GPS静态定位技术

关键词： 地质测量 定位 静态 技术

GPS静态定位技术（精选七篇）

GPS静态定位技术 篇1

关键词：GPS,快速静态,地质测量,原理,方法

1 序言

随着GPS技术的不断发展和成熟, 定位精度不断提高, 快速静态定位技术应用日益广泛, 主要用于在四等控制点的基础上进行一级、二级的加密, GPS快速静态定位测量比常规GPS静态测量节省大量时间, 减少了重复设站率, 在精度要求不高的情况下, 可以大大提高工作效率, 在2008年进行的全国第二次土地调查 (简称二调) 和2009年进行的全国矿业权实地核查中得到了广泛的应用。在矿区的地质测量中, 使用GPS快速静态定位技术可以使效率大大提高。

2 GPS快速静态定位原理

GPS快速静态定位的工作原理是通过GPS接收机接收4颗以上通讯卫星信号, 解算出卫星到GPS接收机的距离, 通过卫星在地心坐标系的位置确定GPS接收机在该坐标系中的位置, 从而解算出多个GPS接收机的相对位置, 达到相对定位的目的。GPS快速静态定位是在两个或者多个已知点上架设GPS接收机, 称之为基站, 并让其连续运行;同时在未知点上架设GPS接收机, 该机在规定时段内运行, 该时段结束后, 移动到另一未知点上进行下一时段的观测。

3 GPS快速静态定位的实际应用

在GB50026-2007《工程测量规范》中规定, 一级和二级控制测量可以使用快速静态测量。甘肃省瓜州县龙山矿区布设了D级GPS网, 在此基础上利用GPS快速静态技术布设E级GPS网。

3.1 布网情况

E级GPS网是在D级GPS控制点GPS01和GPS02基础上布设, 共布设10个E级GPS控制点, 最长边为2.6km, 最短边为0.8km。

3.2 测量方法

E级GPS控制网使用3台美国光谱GPS接收机, 采用双参考站, 以快速静态定位测量方式进行观测。观测之前根据卫星星历预报认真编制了观测计划, 每一时段同步观测卫星有效颗数均大于5颗, 卫星数据采样间隔为5s, 卫星高度角均大于15°, PDOP值小于6, 各条观测基线的整周模糊度倍率因子在1.5以上, 保证了卫星与接收机之间具有较强的图形强度;观测单元内参考站连续观测, 流动站观测时间为15min。观测前后使用专用GPS量高尺量取仪器高至毫米, 各标尺两次较差小于3mm分别取中数, 最后两尺测量较差小于3mm取中数作为该站最终站高。

3.3 数据质量及测量精度情况

E级GPS网的野外数据处理使用随机软件, 按单基线双差固定解作为最终结果。

1) 相邻点间基线长度精度公式为:undefined, 式中:σ为标准差 (基线向量的弦长中误差, 单位为mm) ;a为固定误差, a=10mm;b为比例误差系数, b=10×10-6D;d为相邻点间距离, 单位为km。

2) 同一时段观测值的数据提出率小于10%。

3) 同步环闭合差为:undefined、undefined、undefined。其中δ为相应级别规定的精度 (按环的实际边长计算) 。

4) 三维无约束平差:无约束平差主要进行了内部精度分析、粗差分析和单位权方差因子估算, 提取纯净基线构网。在基线向量检验合格后, 以三维基线向量及其相应的方差——协方差阵作为观测信息, 得到该网的三维无约束平差结果。无约束平差中各基线分量的改正数绝对值均满足以下公式:

式中:δ为该基线的长度精度。

5) 二维约束平差:利用可靠的基线观测量, 在北京1954坐标系内进行二维约束平差, 点位精度一般为0.1cm, 最弱为0.2cm, 允许值为5cm;边长相对精度一般为1/63万, 最弱值为1/38万, 允许值为1/5万。

二维约束平差后, 基线向量的改正数与无约束平差结果的同一基线相应改正数较差的绝对值均满足下式:

式中:δ为该基线的长度精度。

3.4 E级GPS基线检核情况

为检核快速静态定位的精度, 对E级GPS基线进行了检测, 基线较差最大为10mm, 最小为2mm, 通过对比可以看出:此次快速静态定位精度完全可以达到GPS相应级别精度要求。

4 结论

通过实际作业, 可以看出GPS快速静态定位技术比常规GPS静态测量的优势:

1) GPS快速静态定位技术的观测精度能够满足GPS有关规范规定的相应级别的精度要求, 时间在10～15min, 时间比常规静态所用时间大大缩短, 能够满足一级、二级的精度。

2) 重复设站次数减少, 减少了外业工作量, 节约了成本。

在进行GPS快速静态测量时, 按照GB/T18314-2009《GPS全球定位系统规范》要求, 在布设点位时, 应该注意以下问题:

(1) 点位布设应避开大的障碍物, 避免遮挡卫星信号。

(2) 点的布设应避开强辐射的电磁波源、微波源, 以免影响GPS信号。

(3) 不要将点布设在大的水域及强反射的物体附近, 避免多路径误差。

(4) 点的布设应考虑到GPS相应等级的平均边长及同步环变数。

(5) 相邻两个观测单元之间的流动站的重合点数, 一级不应少于1个。

参考文献

[1]谢建春, 陈同峰, 宋朝辉, 等.GPS快速静态定位技术在地籍调查中的应用[J].矿地矿测绘, 2010, 26 (4) :22-24.

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[3]王港森, 张明, 禄二峰.GPS RTK技术在地质勘查中的应用[J].矿山测量, 2011 (4) :79-80.

[4]毛开森.GPS RTK技术在双龙煤矿地质勘查测量中的应用[J].矿山测量, 2009 (8) :81-82.

GPS精密单点定位静态精度分析 篇2

精密单点定位技术（Precise point positioning;PPP）只需要利用单台GPS双频双码接收器就能够在全世界范围实现mm-cm等级的静态定位与cm-dm级的动态定位。与以往的精密相对定位具有一定局限性的情况下，PPP技术能够充分利用IGSS (International GNSS Service）的数据产品可以直接获取载体的精确坐标。随着我国科学技术的不断发展，我国的航空测量、海洋测量等领域已经广泛使用到精密单点定位技术。目前，我国对该技术仍然处于精密定位的热点，并且在全球范围内已经获得了一定的成就。

1 双频精密单点定位数学模型

1.1 观测方程

就全球范围来看，国内外有关专家学者经过长时间的研究与发展，已经总结出多个双频精密单点定位观测模型。其主要类别有非差性模型、UfC模型、phase-connect-ed模型等。

非差性定位模型能够将所有的观测值信息进行全面的利用。但是精密单点定位在非差性模型下比双差定位模型更加复杂，其除了需要对参数解算策略进行考虑之外，还要对误差更正模型进行各项复杂的考虑。非差性定位模型与双差定位模型存在一定的差异性，其在利用站间差或星间差消除误差中有一定的局限性[1]。例如其对于流层、电离层、卫星中差的影响等。本文就非差性无电离层组合模型为例，研究其观测方程式：

在公式中，lp、l准为无电离层组合伪距以及载波相位观测量。ρ就是卫星到单台接收器的几何距离。dt为接收机钟差。M为映射函数。dzwd为对流层天顶延迟湿分量。N为无电离层组合模糊度。εp为组合观测量对应的观测噪声。ε准为其他为纠正的误差。

1.2 数据预处理

数据预处理的主要目的就是对数据中所出现的粗差以及周跳进行探测。若出现粗差的数据就及时进行剔除，对于出现周跳现象的就尽可能进行修复。由于对周跳进行修复的难度较高，一般软件中往往只标记出周跳出现的位置，再在进行参数估计时增加模糊度参数。数据预处理的质量高低与参数估计的质量之间存在十分紧密的联系[2]。目前，对周跳进行探测的方式还存在一定的缺陷，无法彻底探测出所有的周跳与粗差，所以在进行参数估计时需要加强对其的质量控制。

1.3 误差改正

在对精密单点定位中对于误差的改正主要可以分为两种方法： (1) 对于模型能够将误差进行精确表现的误差源，一般使用模型进行处理。例如由于卫星的态势所引起的误差、地球形变等。 (2) 对于模型无法将其误差源无法进行明确表现的，例如对流层延迟湿分量等。在模型没有误差的基础上精密单点定位的精准程度与IGS的精密星历、精密钟差呈现正比例关系。精密单位定点所实现的坐标也是有其星历、钟差所构建的ITRF模式下的绝对位置。由此可见，需要提高精密单点的精度程度，就应该保持精密单点定位中所有的误差模型要与IGS产品的模型保证其一致度，否则就会造成精密单点定位不精确等后果。

2 解算策略

使用具有静态、动态双频精密单点定位处理能力的GPS-PPP软件。

2.1 待估参数

在精密单点定位中的待估参数分别有接收机钟差、对流层天顶延迟湿分量、接收机位置、组合模糊度四种。其中接收机钟差以及对流层天顶延迟湿分量是进行随机参数处理，接收机位置以及模糊度都能够被当做常量处理。需要特别指出的是，模糊度在静态时是处于常量，但是动态时即为随机参数处理。

2.2 参数估计

在对参数进行估计的过程中，由于周跳现象的发生以及卫星随时发生的变化就会导致准确参数存在一定的浮动性。使用GPS-PPP软件中的扩展kalman滤波、平方根信息滤波以及平滑算法等。

2.3 解算流程

GPS-PPP软件在处理精密单点定位数据的解算流程主要有数据输入、数据预处理、误差修正、参数估计等几个步骤。

3 定位结果与精度分析

3.1 数据准备

将全球的15个IGS观测站中2008-8-01至2008-8-15中的观测数据为资料，使用GPS-PPP软件对数据资料进行定位分析。

3.2 分析方案

利用GPS-PPP软件对数据进行独立静态定位解算。每一个监测站能够得出15个检测结果，将得出的结果与“真值”进行比较，进而得出N、E、U三个方向上15个观测站的RMS与MAX值。

3.3 静态试验

通过对全球的监测站资料进行分析后发现（详情见表1与表2），在N、E方向上的RMS精度都小于10mm, MAX小于15mm。在U方向观测情况中，绝大多数的MAX值都保持在30mm以内。由此可以发现，绝大多数的观测站N、E方向上的RMS都保持在15mm之内，MAX值保持在25mm之内[3]。U方向上的RMS值保持在25mm之内，MAX值保持在35mm之内。从以上数据可以看出，利用双频精密单点定位能够在全世界区域内使用1day观测实现20-35mm之间的静态定位。

4 结束语

精密单点定位能够使用单频或者双频接收器对观测值进行接收。使用双频接收机能够较单频接收机更为优质的接收数据。通过试验结果可以明确，目前所推广实行的参数估计方法可以被当做一种递推估计法，协方差矩阵所得出的参数估值往往存在一定误差，可能会高于世纪参数精度。并且，GPS-PPP软件能够实现cm等级的静态定位。

摘要：随着我国社会经济不断发展, 人民群众的生活水平不断提高, 科学技术的发展也逐渐应用到各行各业的各领域中。企业在激烈的市场竞争中也迎来了新的挑战与发展机遇。其中, 在我国的GPS领域中, 精密单点的定位是一个受到广泛关注的热点。本文从双频精密单点定位数学模型入手, 研究其一系列的解算策略, 具体对定位结果与精度进行分析。通过对静态精度定位分析, 总结出科学的结论, 为工程实际应用提供准确的资料与参考。

关键词：GPS,精密单点定位,精度分析

参考文献

[1]叶世榕.GPS非差相位精密单点定位理论与实现[D][博士论文].武汉:武汉大学, 2011:2-6.

[2]楼益栋, 刘万科, 张小红.GPS卫星星历的精度分析[J].测绘信息与工程, 2008, 28 (6) :4-6.

GPS静态定位技术 篇3

随着GPS观测精度和处理方法的不断改进和提高,高频( 1Hz) 和超高频( 20 ~ 50Hz) GPS接收机的相继出现,GPS的观测精度和对形变谱的敏感性朝着测量地壳动态瞬时变化的方向不断改进[1],单历元解算在这一过程中起到了非常重要的作用。通过对单历元算法的研究可以对变形监测数据的处理、地震监测、对流层天顶延迟的研究等都有着非常重要的意义。在相对定位中,单历元解算就是以一个初始历元为时间基准的快速解算整周模糊度和观测点位的方法。

GAMIT是GPS数据处理与分析软件,TRACK是GAMIT的一个动态定位模块[2],使用的就是单历元解算的思想。TRACK应用广泛,其定位结果得到测站每个历元的三维坐标差及单位权中误差,从而获得移动测站的运动轨迹,TRACK模块能够解算出GPS测站记录到的地震动态位移和静态位移特征[3],在地震对周围连续运行参考站的影响、大坝变形监测、大型桥梁的动态监测、高层建筑物的动态形变监测、车载GPS道路信息采集、运动载体的位置姿态确定等领域广泛应用。 为了衡量TRACK在定位中的精度,本文用TRACK模块处理静态定位,并与GAMIT的静态基线解对比,分析TRACK在静态定位中的精度及稳定性。

1 TRACK定位原理及坐标系

1. 1 TRACK定位原理

TRACK采用载波相位观测值差分进行动态相对定位,相位差分的重点是求解整周模糊度,整周模糊度解算后就可以进行定位,得到测站在选定坐标系中的坐标。

TRACK模块使用目前普遍使用的利用双频P码伪距观测量和相位观测量组合求解模糊度的方法,即 “M-W”方法来计算宽巷模糊度:

其中fi为Li波段的载波频率,φi为对应的相位观测量,Pi为对应的伪距观测量

这一宽巷模糊度不受电离层的影响,且由于式( 1) 中系数较小( 近似为0. 124) ,可有效地减小码观测的误差,因而精度较高,由此得到的宽巷模糊度还与基线长度无关。这一方法在短基线定位和长基线定位中应用极为广泛,是用于确定L1、L2模糊度的重要途径。但是利用单历元的数据确定整周模糊度,采用直接解算取整是不可能得到的。为此,需要建立模糊度搜索空间,根据这一搜索空间求出宽巷模糊度,求取L1、L2的模糊度。TRACK在建立模糊度搜索空间后,依据残差平方和最小准则选择出正确的模糊度整数解。

TRACK中影响GPS观测量精度的卫星钟差和轨道误差可以采用IGS数据中心提供的精密钟差和星历来消除,电离层和对流层延迟影响可以采用相关模型进行削弱。在数据处理时估计的参数,采用卡尔曼滤波器对先前历元信息进行充分利用,对流层延迟等相关误差采用对应的模型进行消除。当模糊度固定后,利用长基线估计策略并采用平滑技术,即将固定后的参数进行回代到初始历元以达到每个历元的最佳状态估计[4~6]。

TRACK的定位模式包括L1、L2 和LC三种模式。一般情况下,当基线长度小于1km时,可以使用单频的L1 或L2 的定位模式,这时由于短基线两端观测环境相关性极强,差分后电离层延迟、对流层延迟都会得到很大的削弱。当基线长度大于1km时,TRACK一般选择LC组合模式进行解算,这时单频的定位模式不能有效消除电离层延迟,而LC组合可以基本消除电离层延迟误差[7]。

1. 2 TRACK的坐标系统

TRACK可以输出单历元解的不同坐标系下的坐标。 包括GEOD、 DHU、 DUMP、 XYZ、 NEU。GEOD得到的是大地坐标系( 大地经度、 大地纬度、大地高) ; DHU输出得到的是相对于移动站先验坐标的NEU站心坐标; DUMP则主要用来分析ionex对于解算结果的影响; XYZ得到的是笛卡尔空间直角坐标系。

TRACK中的NEU坐标系统考虑了地球曲率的影响,与常规的NEU坐标系统不同,其计算公式如下:

式( 2) 中a为椭球长半轴长,B0、L0、H0为基准站大地坐标,B、L、H为差分站大地坐标。

为了评定TRACK定位结果在水平和高程方向的精度,本文算例采用以基准站为原点的站心坐标系NEU。GAMIT静态基线单天解结果O文件中的NEU坐标正是以基准站为原点定义的站心坐标,为了将TRACK解得的结果与上述结果比较,必须将TRACK的NEU结果也转换到该站心坐标系下。因此,可以利用TRACK解得的空间直角坐标XYZ转换为站心坐标NEU。

2 算例分析

为了评定TRACK定位结果的精度,本文实验方案如下:

选取两个稳定的且数据质量较好的连续观测站,一个作为基准站,另一个作为差分站,用采样间隔为30s的一天的数据,并用以下两种方法进行解算:

( 1) 通过设置TRACK的控制文件使结果输出XYZ坐标,并将每个历元的XYZ坐标转化为差分站相对于基准站的站心坐标NEU,将此NEU坐标作为定位结果。

( 2) 利用GAMIT软件解两个站的静态基线,得到单天解的结果O文件,该文件中有差分站相对于基准站的站心坐标NEU,将这个NEU坐标作为已知值。

将TRACK得到的单历元解NEU坐标与GAMIT解得的NEU坐标作差,得到一个 ΔN、ΔE、ΔU随历元变化的序列。并求得该序列绝对值的平均值及中误差,从而分析TRACK模块在进行静态定位时的精度及稳定性。 为了确定不同基线长度对TRACK定位的影响,本文选取了四条GPS基线实测数据进行计算和分析:

1) 基线长小于1km

该组选择的是美国的两个IGS站在2014 年第248 天,采样间隔为30s的数据,以usn3 为基准站,usno为差分站,基线长度约为178m,考虑该基线很短,故使用单频L1 定位模式进行数据解算。按照实验方案进行处理,图1 得到了各个分量坐标差的时间序列。

由图1 可以得出,在水平及高程方向数据都很稳定。且定位结果水平方向坐标差集中在0 ~ 4mm,而高程方向的坐标差大部分在10mm以内。

2) 基线长10km左右

选取美国的两个PBO站,以p278 为基准站,p279 为差分站,基线长度约为9km,对2014 年第248 天,采样间隔为30s的数据进行计算,解算方案使用双频LC定位模式进行数据解算。按照实验方案进行处理,图2 给出了各个分量坐标差的时间序列。

由图2 看出,该组定位结果水平方向比较稳定,坐标差在10 mm以内。高程方向稳定性稍差,坐标差基本在25mm以内。

3) 基线长100km左右

依旧选取两个PBO站,以p308 为基准站,p310 为差分站,基线长度约为102km,时间选取第249 天,采样间隔为30s的数据,解算方案使用双频LC数据类型进行数据解算。按照实验方案进行处理,得到图3 各个分量坐标差的时间序列。

由图3 分析可得,在水平方向数据不太稳定,坐标差在15mm以内。高程方向稳定性比较差,出现周期性大幅度摆动。

4) 基线长500km左右

选取美国的两个PBO站在2014 年第250 天,采样间隔为30s的数据,以p138 为基准站,p279为差分站,基线长度约为525km,解算方案使用双频LC数据类型进行数据解算。按照实验方案进行处理,图4 分别给出了各个分量坐标差的时间序列。

由图4 及数据分析可以得到,在水平方向数据稳定性很差,出现周期性摆动,高程方向稳定性极差,出现很大幅度周期性摆动。

分别计算出四组基线各分量坐标差绝对值的平均值和绝对值的中误差,结果见表1。

结合上述图和表定位结果与精度统计,综合分析可得出以下结论:

( 1) 当测站距离基准站短于10km时,TARCK平面和高程定位结果均可达毫米级; 当测站距离基准站短于100km时,TARCK平面结果可达毫米级,高程结果可达厘米级; 当测站距离基准站短于500km时,TARCK平面和高程定位结果均可达厘米级;

( 2) 随着测站与基准站距离的不断增加,NEU三个方向的均值逐渐增大,即定位精度逐渐变差;同时三个方向的中误差也逐渐增大,即定位的稳定性逐渐变差;

( 3) TRACK定位结果中高程方向精度和稳定性都要比水平方向的差。

3 结论

本文简单介绍了TRACK定位原理和使用的坐标系统,主要对TRACK输出的顾及地球曲率的NEU坐标进行了解释, 给出了计算公式。 利用TRACK进行了静态定位实验,对四条长度不同的基线进行数据处理,定位结果表明,在观测数据质量较好的情况下,随着距离基准站距离的不断增加,TRACK定位精度及稳定性都逐渐变差,并且高程方向比水平方向变化更显著。本文仅对静态测站进行了测试,后续将采用动态数据进行TRACK的精度评定,有望得到更全面、准确的分析。

摘要：随着GAMIT软件包中TRACK模块的不断完善,近年来该模块在动态定位、GPS地震学、火山监测等领域得到了广泛应用。为了进一步推广TRACK模块的应用,本文在给出TRACK定位原理和使用的坐标系统的基础上,使用距离基准站不同远近的GPS数据对TRACK的定位精度进行了分析。实验结果分析表明,在距离基准站小于10km的情况下TRACK的定位精度优于1cm。随着距离基准站距离的不断增加,TRACK定位的精度及稳定性都逐渐变差,并且高程方向比水平方向变化更显著。

关键词：GPS,TRACK,相对定位,单历元解

参考文献

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GPS静态定位技术 篇4

关键词：地质勘探,静态GPS定位,应用

GPS技术从开始诞生以后其应用领域便一直在不断扩展, 随着近年来科学技术的快速发展以及当前信息化程度的提升, 我国地质勘探工作中也开始引入了GPS定位技术, 很大程度的提升了测绘工作的准确性, 同时地质勘探工程的效率也得到了明显提升, 特别是在地质勘探钻孔定位中, 引入静态GPS以后, 勘探测绘开始进入到一个全新的领域, 下面我们就地质勘探中静态GPS定位的应用展开进一步分析。

1静态GPS在地质勘探钻孔定位中应用的背景

从静态GPS出现一直到应用只用了二十几年的时间, 进一步普及用了十几年的时间, 虽然时间非常短, 但是却发挥出了非常大的潜力, 全球定位系统是由美国研制的一种人造卫星定位系统, 主要由地面监控站、GPS系统及用户接收机所组成, 大量实践经验证明, GPS系统在工作中具有作业时间短、精度高、全天候作业等一系列优点[1]。当前GPS已经在三维控制网、地形测量、道路测量等多领域中得到了广泛应用。静态GPS在勘探钻孔定位中也具有明显的优越性, 凭借其自身独特的功能解决了很多测量工作中的难题, 其灵活性非常强, 不会受到地物、地形等方面因素的限制。

2静态GPS定位对矿山地质勘探的意义

在矿山勘探工作中, 定位是非常重要的一环, 不管是布置钻孔还是构造位置的确定, 都需要进行精确的定位。布置钻孔要求做到最短的距离、时间以及地质效果。不管是地表还是地下, 因为受到地貌条件、地形条件的影响都会体现出勘探定位工作量大、测试点多等问题。利用静态GPS定位系统针对矿山进行勘测, 可以使采区范围得到优化[2], 与传统技术相比显得更加快速、简单, 还能节省人力和时间, 减少工程施工过程中的盲目性, 以获得有关地质情况的所有信息, 其中包括非常详细的矿体地质资料。在开采过程中, 地应力会在矿层中不断汇聚到一起, 在同一应力场中很多应力可能并不均衡, 不规范的采掘活动会使原来的应力平衡受到破坏, 进而使参与应力突然间释放出来, 这种情况下很容易会出现冒顶、坍塌等相关问题, 为采掘工作带来巨大的安全威胁, 而利用静态GPS定位技术中的三维地震勘探技术, 可以对小构造的发育情况进行勘探, 针对地质情况进行提前预测, 可以有效减少突发事故的出现, 大大提升了矿井勘探工作的有效性及安全性。

3静态GPS在矿井地质勘探钻孔定位中的应用

静态GPS技术由初始化时间决定测量速度, 而初始化时间又由接收机性能及接受卫星数量及质量决定, 尽量在最短时间以内展开测量工作, 通常情况下初始化的时间为20s~2min, 因此, 在矿井地质勘探过程中, 静态GPS技术的测量速度是非常高的。

3.1作业效率高

利用静态GPS技术展开复测时, 需要将矿山工作网络和矿区三角控制网相连接, 其平均工作半径大约为4km, 同时静态GPS工作半径为20km, 最长边长约为10km[3], 静态GPS工作半径在处理数据时对精确性和速度的要求得到了充分的满足。在实际工作中会用到3台套仪器, 每站设置1人进行仪器的操作和搬运工作, 每站工作会超过40rain, 基本上可以得到该站的三维值, 作业效率非常高。

3.2定位精度较高

在矿区工作中静态GPS技术的应用范围非常广, 例如工程测量、地形测量等工作中都可以用到静态GPS技术。静态GPS定位技术应用以后, 可以有效避免因为工作范围不足而造成的数据误差, 大量工程实践证明, 其工作范围可以达到2~5km, 在规程要求的时间内工作, 利用静态GPS技术得到的平面高程精度通常在5mm内, 且没有误差积累的现象存在, 很明显, 利用GPS观测的精度要远远高于一般测量手段。此外, GPS基线向量相对精度在0.00001~0.000000001的范围内, 这充分体现出了GPS在技术上的优越性, 这是一般测量技术不能达到的。

3.3全天候作业

静态GPS技术在工作过程中存在的受限因素非常少, 通常情况下只要满足空间通视、电磁波通视的要求即可, 不会受到云层、光线等因素的影响, 也不会考虑光学通归的影响, 所以在多云天气或者夜晚也是可以正常工作的, 不仅可以有效提升工作效率, 同时和传统测量技术相比, 静态GPS技术还存在很多不能比拟的优势, 全天候作业也可以得到顺利实现。

3.4选点灵活、造价低

利用静态GPS技术进行测量, 不需要满足测站之间通视的要求, 可选工作点的空间更大, 具有灵活多变的特点, 同时也不需要造标, 节省了大量的资金投资, 布网的费用也得到了有效降低, 虽然应用了最先进的技术, 但是并不需要花费过多的费用。

3.5内业解算

利用静态GPS技术进行内业解算, 通常情况下需要按照解算程序将4~6rain解算作为一组, 其方法非常简单, 同时数据也非常准确、清晰。

4结语

综上所述, 在矿井地质勘探钻孔定位及复测工作中应用静态GPS技术, 可以使工作效率提升几倍。值得一提的是, 在一些大面积勘探区, 最好可以在勘探区中建设多个点 (GPS) , 以满足勘探区对控制精度的需要。总之, 这种静态GPS定位技术非常先进, 其操作方法也比较简单, 具有速度快、精度高等一系列特点, 可以充分满足当前我国矿井地质勘探钻孔定位及复测工作的实际需求, 值得进行广泛的推广和应用。

参考文献

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[2]狄广礼, 刘剑英.基于GPS-RTK技术在地质勘探工程测量中的应用研究[J].科技资讯, 2015 (5) :51-52.

GPS静态定位技术 篇5

在社会经济快速发展的今天, 人们对能源的需求越来越大, 其中煤炭能源占有着相当大的比重。在煤矿开采的过程中, 矿山测量有着举足轻重的地位, 但由于对矿山测量的错误认识, 导致我国的煤炭开采业发展并不健康。GPS静态测量技术可以高度精确的测量出矿区的整个开采环境, 提高矿山企业的生产效益。

1 GPS静态测量技术及矿山测量的重要性

GPS静态测量, 观测模式是多台接收机在不同的测站上进行静止同步观测, 是利用测量型GPS接收机进行定位测量的一种, 主要是建立各种各样的控制网来测量测区的数据。观测时间有四十分钟到几十小时不等。简单来说, 静态测量法就是把多于3台GPs接收机同时安置在观测点上, 同步观测一定时间段, 一般为1~2 h不等, 用边连接方法购网, 用后处理软件解算基线, 经平差计算求定观测点的三维坐标。

矿山测量作为发展矿山产业不可或缺的一个环节, 具有非常重要的意义和使命。首先地质部门提供给施工单位关于地质条件的依据就是矿井下面准确的高程点与导线点, 只有获得了准确的数据, 地质部门才能打通地下矿井的安全生产工作, 施工单位在施工过程中遇到错综复杂的突发状况, 才能够应对自如。同时, 矿山测量对煤矿的安全生产以及煤矿事故的高效处理有着直接重要的影响。准确的矿山测量, 可以对矿井下面的水、瓦斯、有害气体等有一个全面的掌握, 降低煤炭生产过程中的风险;在发生煤矿事故时, 相关部门和领导能够快速、准确的掌握矿井下面的情况, 迅速制定出高效、科学的施救方案, 减少人员伤亡和矿山企业的损失。

2 矿山测量的现状

1) 对矿山测量的认识不够, 导致测量技术人员地位不高和技术人才流失。发展矿山企业的各个环节都离不开矿山测量, 测量数据的成果不仅为企业生产建设服务, 还为煤矿安全生产提供强大的保障。但许多矿山企业的领导及有关的工作人员只把矿山测量当做煤矿生产过程中的辅助性存在, 使得矿山测量人员人微言轻, 不能让矿山测量在矿山产业中真正的发挥作用。再则, 矿山企业大多工作环境差, 危险系数高, 工资和相关的待遇低, 导致很多相关专业的毕业生不愿意到矿山企业去工作, 即使去工作, 也是把矿山企业当做事业生涯的一个跳板, 等到他们拥有了实践经验, 测量技术更熟练以后, 就选择离开, 到建筑、交通等工作环境好、待遇高的工程行业去发展, 导致矿山测量队伍人丁凋零。

2) 矿山测量队伍的建设有待加强。矿山多处于偏远山区, 由于交通、通信等问题, 与外界联系比较少, 使得矿山测量人员很难接触到外面先进的理论知识以及测量技术。同时由于矿山企业往往安于现状, 当测量队伍可以满足矿山生产任务时, 忽视对矿山测量队伍的建设, 导致矿山测量技术很难发展前进。

3) 传统矿山测量方法危险系数高。不管是露天开采还是地下开采, 煤炭资源的开采都使得矿山形成了不规则的开采面, 传统的矿山测量是在开采地区范围内, 选取一定的地形特征地点, 测量人员在陡峭的山体上设立战标, 在崩塌的岩石下来进行测量。该测量方法不但危险系数高, 其精准程度还有待商榷。

人才是企业持续发展的关键。因此, 矿山企业要重视测量技术人员的培训, 加强矿山测量队伍的建设。尽可能的提高矿山测量技术人员的地位和待遇, 减少技术人才的流失;定期输送测量人员外出学习深造, 学习矿山测量方面先进的理论知识和测量技术以及创新测量技术方法。国家在高等职业院校要开设矿山测量专业, 为矿山企业不断地输入专业人才, 大力推动GPS静态测量技术在矿山测量中的应用, 提高矿山测量的准确度, 让矿山企业健康、持续的发展。

3 GPS静态测量技术的实际应用

3.1 控制网的布设及选点注意事项

在布设方面: (1) 在GPS控制网中, 每次观测的观测区域要形成一个同步观测的闭合图形, 以提高观测质量。 (2) 在GPS控制网中的网点与地面已知控制网点足够多重合的前提下, 让重合点在整个控制网中尽可能均匀的分布, 以确定GPS网与地面网之间的参数转换。 (3) 在GPS控制网中设置具有一定密度的水准点, 为地面水准面的计算和研究提供准确的资料和参考依据。 (4) GPS网点要设在视野开阔和方便到达的地方, 同时保证测站点仰角15°以上的地方周围无明显的障碍物。

在选点方面, 因为点位的选择在整个观测工作的过程中有着不可忽视的地位, 所以在选点之前, 不但要详细的了解矿区的地理情况和其原有测量控制点的分布及损坏情况, 还要考虑以下的原则: (1) 地面土壤坚硬、巩固、稳定, 易于保护。 (2) 点位视野开阔, 易于安置接受设备和操作, 其15°以上的地方周围没有大面积的障碍物。 (3) 若点位周围有许多的高压线路和市电线路, 要在距离其50~100 m以外的地方进行选点, 以免高压线路产生的电磁场。 (4) 点位尽量选在公路和采矿专线相结合的地方, 因为交通便利, 会非常有利于GPS静态测量的布点和观测。选点后做好点位记录, 并对其进行相应的保护。

3.2 控制网的图形设计以及实际应用

每次观测要形成一个同步的闭合环, 采用边连式布网, 保证控制网有较高的几何强度以及较多的复测边和其他闭合条件。

由相关资料可知, 观测时段数计算公式为:

式中:N为接收机数, m为每点设站次数, n为网点数, C为观测时段数。如有10个点, 用5台机器去观测, 采用边连式, 需要三个测区, 从而可得出观测时段数=5×3/10=1.5, 按照技术要求, E级GPS最低需要1.6, 因此在GPS网中:

总基数线:J总=C·N (N-1) /2

必要基数线:J必=n-1

独立基数线:J独=C (N-1)

多余基数线:J多=C (N-1) - (n-1)

以此公式得出的数据为依据, 确定GPS控制网图形结构的基本框架。

在观测过程中, 要严格依据相关的测量规范去观测, 并认真填写观测到的数据, 在每一次观测数据前后各量取天线高度一次, 记录好每个观测过程的起止时间以及其他相关的注意事项。GPS观测数据随相关软件自动记录并快速的生成高度准确的数据文件。

控制网平差可以降低误差与分析和比较测量结果, 其中包括三维无约束平差和二维约束平差。三维无约束平差, 根据有关的手段进行人工干预, 分析每个卫星的观测时段以及观测到的数据, 通过重新设计观测时间间隔、调整卫星高度角等手段, 对比所观测到的数据, 选择相对误差最小的结果。在此情况下, 进行二维约束平差, 最好和设计施工控制网的平差方案基本一致, 从而方便测量结果的比较和分析。设置控制网的已知点不能一直不变, 矿区内高程的变化是比较复杂的, 因此要具体情况具体分析, 合理布设并选定足够的已知点, 采用三等几何水准联测GPS点, 提高高程拟合计算的精度。

4 结语

综上所述, 矿山测量在开始建造煤矿到关闭整个煤矿的过程中都发挥着十分重要的作用, 如果没有详细、准确的矿山数据文件, 矿山产业只能在盲目中进行, 不仅产能低下, 而且危险度高, 制约着矿山企业的发展。因此, 我们要改变对矿山测量的认识, 重视矿山测量队伍的建设, 不断地学习和引进先进的测量技术, 减少工程上的浪费, 提高矿山企业的经济效益。

参考文献

[1]冯平生.GPS技术在矿山测量中的应用探讨[J].青春岁月, 2013 (18) :490.

[2]郝俊慧.试论GPS (RTK) 技术在矿山测量中的应用[J].科技致富向导, 2014 (32) :54.

GPS静态定位技术 篇6

1 3G技术相对于2G技术的特点

1.1 超高的网速

根据测试, 3G网络在室内、室外和行车的环境中能够分别支持至少2Mbps (兆字节/每秒) 、384kbps (千字节/每秒) 以及144kbps的传输速度。是原有2.5G网络的10倍以上。

1.2 极低的误码率

3G网络信号传输的误码率仅为10-3～10-6, , 可大大提高数据的可靠性。

1.3 最大的网络覆盖

据中国移动通信的资料显示, 目前, 网络已经100%覆盖全国县 (市) , 主要交通干线实现连续覆盖。在一些东部省份 (例如山东省) 其网络覆盖率已达100%, 在无地面信号地区可使用卫星网传输数据。3G网络基于CDMA或者是码分多址技术标准, 可实现全球无缝漫游, 无国界限制。使用及其方便, 在可以使用手机的地方就可使用3G网络。

1.4 据有一定的定位功能

中国移动通信的 (TD-SCDMA) 技术还带有一定的导航和定位功能, 在不借助GPS的情况下, 也可单独使用, 可快速确定所处概略位置。

2 GPS定位技术相对于常规测量技术的特点

2.1 测站间不需要通视

即要保持良好的通视条件, 又要保证测量控制网具有良好的图形结构, 这一直是经典测量技术在实践方面必须面对的难题之一。GPS测量不要求点间通视, 因而不再需要建造觇标。这一优点可大大减少测量工作的时间和经费, 同时又使点位选择更加灵活。

2.2 定位精度高

已有的大量实践证明, 目前在小于50km的基线上, 其相对定位精度可达 (1～2) ×10-6而在100～500km的基线上可达10-6～10-7。随着观测技术与数据处理技术的改善, 有望在大于1000km的距离上, 相对定位精度达到或大于10-8。

2.3 提供三维坐标

GPS测量中, 在精确测定测站平面位置的同时, 还可以精确测定测站的大地高程, GPS测量的这一特点不仅为研究大地水准面的形状和测定地面点的高程开辟了新的途径, 同时也为其在航空物探、航空摄影测量及精密导航中应用, 提供了重要的高程数据。

2.4 观测时间短

目前, 利用经典的相对静态定位方法, 完成一条基线的相对定位时间, 根据精度的不同, 约为1～3h。

2.5 操作简便

GPS的自动化程度很高, 观测中测量员的主要任务只是安置并开关仪器、量取仪器高、监视仪器的工作状态、采集观测环境的气象数据, 而其他观测工作, 如卫星的捕获、跟踪观测、数据记录等均由仪器自动完成。

2.6 全天侯作业

GPS测量工作, 可以在任何时间、任何地点连续地进行, 一般不受天气状况的影响。因此, GPS定位技术的发展是对经典测量技术的一次重大突破。

3 经典静态测量

3.1 静态相对定位测量原理

静态相对定位测量, 安置在基线端点的接收机是固定不动的。在不同测站同步观测相同卫星的情况下, 卫星轨道误差、卫星钟差、电离层折射误差和对流层折射误差等, 对不同观测站的观测量具有一定得相关性。因此利用观测量的不同组合进行相对定位, 以有效减除和削弱各项误差对定位结果的影响。同时由于进行连续观测, 取得了充分的多余观测量, 因而可获得非常高的定位精度。

3.2 静态相对定位测量中出现的问题

相对定位测量采用后处理平差的方法, 不能实时得到点位的坐标和精度。其对基线的要求较高。有时候不免会出现基线不合格的情况, 当不合格基线为连接已知点的主要基线时, 野外返工在所难免。

4 3G+GPS

4.1 3G+GPS的硬件设备

在现有GPS接收机基础上, 可不增加接收机外设, 只需在接收机内部增加一块无线上网卡或双模手机的手机模块即可完成3G+GPS的有机结合。

4.2 3G+GPS相对于常规GPS静态测量的特点

1) 3G+GPS相对于常规GPS静态测量的优势。接收机采集数据后, 通过网络实时传输出去, 实时解算, 观测时间再无长短限制, 观测结果质量达到要求即可结束观测, 在观测条件良好的情况下可缩短观测时间, 提高作业效率。而观测条件较差时, 可增加观测时间, 可长时间观测直到满足精度要求为止。使野外返工成为历史。

2) 静态3G+GPS的作业流程。GPS接收机在开机完成初始化后, 开始采集数据, 将数据通过3G网络实时的传送出去, 内业人员只需坐在室内实时接收GPS接收机发送过来的数据, 利用计算机对数据进行实时的解算, 待结果满足精度要求后即可结束观测。同时监测每个GPS接收机的作业情况, 进行作业调度。

4.3 3G+GPS相对与常规GPS变形监测的特点

大地变形监测与地震预报、地表沉降观测、山体滑坡变形观测, 高层建筑变形观测等项目一般采用GPS测量, 需要布设大量的线路, 费用较高。采用3G+GPS可免去线路架设的大量费用和时间, 可实现及装及拆, 开机及测, 使点位的选择更加的灵活, 使用更加的便利。

5 静态GPS测量缩短作业时间实例

在一般的工程测量和地形测量中, 以布设国标E级控制网为主, 国标E级的作业时间按要求为40分钟, 正常情况下, 一般观测30分钟即可满足精度要求。现对已有的E级控制网进行复测, 作业仪器为南方测绘仪器公司生产的北极星9600A单频接收机, 作业时间为10分钟和20分钟。平均边长为2000米, 最短边为100米, 最长边为6699米。PDOP值为1.7～2.6。施测的基线除1条观测时间20分钟和1条10分钟的不合格外 (将其剔除) , 其余全部合格。平均均方根误差为0.007, 平均方差比为41.82, 平均复测基线较差为3mm。数据剔除率、同步环闭合差、符合路线坐标闭合差以及基线分量的改正数全部满足规范要求。通过和已知坐标对比, 发现所测结果平面位置差值为1cm以内。

结论:缩短静态GPS的作业时间在实践中是可行的。但其不确定因素较多, 不可盲目缩短观测时间。采用3G+GPS, 在保证结果的同时, 又可缩短作业时间。

6 结语

3G+GPS技术对于GPS静态测量、GPS变形监测有很大的促进。3G+GPS将极大的提高GPS的作业效率, 提高经济效益, 对广大测绘工作者的GPS测量有很大的帮助。

1) 3G:全称为3rd Ge ne ration, 中文含义就是指第三代数字通信;

2) 误码率:误码率 (BER:bite rror) 是衡量数据在规定时间内数据传输精确性的指标。误码率=传输中的误码/所传输的总码数*100%

参考文献

[1]穆维新.现代通信网技术[M].北京:人民邮电出版社, 2006.

[2]徐晓兰.3G[N].中国电脑教育报, 2009.

GPS盲区三维定位技术的研究 篇7

由于GPS技术的局限性,实现室内、地下等有遮蔽场所(盲区)的目标定位比较困难,更无法满足盲区内移动目标的三维坐标定位的要求。为了正确可靠地对移动目标进行精确定位,定位系统必须为整个系统提供足够精确、可靠的位置和速度等信息。见图1所示。

目前,定位系统已经从单一传感器类型系统发展到组合定位系统,将多种类型的传感器进行优化配置、性能互补,使系统的精度和可靠性都有很大的提高。在开发研究GPS盲区内的三维定位终端项目中,为了提高定位系统精度和速度,采用无线自组网技术进行终端间的信息数据传输和基于加速度传感器的定位算法,使系统精度达到对室内移动目标定位累计误差小于5%。定位信息是预报和处置突发事件最基础的重要数据,GPS盲区的三维定位技术就能满足此方面的需求。

1 惯性导航定位技术和GPS的定位技术

1.1 惯性导航定位技术

惯性仪表主要指陀螺仪、加速度仪和陀螺仪与加速度仪的组合装置等,它们是惯性系统的重要组成部件。陀螺仪用来检测运动载体在惯性空间中的角运动,加速度计用来检测运动载体在惯性空间中的线运动。根据测量数据和运动微分方程组实时地、精确地解算出运动载体的位置、速度和姿态角。惯性导航系统分为平台式惯性导航系统(INS)和捷联式惯性导航系统(SINS)。

(1) 陀螺仪

转子陀螺仪的运动特性与一般刚体的根本区别在于转子旋转产生的角动量,这种陀螺仪服从牛顿力学。随着激光技术的发展,建立在全新测量原理上的另一类陀螺已发展起来,这就是光学陀螺,这类陀螺服从量子力学。

(2) 加速度仪

加速度计实际是一个对作用在物体上的力的传感器。惯导系统要求的是要感觉出造成物体在地球坐标系中的运动的力,然而实际作用在物体上的力不那么单纯,为此要引入比力的概念。

比力定义为作用在单位质量上惯性力与万有引力的矢量和,相应的定义式为:f=a-G。其中,a为质量块相对惯性运动的加速度(m/s2),G为万有引力加速度(m/s2)。

在惯性导航系统中,加速度计安装在运载体内某一测量坐标系p中(如平台式导系统的平台坐标系,捷联式导系统的载体坐标系),假设测量坐标系p相对地球坐标系e的转动角速率矢量为ω${}_{ep}^p$,经推导,p系中加速度计所敏感的比力矢量fp满足比力方程。

$f{}^p=\overline{V}{}_{ep}^p+(2\omega {}_{ie}^p+\omega {}_{ep}^p)\times V{}_{ep}^p-g{}^p$ (1)

式中,$\overline{V}$${}_{ep}^p$为p系中运载体相对地球的加速度矢量;ω${}_{ep}^p$×V${}_{ep}^p$为p系中p系相对e系统相对系转动所引起的向心加速度;2ω${}_{ie}^p$×Vpep为p系中运载体相对地球的速度V${}_{ep}^p$与牵连转动角速率ω${}_{ie}^p$的相互影响形成的加速度矢量,运动学将它称为哥力奥利(Coriolis)加速度或哥氏加速度;gp为p系中地球的重力加速度矢量。

比力方程是惯导系统的一个基本方程,它反映加速度计所敏感到的比力fp与运载体相对地球运动的加速度$\overline{V}$${}_{ep}^p$之间的矢量关系。因此,由加速度$\overline{V}$${}_{ep}^p$对时间的一次积分,可以得到运载体在p系中的速度V${}_{ep}^p$;由速度V${}_{ep}^p$对时间的一次积分,可以得到运载体在p系中的位置rp。

平台坐标系如图2所示。

1.2 GPS的定位技术

GPS的定位原理,是人造卫星围绕地球运转时,卫星位置作为已知值,向地球表面发射经过编码的无线电信号,编码中包含卫星信号准确的发送时间,以及不同的时间,卫星在空间的准确位置。当载于海陆空运载体上的卫星导航接收机在接收到卫星发出的无线电信号时,如果接收机有与卫星钟准确同步的时钟,便能得到信号的到达时间,从而能计算出信号在空间传播的时间。用这个传播时间乘以信号的传播速度,便能求出接收机与卫星之间的距离R。$R=\sqrt{(x{}_1-x){}^2+(y{}_1-y){}^2+(z{}_1-z){}^2}$ (2)

式中,R为卫星与接收机之间的距离;(x1,y1,z1)为表示卫星位置的三维坐标值,(x,y,z)为表示接收机位置的三维坐标值;其中(x1,y1,z1)和(x,y,z)是已知量和未知量。

如果接收机能接收到三颗卫星的数据,便能写出三个这样的方程式,把这三个方程式联立起来,便能解出接收机的三个未知数,从而定出接收机的位置。

实际上,因为接收机一般不可能有十分准确的时钟,所以由它计算出的卫星信号在空间的传播时间是不精准的,因而测出的距离也不精准,这样计算出的距离叫做伪距(PR)。但接收机在接收卫星信号时,接收机的时钟与卫星导航系统所用时钟的时间差是一个定值,假设为△t,那么上述公式就要改写成:

$R=\sqrt{(x{}_1-x){}^2+(y{}_1-y){}^2+(z{}_1-z){}^2}+△t\times c$ (3)

式中,c是电波传播速度(光速);△t也是个未知数。

因而接收机至少能测出距四颗卫星的伪距,便能写出四个这样的方程式,把这四个方程式联立起来,从而求出接收机时钟的偏差,并同时计算出接收机的位置。

2 一般组合定位模型

2.1 组合的原因

惯性导航系统INS是一种隐蔽性好、不怕干扰、自主式、可全球运行的系统,但随时间推移定位误差会不断积累。全球定位系统GPS 从一开始就备受人们关注,GPS能为海陆空的用户提供全时间、全天候连续地精确的三维位置、速度和时间信息,但GPS却存在易受电子干扰影响、信号可能被遮挡的缺点。可以看到,将惯性导航系统INS的短期高性能特性和全球定位系统GPS长期高精度性能特性有机结合起来,就能充分利用各系统的特性,提高定位精度和可靠性,并进一步扩大使用范围。

2.2 组合原理

惯性导航系统INS和全球定位系统GPS组合定位系统的实质, 就是将惯性导航系统INS和全球定位系统GPS两个定位子系统所测量的数据信息进行优化。即利用惯性导航系统和GPS接收机等作为多源信息, 根据这些多源信息计算出关于定位最优估计量。图3是INS/GPS组合导航系统的工作原理。

可以看到,多源信息的组合设计中,算法是整个组合系统的核心部分。组合定位系统用于实时地估计系统的误差状态,然后依据某种意义上算法估计出控制值,对组合定位系统进行修正,从而提高组合定位系统的定位精度。

3 引入步长模型与运动分类的算法研究

利用速度和方向测量实现位置信息的推算的方法如下:N为导航坐标系,yox为移动目标坐标系,传感器对目标的速度和方向信息的计算是在物理坐标系完成的,而具体位置计算是在导航坐标系,这样可以得到状态方程如下:

见图4所示,其中θ是N轴与Y轴的夹角,(n,e)是导航坐标系的北向和东向分量,(u,v)是物理坐标系中两个速度分量。

由于传感器获得瞬时加速度数据影响到最终结果,所以通过建立走与跑两种运动状态模型,以便获得最佳原始数据。

WALK参数模型:

Lwalk=αwalk·f+βwalk·v+γwalk (5)

f>fthresholdv>vthreshold (6)

RUN参数模型:

Lrun=αrun·f+βrun·v+γrun (7)

f≤fthresholdv≤vthreshold (8)

其中,f=1/ts为步频;fthreshold=1/tthreshold为区分走与跑两种运动状态的步频阈值;v为一步之内加速度的方差;vthreshold为区分走与跑两种运动状态的一步之内加速度方差阈值;αwalk、βwalk、γwalk、αrun、βrun、γrun为模型参数,通过模型标定过程辨识得到。

当接收机进入GPS信号的盲区时,开始利用DR算法对定位信息进行修正。接收机可以得到进入盲区前k-1时刻的速度和航向,同时加速度传感器可以测出加速度ak-1。

由牛顿惯性定律可得式(9):

$\alpha {}_{k-1}=\sqrt{\alpha {}_x^2+\alpha {}_y^2}\left|\text{Δ}\overrightarrow{V}{}_k\right|=\left|\overrightarrow{\alpha }{}_{k-1}\right|{\rm T}$ (9)

其中,Δ$\overrightarrow{V}$k为速度的变化矢量,T为加速度传感器的采样周期。如图5所示。

移动目标在k-1时刻的速度和向前的加速度αy方向是近似相同的,则有如式(10):

$\gamma {}_k\approx \tan {}^{-1}\frac{\alpha {}_x}{\alpha {}_y}$ (10)

根据三角形的正弦定理可得如式(11)、式(12):

sinαk=sin(βk+γk) (11)

$\frac{\overrightarrow{V}{}_{k-1}}{\sin \beta {}_k}=\frac{\left|\overrightarrow{V}{}_k\right|}{\sin \gamma {}_k}=\frac{\left|\text{Δ}\overrightarrow{V}{}_k\right|}{\sin \alpha {}_k}$ (12)

可以得到如式(13):

$\beta {}_k=\tan {}^{-1}\left(\frac{\sin \gamma {}_k}{\left|\frac{\text{Δ}\overrightarrow{V}{}_k}{\overrightarrow{V}{}_k}\right|-\cos \gamma {}_k}\right)$ (13)

把γk,βk,αk代入式中可以得出下一个时刻的速度如式(14):

$\left|\overrightarrow{V}{}_k\right|=\frac{\sin \gamma {}_k}{\sin \beta {}_k}\left|\overrightarrow{V}{}_{k-1}\right|$ (14)

由图示三角形关系$\alpha {}_k=\left|\psi {}_k-\psi {}_{k-1}\right|$和加速度αx(k)的方向,可以得到下一个时刻的航向ψk。

结合图(1)中两个坐标系的转换关系,可以得出新时刻北向和东向的位移方程如式(15):

ΔNk=(Vkcosψk)T ΔEk=(Vksinψk)T (15)

根据几何关系分析,在较小的位移内经纬度的变化表示为如下:

$\text{Δ}\text{ϕ}{}_k=\frac{\text{Δ}{\rm N}{}_k}{R{}_E}\text{Δ}\lambda {}_k=\frac{\text{Δ}E{}_k}{R{}_E}$ (16)

其中,Δϕk为纬度变化,Δλk为经度变化,RE为地球半径。GPS可以给出INS定位时的初始位置(λ,ϕ),新时刻的位置可以由下式得到如下:

λk=λk-1+Δλk ϕk=ϕk-1+Δϕk (17)

加速度传感器测量移动目标坐标系中两个轴向X方向和Y方向的加速度值,输出的信号经过单片机计算出X和Y方向的加速度值,把结果送人微处理器,并且应用加速度传感器多次“排序”,可以补偿加速度测量的误差,提高准确度。在微处理器的航位推算程序中,计算出相对位移和下一个时刻的速度、航向,存入存储器中。GPS接收机将接收到的卫星导航信息通过端口送人微处理器,进行计算,得到平面位置、高度、速度、时间、航向等信息。当GPS定位有效时,微处理器将惯性数据和GPS定位数据通过分布式数字卡尔曼滤波组合在一起得到最优的定位结果。当GPS进人盲区或可见卫星少于3颗时即切换到惯性导航系统,利用GPS提供的初始速度和航向,通过航位推算来维持正常的导航定位。显示控制模块定时刷新LCD显示屏,并将定位信息提供给用户。

4 结 语

综上所述,在GPS等定位技术无法发挥作用的特殊场合(盲区或移动目标的三维定位),现有一些技术,如超宽带技术(UWB),也可以实现GPS盲区(如室内)精确的三维定位,其定位精度甚至达到1cm以内。但是它们需要预先在建筑物内大量布放探测节点(探测器),这在很多应用场合是不现实的,因此我们提出了基于三维加速度传感器的盲区定位技术。即采用精密传感器技术,获取移动物体的三维坐标信息。即利用传感器的物理感知功能,获取目标的位置数据;通过定位算法得到目标的三维坐标;同时采用无线传感器网络技术实现各个节点的位置校准和信息传输,并传输至处理中心,从而实现盲区移动目标的三维精确定位。拓展了定位导航的应用范围,尤其在特种行业和要求无盲区定位的应用中,将会发挥无可替代的作用,形成新的定位导航的应用领域。

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