基于wMPS系統(tǒng)的移動發(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)場大尺寸測量方法，特別涉及基于光電掃描的室內(nèi)空間測量系 統(tǒng)移動站加密定向，拓展測量空間以及精度補(bǔ)償?shù)姆椒ā＞唧w講涉及基于WMPS系統(tǒng)的移動 發(fā)射站快速定向方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著科技進(jìn)步，大尺寸空間測量逐漸向高精度定位，大范圍測量發(fā)展。其中，天津 大學(xué)精密測試技術(shù)及儀器國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研發(fā)的室內(nèi)空間測量系統(tǒng)（即wMPS:workshop MeasurementPositionSystem)在大尺寸測量領(lǐng)域取得越來越廣泛的應(yīng)用，并具有大量成 功的案例。室內(nèi)空間測量系統(tǒng)是多站式高精度測量系統(tǒng)，多個發(fā)射站有規(guī)則地布置在測量 空間內(nèi)，通過基準(zhǔn)尺或者全局控制點(diǎn)建立大范圍高精度測量網(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 度的基準(zhǔn)尺進(jìn)行標(biāo)定，保證在多個位置上兩發(fā)射站可以同時觀測到基準(zhǔn)尺兩端，而在有些 工業(yè)測量現(xiàn)場環(huán)境比較惡劣，例如：在造船廠等工業(yè)測量空間內(nèi)往往會出現(xiàn)大范圍遮擋情 況，如何有效解決大范圍遮擋問題，在大范圍遮擋情況下定向固定發(fā)射站是多站式測量系 統(tǒng)亟待解決的重大問題；多站式布局特性使得室內(nèi)空間測量系統(tǒng)內(nèi)誤差分布并不均勻，工 作空間內(nèi)的測量精度隨著發(fā)射站測量距離的提升不斷下降，交會角度較好的區(qū)域誤差小， 交會角度較差的區(qū)域誤差大，在工業(yè)現(xiàn)場中，工作空間測量系統(tǒng)所形成的精度場分布并不 均勻，有些區(qū)域內(nèi)測量誤差甚至不符合測量要求，這對高精度測量場形成了挑戰(zhàn)?；趙MPS 系統(tǒng)的移動發(fā)射站快速定向方法完美的解決了以上兩個難題，通過對已知坐標(biāo)的控制點(diǎn)進(jìn) 行后方交會定向，將移動站隨時隨處地引入到測量系統(tǒng)不僅很大程度解決因?yàn)檎系K物遮擋 等因素?zé)o法直接定向測量的重大問題，而且可以提高各個區(qū)域的精度，有效避免因交會角 度不同引起的精度丟失，是構(gòu)建全范圍一致的高精度測量場、適應(yīng)惡劣測量環(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)全范圍測量，構(gòu)建高精度測量場，提高測量場平均精 度，解決測量場部分區(qū)域精度丟失問題，適應(yīng)各種惡劣環(huán)境，符合如今高精度測量的趨勢。 為此，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是，基于wMPS系統(tǒng)的移動發(fā)射站快速定向方法包括以下步 驟：
[0005] 步驟一、在測量空間內(nèi)布置多個固定發(fā)射站，通過已知固定長度的基準(zhǔn)尺定向，搭 建整體室內(nèi)空間測量系統(tǒng)，并定義整體測量空間坐標(biāo)系0-ΧΥΖ;
[0006] 步驟二、結(jié)合發(fā)射站測量范圍，在測量量程或空間受限的待測區(qū)域附近布置移動 站；
[0007] 步驟三、在測量空間內(nèi)選取至少6個全局控制點(diǎn)，保證控制點(diǎn)被固定發(fā)射站與移 動站全部探測到，利用單站球坐標(biāo)系統(tǒng)分別測量6個控制點(diǎn)坐標(biāo)，建立全局控制場坐標(biāo)系 0-χκγκζκ，并統(tǒng)一至整體測量空間坐標(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與同步光信號，已知 控制點(diǎn)在激光跟蹤儀坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，通過后方交會方法，將移動站快速匹配至室內(nèi)空間 測量系統(tǒng)；
[0009] 步驟五、將移動站布置在任意地方進(jìn)行坐標(biāo)測量。
[0010] 步驟一搭建整體室內(nèi)空間測量系統(tǒng)的步驟如下：
[0011] 步驟1-1)布置若干固定發(fā)射站于測量環(huán)境，構(gòu)建初步測量場；
[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，建立整體測量空間坐標(biāo)系0-ΧΥΖ，即整體 測量場。
[0014] 步驟三、四將移動站匹配至控制場的步驟如下：
[0015] 步驟3-1)結(jié)合發(fā)射站測量范圍，在待測區(qū)域附近布置移動站，確保移動站能夠測 到控制場的所有點(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，接收移動站的掃描光平面 信號以及同步標(biāo)記光信號，得到各個全局控制點(diǎn)在移動站坐標(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，移動站坐標(biāo)系0-XAZi，計(jì)算出移動站坐標(biāo)系0-XJA與全 局控制場坐標(biāo)系〇_ΧκΥκΖκ的旋轉(zhuǎn)平移矩陣初值，其中兩個坐標(biāo)系滿足以下關(guān)系：
[0019] 步驟3-4)測得水平角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)通過非線性最優(yōu)化算法，求解目標(biāo)函數(shù)，得到移動站與全局控制場的定 向關(guān)系，并轉(zhuǎn)移至整體測量空間坐標(biāo)系0-ΧΥΖ下，得到移動站與整體測量空間坐標(biāo)系的定 向關(guān)系即移動站與固定站的定向關(guān)系；
[0023] 步驟3-6)根據(jù)移動站與固定站定向關(guān)系，進(jìn)行最優(yōu)區(qū)域的坐標(biāo)解算。
【附圖說明】：
[0024] 圖1是移動站測量仿真圖。
【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)全范圍測量，構(gòu)建高精度測量場，基于控制點(diǎn)后方交會方法，將移動站引入 整體測量系統(tǒng)，使得測量場平均精度提高，解決測量場部分區(qū)域精度丟失問題，適應(yīng)各種惡 劣環(huán)境，符合如今高精度測量的趨勢。詳見下文描述：
[0026] 步驟一、通過激光跟蹤儀標(biāo)定基準(zhǔn)尺長度，多次測量基準(zhǔn)尺長度并取平均值作為 基準(zhǔn)長度；
[0027] 步驟二、將兩個1. 5英寸工作空間測量系統(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，建立整體測量空間坐標(biāo)系0-ΧΥΖ;
[0029] 步驟四、結(jié)合發(fā)射站測量范圍，在待測區(qū)域附近布置移動站；
[0030] 步驟五、在測量空間內(nèi)選取至少6個全局控制點(diǎn)，控制點(diǎn)可見為全局最佳，保證 控制點(diǎn)被移動站全部測到，激光跟蹤儀分別測量6個控制點(diǎn)坐標(biāo)，建立精密全局控制場 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，接收移動站的掃描光平面信 號以及同步標(biāo)記光信號，得到各個全局控制點(diǎn)在移動站坐標(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，移動站坐標(biāo)系0-XAZi，計(jì)算出移動站坐標(biāo)系0-XAZi與控制 場坐標(biāo)系o-xKYKzK的旋轉(zhuǎn)平移矩陣初值，其中兩個坐標(biāo)系滿足以下關(guān)系：
[0034]步驟八、通過水平角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、通過非線性最優(yōu)化算法，求解目標(biāo)函數(shù)，得到移動站與全局控制場的精確 定向關(guān)系，并轉(zhuǎn)移至整體測量空間坐標(biāo)系0-ΧΥΖ下，得到移動站與整體測量空間坐標(biāo)系的 定向關(guān)系即移動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、將移動站布置在任意地方進(jìn)行坐標(biāo)測量，實(shí)現(xiàn)整體測量場的精度補(bǔ)償 與保證。
[0040] 本發(fā)明根據(jù)后方交會定向方法，提出了基于移動站加密定向的方法，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量任務(wù)；同時，解決了在整體測量場 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角度較差而引起的測量誤差增 加，保證了整體