臂(2)、指北针(3)、伺服***(4)、激光对中模块(5)和控制、通信、供电***(6)，

测量臂(2)安装在具有三脚架的伺服***(4)上，并由伺服***(4)控制旋转；

GNSS接收机(1)包括安装在测量臂(2)旋转中心的中心点接收机的旋转中心(11)和测量臂(2)一端的寻北点接收机(12)；激光对中模块(5)安装在寻北点接收机(12)下方的测量臂(2)上；测量臂的另一端安装控制、通信、供GNSS接收机(1)电***(6)和指北针(3)。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于网络RTK的寻北方法及设备，其特征是包括以下步骤：

步骤1，将测量臂(2)按照指北针(3)指示的磁北方向旋转，使寻北点接收机(12)初步处于中心点接收机(11)的磁北方向；

步骤2，GNSS接收机(1)通过通信***链接网络RTK服务接入端口，持续获得差分改正数，从而各自获得高精度定位结果并将各自的定位结果实时反馈至控制***；

步骤3，控制***将中心点接收机(11)和寻北点接收机(12)各自获得的高精度定位结果转换至ENU本地坐标，通过判断E向偏离值的正负符号，进行逆时针或顺时针调校；粗调时伺服***(4)采用较大步长进动，精调时伺服***(4)切换为最小步长进行微调，最终通过多次测量选取E向偏离最接近0°的位置作为真北方向，控制、通信、供电***(6)通过指示灯告知用户寻北成功。

4.根据权利要求3所述的一种基于网络RTK的寻北方法及设备，其特征是，所述步骤3中，还可开启激光对中模块(5)，对地投影设置测量标志。

5.根据权利要求3所述的一种基于网络RTK的寻北方法及设备，其特征是，所述步骤3中，ENU本地坐标系的转换方法如下：

e²＝f(2-f)

$v=\frac{a}{\sqrt{1-e^2{{\mathrm{sin\φ}}_n}^2}}$

$r_n=\left(\begin{array}{c}(v+h)cos{\mathrm{\φ}}_{n}cos{\mathrm{\λ}}_n\\ (v+h){\mathrm{cos\φ}}_n{\mathrm{sin\λ}}_n\\ v(1-e^2){\mathrm{sin\φ}}_n\end{array}\right)$

其中：

a:地球参考椭球的长半轴，

f:地球参考椭球的扁率，

φ_n:寻北点接收机纬度，

λ_n:寻北点接收机经度，

h：寻北点接收机椭球高，

r_n＝(x,y,z)^T:寻北点接收机ECEF坐标位置；

当获取寻北点接收机ECEF坐标位置后，需结合中心点接收机经纬度将寻北点ECEF坐标转换至ENU本地坐标[e,n,u]：

r_enu＝E_r(r_n-r_c)

其中：

为旋转矩阵，

φ_c:中心点接收机纬度φ，

λ_c:中心点接收机经度，

r_c：中心点接收机ECEF坐标。