基于wMPS系統(tǒng)的移動(dòng)發(fā)射站快速定向方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)大尺寸測(cè)量方法，特別涉及基于光電掃描的室內(nèi)空間測(cè)量系 統(tǒng)移動(dòng)站加密定向，拓展測(cè)量空間以及精度補(bǔ)償?shù)姆椒?。具體講涉及基于WMPS系統(tǒng)的移動(dòng) 發(fā)射站快速定向方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著科技進(jìn)步，大尺寸空間測(cè)量逐漸向高精度定位，大范圍測(cè)量發(fā)展。其中，天津 大學(xué)精密測(cè)試技術(shù)及儀器國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研發(fā)的室內(nèi)空間測(cè)量系統(tǒng)（即wMPS:workshop MeasurementPositionSystem)在大尺寸測(cè)量領(lǐng)域取得越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，并具有大量成 功的案例。室內(nèi)空間測(cè)量系統(tǒng)是多站式高精度測(cè)量系統(tǒng)，多個(gè)發(fā)射站有規(guī)則地布置在測(cè)量 空間內(nèi)，通過(guò)基準(zhǔn)尺或者全局控制點(diǎn)建立大范圍高精度測(cè)量網(wǎng)絡(luò)。
[0003] 但是，多站式布局需要發(fā)射站進(jìn)行定向參數(shù)標(biāo)定，傳統(tǒng)的標(biāo)定方法是利用固定長(zhǎng) 度的基準(zhǔn)尺進(jìn)行標(biāo)定，保證在多個(gè)位置上兩發(fā)射站可以同時(shí)觀測(cè)到基準(zhǔn)尺兩端，而在有些 工業(yè)測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境比較惡劣，例如：在造船廠等工業(yè)測(cè)量空間內(nèi)往往會(huì)出現(xiàn)大范圍遮擋情 況，如何有效解決大范圍遮擋問(wèn)題，在大范圍遮擋情況下定向固定發(fā)射站是多站式測(cè)量系 統(tǒng)亟待解決的重大問(wèn)題；多站式布局特性使得室內(nèi)空間測(cè)量系統(tǒng)內(nèi)誤差分布并不均勻，工 作空間內(nèi)的測(cè)量精度隨著發(fā)射站測(cè)量距離的提升不斷下降，交會(huì)角度較好的區(qū)域誤差小， 交會(huì)角度較差的區(qū)域誤差大，在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中，工作空間測(cè)量系統(tǒng)所形成的精度場(chǎng)分布并不 均勻，有些區(qū)域內(nèi)測(cè)量誤差甚至不符合測(cè)量要求，這對(duì)高精度測(cè)量場(chǎng)形成了挑戰(zhàn)。基于wMPS 系統(tǒng)的移動(dòng)發(fā)射站快速定向方法完美的解決了以上兩個(gè)難題，通過(guò)對(duì)已知坐標(biāo)的控制點(diǎn)進(jìn) 行后方交會(huì)定向，將移動(dòng)站隨時(shí)隨處地引入到測(cè)量系統(tǒng)不僅很大程度解決因?yàn)檎系K物遮擋 等因素?zé)o法直接定向測(cè)量的重大問(wèn)題，而且可以提高各個(gè)區(qū)域的精度，有效避免因交會(huì)角 度不同引起的精度丟失，是構(gòu)建全范圍一致的高精度測(cè)量場(chǎng)、適應(yīng)惡劣測(cè)量環(huán)境的基礎(chǔ)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種基于wMPS系統(tǒng)的移動(dòng)發(fā)射站快速定向 方法，此方法旨在各種遮蔽區(qū)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)全范圍測(cè)量，構(gòu)建高精度測(cè)量場(chǎng)，提高測(cè)量場(chǎng)平均精 度，解決測(cè)量場(chǎng)部分區(qū)域精度丟失問(wèn)題，適應(yīng)各種惡劣環(huán)境，符合如今高精度測(cè)量的趨勢(shì)。 為此，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是，基于wMPS系統(tǒng)的移動(dòng)發(fā)射站快速定向方法包括以下步 驟：
[0005] 步驟一、在測(cè)量空間內(nèi)布置多個(gè)固定發(fā)射站，通過(guò)已知固定長(zhǎng)度的基準(zhǔn)尺定向，搭 建整體室內(nèi)空間測(cè)量系統(tǒng)，并定義整體測(cè)量空間坐標(biāo)系0-ΧΥΖ;
[0006] 步驟二、結(jié)合發(fā)射站測(cè)量范圍，在測(cè)量量程或空間受限的待測(cè)區(qū)域附近布置移動(dòng) 站；
[0007] 步驟三、在測(cè)量空間內(nèi)選取至少6個(gè)全局控制點(diǎn)，保證控制點(diǎn)被固定發(fā)射站與移 動(dòng)站全部探測(cè)到，利用單站球坐標(biāo)系統(tǒng)分別測(cè)量6個(gè)控制點(diǎn)坐標(biāo)，建立全局控制場(chǎng)坐標(biāo)系 0-χκγκζκ，并統(tǒng)一至整體測(cè)量空間坐標(biāo)系o-XYZ;
[0008] 步驟四、在全局控制點(diǎn)上布置接收器，接收器接收掃描光信號(hào)與同步光信號(hào)，已知 控制點(diǎn)在激光跟蹤儀坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，通過(guò)后方交會(huì)方法，將移動(dòng)站快速匹配至室內(nèi)空間 測(cè)量系統(tǒng)；
[0009] 步驟五、將移動(dòng)站布置在任意地方進(jìn)行坐標(biāo)測(cè)量。
[0010] 步驟一搭建整體室內(nèi)空間測(cè)量系統(tǒng)的步驟如下：
[0011] 步驟1-1)布置若干固定發(fā)射站于測(cè)量環(huán)境，構(gòu)建初步測(cè)量場(chǎng)；
[0012] 步驟1-2)使用基準(zhǔn)尺，兩端放置接收器，全空間內(nèi)垂直擺放基準(zhǔn)尺若干位置，實(shí) 現(xiàn)各個(gè)固定發(fā)射站的全局定向；
[0013] 步驟1-3)將所有發(fā)射站定向關(guān)系統(tǒng)一，建立整體測(cè)量空間坐標(biāo)系0-ΧΥΖ，即整體 測(cè)量場(chǎng)。
[0014] 步驟三、四將移動(dòng)站匹配至控制場(chǎng)的步驟如下：
[0015] 步驟3-1)結(jié)合發(fā)射站測(cè)量范圍，在待測(cè)區(qū)域附近布置移動(dòng)站，確保移動(dòng)站能夠測(cè) 到控制場(chǎng)的所有點(diǎn)；
[0016] 步驟3-2)將球形接收器分別放到精密全局控制點(diǎn)上，接收移動(dòng)站的掃描光平面 信號(hào)以及同步標(biāo)記光信號(hào)，得到各個(gè)全局控制點(diǎn)在移動(dòng)站坐標(biāo)系下的水平角ak和俯仰角 βk，k= 1，2. · ·m;
[0017] 步驟3-3)假設(shè)空間中，移動(dòng)站坐標(biāo)系0-XAZi，計(jì)算出移動(dòng)站坐標(biāo)系0-XJA與全 局控制場(chǎng)坐標(biāo)系〇_ΧκΥκΖκ的旋轉(zhuǎn)平移矩陣初值，其中兩個(gè)坐標(biāo)系滿足以下關(guān)系：
[0019] 步驟3-4)測(cè)得水平角ak和俯仰角βk，以及已知的控制點(diǎn)坐標(biāo)，根據(jù)后方交會(huì)原 理，使用光束平差優(yōu)化建立目標(biāo)函數(shù)：
[0021] 其中Fk為光平面約束方程，Μ為懲罰因子，^為正交約束方程
[0022] 步驟3-5)通過(guò)非線性最優(yōu)化算法，求解目標(biāo)函數(shù)，得到移動(dòng)站與全局控制場(chǎng)的定 向關(guān)系，并轉(zhuǎn)移至整體測(cè)量空間坐標(biāo)系0-ΧΥΖ下，得到移動(dòng)站與整體測(cè)量空間坐標(biāo)系的定 向關(guān)系即移動(dòng)站與固定站的定向關(guān)系；
[0023] 步驟3-6)根據(jù)移動(dòng)站與固定站定向關(guān)系，進(jìn)行最優(yōu)區(qū)域的坐標(biāo)解算。
【附圖說(shuō)明】：
[0024] 圖1是移動(dòng)站測(cè)量仿真圖。
【具體實(shí)施方式】
[0025] 本發(fā)明提供了一種基于wMPS系統(tǒng)的移動(dòng)發(fā)射站快速定向方法，此方法旨在各種 遮蔽區(qū)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)全范圍測(cè)量，構(gòu)建高精度測(cè)量場(chǎng)，基于控制點(diǎn)后方交會(huì)方法，將移動(dòng)站引入 整體測(cè)量系統(tǒng)，使得測(cè)量場(chǎng)平均精度提高，解決測(cè)量場(chǎng)部分區(qū)域精度丟失問(wèn)題，適應(yīng)各種惡 劣環(huán)境，符合如今高精度測(cè)量的趨勢(shì)。詳見下文描述：
[0026] 步驟一、通過(guò)激光跟蹤儀標(biāo)定基準(zhǔn)尺長(zhǎng)度，多次測(cè)量基準(zhǔn)尺長(zhǎng)度并取平均值作為 基準(zhǔn)長(zhǎng)度；
[0027] 步驟二、將兩個(gè)1. 5英寸工作空間測(cè)量系統(tǒng)配套的球形接收器放至基準(zhǔn)尺兩端， 全空間內(nèi)垂直擺放基準(zhǔn)尺若干位置，實(shí)現(xiàn)各個(gè)固定發(fā)射站的全局定向；
[0028] 步驟三、將所有固定發(fā)射站統(tǒng)一起來(lái)，建立整體測(cè)量空間坐標(biāo)系0-ΧΥΖ;
[0029] 步驟四、結(jié)合發(fā)射站測(cè)量范圍，在待測(cè)區(qū)域附近布置移動(dòng)站；
[0030] 步驟五、在測(cè)量空間內(nèi)選取至少6個(gè)全局控制點(diǎn)，控制點(diǎn)可見為全局最佳，保證 控制點(diǎn)被移動(dòng)站全部測(cè)到，激光跟蹤儀分別測(cè)量6個(gè)控制點(diǎn)坐標(biāo)，建立精密全局控制場(chǎng) 〇-XKYKZK，〇-XKYKZK是以全局控制點(diǎn)中任意一點(diǎn)為原點(diǎn)建立的坐標(biāo)系，并統(tǒng)一至整體測(cè)量空 間坐標(biāo)系0-ΧΥΖ;
[0031] 步驟六、將球形接收器分別放到精密全局控制點(diǎn)上，接收移動(dòng)站的掃描光平面信 號(hào)以及同步標(biāo)記光信號(hào)，得到各個(gè)全局控制點(diǎn)在移動(dòng)站坐標(biāo)系下的水平角ak和俯仰角 βk,k= 1, 2. . .m；
[0032] 步驟七、假設(shè)空間中，移動(dòng)站坐標(biāo)系0-XAZi，計(jì)算出移動(dòng)站坐標(biāo)系0-XAZi與控制 場(chǎng)坐標(biāo)系o-xKYKzK的旋轉(zhuǎn)平移矩陣初值，其中兩個(gè)坐標(biāo)系滿足以下關(guān)系：
[0034]步驟八、通過(guò)水平角ak和俯仰角i3k，，根據(jù)光束平差優(yōu)化建立目標(biāo)函數(shù)：
[0036] 其中Fk為光平面約束方程，Μ為懲罰因子，f,為正交約束方程
[0037] 步驟九、通過(guò)非線性最優(yōu)化算法，求解目標(biāo)函數(shù)，得到移動(dòng)站與全局控制場(chǎng)的精確 定向關(guān)系，并轉(zhuǎn)移至整體測(cè)量空間坐標(biāo)系0-ΧΥΖ下，得到移動(dòng)站與整體測(cè)量空間坐標(biāo)系的 定向關(guān)系即移動(dòng)站與固定站的定向關(guān)系；
[0038] 步驟十、將定向關(guān)系確定后，進(jìn)彳丁最優(yōu)區(qū)域的坐標(biāo)解算；
[0039] 步驟十一、將移動(dòng)站布置在任意地方進(jìn)行坐標(biāo)測(cè)量，實(shí)現(xiàn)整體測(cè)量場(chǎng)的精度補(bǔ)償 與保證。
[0040] 本發(fā)明根據(jù)后方交會(huì)定向方法，提出了基于移動(dòng)站加密定向的方法，此方法完成 了在惡劣環(huán)境下，比如大范圍遮擋情況下的高精度測(cè)量任務(wù)；同時(shí)，解決了在整體測(cè)量場(chǎng) 內(nèi)不同區(qū)域內(nèi)精度分布不均勻的情況，有效避免了由于交會(huì)角度較差而引起的測(cè)量誤差增 加，保證了整體