空间定位技术

关键词： 弧形 支设 模板 建筑

空间定位技术（精选九篇）

空间定位技术 篇1

1 特点

1) 采用GPS对控制点进行坐标定位, 保证了控制点的精度。2) 采用垂准仪对楼层内控点进行垂直传递, 保证了坐标点的传递精度。3) 采用CAD对弧形坐标点进行标识, 保证了弧形的截面尺寸。4) 采用全站仪直接对弧形坐标进行放样, 保证了弧形的轴线位置及截面尺寸。5) 采用1∶1“月牙形”样板对弧形梁进行放样, 保证了弧形的截面尺寸。6) 针对弧形建筑模板周转利用率低的特点, 侧模使用木胶板能够降低成本及保证外观达到清水效果。7) 缩短定位放线时间。

2 适用范围

适用于框架结构弧形建筑空间定位及模板施工。

3 工艺原理

先确定楼层控制点, 使用CAD软件标识控制点坐标, 用GPS对控制点坐标在首层进行定位, 并进行固定。使用垂准仪对控制点坐标进行楼层的传递, 在楼层用全站仪对使用CAD软件标识的弧形梁定距点坐标进行定位, 后放设弧形梁边线。多层清水模板幅面大, 强度高, 有弹性便于成型, 表面光滑, 易脱模, 可加快支模速度, 形成完美弧线;利用18的钢筋进行模板侧模的加固。

4 施工工艺流程及操作要点

4.1 施工工艺流程

确定控制点位置→GPS进行控制点定位→垂准仪楼层传递坐标→全站仪进行弧形梁点定位→弧形梁放线→支设弧形梁内侧模板、中间梁侧模→顶板模板铺设→梁钢筋绑扎→弧形梁合侧模。

4.2 操作要点

4.2.1 放线

1) 确定控制点位置。根据施工图及现场环境确定楼层内部控制点位置, 需要避开框架柱且每个方向使用仪器能够通视, 放线时为计算方便, 不少于4个控制点。

2) 使用CAD软件对控制点坐标进行标识。

3) 使用GPS对控制点坐标进行定位, 并用Φ20的钢筋钉入土内埋深不小于0.6 m, 在钢筋顶部锯“十字”凹槽。

4) 使用CAD连续弧形梁在跨中分两种情况:a.一跨只有一条圆弧;b.一跨由两条相切的圆弧组成。两条弧在跨中相切的先找到切点位置, 标出切点的坐标。将两段弧线按定距1 500 mm进行等分, 找到等分点, 标注出等分点坐标。

5) 根据图纸给定圆弧 (轴线) 外扩至梁边, 如弧形轴线半径6 000 mm, 梁宽300 mm, 梁外侧至轴线100 mm, 即样板外侧半径为6 100 mm, 内侧半径5 800 mm, 宽度300 mm, 在1 830×915的模板上画出同心圆半径分别为6 100 mm, 5 800 mm的两条圆弧, 用手电锯顺着两条弧线切割成1 830 mm长的1∶1“月牙形”样板。

6) 铺设弧形梁底模板, 全部用整板铺设。用垂准仪将控制点垂直向楼层传递, 在楼层使用全站仪进行放线, 将弧形点坐标使用全站仪全部放设在铺设的整板上, 在弧形点钉钉子, 外露15 mm。

7) 两条弧在切点两侧用对应的“月牙形”样板放样, 将“月牙形”样板按梁弧形方向卡到钉子处, 用白板笔顺着“月牙形”样板两侧逐段画出弧形线即梁的内、外侧边线, 并在弧形线上定距500 mm钉钉子。

4.2.2 模板支设

1) 弧形梁内侧模板的支设, 根据CAD图确定每跨内侧模板的长度, 根据施工图纸确定内侧模板高度, 用圆盘锯切割制作内侧模板。模板支设先固定梁端模板, 再依次往中间支设。a.半径小的圆弧, 曲率大。将模板外侧按200 mm间距沿梁高方向切3 mm深的口, 将光面模板朝向梁内侧, 有切口的朝向梁外侧, 模板紧靠布设的钉子进行弯曲, 外侧模板底部用150 mm长40 mm×80 mm的方木定距200 mm紧靠梁侧模板平放钉在底模上并钉入下面铺设的方木内。b.半径大的圆弧, 曲率小。先将整根40 mm×80 mm方木立放沿长向一侧每150 mm间距锯10 mm深的槽, 后将方木浸湿, 将模板紧靠钉子支设, 外侧用切割好的方木沿模板弯曲紧贴模板, 用钉子固定在底模上。2) 在梁侧模外侧上口沿梁长方向钉设一道高80 mm厚12 mm的木胶板。3) 待顶板支设完毕, 弧形梁钢筋绑扎完毕, 用成品与梁宽同长的混凝土撑块紧靠内侧模板沿梁跨方向间距500 mm布置。按1) , 2) 支设弧形梁外侧模板。4) 沿弧形梁凸出一侧间距400 mm距梁底100 mm、梁顶 (或板底) 100 mm钻14 mm的圆孔, 插入14的PVC管, 穿入12的对拉螺栓, 布设两根48的钢管作为主楞, Φ18@150的钢筋作为次楞进行模板加固。

4.2.3 浇筑混凝土

1) 混凝土选用当地预拌商品混凝土, 泵送。混凝土浇筑前, 施工单位项目技术负责人、项目总监确认具备混凝土浇筑的安全生产条件后, 签署混凝土浇筑申请书, 方可浇筑混凝土, 做好支撑系统底部排水措施的制定与落实。2) 框架结构中, 柱和梁板的混凝土浇筑顺序, 应按先浇筑柱混凝土, 后浇筑梁板混凝土的顺序进行。3) 混凝土梁板应从跨中向两端对称进行分层分段浇筑, 梁与梁之间推移式分层连续浇筑, 层间最长的间歇时间不应大于混凝土的初凝时间, 每层厚度不大于400 mm。4) 为保证混凝土浇筑质量, 应准备足量的振捣棒, 边浇筑混凝土边振捣, 浇筑过程应符合专项施工方案要求, 并确保支撑系统受力均匀, 避免引起高大模板支撑系统的失稳倾斜。5) 浇筑过程应有专人对模板支撑系统进行观测, 发现有松动、变形等情况, 必须立即停止浇筑, 撤离作业人员, 并采取相应的加固措施, 模板及其支架的设计应具有足够的承载能力, 刚度和稳定性。6) 试块的留置:标准养护试块:每100 m3相同配合比的混凝土, 取样不少于一组, 不足100 m3也按一组取样。同条件 (600℃·d) 养护试块的取样同标准养护试块。拆模试块留设不少于三组, 为防止试块试压达不到拆模要求, 可适当多留几组拆模试块, 以备用。

5 质量控制

5.1 执行标准

根据GB 50204混凝土结构工程施工质量验收规范进行模板及混凝土结构验收。

5.2 弧形模板施工的质量控制措施

1) 梁的轴线位置。根据规范要求梁轴线位置允许偏差5 mm。检查方法:使用CAD软件画出梁的外侧边线, 在每跨范围内画出弧形弦向线, 将弦向线按定距2 m进行等分, 找到等分点, 并测出梁外边至弦向点的垂直距离, 现场在梁上弦向拉通线绳, 在线绳上用红色白板笔找到2 m定距点, 用钢卷尺量出梁外侧模板至弦向点的垂直距离, 计算出梁轴线的偏差。2) 梁垂直度。规范对梁的垂直度没有具体要求, 由于弧形梁形状特殊, 我项目部对弧形梁的垂直度要求控制在2 mm。检查方法:用线坠和钢尺进行检查。3) 截面尺寸。规范要求梁截面尺寸允许偏差为+4 mm, -5 mm。检查方法:使用钢尺检查。

6 注意事项

1) 观测时应做到前后视线等长, 测水平线时, 最好是用直接调整水平仪的仪器高度, 使后视时的视线正对准水平线, 前视时则可直接用铅笔标出视线标高的水平线。

2) 在浇筑混凝土过程中实施实时监测, 对模板支架的监测项目包括:支架沉降、位移和变形。a.观测点的布设:混凝土浇筑施工前在梁模板两侧选择合适的参照点设置支撑体系位移的监测监控点, 每道梁设置一个监测点, 梁截面方向, 距离梁底部500 mm设置一排监测点, 沿高度方向在梁体中部设置一排监测点。b.支撑体系监测监控采取在四周跨中以及中间隔跨立杆上设标志, 作为监测点, 及时对模板支撑立杆垂直度和浇筑过程中楼面平整度用经纬仪进行观测, 发现异常, 立即停止施工, 查明原因并采取措施后方可继续施工, 楼面平整度采取柱间拉钢丝尺量检查。

7 效益分析

在某工程中采用弧形框架梁模板空间定位的施工技术, 保证了施工的安全和质量、缩短了工期, 人工费降低6%、塔吊租赁费等相应降低, 机械费降低了8%, 提高了经济效益, 并且获得建设单位和监理单位的一致好评。

8 应用前景

通过在工程中的实践应用, 能够满足规范要求, 施工简便, 缩短工期, 降低成本, 能够有效的解决框架梁弧形的定位放线及模板支设问题, 该技术具有广泛的应用前景。

摘要：介绍了弧形框架梁模板空间定位技术的特点, 分析了该技术的适用范围及工艺原理, 并阐述了其施工操作要点与质量控制措施, 指出该施工技术具有良好的经济效益, 应用前景十分广阔。

临近空间伪卫星定位精度仿真分析 篇2

临近空间伪卫星定位精度仿真分析

基于临近空间的伪卫星具有非常显著的.定位优势,提出了基于临近空间飞艇定位的伪卫星方案.通过理论分析,设计了基于4颗伪卫星的最佳布局方案;通过仿真计算得到了伪卫星覆盖区域内各点的几何精度因子;通过对伪卫星的星历误差、星钟误差和对流层延迟误差等主要误差源的分析,计算得到了基于飞艇伪卫星的定位测距误差,并给出了伪卫星覆盖区域内用户的定位误差.仿真结果表明,基于临近空间的伪卫星具有较好的定位精度,可以满足区域导航定位的精度要求.

作 者：呼玮 杨建军 田璐 HU Wei YANG Jian-jun TIAN Lu  作者单位：空军工程大学,导弹学院,陕西,三原,713800 刊 名：无线电工程 英文刊名：RADIO ENGINEERING OF CHINA 年，卷(期)：2009 39(9) 分类号：P228 关键词：临近空间   飞艇   伪卫星   几何精度因子   用户等效测距误差  

地理空间定位能力的培养 篇3

一、必须全面掌握地理空间定位的基础

（一）地图的基本知识。（1）极点与赤道的空间定位—这是区域空间定位的原始起点。（2）经线和纬线—应注意高、中、低纬度经纬网投影后的形状变化，逐步建立起图形的基本感觉以提高解题效率。（3）经度与纬度—掌握经、纬度的划分和空间分布规律是定位的前提。（4）重要的图例与注记—掌握重要的山脉的地形类型、河流、湖泊、交通干线、城市、洲界、国家和省市界线，可以辅助定位。

（二）熟悉《中国地图》。涉及“中部崛起”“西部大开发”“东北老工业基地振兴”“影响我国经济发展的石油生产、消费、进口与石油安全问题”等热点话题在高考中屡屡出现，这就要求师生必须具有较高的用用中国地图的能力。

（三）熟悉《世界地图》。随着科技的发展和进步，世界变得越来越小，世界重要区域、国家之间的联系越来越紧密，对于相关地理知识的掌握和运用十分重要。对世界安全、稳定和发展有着巨大影响的热点地区、热点问题的了解，必须在世界这一巨大的空间来进行。

二、必须全面了解地理空间定位的基本要求

（一）确定地理事物的地理坐标。

（二）确定东西、南北半球的位置，海陆位置等。

（三）判断地理事物所在的区域、具体的名称。

三、必须准确把握地理空间定位的基本方法

（一）根据地理事物的地理坐标、相对位置定位。

（二）根据地理事物的典型特征定位。（1）根据地理事物的面积、轮廓和形状等特征定位。（2）根据气候、地形、植被、动物、土壤等自然地理事物的特征定位。（3）根据工业、交通、人口、城市等人文地理事物的特征定位。（4）根据当地的代表性地理事物（包括特殊自然景观、文物古迹、现代建筑物、文化现象等）定位。

（三）依据图例、注记、比例尺等图中信息辅助定位。

（四）依据题目中的文字提示信息辅助定位。

四、必须全面了解与“位置”有关的地理知识和能力要求

（一）与纬度有关的能力要求。（1）确定位置、判断方向。（2）南北半球的划分。（3）正午太阳的高度与日影长短，昼夜长短与日出、日落时刻，地球自转的线速度，物体偏向力的大小等。（4）直射点的纬度，与季节有关的现象。（5）确定高中低纬度。（6）确定气压带、风带。（7）确定热量带、气候带、自然带。（8）确定农业带。（9）纬度地带性规律。

（二）与经度有关的能力要求。（1）确定位置、判断方向。（2）东西半球的划分。（3）经度与地方时、时区、区时的换算。（4）经度与“日期分割”问题。（5）根据经度(海陆位置)判断气候类型。（6）估计实地距离。

（三）与区域有关的能力要求。（1）以区域为背景，考察地球、地图的基本知识和原理。（2）以定位为基础考察地理事物的名称、分布。（3）以区域的自然、人文要素统计资料为信息，分析区域的自然、人文地理特征及其原因。（4）以区域信息为基础，比较两地的区域特征的异同，并分析原因。（5）从区域特征入手，分析区域面临的主要问题及其对人类的影响，指出解决问题的措施。

五、必须掌握并熟练运用几种常见的空间定位方法

（一）地理坐标定位法。弱智到某个地理事物的具体地理坐标（或坐标范围），就可以确定该地理事物的区域位置和占据的空间。

（二）典型区域特征定位法。

（三）特殊地理事物定位法。代表性自然景观、文物古迹、现代建筑物、文化现象等往往是定位的重要线索。

（四）面积、轮廓、形状定位法。有的地理事物有独特的轮廓和形状，我们可以通过其面积大小、轮廓和形状特点确定它的区域位置。包括河流、山脉的走向、长度，河流的源地、注入的海洋，大洲、世界主要国家，我国省级行政单位的面积大小、轮廓形状等。

（五）海陆位置定位法。有的地理事物位于大陆内部，有的地理事物位于大陆东部或西部（临海），有的地理事物被海洋包围（如岛屿）。根据这一特征可以确定地理事物的大致位置。

（六）相对位置确定法。在地图上，可以通过某地理事物与周围相关地理事物在方向、距离上的比较，确定它的区域位置。

（七）用图例、注记、比例尺等图中信息辅助判断。如图中的河流、湖泊、山脉、等高线、沙漠等图例、注记往往是重要的提示信息；根据比例尺往往可以初步确定区域范围，有利于定位。

（八）用题目中的文字提示信息辅助判断。有的题目在题干或问题中提示了区域的大致范围或自然、人文特征，对缩小定位的范围和提高定位的速度很有帮助。

空间定位技术 篇4

移动计算设备、无线技术和Internet的飞速发展, 促使人们对位置感知的服务系统越来越感兴趣。在许多应用中, 都需要知道一个物体的确切位置。其中, GPS[1]是最著名, 也是应用最广泛的定位系统, 它被用来对户外移动的物体进行定位。对于室内的定位机制, 有红外线[2]、超声波[3]、RFID[4]等等。

上面介绍了三种基于网络的定位机制。它们的共同点是采用固定的接收装置来接收佩带在人或物体上的发射装置发出的信息并将这些信息通过有线网络转发到控制中心。这些机制经常在一些跟踪系统中被采用。

红外线机制为每一个物体附带一个标签, 这些标签周期性地通过红外线发射器发射自己的唯一的ID, 固定的接收装置接收这些信息并通过有线网络将这些信息传到控制中心, 通过这种方式来实现对室内物体的识别、定位。但是, 这种机制存在两个缺点, 首先它要求发射装置跟接收装置之间的光线不能被阻隔, 另外, 它要求在一个建筑内布置一个有线的网络以进行数据的传输。

超声波机制与红外线机制的区别就是把红外线换成了超声波。但是, 由于目前超声波装置结构比较复杂, 使得它的成本过高, 目前还很难让大多数用户接受。RFID定位的典型系统是LANDMARC (Location identification based on dynamic active RFID calibration) [4], 它使用tags和readers来实现定位。这一系统的精确度随着所部署的tag的密度的增加而增加。但是部署太多的tag是不实际的。

1 典型基于RFID室内定位系统

目前, 部分用于室内定位的RFID系统已被建立, 本文主要分析LANDMARC[4]系统, 以及对于LANDMARC系统的算法改进。LANDMARC系统是基于主动射频识别校验的动态定位识别系统, 它采用定位参考标签来辅助定位, 这些参考标签充当系统的定位参考点。

当标签处于检测范围内时, LANDMARC需要提供标签到读写器的信号强度信息。然而, 当前的RFID系统并不直接提供标签的信号强度信息, 读写器仅仅检测标签的能量等级, 因此必须找出能量等级和距离的对应关系。LANDMARC系统采用“最近邻居”算法, 通过信号的强弱来表征几何距离的远近关系。假设现有n个RF读写器、m个参考标签和u个待定位标签。读写器在连续工作模式下, 检测范围为1～8级, 每三十秒检测一次。定义待定位标签的信号强度矢量为S= (S1, S2, …, Sn) , 其中Si表示待定位标签在读写器i上的值, i∈ (1, n) 。对于参考标签, 定义相应的信号强度矢量θ= (θ1, θ2, …, θn) , 其中θi表示参考标签在读写器i上的值。对于每个待定位标签p, p∈ (1, u) , 定义undefined, 表示参考标签和待定位标签之间距离关系, E越小表示参考标签和待定位标签距离越近。

这样, 参考标签的摆放位置、数量和相应最近邻居的权重成为设计系统时的三个主要因素。对于一个未知的待定位标签, 其坐标 (x, y) 通过下式表达:undefined其中wi为第i个邻居的权重, 为E的函数。在LANDMARC系统中, 基于经验, 通过下式给出:undefined。

2 基于ZigBee技术的RFID室内定位系统

Zigbee是部署无线传感器网络的新技术。它是一种短距离、低速率无线网络技术, 是一种介于无线标记技术和BlueTooth (蓝牙) 之间的技术提案。ZigBee的技术特性决定它将是无线传感器网络的最好选择。

数据传输速率低。只有10kb/s～250kb/s, 专注于低传输应用。无线传感器网络不传输语音、视频之类的大数据量的采集数据, 仅仅传输一些采集到的温度、湿度之类的数据, 所以WSN对传输速率的需要不是那么高。

功耗低。在休眠状态下耗电量仅仅只有1μW, 通信距离短的情况下工作状态的耗电为30mW, 在低耗电待机模式下, 两节普通5号干电池可使用6个月以上。这也是ZigBee的支持者所一直引以为豪的独特优势。WSN的节点对功耗的需求极其苛刻, 传感器节点需要在危险 (比如战场、核辐射) 的区域持续工作数年而不更换供电单元。ZigBee的耗电符合这一需求。

成本低。因为ZigBee数据传输速率低, 协议简单, 所以大大降低了成本, 这也正是蓝牙系统所不具备的。无线传感器网络中可以具有成千上万的节点, 如果不能严格地控制节点的成本, 那么网络的规模必将受到严重的制约, 从而将严重地制约WSN的强大功能。

网络容量大。每个ZigBee网络最多可支持65000个节点, 也就是说每个ZigBee节点可以与数万节点相连接。由于WSN的能力很大程度上取决于节点的多少, 也就是说可容纳的传感器节点越多, WSN的功能越强大。所以ZigBee的网络容量大的特点非常符合WSN的需要。

有效范围小。有效覆盖范围在10～75m之间, 但是可以扩展到数百米, 具体依据实际发射功率的大小和各种不同的应用模式而定, 基本上能够覆盖普通的家庭或办公室环境。降低WSN节点的能量消耗和平衡所有节点的能量, 有必要缩小节点RF模块的覆盖范围。

工作频段灵活。使用的频段分别为2.4GHz、868MHz (欧洲) 及915MHz (美国) , 均为免执照频段, 具有16个扩频通信信道。相应的, WSN采取2.4GHz工作频段的特性将会更有利于WSN的发展。

安全。ZigBee提供了数据完整性检查和鉴权功能, 硬件本身支持CRC和AES-128。这一安全特性能很好地适应军事需要的无线传感器网络。

自动动态组网、自主路由。WSN网络是动态变化的, 无论是节点的能量耗尽, 或者节点被敌人俘获, 都能使节点退出网络, 而且网络的使用者也希望能在需要的时候向已有的网络中加入新的传感器节点。这就希望WSN能具有动态组网、自主路由的功能, 而ZigBee技术就正好能解决了WSN的这一需要。

本文向大家展示了一个低成本的RFID室内导航系统。在以前的RFID室内定位系统中, 昂贵的readers常常必须被安装在一些位置已知的固定的点上, 而tags被附到物体上, 以此来实现对物体的定位。这种系统往往需要笨重的readers来准确地对tags进行定位, 所以成本往往很高。在本系统中, 使用低成本的基于Zigbee mote (节点) 来代替大量的readers来降低成本, 只保留大的区域入口的readers不变, 并利用mote对移动的佩戴移动节点的人员进行定位, 定位的结果会被显示在监控器上。在一个40×40的房子里, 每隔3米安装一个mote, 通过数字地图和新的定位算法的帮助, 当一个佩带了加载了mote的RFID装置的人员进入这个房间时他就可以获得自己的位置和运动轨迹。比如可以在智能小区导航系统中实现这一技术。通过智能小区电子地图的帮助, 住户就可以通过安装在小区及房间内的mote来获得自己的位置并享受小区提供的相应服务。

3 基于概率的Zigbee mote模型 (观测模型)

在本空间定位系统中, 固定mote的位置是已知的、静止的, 而用户携带的mote是移动的。本算法的目标就是通过检测固定mote来实现对用户携带的mote定位和跟踪。

为了在一个全局坐标系中定位一个用户携带的mote, 使用最新的p (XkZk) , 其中, Xk是用户携带的mote在第k个时间步中的位置, Zk是在第k个时间步中的观测值。通过Bayesian规则和连续测量时数据独立的假设[5], 通过下面公式获得位置值Xk,

p (XkZk) ∝p (ZkXk) p (XkZk-1) (1)

p (XkZk-1) 是用户携带的mote在第k个时间步内的位置值关于它在第k-1个时间步内的观测值的条件概率。这一概率依赖于所跟踪的物体的运动模型。如果跟踪的是一个人, 可以简单地用以Xk-1为中心的Gaussian浓度图[5]来表示, 其中Xk-1是在第k-1个时间步内人的假定位置。

从公式 (1) 中可以看出, 最关键的是概率p (ZkXk) , 它代表了当用户携带的mote的位置值是Xk时它的观测值是Zk的可能性。为了简化模型, 作出下面假设, p (ZkXk) 只依赖于固定mote和移动mote的天线之间的相对偏移量。由于传感器的噪音是非Gaussian的, 通过分段常量近似值逼近的方式来表示本文的观测模型[5]。在设计一个用户携带的mote的观测模型[5]时, 以下两个方面应该被考虑:

①往往会有很多的假阴性读数 (false-negative readings) , 就是说即使一个固定mote在一个用户携带的mote的天线的接收范围内, 但是它却无法被探测到。

②有时会得到假阳性读数 (false-positive readings) 。在这种情况下, 用户携带的mote的天线探测到了一个不在它制造时预想的接收范围内的固定mote。

上面两种情况的产生有很多原因。在①中, 往往因为金属会吸收用户携带的mote发射的能量, 因此附到金属物体上的固定mote只有在很近的范围内才会被探测到。但是, 即使是非金属物体也可能对探测造成严重的影响。在②中, 从天线中发射出来的电波有时会被其它的物体反射, 所以使得天线甚至能够探测到它的探测范围外的固定mote, 称这种现象为Non-Line-Of-Sight (NLOS) [5]。

考虑以上的各种情况, 我们设计了的观测模型:它的最大探测半径是4m, 探测的概率是0.9。假定固定mote在探测范围外的概率是0.5。

4 利用基于Zigbee的mote实现定位

4.1 算法思想

在本文的方法中, 用靠近密度p (ZkXk) 的N个随机的质点的集合Sk={Sundefined, i=1, …, N}来表示公式 (1) 中的密度p (ZkXk) 。这些随机的样本位置就是所跟踪的人的可能的位置。从这些样本中, 可以近似地重构密度分布。

本文的目标就是在每个时间步k中递归计算密度值p (ZkXk) 周围的样本的集合Sk。算法的处理步骤如下:

①预处理阶段:在这步中, 从上一轮中计算得到的Sk-1开始, 对每个从p (XkZk-1) 周围采样得到的质点Sundefined应用运动模型, 其中, p (XkZk-1) 可以被表示为:

undefined

公式 (2) 的右边部分从每个样本Sundefined中取出了一个等价的元素p (XkSundefined) 。对每个样本Sundefined, 从p (XkZk-1) 抽取一个新的样本Sundefined。在系统中, 因为定位的是一个人, 所以该运动模型可以选择为以Xk-1为中心的高斯密度分布。

②更新阶段:在更新阶段, 考虑新的观察值Zk, 并把它放到样本集合S′k中。这是通过根据观测值的真实性p (ZkXk) 对每个样本进行加权实现的。

4.2 算法概述

在已知所有固定mote的位置信息的前提下, 上述算法可以用来对佩带了移动mote的人实现定位。算法的具体步骤[5]如下:

①获取所有固定mote的位置信息, 抛弃所有满足条件rkm>rmax的固定mote。

②用以Xk-1为中心的满足高斯分布的N个随机样本的集合S′k代替Xk-1。

③为每一个样本保存一个大于0, 小于1的变量, 用这个变量来保存概率值p (XkSundefined) 。

④如果rtij≤rkj (i=1, …, N, j=1, …, M) , Pi=Pi*P1;否则Pi=Pi*P2 (P1>P2) , 其中M是步骤①中检测到的固定mote的数量。

⑤找出所取的N个样本中具有极大概率值的那些样本。

⑥计算步骤⑤中所找出的样本的平均位置Xk。

⑦k=k+1。

⑧重复步骤①。

注意:rkm是第m个探斥到的固定mote和移动mote之间的测量距离。rmax是这个移动mote的最大探测范围。rtij是第i个样本到第j个固定mote之间的距离。Pi是第i个样本的概率。P1, P2是常量。另外, 在上述算法中人的初始位置是第一次探测到的所有tag的位置的平均值。

上述算法不受Non-Line-Of-Sight (NLOS) 问题的影响。假阳性读数 (false-positive readings) 的问题就可以被认为是Non-Line-Of-Sight (NLOS) 问题。所以在步骤①中抛弃所有超出探测距离的固定mote。也就是说, 上述算法能够避免所有产生Non-Line-Of-Sight (NLOS) 问题[5]的tag造成的冲突。

算法的核心是p (XkZk) =p (ZkXk) p (XkZk-1) , 其中p (XkZk-1) 是使用的运动模型, 并且它被认为是满足以Xk-1为中心的高斯分布。对每个随机样本, Pi是p (XkZk) , 根据观测模型, P1, P2是p (ZkXk) 。示意图如图1-2所示。

5 结束语

本文提出了一种新的可以应用于RFID空间定位系统的对人进行定位的方法即结合Zigbee技术的RFID室内定位系统。提出了一个观测模型, 在这个模型中, 当已知与要进行定位的人相关的固定mote的相对位置时, 就可以计算出所有的固定mote检测的可信度。另外, 给出了如何计算一个人的当前位置的下一个最近的位置以及如何利用它来定位人的位置和计算人的运动轨迹。

根据模拟结果, 算法不受NLOS冲突问题[5]和采样数量的影响。样本数量越少, 越能节省计算资源。因此, 以上两条就是该算法的主要优点。在这个基于Zigbee技术的RFID室内定位系统中, 该算法能够快速有效地准确计算出人的位置。所提出的新的结合系统降低了定位系统的成本, 对智能化家庭的实现提出了更好的解决方案。

参考文献

[1] [EB/OL].http://www.colorado.edu/geography/gcraft/notes/gps/gps-f.html.

[2] Want R, Hopper A, Falcao V, et al.The active badge location system[J].ACM Transactions on Information Systems, 1992:91-102.

[3] [EB/OL].http://www.uk.research.att.com/bat/.

[4]Ni L, Liu Y, Lau Y C, et al.LANDMARC:Indoor location sensing us-ing active RFID[C].Proceedings of 1st IEEE International Conferenceon Pervasive Computing and Communications, 2003:407-415.

空间定位技术 篇5

1 工程简介

本桥为双侧曲线结构，双侧曲线面形成迂回人行道，人行桥面由钢箱梁组成，桥面呈“S”形布置，景观桥钢箱梁每节段圆弧的半径、弧长及走向均不一，四跨连续多曲率曲线景观桥桥长共计406 m;桥中心线设置高度为62 m,10∶1倾斜“八”字形钢筋混凝土主塔;空间扇形斜拉索索道共计40个，斜拉索索面为空间扇形，自下向上向桥外侧倾斜;主塔拉索从桥面起30.5 m位置开始设置，间距1.5 m，桥面上以锚箱中线处布置，间距4 m。全桥共计40根拉索。

2 工程特点和难点

1)该工程建造于山西省襄汾县汾河内，桥的两端有桥台2个，中间部位有钢筋混凝土主塔2个，其余主塔和桥台之间是桥墩，共计4个。即本桥由桥台、桥墩、主塔共计8个支撑用于支撑整个桥面的荷载。该景观桥位于原有汾河河床地带，原河水深约2 m～4 m，原有河床地带桥台处现均有箱涵施工，8个支撑点均位于地势高低不平的河床内，场地周边除基坑开挖、平整、弃土堆土外，剩余均需要改道施工，即将原河道导流至不影响拟建的景观桥位置外再行组织施工。所以该工程地形复杂，施工难度大。

2)景观桥桥面由多跨连续“S”形多曲率曲线钢箱梁构成，且钢箱梁每节段圆弧的半径、弧长及走向均不一。桥一侧由4跨组成，分别是:跨度为38.45 m+65.58 m+62.74 m+36.70 m，双侧共计406 m，其中1号桥台～5号桥台弧长分别为36.69 m,45.19 m,51.021 m,13.839 m,65.585 m,5号桥台～1号桥台弧长分别为65.585 m,13.839 m,51.021 m,45.19 m,36.69 m，钢箱梁共计104节段，给施工放线带来了较大的难度和较高的精度。若放线不准确，必将给后期桥梁的合龙带来隐患。所以钢箱梁的定位放线是本工程的施工难点，见图1，图2。

3)钢筋混凝土主塔以10∶1的比例呈“八”字形向内侧倾斜而上，若放线不准确，后期的斜拉索索导管预埋将会出现定位不准确，直接给斜拉索受力不均衡埋下隐患，所以主塔的倾斜度测量控制是本工程的难点。

4)10∶1倾斜“八”字形钢筋混凝土主塔空间扇形斜拉索索导管空间定位放样。斜拉索由4根1 860Φ15.24环氧喷涂钢绞线组成，全桥共计40根拉索。拉索索面为空间扇形，自下向上向桥外侧倾斜;主塔拉索从桥面起30.5 m位置开始设置，间距1.5 m，桥面上以锚箱中线处布置，间距4 m。由于每个索导管高度、倾斜角度、长度和位置均不一，为了确保斜拉桥建成后斜拉索和主梁的线型接近设计线型，所以索导管的准确定位和埋设是一个难点，如图3所示。

3 工艺流程、施工方法及特点

3.1 工艺流程

工艺流程见图4。

首先通过Auto CAD建立控制点数据库，主要是各点的坐标，供外业测量时直接调用。在放样时有四种数据，第一种是控制点的资料，包括点名、坐标等信息，可直接从数据库中调用，第二种数据需人工输入，如仪器高，第三种是全站仪测量数据，如全站仪瞄准时的相对方向控制点的水平角及观测的竖直角等，第四种是放样点的坐标和观测结果等，其中放样点的坐标可通过选择放样点的点名，由数据库直接调出，实测坐标由程序自动计算得到，并给出偏差数据，当偏差符合要求时，该点的放样即告完成。

3.2 施工方法

3.2.1 技术准备

1)有一套完整的工程电子版图纸，熟读设计图纸，理解设计意图，明确设计要求。2)进行业主提供的市规划的各控制点和高程点移交，建立施工现场坐标系及控制网，察看周边环境。3)综合考虑设计要求、定位条件、现场地形和工程施工组织设计的基础上，编制测量方案。4)掌握全站仪性能及测量工艺及标准。

3.2.2 建立平面控制网

1)与业主办理控制点与高程点移交手续。2)根据业主所给的平面控制点，复核无误后，引测到施工现场通视较好，且不易触碰的地方，埋设固定桩。3)通过业主给出的控制点，利用全站仪对做好的固定桩坐标进行测设并记录。4)对控制桩进行复核，每个测站进行两测回角度、距离测量。

3.2.3 平面定位方法

1)所有的坐标点均采用设计图纸的绝对坐标。施工前用EXCEL软件计算主轴交点坐标，复核无误后方可使用。2)在建筑总平面图的电子文件中，先利用CAD捕捉、查询功能将所需要点的坐标自动捕捉下来。3)选取已复核过的导线点，以靠近拟建建筑物的点为置镜点，另一点为后视点进行放样测量。4)对全站仪进行对中和整平，设置好仪器参数。5)进入坐标放样模式，输入测站点坐标、仪器高、目标高。6)进入方位角的设置状态，输入后视点的坐标。精确照准后视点棱镜中心，仪器根据测站点和后视点坐标，将自动完成后视点方位角的设置。7)再次进入坐标放样模式，输入待放样控制点的坐标。8)旋转仪器的照准部，所显示的水平角读数为零。此时，照准的方向即为待测点的方向。仪器操作人员可指挥待放样点附近棱镜，通过对照点测量，仪器显示出预先输入的待放样值与实测值之差。9)根椐显示值，指挥持棱镜的测量人员，沿照准方向移动带测杆的棱镜，直到观测屏幕上的显示值在误差范围之内。10)在测杆指示的位置埋桩。11)对双侧多跨连续“S”形多曲率曲线景观桥钢箱梁定位测设采用平面定位的方法。景观桥钢箱梁每节段圆弧的半径、弧长及走向均不一。测量工作开始时依据钢箱梁曲线的线型在电子版Auto CAD图中拾取每节段箱梁中心线上的两个端点坐标。利用全站仪将拾取好的坐标点位在浇筑好的混凝土临时支撑基础上放样并做好标记。钢箱梁安装时利用吊线锤将加工好的阶段箱梁中线点竖直投影到临时支撑基础所放好的点位上并与之重合。如此“S”形多曲率曲线钢箱梁便可按图纸要求精确就位。钢箱梁拼接过程中要及时利用全站仪复核线型。

3.2.4 三维空间定位方法

三维空间定位即确定一点在空间坐标系中X,Y,Z的位置。

对10∶1倾斜“八”字形钢筋混凝土主塔空间扇形斜拉索索导管空间定位放样。索导管测量定位的精度要求较高。为了确保斜拉桥建成后斜拉索和主梁的线型接近设计线型，根据工程测量规范的要求，索导管空间位置测量定位的精度要求高达±5 mm，即相对于原始控制网而言，索导管锚固端中心和出口中心的施工定位与设计位置偏差在X,Y,Z三个方向均不得大于±5 mm。三维空间坐标法定位即借助于全站仪利用全桥平面控制网进行三维空间坐标的测量。本桥可直接对索导管锚固段和出口中心进行测定并加以调整。具体操作步骤如下:

1)在施工现场建立水准控制点至少3个，并对水准点高程进行复核。2)通过设计院给出的Auto CAD电子版图纸及索导管锚固端中心和出口中心坐标，绘制三维立体图。3)对锚固端锚垫板中心点标定。利用钢板加工一个圆形的中心标定器。该标定器的直径与索导管的内径一致，如图5所示。在标定器的四周焊接4块对称垫板，精确标定圆周中心，并做好标记。使用时只需将标定器盖到锚垫板中心，吻合后即可得到锚垫板中心位置。4)塔壁外侧索导管出口中心的标定。同样用一定厚的钢板加工、制作一个半圆形的标定器，该标定器的直径与索导管的内径一致，找出圆心，并做好标记，如图6所示。使用时直接将标定器插入预先标定好的套管外口中心所在的圆周线上，吻合可得其位置。5)通过Auto CAD电子版图纸中的坐标，使用全站仪测放X,Y的平面位置，具体操作方法同平面定位。6)根据设计图纸计算得出空间Z方向的高度，用水准仪、钢尺确定。

3.2.5 特点

采用全站仪与Auto CAD软件相结合的施工测量方法对施工现场通视要求大大降低，尤其适用于通视条件差和外型复杂的工程。传统的施工方法先计算控制点的坐标而后进行测量操作，在测量施工中经常会遇到通视障碍而导致增加测量施工的难度和强度。因此本方法与常规测量相比具有如下特点:

1)全站仪在测站一经观测，必要的观测数据，斜距、竖直角、水平角等均自动显示，可同一瞬间得到平距、高差、点的坐标及高程。2)通过传输接口把全站仪采集的数据终端与计算机连接，配以数据处理软件、绘图软件即可实现测图的自动化。3)只需将全站仪支设在一个通视好的测站，可同时对工程测放位置进行整体乃至细部测量，减少布设控制点的数量，准确、方便、快捷。4)全站仪与计算机复合应用，带来施工放样的技术进步，大大简化了传统的施工测量方法，使现代施工测量方法变得灵活、方便、精度高、劳动强度小、工作效率高，并实现了施工测量的数字化、自动化和信息化。5)能即时得出点位坐标和偏差信息，还可以结合放样点坐标进行反算，随时得出建议、纠正量，便于指挥放样工作。6)建立了控制点、放样点的数据库，能方便地进行点位坐标以及实测资料的查询、管理。7)受施工条件和外界环境影响小。

4 实施效果

采用本方法，能准确、方便的进行平面建筑网的控制，测量精度高、速度快、操作简便、安全、实用、不受场地限制、可直接放样;而CAD的自动捕捉坐标功能，避免了繁琐的计算，尤其是对那些平面图形复杂的建筑物更是起到了事半功倍的作用。建筑物的平面图形越复杂，所起到的效益越显著。

同样采用本方法为现场施工提供了测量定位先决条件，施工工作面顺利展开，加快了施工进度，具有很好的经济效益。

5 已经获得的成绩

该施工方法已经获得如下成绩:

1)山西省省级工法，鉴定为国内领先并推荐到国家级工法;2)正在申报国家专利;3)作为山西省科技项目已经申报到山西省科技厅，并已经下发拨款20万元的文件;4)编写的QC成果获得省级成果奖。

摘要：以具体工程为例,对S型钢箱梁斜拉桥空间定位测量技术进行了探讨,采用全站仪、AutoCAD相结合的施工技术,介绍了该技术的工艺流程、施工方法及特点,提出该技术具有较好的经济效益,值得推广。

地理空间定位的灵活运用 篇6

一、自己研究图, 在研究中为学生能有针对性地读图与画图打好基础

首先, 我从地形图、政区图中提取必要和重要的地理事物, 作为学生读图时的关注焦点。地理事物的提取以重要经纬线上的地理事物为主, 同时兼顾一些做题时常考查的地理事物。然后, 再研究世界和中国轮廓简图的画法, 让学生在教师指导下能用较短的时间掌握简图画法。当然, 为达到这一目的, 我必须找到两幅简图的最佳画法, 力求做到简洁而且能准确体现一些特殊地理事物或特殊地点的位置, 同时多次和学生交流, 对两幅图的画法不断调整, 找到让学生最容易掌握和接受的画法。最后, 研究轮廓简图和轮廓图整合时应注意的地方, 使学生在轮廓简图的基础上能比较快速地大致画出轮廓图。

二、学生读图, 在读图的过程中熟知一些重要地理事物的经纬度位置, 达到能根据经纬度网进行空间定位

利用经纬网进行空间定位是区域定位中最常见、最准确的方法, 这种定位方法要求学生熟悉重要地理事物的经纬度位置, 不仅要脑中有图, 而且要胸中有网 (经纬网) , 要用经纬网覆盖脑中的地图。特别要注意掌握一些重要的经纬线, 其他经纬线根据这几条推算即可。

三、学生画图, 在画图的过程中巩固一些重要地理事物的经纬度, 熟知海陆轮廓的形状

高中学生课程较紧, 如果将很长时间花费在画图上, 师生都觉得不值得。但一个偶然的机会, 使我改变了自己的看法。我所教的高三 (5) 班的Z同学, 问我怎样才能更好地掌握空间定位的方法。我试探地将自己画世界轮廓图的方法教给了她, 她的第一幅作品用了近40分钟时间, 但只是“像”而已, 许多重要地理事物的位置都不太对。经过几次指点, 画的速度和质量都有了很大提高。当她画到第15遍的时候, 所用时间能控制在5分钟之内, 许多重要地理事物的经纬度位置也相当准确。当Z同学觉得空间定位对自己已经很容易的时候, 我产生了让学生普及画图的想法。为了让其他学生少走弯路, 我先总结了一套轮廓简图的画法, 并与学习生交流, 不断调整, 形成了师生认为的最佳画法。画法中, 以折线为主并用特殊地点作为折线的拐点, 既让学生能概括各大洲的轮廓特点, 又让他们巩固特殊地方的经纬度, 如马六甲海峡、巴拿马运河、亚马孙河口等经纬度。先让学生在有经纬网的空白图中练习, 经过两节课的练习, 基本上可在2分钟内画出一幅世界轮廓简图。当达到这种速度后, 就可以再在一张空白纸上自己确定经纬网, 然后再画轮廓简略。

大家对轮廓简图已经掌握的时候, 我又让他们在简图的基础上画轮廓图。有了简略作铺垫, 大致画出各大洲轮廓图已经不再困难。这时, 学生基本上可以将经纬网空间定位、海陆位置空间定位、相对位置空间定位、轮廓特征空间定位等四种方法有机结合起来了。

四、实战演练, 在精心挑选与组合的局部区域图中让学生进行空间定位训练

先给出学生一两个比较简单的区域图, 让他们进行空间定位, 比谁的速度快、谁的方法多。把一个图进行经纬网空间定位、海陆位置空间定位、相对位置空间定位、轮廓特征空间定位, 使四种方法有机结合。然后, 给出学生一些重要地区的区域图、知识点经常考查的区域图, 让学生训练, 提高定位的速度与准确度。同时, 也在大脑中将局部图和整体图联系在一起, 这对全面分析问题有很大的帮助。

以上的做法, 虽然花费了很大精力, 但看到许多学生对空间定位不再犯愁时, 更坚定了自己将这一做法完善并推广的信心。

室内空间测量定位系统网络布局优化 篇7

室内空间测量定位系统(workspace Measuring and Positioning System,简称w MPS),是一类基于光电扫描原理的新型工业大尺寸坐标测量系统,在飞机机身对接定位、货轮建造等大型设备制造领域有重要的应用价值,具有精度高、扩展性好和并行实时测量等优点[1]。它主要由分布在工作空间四周的激光发射站和位于各个待测点的接收器以及解算计算机组成。只要位于被测空间的接收器能同时接收到两个或以上的发射站信号便可以实现接收器位置坐标的精确测量,这种分布式的特点原理上可同时测量无限多的待测接收器,真正实现多任务并行测量[2,3]。

w MPS测量系统的不同发射站放置在空间不同位置,在同一个测点处产生的定位误差会有显著差别[4]。因此发射站的空间几何布局对整个系统的测量精度有着结构性的影响。如何给出一种方法来优化发射站的布局以提高w MPS系统的测量精度是重要而有意义的问题。

在空间大尺寸测量系统的布局优化研究方面,意大利都灵理工大学的Maurizio Galetto等人对移动空间坐标测量系统(Mobile Spatial coordinate Measuring System)布局优化进行了研究,主要考虑布站成本,覆盖面积,定位误差三个方面因素,以一定权重比融合三方面因素作为优化条件指导空间布局[5,6]。熊芝对室内空间测量定位系统的几种典型布局进行了分析,给出了误差分布特性[4]。

实际测量过程中由于测量环境复杂多变,上述典型布局不能得到很好的应用,因此需要一种能根据测量条件实现最优布局的方法。考虑到w MPS是依赖高速旋转的激光扇面来实现角度观测,它的观测过程带有动态特性,旋转头在旋转过程中的震动和偏心等误差源引入的扰动因素很难确定[7],因此需要建立一种新的数学模型来评价布局的优劣。本文从交会测量角度出发,研究了发射站激光平面在测量点处不同几何交会与测量稳定性之间的关系,通过分析整个测量系统的解算方程,推导建立了以观测方程系数矩阵的条件数来评价布局优劣的数学模型,即条件数越小,代表交会越稳定,测量精度也就越高。

以此数学模型为基础来搜寻固定测量空间下的最优布局,本文采用启发式遗传算法来搜索可行解,该算法很好的解决了w MPS系统测量范围广、搜索空间大、计算复杂等问题,且可得到比较好的计算精度。为进一步验证建立的数学模型和提出算法的有效性,本文对w MPS系统进行了优化布局实验验证。作为对比,优化前的布局采用典型经验布局思路实现,而优化的布局是采用本文所述方法实现,在测量空间固定的情况下,分别在布局优化前和优化后选取固定的20个测量点进行1 000次重复测量,对测量结果进行重复性误差分析,并同激光跟踪仪的测量结果作精度比对分析,结果表明运用本文提出的优化方法可以优化布局,显著提高指定测量空间的整体测量精度。

1 测量原理与数学评价模型

1.1 w MPS 测量原理

w MPS测量系统主要包括分布在工作空间四周的激光发射站和位于各个待测点的接收器,如图1。发射站的匀速旋转转台带动两个可发出扇面激光的线性激光器向空间匀速扫描,当位于待测点的接收器内的光电二极管感知到来自不同发射站的信号时,解算工作站利用前方空间交会原理解算出待测点空间坐标。

工作时,发射站转台在电机驱动下逆时针匀速转动,当旋转头转到预定的初始位置时,发射站向空间射出各向同性的同步光信号来作为计时的起点,当发射站激光平面扫到接收器时将产生一个扫描信号,根据二者的时间差值和发射站的转速,解算工作站可以确定一个通过接收器的虚拟平面,类似的,得到至少三个这样的平面后,即可解算出接收器的空间坐标Prx(x ,y,z),测量交会示意图如图2所示。

每一个平面可以确定一个方程,利用多平面约束可得解算方程组[8]如下:

其中:amn,bmn,cmn,dmn表示第n个发射站的第m个初始激光平面方程的系数,m∈{1,2} ,n∈N+,Rmn(θ)

表示激光平面旋转θ的旋转矩阵,R n、Tn 分别表示全局测量坐标系到发射站坐标系的旋转矩阵和平移矩阵。

1.2 条件数评价模型

多站交会测量时,解算方程组(1)最终可简化为如下线性方程组模型:

其中:N=ATA,W=ATb。对式(3)进行扰动分析,设N和W的微小误差为 △N和△W ,解为(x+△x), 则[9]:

对式(5)两端取范式,则有:

整理后得:

由式(9)、式(10)可以看出,A的条件数越大,解的相对变化也越大。从几何意义上看,矩阵A的行向量就代表各个激光平面的法向量,它们在测量时应交会于同一被测点,以四个交会平面为例,将其示意于图3,其中α1,α2,...,αn是各个激光平面的法向量。法矩阵ATA的条件数越大,矩阵A的各行向量越接近似线性关系,反映在w MPS测量中,就是各激光平面的法向量存在近似线性关系,如图4所示,就造成了测量交会不稳定。可以看到,优化观测矩阵的条件数,使其尽量小,是保证w MPS坐标测量稳定的结构保证。

考虑到实际测量中,各个发射站的测量精度不一致,可引入权矩阵P来描述这种不均衡,将其左乘矩阵A[10],有:

权矩阵P的计算如下:

其中:下标m为激光平面序号,m∈{1,2} ,n为发射站序号,n∈N+,σmn 为第n个发射站第m个激光平面的旋转角测角不确定度。为给出较为合理的权矩阵P,需要对每个发射站的测角不确定度进行精密检定。测角不确定度采用耿磊提出的利用手动多齿分度台的检定方法[11]得到,其具体方法如下:如图5所示,首先调整发射站的微调机构,使得利用平行光管得到四面棱体的四个平面读数相等,此时发射站旋转轴与平行光管的光轴垂直。然后调整分度台上支撑发射站并可微调的结构,使得分度台旋转轴与平行光管的光轴垂直。最后利用千分尺使发射器旋转轴与多齿分度台回转中心同轴。

接着进行角度对比测量,如图6测量示意图所示,将多齿分度台置于零位S0,读取此时接收器的扫描角α 0,顺时针旋转分度台,按照预先布点在分度台检定位置S1、S2、…、Sk(k个)依次读取扫描角:α1,α2,...,αk,最后回到零位。

分别求出各受检点读数αk,对零位读数α0以及对齿盘标准角值αstd的差值计算如下:

然后逆时针旋转分度台,重复上述步骤。最后取所有中最大值与最小值之差为测角总不确定度。

对发射站的各个激光平面按上述方法检定,即可得到每个激光平面的测角不确定度。如两站系统,当已知两个发射站各自两个激光平面的测角不确定度分别为3.1″、3.0″和2.2″、2.1″,利用式(12)可计算出p11=0.16,p21=0.17,p12=0.32,p22=0.35,则权矩阵P可表示为

记式(11)得到H的条件数为Hcond,测量中如果确定了一个测量区域,构造此区域的交会评价函数如下:

式中:下标1到M分别表示测量区域中的第1到M个采样点,max表示取最大值。F值反应了所有测量点中交会最不稳定的那个点的条件数大小,F值越小,说明对于这个测量区域来说对应的发射站布局越好。优化的目的就是减小F值来获得一个最佳的布局。

1.3 遗传算法设计

遗传算法是一种具有自适应能力的、全局性的概率搜索算法[12]。采用遗传算法来求解最佳布局可以很好的解决w MPS测量系统由于测量范围广、解的搜索空间大,计算量比较大的问题。遗传算法是从代表问题可能潜在解集的一个种群开始,将解空间映射到编码空间,用二进制数表示一个解,称为染色体或个体。本文将n个发射站的坐标作为解空间映射到二进制编码空间,每一种布局对应一个个体,然后根据适应度大小来选择个体。适应度函数是用来确定一个个体的优劣和下一代群体的进化方向。式(15)反应了空间发射站布局的优劣,因此可以作为算法的适应度函数。适应概率为

每个个体都有p的概率遗传到下一代,每次迭代从种群中淘汰适应概率最小的个体,同时保存上一代中的最优个体遗传到下一代,并对其它个体通过交叉、变异等手段来产生新个体,即新的发射站坐标。这样后代种群的适应度比上一代要高,通过多次迭代后末代种群中的最优个体经过解码可以作为问题近似最优解。

2 实验与结果分析

2.1 实验设计

在实验室条件下,设定测量区域为[2 m,2 m,2 m]的立体空间。发射站的布局区域根据实验条件,以经验划定,划定的原则是保证每个发射站在布局区域里移动可保证测量信号通畅,无遮挡现象发生。实验布局如图7所示。实验前利用手动分度台的检定方法对实验用到的2个发射站各个激光平面的测角不确定度进行检定,检定结果为2.1″、1.9″。

以激光跟踪仪坐标系作为测量过程的全局坐标系,首先在全局坐标系下划定测量区域,获取测量区域在全局坐标系下的坐标范围。优化前,先根据测量经验将发射站放置到经验位置,通过激光跟踪仪标定各个发射站的外参,由此可以计算出发射站在全局坐标系下的坐标。标定完毕后,在测量区域内随机取20个测点,每个测点处放上一个接收器底座,保持布局优化前后底座位置不变。为比对w MPS系统的测量精度,先用激光跟踪仪对测点进行测量,记录测点坐标,然后用w MPS系统分别进行1 000次重复测量,记录测量数据。接着利用本文提出的方法对布局进行优化,根据布局优化结果,将发射站移至优化位置,重新利用激光跟踪仪标定。同样对选取的20个点用w MPS系统进行1 000次重复测量,记录测量数据,最后对优化前后得到的实验数据进行分析比较。

2.2 实验结果分析

优化前后发射站的坐标以及条件数F变化如表1所示,发射站位置变化如图8所示。

实验过程中,首先用激光跟踪仪对每个测点进行测量,记录数据。然后在优化前后两种布局方式下分别用w MPS系统对每个测点进行1 000次重复测量,共得到优化前后各20组数据。对每组数据进行重复性误差计算,重复性误差公式为,其中σx 、σy 、σx 分别代表x、y、z方向测量值标准差处理结果如图9。

由图9可以看出优化后的20组测点的重复性误差要整体小于优化前的重复性误差,优化后各个测点的重复性误差波动较小,说明对于整个测量区域,优化后的测量稳定性更好。同时可以看出个别测点优化前后的重复性误差变化不大,主要是由于我们选择的优化方式是针对整个测量区域的,实际测量中,如果测点数目不多,也可以针对几个测点进行针对性优化,提高测量稳定性,效果更好。

然后对w MPS系统测量得到的每组数据计算平均值,同用激光跟踪仪测得的数据比对,结果如表2。

表2中,i表示测点编号,Laser tracker表示激光跟踪仪测得的坐标结果,Before optimization和Afteroptimization分别表示优化前后wM PS系统测得的坐标结果。dM ag列表示w MPS测量系统结果与激光跟踪仪测量结果的距离差,此差用来衡量w MPS的测量精度。利用优化前后的d Mag数据绘制图10,由表2中数据和图10可知布局优化后w MPS的测量精度得到了提高。

mm

3 结 论

室内空间测量定位系统w MPS的不同布局对测量结果的精度有着较大影响,针对如何优化布局以提高测量精度的问题,本文从各个发射站激光平面在测量点处的空间交会情况出发,分析了解算方程组中的测量参数扰动对解算结果的影响,给出了利用线性解算方程组系数矩阵的条件数来评价空间交会优劣的评价模型,得到结论当系数阵条件数越小时,则发射站激光平面在测量点的交会图形越稳定,测量结果越稳定。在给定测量区域后,搜寻较优布局的过程就是使测量区域内测量点的条件数都尽可能小的过程,以此作为优化条件,针对室内空间测量定位系统解的搜索空间大、问题计算复杂等特点设计了遗传算法来搜索可行解。

为验证提出方法的有效性,设计了实验,对w MPS系统进行了布局优化,并利用优化前后测量的数据进行处理比较,并与激光跟踪仪测得数据进行精度比对以验证布局优化的效果。实验结果表明本文提出的方法能够针对给定的测量区域或者测量点进行发射站布局优化,针对性强,优化效果明显,能够提高测量稳定性和测量精度,有很大的实际应用价值。

参考文献

[1]熊芝,邾继贵,耿磊,等.室内测量定位系统水平测角性能的检定[J].光电子·激光,2012,23(2):291-296.XIONG Zhi,ZHU Jigui,GENG Lei,et al.Verification of horizontal angular survey performance for workspace measuring and positioning system[J].Journal of Optoelectronics·Laser,2012,23(2):291-296.

[2]杨凌辉,杨学友,邾继贵,等.基于光电扫描的工作空间测量定位系统误差分析[J].光电子?激光,2010,21(12):1829-1833.YANG Linghui,YANG Xueyou,ZHU Jigui,et al.Error analysis of workspace measurement positioning systembased on optical scanning[J].Journal of Optoelectronics?Laser,2010,21(12):1829-1833.

[3]王琼,邾继贵,薛彬,等.w MPS系统中扫描光面的拟合与评定技术[J].光电工程,2013,40(6):94-102.WANG Qiong,ZHU Jigui,XUE Bin,et al.Techniques of Scanning Optical Surface Fitting and Evaluation in w MPS[J].Opto-Electronic Engineering,2013,40(6):94-102.

[4]熊芝.w MPS空间测量定位网络布局优化研究[D].天津:天津大学,2012:19-57.XIONG Zhi.Research on network deployment optimization of workspace Measurement and Positioning System[D].Tianjin:Tianjin University,2012:19-57.

[5]Maurizio G,Barbara P.Optimal sensor positioning for large scale metrology applications[J].Precision Engineering(S0141-6359),2010,34:563-567.

[6]Fiorenzo F,Maurizio G.The Problem of Distributed Wireless Sensor Positioning in the Mobile Spatial Coordinate Measuring System(MSCMS)[C]//Proceedings of the 9th Biennial ASME Conference on Engineering Systems Design and Analysis ESDA08,Haifa,Israel,July 7-9,2008.

[7]端木琼,杨学友,邾继贵,等.基于光电扫描的三维坐标测量系统[J].红外与激光工程,2011,40(10):2014-2019.DUAN Muqiong,YANG Xueyou,ZHU Jigui,et al.3D coordinate measurement system based on optoelectronic scanning[J].Infrared and Laser Engineering,2011,40(10):2014-2019.

[8]杨凌辉,杨学友,劳达宝,等.采用光平面交汇的大尺寸坐标测量方法[J].红外与激光工程,2010,39(6):1105-1109.YANG Linghui,YANG Xueyou,LAO Dabao,et al.Large-scale coordinates measurement method based on intersection of optical planes[J].Infrared and Laser Engineering,2010,39(6):1105-1109.

[9]卢秀山.病态系统分析理论及其在测量中的应用[M].北京:测绘出版社,2007:7-8.

[10]费业泰.误差理论与数据处理:5版[M].北京:机械工业出版社,2007:57-80.

[11]耿磊.室内测量定位系统测角精度分析及补偿方法研究[D].天津:天津大学,2011:52-68.GENG Lei.Research on Angle Measurement Uncertainty and Compensation Method of Indoor Measurement Positioning System[D].Tianjin:Tianjin University,2011:52-68.

破解区域地理空间定位教学的困境 篇8

高考试题中的区域不论是具体的区域还是创设出来的区域, 都必然有其所依存的空间地理位置。破解区域定位教学的困境, 通俗的说就是要想准确地找到某个区域在哪里, 这就离不开地图。地图是地理学科的第二语言, 地理学习离不开地图。地图用得少或者不具备相应的读图能力, 就不能正确地判断地理事物的具体位置, 无法提取相关的地理信息, 也就无法准确解题了。为此在实际教学中我特别注重地图的教学, 帮助学生建立空间概念, 把握事物的空间结构, 训练学生的空间思维, 做到“图在心中”。

一、勤绘图、明经纬、定地物

在教学过程中, 让学生看图固然重要, 但我感觉让学生动手勤绘图, 多绘图更为重要, 只有这样才能不断的熟悉地图, 逐步的把书本中陌生的地图转化成心中的地图。绘图并在绘图过程中明确区域轮廓, 明确区域的经纬位置, 明确区域中重要地物的位置和分布更为重要。如讲到中国地理部分的时候, 我就以《中国地形图》为基础, 首先要求学生画出中国的轮廓图, 并用色笔描粗最有区域识别价值的经纬线, 然后用另一种色笔标注出该经纬线所穿过的重要地理事物, 如山脉、河流等, 让学生形成深刻的视觉记忆。

在绘图的过程中要注意三点, 其一是一定要让学生明确区域的经纬度范围, 任何一个地理事物都有精确的经纬度位置, 都可以通过一组具体的经度和纬度来确定。其二是在区域地理复习中, 我们不可能也没有必要记住所有事物的经纬度。在记住主要经纬线附近地理事物的同时, 我们还可以通过识记一些重要的地理事物 (如山脉、河流等) , 然后以其为参照系, 利用地理事物的相对位置进行区域定位。其三是教师要对学生所绘的图, 进行批改, 找出学生在绘图中的错误, 并再次帮助学生明确地理事物的位置。经历了错误后的纠正过程, 学生对地理事物的位置一定就会记忆更加深刻。

二、观轮廓重联系

世界上每一个区域, 大到一个大洲、大洋, 小到一个湖泊、一条河流, 都有一定的轮廓特征。我们可以根据这些地理事物的轮廓形状特征, 发挥想象, 把轮廓形状特殊的区域拟形化。如, 黑龙江 (天鹅) 、陕西 (跪着的兵马俑) 、广东 (大象头) 、甘肃 (哑铃) 等, 以便于记忆;世界主要国家、大洲、大洋、湖泊等也要关注。如:意大利半岛像个长筒高跟鞋、伊拉克像芭蕉扇等。并把这些区域作为识别其所在的更大区域的一个切入点, 对其所在的更大区域位置的判读依据、一把解题钥匙。

三、依原理判分布

很多地理事物都有自己的分布特征及规律。如:气候类型的分布规律, 河流径流量变化的分布规律, 地貌特征的分布规律, 农作物的分布规律, 人口的分布规律等, 掌握了地理事物的分布规律, 再依据试题中的材料 (文字、数据或图表) , 如:气候类型数据图、地貌示意图、河流径流量图、人口结构图、地球日照图及文字说明等, 就不难分析出地理事物所在的空间位置。

四、景观图背景想

由于地理环境差异和人类活动的影响, 不同地区在自然地理景观和人文地理景观上存在较大的差异, 通过这些地理景观也可以正确地判读所在地区的位置。

1. 自然地理景观

不同区域由于经纬度位置和海陆位置等自然因素的差异, 它们的气候、植被和动物不同, 形成了不同的自然地理景观, 这些就可以成为判读区域位置的重要依据。如, 日本的富土山、非洲热带草原上的长颈鹿、斑马、热带地区的椰子树、南极洲的企鹅、干旱地区的仙人掌等。

2. 人文地理景观

许多地区由于受人类活动的影响, 形成了独特的人文景观, 拥有独特的标志性建筑, 如中国的长城、埃及的金字塔、伦敦的大本钟等, 这些独特的人文景观也可以用来判读区域位置。

五、综合定位法

地理要素之间都不孤立存在, 而是相互影响、相互制约而又统一形成一个整体。因此, 在地理事物的准确定位中就应该综合利用地理事物的数理地理位置、自然地理位置、经济地理位置等, 对地理事物的位置进行综合定位。从近几年的高考试题来看, 解题时采用某一种区域定位方法准确地确定图示区域的范围显得有点困难, 这就要求学生利用多种定位方法进行区域定位, 这样既能提高区域定位的速度, 又能提高区域定位的准确性和正确性。

临近空间定位浮空平台覆盖范围分析 篇9

“临近空间”这一新的空域既不属于航天的范畴,也不属于航空的范畴,一般指距地面20～100 km的空域,处于现有飞机的最高飞行高度和卫星的最低轨道高度之间。

所谓临近空间定位浮空平台,顾名思义是指能够飞行在临近空间向地面用户发播定位信息的一种飞行器,它既能和导航卫星一样提供导航用信息,并,又能节省使用导航卫星的费用。部署这种高空定位浮空平台,成本低、时间快,适合应急导航定位的需求。

本文就临近空间定位浮空平台的覆盖范围进行分析,为实际工程应用打下一定技术基础。

1定位用浮空平台最佳布局

通过对临近空间定位浮空平台空间布局进行初步探讨可知:临近空间导航定位系统的浮空平台最佳布局应该是:在保证用户在服务区内应该同时看到3个以上的浮空平台的同时,处于相同高度的平台之间的拓扑关系应该呈正三角形或正四角形关系,如图1所示(该图为从浮空平台上空向下俯瞰所得的俯视图。图1中,内斜线所示的范围即为用户能够无源定位的多平台重叠覆盖的服务区域;每个大黑圈表示一个浮空平台的最大通信服务覆盖区域,圈内中心点表示浮空平台的垂直台下点)。但由于工程实现中天线增益方向图不是均匀分布的,一般地面车载天线的最低接收仰角要在5°以上;并且由于浮空平台的服务区域不可能是理想的开阔平地,一般或多或少都有建筑物、树木、丘陵或山岭覆盖,因此在实际应用中还必须将这些因素考虑进去,即必须在满足用户可用性的前提下进行浮空平台布局。下面就图1所示的这2种平台布局情况分别计算定位用浮空平台间的相对距离及其服务覆盖范围。

2浮空平台空间相对位置计算

地面用户与其周围浮空平台的几何关系如图2所示。其中,A点表示浮空平台;B点表示用户;H表示浮空平台离地面的垂直高度;Re表示地球半径;φ为用户到浮空平台的最低仰角连线与浮空平台到地球球心连线的夹角;θg为地面天线到浮空平台的最低仰角;ϕ为用户与浮空平台分别到地球球心的连线夹角。

在图1所示的布局图中,站在定位服务区边缘的用户U,应该能够同时看到浮空平台A、B、C和/或D,如果以地面用户天线对离其最远的平台的仰角只能够在θg以上进行信号接收,那么可以推导出:浮空平台在H高度时,

undefined。 (1)

ϕ=90°-(θg+φ)。 (2)

从而有地面用户天线θg仰角时的H高处浮空平台的覆盖半径为:

R≈Re*ϕ。 (3)

从而可以得出以下结论:

① 如图1(a)所示,如果要使地面用户在3个平台的共同的覆盖区内都可以θg的仰角同时看到这3个平台,则有平台在H高度时,3个平台的台下点A、B、C两两之间的最大距离为:

R′=R。 (4)

而对应浮空平台之间的最大距离为:

L≈(Re+H )*R′/Re。 (5)

② 如图1(b)所示,如果要使地面用户在4个平台的共同的覆盖区内都可以θg的仰角同时看到这4个平台,则平台在H高度时,AB与AD、CB与CD之间的最大距离为:

R′≈0.707R。 (6)

而对应相邻浮空平台之间的距离为:

L≈(Re+H)*R′/Re。 (7)

以浮空平台布设在H=20 km、30 km、70 km、100 km高度时为例,假设地面用户天线仰角分别为5°、10°和15°时,那么按照图1所示的布局形式和计算式(1)～(7)可以计算出对应浮空平台之间的最大距离,如表1所示(其中,Re取值为6 378 km)。

因为临近空间定位系统浮空平台的载体是飞行器,诸如飞艇、高空气球或直升飞机等。为了维持空中的悬浮状态,它们需要一定的动力;还因为临近空间有高达40 m/s的风速,所以它们不可能静止不动地悬浮在空中,而是在1个预定空间点附近做无规则地盘旋运动。这时,如果浮空平台的位移较大的话,就有可能出现不能同时有3个以上平台覆盖的区域,会使处于该区域的用户定位出现中断,因为定位服务区需要3个以上的浮空平台覆盖。为了构建一个稳定的定位空间平台系统,实际布局时需要使平台之间的距离L′小于表1所示的数据,用公式表示为:

L′≤L-2|Δr|。

式中,Δr为单个浮空平台的空间位置最大漂移值。

从表1可以看出,随着浮空平台布设高度的提高和用户天线最低仰角的降低,相邻浮空平台之间的距离也随着增大,使得临近空间定位系统的定位覆盖区域也相应增大。

3浮空平台布局数量的计算

以某地为例,在其上空布设临近空间导航定位系统浮空平台。进行通过在电子地图上对该地区进行粗略测量,得知其东北-西南方向最长在500 km以内,东南-西北方向最长在350 km以内。将地球暂时看成圆球状,则“500 km”所对应的地心角宽度为:

undefined。

“350 km”所对应的地心角宽度为:

undefined。

通过对临近空间浮空平台进行导航用空间布局的探讨表明:从工程实现的角度出发,正四角形的浮空平台布局应该更实用。因此,当满足地面用户天线θg仰角时,按照定位用正四角形布局浮空平台,那么布设在H高度上空时的浮空平台最小数目为:

undefined。 (8)

式中,undefined和undefined表示取其整数。

以浮空平台布设在H=20 km、30 km、70 km、100 km高度时为例,假设地面用户天线仰角分别为5°、10°和15°时,那么按照图1所示的布局形式将表1中所示的L数据代入式(8)中,可以计算出对应浮空平台的数量,如表2所示(其中,Re取值为6 378 km)。

通过表2的数据可以看出,浮空平台布设的越高,地面用户天线仰角越小,所用平台数就越少,系统就越简单,性价比就越高。

4结束语

由于临近空间浮空平台所处高度有限,造成平台间距缩小,有限数量的浮空平台可能覆盖不到更大区域内有无源定位需求的用户。要想很好地满足大服务区用户的定位要求,必须采用多个浮空平台联网的空间布局。通过以上对定位用临近空间浮空平台覆盖范围及其相互之间距离的计算分析,给出了指导工程实施的浮空平台拓扑结构数据;同时,也给出了提高系统性价比的2条途径:① 将浮空平台布设得尽可能高;② 将地面用户天线仰角做得尽可能小。因为这2条途径不但可以具有较大的服务覆盖区域,还可以减少浮空平台的布设数量;同时,较高位置的浮空平台可给其地面用户提供较好的视角和良好的信号质量,减少信号的散射和多径效应;而浮空平台数量的减少也意味着可节省大量的地面保障设备和开销。

参考文献

[1]刘雅娟.临近空间定位浮空平台空间布局方案初探[J].无线电工程,2008,38(11):29-30.