專利名稱：臺陣布設(shè)的精密定位方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微動勘探、工程振動測試領(lǐng)域，特別是涉及一種微動測試臺陣布設(shè)的精密定位方法和裝置。
背景技術(shù)：
在微動勘探、工程振動測試領(lǐng)域，為了探測一個區(qū)域里的振動信息，往往將眾多拾振器組成臺陣，同時對場信號進行觀測。臺陣各個觀測點的相對位置關(guān)系是有一定約束條件的，例如微動的空間自相關(guān)法，要求觀測臺陣為圓形，各點觀測儀器具備良好的一致性， 一般要求各儀器間的相關(guān)性在0. 999以上，相位差在士(3- 。以內(nèi)。即微動面波相速度最低為100m/S時，測點間的距離誤差必須在0. an以內(nèi)，如果微動面波相速度更低，則距離誤差必須更小。因此，微動勘探在臺陣定位方面具有較高的要求。為了進行臺陣定位，傳統(tǒng)的方法是采用測量卷尺和量角器等工具，在較小臺陣尺度下容易實施，在大臺陣或場地有障礙物的時候，定位則容易產(chǎn)生較大積累誤差或根本難以進行。隨著全球定位系統(tǒng)(GPQ應(yīng)用的廣泛普及，GPS定位技術(shù)被應(yīng)用來進行臺陣的定位。GPS有三種定位方式單點定位、偽距差分定位和載波相位差分，精度分別在十米級、米級和毫米級的水平。一般單頻GPS接收機，以單點定位方式來進行定位，其十米級的定位精度不能滿足觀測臺陣的定位精度要求；GPS差分定位需要兩臺GPS接收機同時進行觀測，通過移動站與參考站之間的實時的通信鏈路聯(lián)系、邊觀測邊解算以獲得一臺接收機相對于另一臺接收機的位置；為了適應(yīng)多點同步定位的大范圍工作情況，通常參考站和移動站都采用雙頻的GPS接收機。雙頻GPS接收機價格較高，需要較大的成本投入，使用時還需要交納服務(wù)費用。觀測臺陣的觀測點定位，是由設(shè)計上已知點位，通過放樣在實際的場地上把它們確定下來。目前常用的單頻實時差分定位方案是在參考點與移動點之間建立實時的無線通信鏈路，移動點將GPS觀測數(shù)據(jù)無線發(fā)送給固定點，固定點通過定位解算求得移動點目前相對于自己的位置并無線發(fā)送給移動點，移動點將它與目標(biāo)點位置比較，指示自己朝目標(biāo)點移動，直到找到目標(biāo)點。該方案主要不足在于以下幾個方面1、定位方式嚴(yán)重依賴于無線通信的能力和質(zhì)量。如采用無線射頻模塊，為了達到其標(biāo)稱的通信距離，其天線要架設(shè)得比較高，當(dāng)高過GPS天線時，會對GPS信號產(chǎn)生干擾，甚至導(dǎo)致GPS接收機不能正常工作。且通信質(zhì)量不能保障，容易受到干擾；2、GPS天線的天線桿有一定高度，在移動過程中，場地不平或晃動對定位精度產(chǎn)生一定影響，厘米級的定位精度事實上難以做到或保證；3、目標(biāo)點位置的GPS信號要求質(zhì)量良好，如果目標(biāo)點位置無GPS信號或信號差，將造成定位任務(wù)實際上無法完成。因此如何可靠有效地進行高精度的臺陣定位，是目前微動勘探、其它工程振動測試領(lǐng)域需要解決的問題之一。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種臺陣布設(shè)的精密定位方法和裝置，應(yīng)用于微動勘探、工程振動測試領(lǐng)域等對臺陣幾何結(jié)構(gòu)有較嚴(yán)格的要求時，可以簡單可靠地進行臺陣各觀測點的精密定位。本發(fā)明解決其技術(shù)方案采用的技術(shù)方案是基于微處理器、測量型單頻GPS接收模塊和存儲器等構(gòu)成兩個定位裝置，一個用于參考點觀測，具有GPS數(shù)據(jù)的存儲和讀出功能，另一個用于移動觀測，除了具有GPS數(shù)據(jù)的存儲和讀出功能外，還具有目標(biāo)點的設(shè)置以及圖形顯示等功能，顯示當(dāng)前位置相對于目標(biāo)點的位置情況，指引作業(yè)者朝目標(biāo)點移動。初始時兩個定位裝置在同一參考點同時進行觀測一段時間，以便用該段時間的數(shù)據(jù)進行定位解算的初始化，固定載波相位整周模糊度，并且用于移動的定位裝置讀取該點的單點定位位置坐標(biāo)(WGS-84坐標(biāo))，通過高斯投影轉(zhuǎn)換為平面坐標(biāo)，作為參考點的坐標(biāo)。隨后移動點根據(jù)設(shè)置的目標(biāo)點與參考點的相對坐標(biāo)確定目標(biāo)點在WGS-84坐標(biāo)框架下的高斯投影坐標(biāo)值，可以開始移動，在單點定位模式下顯示當(dāng)前坐標(biāo)值，與目標(biāo)點的接近情況等，指示作業(yè)者朝目標(biāo)點移動，從而以GPS單點定位的精度確定目標(biāo)點的位置，或者說，使其處于距離目標(biāo)點幾十米的區(qū)域之內(nèi)。在這個區(qū)域，任取三個不在一條直線上的三個控制點，固定定位裝置，觀測一個或一個以上歷元的數(shù)據(jù)并存儲。整個過程中，位于參考點的定位裝置也一直在觀測和存儲數(shù)據(jù)。收集參考點觀測的定位裝置的觀測數(shù)據(jù)和移動觀測的定位裝置的觀測數(shù)據(jù)進行載波相位差分定位處理，可以以厘米級的精度獲得目標(biāo)點附近三個控制點相對于參考點的坐標(biāo)，因此可以確定目標(biāo)點與三個控制點的相對位置信息，包括距離和角度等，根據(jù)這些信息，用測量卷尺在一個小范圍內(nèi)的作業(yè)，可以快速準(zhǔn)確地確定目標(biāo)點的位置，完成定位任務(wù)。依據(jù)這個方法，可以進行多目標(biāo)點的依次定位。本發(fā)明具有以下的創(chuàng)新點和主要的優(yōu)點1.提出一種臺陣布設(shè)時進行精密定位的新方法，將對目標(biāo)點的單一而嚴(yán)格的直接定位過程分為目標(biāo)點附近更為寬松靈活選擇的三個控制點的定位和在三個控制點控制下的目標(biāo)點定位兩個過程。前者采用固定觀測的GPS差分定位方法，避免了 GPS實時差分定位的通信鏈路問題，后者采用傳統(tǒng)測量卷尺定位但確保在小范圍實施，兩種方法優(yōu)勢組合， 實現(xiàn)一種簡單可靠但保證精度的方法。2.對目標(biāo)點附近所有控制點的定位預(yù)先進行了統(tǒng)一的初始化過程，每個控制點上不需長時間觀測，提高整個定位作業(yè)的效率。3.三個控制點控制下的目標(biāo)點定位過程不再需要GPS定位的參與，即使目標(biāo)點位置無GPS信號或信號差也不影響定位。4.三個控制點形成的平面可以簡單抬高以克服低矮障礙物對測量卷尺拉伸的影響問題。5.固定觀測的GPS差分定位方法使得定位裝置可以采用測量型單頻GPS接收模塊，成本低且結(jié)構(gòu)簡單。6.到達目標(biāo)點附近的定位過程僅須采用GPS單點定位模式且在圖示化指導(dǎo)下進行，簡單易行。


圖1為定位原理示意圖。圖中1——參考點
2——目標(biāo)點3——鏡象點4——固定控制點。圖2為定位裝置電路組成框圖。圖中5——天線6——測量型單頻GPS接收模塊7——微處理器8——存儲器9——通信單元10——顯示屏11——輸入單元。圖3為定位處理流程圖。
具體實施例方式下面結(jié)合實施例和附圖對本發(fā)明作進一步說明。本發(fā)明提供的臺陣布設(shè)的精密定位方法和裝置，其定位原理如圖1所示參考點1 與目標(biāo)點2之間的位置關(guān)系由預(yù)先設(shè)計已知。固定控制點4設(shè)定在目標(biāo)點2周邊，一般以設(shè)三個為宜，a、b和c分別表示固定控制點4與目標(biāo)點2之間的距離。先用定位裝置測定固定控制點4坐標(biāo)。再以任何兩個固定控制點為基準(zhǔn)，將測量卷尺的端點以a+b為長度分別固定于兩個固定控制點4，并以測量卷尺上a、b兩段長度的分界點為節(jié)點，將尺在固定控制點4形成的平面內(nèi)拉緊。這樣在理論上可以定位出兩個點，一個是我們需要的目標(biāo)點2， 另一個是與目標(biāo)點2對稱的鏡像點3。目標(biāo)點2與鏡像點3的判別可以通過目標(biāo)點與第三個固定控制點4的相對距離遠近直接判斷，從而可找出目標(biāo)點2。因此，對目標(biāo)點2的定位轉(zhuǎn)化為目標(biāo)點附近三個固定控制點4的定位，而對目標(biāo)點2的定位精度也取決于對三個固定控制點4的定位精度。對三個固定控制點4的定位采用GPS差分定位方法，定位裝置包括兩個，一個用于參考點1的觀測，另一個用于移動到各固定控制點4進行觀測。定位裝置的電路組成框圖如圖2所示由微處理器7、測量型單頻GPS接收模塊6、天線5、存儲器8、 通信單元9、顯示屏10以及輸入單元11組成。天線5通過數(shù)據(jù)線與GPS接收模塊6相連； 微處理器7通過數(shù)據(jù)線分別與GPS接收模塊6、存儲器8、通信單元9、顯示屏10以及輸入單元11相連。該裝置的主要功能是在輸入單元11的控制下，進行GPS觀測數(shù)據(jù)的處理、存儲，并通過通信單元9讀出或顯示屏10顯示目標(biāo)點2的設(shè)置和圖形；用于移動點定位時顯示屏10指導(dǎo)作業(yè)者朝目標(biāo)點2的移動。結(jié)合圖3對目標(biāo)點2的定位過程描述如下步驟1、初始化觀測過程在參考點1位置兩臺定位裝置同時觀測一段時間，一般為5分鐘以上，存儲觀測數(shù)據(jù)。初始化觀測的目的是固定GPS載波相位整周模糊度，如果整個定位過程中衛(wèi)星不發(fā)生失鎖的情況，這個整周模糊度將保持不變。固定GPS整周模糊度后的GPS載波相位差分解算，即使很少，比如1個歷元的觀測數(shù)據(jù)也能進行并有良好結(jié)果，實踐表明，可達到厘米級精度。這樣可以大大減少在目標(biāo)點2附近三個固定控制點4上的觀測時間，從而減少整個臺陣定位的作業(yè)時間。在整個定位期間，參考點1的定位裝置應(yīng)保持觀測并存儲數(shù)據(jù)。步驟2、朝目標(biāo)點2的移動過程移動裝置在參考點1位置讀取該點的單點定位坐標(biāo)(WGS-84坐標(biāo))，并進行高斯投影轉(zhuǎn)換為平面坐標(biāo)，作為參考點1的坐標(biāo)。設(shè)置目標(biāo)點2相對于參考點的相對坐標(biāo)，裝置計算出目標(biāo)點2在WGS-84坐標(biāo)框架下的高斯投影坐標(biāo)值，可以開始移動。由于只要求定位在目標(biāo)點2的附近，精度要求不高，利用GPS的單點定位模式便可以滿足。移動過程中，裝置顯示當(dāng)前坐標(biāo)值以及圖示與目標(biāo)點2的接近情況等，指引作業(yè)者朝目標(biāo)點2移動，從而首先以GPS單點定位的精度確定目標(biāo)點2的位置，或者說，可定位于目標(biāo)點2幾十米的范圍之內(nèi)。如果臺陣的尺度不大，本身在幾十米以內(nèi)，則不需要本過程，直接進行過程三。步驟3、三個固定控制點4的觀測過程在目標(biāo)點2附近任意選擇三個固定控制點4并做好標(biāo)記，點位的選擇不需嚴(yán)格要求，只要求它們不在一條直線上，而且最好具有較好的幾何結(jié)構(gòu)(接近于正三角形，邊長不能太短)。在每個固定控制點4上固定定位裝置的天線5進行觀測并存儲數(shù)據(jù)，定位裝置應(yīng)對觀測數(shù)據(jù)針對不同固定控制點4進行標(biāo)注區(qū)分。觀測時間理論上講只需一個歷元即可， 更多歷元的觀測可提高定位精度。如果定位移動過程中發(fā)生了衛(wèi)星失鎖，少數(shù)衛(wèi)星的話可以在定位處理時找回失鎖衛(wèi)星的整周模糊度，如果發(fā)生嚴(yán)重的衛(wèi)星失鎖，則必須重新進行初始化，方法是在其中任一個固定控制點4上觀測相對長一點的時間(比如5分鐘以上)， 該數(shù)據(jù)既可用做重新初始化，同時也可用于該點的定位。如果有多個目標(biāo)點2，則重復(fù)二和三的過程，直到所有目標(biāo)點2觀測完畢。步驟4、目標(biāo)點精密定位過程固定控制點4完成定位后，再以任意兩個固定控制點為基準(zhǔn)，將測量卷尺的端點以a+b為長度分別固定于兩個固定控制點4，并以測量卷尺上a、b兩段長度的分界點為節(jié)點，將尺在固定控制點4形成的平面內(nèi)拉緊，根據(jù)目標(biāo)點2與第三個固定控制點4的遠近關(guān)系判斷拉緊方向，從而可直接找出目標(biāo)點2。GPS載波相位差分處理在整周模糊度固定后，少數(shù)幾個歷元的數(shù)據(jù)其定位精度容易達到厘米級，因此目標(biāo)點2的定位由厘米級精度的固定點控制4，也可以達到厘米級，實現(xiàn)精密定位，滿足工程要求。因給出的是投影的平面坐標(biāo)，將整個平面抬高一個高度不會影響定位，因此如果定位時在目標(biāo)點2與固定控制點4之間存在低矮的障礙物而對測量卷尺的拉伸帶來影響時，可以用這種辦法繞過障礙物而不影響定位，同樣對于非平坦地面，也可以采用該方法進行克服，只要對測量卷尺拉伸時的水平性加以控制。
權(quán)利要求
1.一種用于微動測試臺陣布設(shè)的精密定位方法和裝置，其特征在于該方法基于兩個定位裝置由參考點定出目標(biāo)點周邊不少于3個的固定控制點坐標(biāo)，再由固定點確定目標(biāo)點位置，該方法還包括以下步驟A、初始化觀測過程B、定位裝置向目標(biāo)點移動過程C、固定控制點的觀測過程D、目標(biāo)點精密定位過程
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的精密定位方法和裝置，其特征在于兩個定位裝置由微處理器、測量型單頻GPS接收模塊和存儲器、顯示器等構(gòu)成，一個用于參考點觀測，具有GPS數(shù)據(jù)的存儲和讀出功能，另一個還具有目標(biāo)點的設(shè)置以及圖形顯示等，用于移動觀測，指引作業(yè)者朝目標(biāo)點移動。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的精密定位方法和裝置，其特征在于初始化觀測過程為兩個定位裝置在參考點位置同時觀測一段時間，一般為5分鐘以上，存儲觀測數(shù)據(jù)，固定GPS載波相位整周模糊度。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的精密定位方法和裝置，其特征在于其中一個定位裝置向目標(biāo)點移動過程為在參考點位置讀取該點的單點定位坐標(biāo)(WGS-84坐標(biāo))后設(shè)置目標(biāo)點相對于參考點的坐標(biāo)并計算出目標(biāo)點的WGS-84坐標(biāo)值，再以單點定位模式向目標(biāo)點移動，并只要求定位在目標(biāo)點附近。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的精密定位方法和裝置，其特征在于在固定控制點的觀測過程為在目標(biāo)點附近任意選擇不在一條直線的三個固定控制點，每個固定控制點上固定定位裝置的天線進行觀測、存儲數(shù)據(jù)并針對不同固定控制點進行標(biāo)注區(qū)分。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的精密定位方法和裝置，其特征在于目標(biāo)點精密定位過程為以任意兩個固定控制點為基準(zhǔn)，將測量卷尺的端點以a+b為長度分別固定于兩個固定控制點，并以測量卷尺上a、b兩段長度的分界點為節(jié)點，將尺拉緊，根據(jù)目標(biāo)點與第三個固定控制點的遠近關(guān)系判斷拉緊方向，從而直接找出目標(biāo)點，完成定位目的。
全文摘要
本發(fā)明涉及微動勘探或其它工程振動測試領(lǐng)域，特別是涉及一種臺陣布設(shè)的精密定位方法和裝置。將對目標(biāo)點的單一而嚴(yán)格的直接定位過程分為目標(biāo)點附近更為寬松靈活選擇的三個控制點的定位和在三個控制點控制下的目標(biāo)點定位兩個過程。前者采用固定觀測的GPS差分定位方法，避免了GPS實時差分定位的通信鏈路問題，后者采用傳統(tǒng)皮尺定位但確保在小范圍實施，兩種方法優(yōu)勢組合，實現(xiàn)一種簡單可靠但保證精度的方法。本發(fā)明還涉及用于實現(xiàn)該新方法的定位裝置，包含基于微處理器、GPS接收模塊和存儲器等的兩個定位裝置，一個用于參考點觀測，具有GPS數(shù)據(jù)的存儲和讀出功能，另一個用于移動觀測，還具有目標(biāo)點的設(shè)置以及圖形顯示等功能。
文檔編號G01C15/00GK102338632SQ201010228958
公開日2012年2月1日 申請日期2010年7月15日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月15日
發(fā)明者丁煒, 廖成旺, 王浩, 鄧濤 申請人:中國地震局地震研究所