CN201974529U - 主动式动态定位仪 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供了一种主动式动态定位仪，包括：同步触发单元，通过脉冲信号同步触发时空基准单元和脉冲激光测距单元；时空基准单元，获取动态控制点的空间位置和脉冲激光测距单元发射激光脉冲时刻的GPS时间；脉冲激光测距单元，获取动态控制点与目标点之间的测距信息；姿态测量单元，获取动态控制点的姿态信息时序，并通过外推或内插计算激光脉冲发射时刻测量平台的姿态信息；数据采集与处理单元采集时空基准信息、测距信息、测量平台的姿态信息，在同一时空基准下整合后存储，根据整合后的数据计算目标点点位；以及输入输出单元，供客户输入控制指令，并为用户显示定位目标点的点位信息。
Description
技术领域
本实用新型涉及精密测量技术领域，尤其涉及一种集成了GPS定位技术、脉冲激光测距技术和姿态测量技术的主动式动态定位仪。
背景技术
现有的GPS与激光测距技术集成应用的开发大部分都是基于GPS与三维激光扫描仪的集成应用。美国，加拿大，瑞典，日本，荷兰等国家都陆续研发出相关陆地移动测试产品，例如美国俄亥俄州立大学的GPS Van系统，卡尔加里大学的VISATTM系统，慕尼黑联邦军事大学的KISSTM系统，瑞典的Top Eye机载系统，美国的Cyra系统，法国Riegl公司的小型地面系统等。我国也研发出了同类产品，例如武汉测绘科技大学地球空间信息技术开发组开发的激光扫描测量系统，中国测绘科学开发院四维公司研发的三维影像扫描测量系统等。然而，现有的GPS与激光测距技术集成产品普遍存在固定投资大、灵活性差、目标针对性不强、数据采集量大、生产工艺复杂的缺陷。同时，这些产品对移动载体的运动速度及其平台稳定性等具有较高要求，使得在高动态移动载体平台条件下获取目标点位置信息时，例如，基于船载平台获取海岛礁位置信息时，其应用将受到很大程度的限制。
由于受脉冲激光测距技术的测设距离和精度限制的影响，GPS与脉冲激光测距技术的集成还处于空白状态。现有的GPS与脉冲激光测距仪集成的产品很少，超站仪是较为相近的一款产品。超站仪是GPS和全站仪结合的新型测绘仪器，它集成了全站仪与GPS的大部分功能，可以实现无地面控制的地面测量，具有定位精度高、劳动强度低的优势，已经在很多测量领域得到了广泛应用。但该设备不能实现对目标的动态定位，且需要棱镜辅助才能实现长距离量程，这在很大程度上使得该设备无法在动态平台上满足各种目标动态定位需求。此外，超站仪本身无法适应移动载体移动过程中基座不置平的问题，无法在移动载体上实施测量功能，不能实现快速移动测设功能。尤其，对于一些无法确立站标的地段，例如不能登陆的岛屿，火山口，塌陷区域等，无棱镜反射测量的量程显得过短，不能满足危险地段与军事目标的测设要求。
实用新型内容
(一)要解决的技术问题
本实用新型要解决的技术问题是如何结合GPS定位技术、脉冲激光测距技术和姿态测量技术，通过主动动态定位方式对不易到达的目标进行动态定位。
(二)技术方案
为解决上述技术问题，本实用新型的技术方案提供了一种主动式动态定位仪，包括：时空基准单元、脉冲激光测距单元、姿态测量单元、数据采集与处理单元、同步触发单元以及输入输出单元；其中，
所述同步触发单元与所述时空基准单元和所述脉冲激光测距单元连接，用于通过脉冲信号同步触发所述时空基准单元和所述脉冲激光测距单元；
所述时空基准单元用于获取时空基准信息，包括：动态控制点的空间位置信息和所述脉冲激光测距单元发射激光脉冲时刻的GPS时间；
所述脉冲激光测距单元用于通过测量激光脉冲信号发射和目标点反射接收之间的时间差来获取动态控制点与目标点之间的测距信息；
所述姿态测量单元用于获取动态控制点的姿态信息时序，并根据所述姿态信息时序，通过外推或内插计算激光脉冲发射时刻测量平台的姿态信息；
所述数据采集与处理单元分别与所述时空基准单元、脉冲激光测距单元和所述姿态测量单元连接，采集所述时空基准信息、测距信息、激光脉冲发射时刻测量平台的姿态信息，在同一时空基准下整合后存储，根据所述整合后的数据计算目标点点位；
所述输入输出单元用于客户输入控制指令，并为用户显示所述目标点的点位信息。
优选地，所述时空基准单元包括：GPS双频OEM板和GPS天线。
优选地，所述脉冲激光测距单元为长距离脉冲激光测距仪。
优选地，所述姿态测量单元为三维数字罗盘。
优选地，所述同步触发单元为同步触发控制器。
优选地，所述输入输出单元包括键盘和显示屏。
优选地，所述数据采集与处理单元包括：多串口板和掌上电脑。
(三)有益效果
与现有技术相比，本实用新型的主动式动态定位仪的定位仪具有以下优势：通过脉冲激光测距单元实现无棱镜辅助的长距离作用范围的主动式动态定位，适用于不宜/不易到达的目标，例如不能登陆的岛屿，火山口，塌陷区域等；通过时空基准单元为运动载体提供高精度的时空基准，以及测量平台姿态信息，实现了高精度移动动态定位；此外，由于该系统采用了组件化架构，系统成本控制灵活，可根据具体应用及技术要求定制。
附图说明
图1是本实用新型的主动式动态定位仪的定位原理图；
图2是本实用新型的主动式动态定位仪的结构框图。
具体实施方式
本实用新型提出的集成GPS、脉冲激光测距仪、三维数字罗盘的主动式动态定位仪，结合附图和实施例说明如下。
本实用新型基于目标点遥测定位原理，采用空间测距/测角交汇定位。图1为本实用新型的定位原理图。如图1所示，假设P为待测目标点，载有根据本实用新型的集成GPS和脉冲激光测距的主动式动态定位仪的作业平台沿轨迹线A-B-C-D-E-F移动。在移动过程中，定位仪依次在A点-F点处分别进行GPS定位测量、平台姿态测量以及平台动态控制点至目标点P的激光测距测量；通过GPS提供的空间基准信息，对观测信息进行采集与整合，形成多个历元观测数据，最终通过测边/测角交会定位原理确定目标点点位。
如图2所示，本实用新型包括：时空基准单元、脉冲激光测距单元、姿态测量单元、数据采集与处理单元、同步触发单元以及输入输出单元。
由于本实用新型的定位仪在动态作业条件下工作，需要将各种测量信息统一到相同的时刻。同步触发单元为动态环境目标量测定位提供高精度的时间同步。具体实施过程中，可以通过脉冲信号同步触发时空基准单元和脉冲激光测距单元来实现GPS定位与激光测距的同步量测。在本实用新型的一个实施例中，该同步触发单元为自主开发的时间同步控制器，其基本原理为，通过触发一按钮装置产生两路时间同步脉冲信号，一路脉冲触发时空基准单元进行定位(获取动态控制点点位坐标)和授时(获取GPS时间)；另一路脉冲触发脉冲激光测距单元获取测距信息。
本实用新型的脉冲激光测距单元，通过测量激光脉冲信号发射和经目标点反射后再次接收之间的时间差，来获取动态控制点与目标点的测距信息。具体实施过程中，脉冲激光测距单元可以为长距离脉冲激光测距仪，其无需在目标点处架设反射棱镜进行辅助测量，使得目标点选择机动灵活，具有很好的主动性。优选地，使用美国制造的CountXLR激光测距仪，其作用距离可达1800米，测距精度为0.1m，能够满足对于某些无法确立站标的地段(例如，不能登陆的岛屿，火山口，塌陷区域等)的无棱镜辅助测量。
本实用新型的时空基准单元用于获取时空基准信息，包括：动态控制点的GPS定位信息(动态控制点的三维坐标)和GPS时间信息。具体实施过程中，时空基准单元可以通过GPS双频OEM板和GPS天线实现。GPS双频OEM板具有接收GPS信号、处理信号、输出观测信号和定位结果等功能：接收来自天线单元的信号，并通过变频、放大、滤波等一系列处理过程，对GPS卫星信号进行跟踪、锁定、测量，最后生成计算位置的数据信息(包括：纬度、经度、高度、速度、日期、时间、航向、卫星状况等)，并由串口输出串行数据。此外，由于时空基准单元和脉冲激光测距单元是被同步触发的，因此，该GPS接收机所测量的发射脉冲时刻的GPS时间即为自身被触发时刻的GPS时间。
本实用新型的姿态测量单元用于获取测量平台的姿态信息，包括：测量平台的俯仰角信息、航向角信息和横滚角信息。具体实施过程中，该姿态测量单元可以通过三维数字罗盘来实现，输出RS232/RS485/RS422格式数据帧。
由于姿态测量单元按一定采样率输出测量平台姿态时序，还需要根据时空基准单元输出的时空基准信息，对输出数据进行外推或内插计算，以获得测量平台在脉冲激光测距单元的脉冲发射时刻的姿态信息，即：测量平台在测距时刻的姿态信息。此外，考虑到三维数字罗盘的测量原理是测量地球磁场，在仪器使用前可按生产厂家提供的方法削弱周围电磁环境对姿态测量的影响。
本实用新型的数据采集与数据处理单元，用于采集上述时空基准单元、激光脉冲测距单元以及姿态测量单元获取的GPS观测信息、激光测距信息和姿态信息等多串口信息；以及，用于数据整合，即：在脉冲测距信息和姿态测量信息中增加GPS时空基准信息(测量时刻的GPS时间，以及该时刻动态控制点的三维坐标)。因此，整合后的历元观测数据应为统一时空基准下的测量平台坐标信息、姿态信息以及平台至目标点的斜距信息。在存储观测数据的同时，数据采集与数据处理单元通过测边/测角交会定位方法进行数据处理，获得目标点位信息，包括：点位三维坐标、定位精度以及当前网形结构等。
具体实施过程中，该数据采集与处理单元功能可以通过多串口板、USB数据线以及掌上电脑或笔记本电脑等来实现。其中多串口板用于接收来自GPS接收机、激光测距仪以及三维数字罗盘的串口输出数据(测量信息)，掌上电脑或笔记本电脑完成数据的采集、整合、存储与处理功能。其中，掌上电脑需要安装多串口转USB接口驱动程序，且基本配置应为：windows操作系统，支持USB接口，处理器1.6GHz，内存1GB。
本实用新型的输入输出单元实现的功能包括：供用户输入控制指令，例如，GPS采样率设置指令、数字罗盘采样率设置等；以及，实时显示当前时刻测量信息，例如动态控制点的位置坐标、测距信息、目标点的点位信息等。具体实施过程中，输入输出单元可以通过掌上电脑的键盘和显示屏来实现。
具体实施过程中，将上述脉冲激光测距单元、时空基准单元、姿态测量单元通过串口数据线与多串口板连接，再利用USB数据线将多串口板和掌上电脑连接，最后通过外接供电接口与供电电池进行连接。可见，本实用新型的主动式动态定位仪采用组件化架构，可根据具体应用及技术要求提高各组件性能，系统成本控制灵活。
本实用新型的实现的功能包括：
1)时间同步测量：GPS定位与脉冲激光测量时间同步测量；
2)有关参量计算：测距时刻动态控制点点位计算，测量平台姿态计算(前述外推或内插)；
3)遥测目标定位：三维坐标计算(测距/测角交会定位)等。具体的，时间同步测量由同步触发单元实现，各种数据处理功能由掌上电脑或笔记本电脑实现。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本实用新型作了详尽的描述，但在本实用新型基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本实用新型精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本实用新型要求保护的范围。
Claims (7)
1.一种主动式动态定位仪，其特征在于，包括：时空基准单元、脉冲激光测距单元、姿态测量单元、数据采集与处理单元、同步触发单元以及输入输出单元；其中，
所述同步触发单元与所述时空基准单元和所述脉冲激光测距单元连接，用于通过脉冲信号同步触发所述时空基准单元和所述脉冲激光测距单元；
所述时空基准单元用于获取时空基准信息，包括：动态控制点的空间位置和所述脉冲激光测距单元发射激光脉冲时刻的GPS时间；
所述脉冲激光测距单元用于通过测量激光脉冲信号发射和目标点反射接收之间的时间差来获取动态控制点与目标点之间的测距信息；
所述姿态测量单元用于获取动态控制点的姿态信息时序，并根据所述姿态信息时序，通过外推或内插计算激光脉冲发射时刻测量平台的姿态信息；
所述数据采集与处理单元分别与所述时空基准单元、脉冲激光测距单元和所述姿态测量单元连接，采集所述时空基准信息、测距信息、激光脉冲发射时刻测量平台的姿态信息，在同一时空基准下整合后存储，根据所述整合后的数据计算目标点点位；
所述输入输出单元用于客户输入控制指令，并为用户显示所述目标点的点位信息。
2.如权利要求1所述的主动式动态定位仪，其特征在于，所述时空基准单元包括：GPS双频OEM板和GPS天线。
3.如权利要求1所述的主动式动态定位仪，其特征在于，所述脉冲激光测距单元为长距离脉冲激光测距仪。
4.如权利要求1所述的主动式动态定位仪，其特征在于，所述姿态测量单元为三维数字罗盘。
5.如权利要求1所述的主动式动态定位仪，其特征在于，所述同步触发单元为同步触发控制器。
6.如权利要求1所述的主动式动态定位仪，其特征在于，所述输入输出单元包括键盘和显示屏。
7.如权利要求1所述的主动式动态定位仪，其特征在于，所述数据采集与处理单元包括：多串口板和掌上电脑。
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