[發明專利]工程高精度測繪系統

有效

• 申請號: 201911014689.2
• 申請日: 2019-10-24
• 公開（公告）號: CN110763211B
• 公開（公告）日: 2022-09-13
• 發明（設計）人: 不公告發明人
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍63653部隊
• 主分類號: G01C15/00
• 分類號: G01C15/00
• 代理公司: 烏魯木齊新科聯知識產權代理有限公司 65107
• 代理人: 白燁

1.一種工程高精度測繪系統，包括機動式基準站、DGPS差分定位與導航系統、R系列測量型GPS系統和通信數據鏈設備，所述機動式基準站包括硬件系統、數據處理軟件、數據鏈系統，所述硬件系統包括測量系統、數據傳輸系統、機動式工程車，所述數據處理軟件包括導航模塊、數據融合模塊、數據處理模塊及輔助模塊；所述導航模塊通過對過往數據提取利用當前點偏差技術實現導航路線設定；所述數據融合模塊可提取重要點位數據并進行數據匹配；所述數據處理模塊對數據提取并進行坐標轉換后進一步對數據進行誤差分析與處理；所述輔助模塊包括輸出與打印、距離測量、數據查詢與瀏覽、數據儲存；所述數據鏈系統包括GPS天線、GPS接收機、調制解調器、無線電發射機、發射天線，所述調制解調器將差分改正值調制到規定頻段經無線電發射機功放后，通過發射天線輸出；

數據鏈系統包括GPS天線、GPS接收機、調制解調器、無線電發射機、發射天線，調制解調器將差分改正值調制到規定頻段經無線電發射機功放后，通過發射天線輸出；

數據鏈系統

數據鏈系統主要由調制解調器和無線電發射機組成，調制解調器將差分改正值調制到規定頻段，經無線電發射機功放后，通過發射天線輸出；

硬件設計與研制

車輛改裝

選用越野性能好的越野車改裝成工程車，安裝工作臺、GPS天線和數據鏈天線設施；數據鏈模塊設計與研制

1、確定傳輸距離；根據大地測繪學原理，地球曲面在50km為半徑范圍內的正射投影近似為平面，其坐標轉換參數相等；因此，傳輸距離≤50km；

2、設計計算發射功率與發射天線高度；發射功率、發射天線高度與發射天線增益是相互關聯的參量；全向發射天線設計增益8db；按發射頻段400MHz～500MHz、傳輸距離等數據設計發射功率30W；根據傳輸距離、工程車載荷性能與抗側風強度，計算發射天線升降桿參數:根據發射天線高度計算最大視距

式(1)中，R_sr最大視距km，R地球等效半徑km，H_a、H_b發射和接收天線高度m；

根據發射功率、頻段、天線增益及接收靈敏度求最大傳輸距離；公式

L_OS＝32.44+logL(km)+logf(MHz) (2)

式(2)中，L_OS總損耗dBm，L距離km，f發射頻率MHz；

軟件構成

系統軟件由數據后處理、數據融合與導航、GPS水準擬合、GIS系統、航空影像測圖與數字化測圖組成；

軟件功能

(1)數據后處理軟件；外業觀測數據解算，主要流程:數據傳輸、基線解算和網平差；將同一時段n個測站同步觀測n(n-1)/2條基線向量觀測數據，與GPS廣播星歷或精密星歷、計算并消除誤差；經基線解算，求得其兩兩測站間三維坐標差，以基線向量估值及驗后方差-協方差表示，應用于網平差；網平差將起算點絕對坐標引入基線，解算大地坐標，并估算精度；

(2)數據融合；不同類型測量數據預處理，數據格式轉換與坐標轉換；

(3)導航軟件；兼有導航和道路管線工程實時工程測量、實時坐標轉換、距離測量和數據輸出功能，精度達到厘米級；兼容矢量地圖、衛星影像、掃描圖片多種格式導航地圖；

(4)GPS水準擬合軟件；建立GPS水準高程擬合模型，在該區域替代常規幾何水準測量，實現GPS測量三維數據直接用于工程；

(5)GIS系統研發；基于組件集成技術開發的分布式GIS應用系統，集信息輸入、數據庫管理及空間數據查詢與分析為一體，建立空間數據庫，實現了空間地理信息數據與所需分析處理的數據集成、可視化表達、制作專題圖、空間查詢與統計分析功能；

(6)航空影像測圖；通過基于嚴密數學模型的內定向、相對定向和絕對定向技術，恢復航片與地面的幾何關系，實現航空和衛星影像數字測圖；

(7)數字化制圖；數字化4D測繪產品生產,數字化4D包括數字高程模型DEM、數字正射影像DOM、數字線劃地圖DLG、數字柵格地圖DRG；

系統軟件研發

數據融合與導航軟件

(1)地理數據與數據結構分析

①矢量數據；包括等高線、道路和導航路線數據；以點線的方式描述，以二進制定義矢量文件結構；

②格網數據；是地圖數據查詢和數據投影的基本數據；將地圖數據按等間距網格分割處理；數據來源于工作區數字高程模型，采用sufer GRID定義格網文件結構，以二進制描述；

③點數據；將重要作業點、重要地物標記在地圖上行，并加以簡要說明；

(2)導航模塊；采用文檔視結構，主視數據表現從視控制窗口，通過菜單和工具條控制；用不同格式地形圖、影像圖和各類圖片作為投影地圖，快速應用于導航或工程測量；

(3)坐標轉換模塊；WGS84坐標需轉換到C80、BJ54、CGCS2000坐標系統或區域坐標系統；基礎地理信息資料是BJ54坐標系，需實施WGS84坐標系到BJ54坐標系轉換，公式(3)、(4)；

式(3)中，(x,y,z)_坐標1與(x,y,z)_坐標2同一點在兩個坐標系坐標，x₀，y₀，z₀坐標系2原點在坐標系1坐標值；Rx，Ry，Rz繞x軸，y軸，z軸旋轉矩陣；同一坐標系，大地坐標與高斯平面坐標互換公式(4)；

誤差分析與處理模塊；

誤差分析以我國常用的中誤差來衡量觀測結果精度，可對測量數據進行誤差分析和處理，用數表和曲線形式輸出，誤差曲線符合正態分布；

式(7)中：δ_x、δ_y、δ_p-垂直和水平方向、位置點均方誤差單位為m；x₀、y₀、x_p0、y_p0-測量點基準坐標值，單位為m；x_i、y_i、x_pi、y_pi-測量點測量坐標值，單位為m；

復雜地形區域GPS水準擬合模型建立與軟件開發

①平面擬合基本原理；在小區域且較為平坦的范圍內，大地水準面近似看作一個平面，用平面擬合模型逼近局部似大地水準面；設某已知點的高程異常ξ與該點的平面坐標(x，y)存在如下關系式

ξ＝a₀+a₁X+a₂Y (8)

如a₀，a₁，a₂已知，則可推導出平面擬合模型；

②二次曲面擬合法基本原理；測區內布設較多GPS點時，用數學曲面擬合法求未知點的正常高：根據已知點平面坐標(x，y)和ξ值，采用一個二次曲面來逼近似大地水準面，再內插出未知點ξ值，求出點的正常高；對于GPS/水準聯測點，擬合模型為

ξ＝a₀+a₁X+a₂Y+a₃X²+a₄Y²+a₅XY (9)

同樣，如a₀～a₆已知，則可推導出二次曲面擬合模型；

④多面函數法基本原理；任何數學表面和不規則圓滑表面，總可用一系列有規則的數學表面的和以任意精度逼近；多面函數的一般形式為

式中β_j為待定參數，F(x,y,x_i,y_i)為核函數，有多種形式，一般采用對稱函數，常用核函數有正雙曲面和倒雙曲面兩種；

設有n個己知點(x_i，y_i)，(i＝1,2…n)，選其中m個點為核函數核心點(x_j，y_j)，(j＝1,2…m)，其中m≤n，并令Q_ij＝F(x_i,y_i,x_j,y_j)，式(9)變成(11)

其特征在于：

GPS水準高程擬合模型應用與精度評定

①模型應用：為考量各種GPS水準擬合方法對不同地形的適宜性，選取了丘陵區、中低山區及兼有深溝和高山的三個測區，按照在測區均勻選取GPS水準點的原則，采用以上三種方法分別進行擬合，以確定合適區復雜地形區域的水準擬合方法；求得各場地高程異常數學模型；

②精度評定；從內外符合精度兩項指標，評定以上擬合模型精度；

根據參與建立擬合模型的GPS/水準點控制點高程異常值，和擬合后得到該點的高程異常值求得擬合殘差v，評定高程擬合精度，稱為內符合精度，用于檢查GPS水準擬合本身精度；以最小二乘法原理定義為

式(12)中ζ′為擬合值，ζ為已知值，μ_內為內符合精度，n為參與計算點數量；

選擇測區內未參與建立擬合模型的GPS/水準控制點作為檢查點，根據檢查點的高程異常和擬合高程異常之差ν，評定高程擬合精度，稱為外符合精度，用于檢查GPS水準擬合對于整個測區的擬合精度；其公式定義為

式(13)中μ_外為外符合精度，n為參與計算的檢查點數量；

將GPS點組成閉合水準路線，按四等水準測量閉合差限差公式，求出四等水準測量閉合限差，即GPS擬合限差；

天文經緯度歸算

聯合水準法是依據地面點的鉛垂線與參考橢球相應法線之間的密切關系，采用GPS靜態測量獲得測站大地緯度B、經度L，基于幾何大地測量理論求解天文經緯度；根據地球重力分布原理，垂線偏差ε、η在以測站中心點為起點半徑為2km內基本不變；若求得垂線偏差數據，將GPS靜態測量獲得的B、L，代入式(14)，可將測站大地經緯度歸算到天文經緯度；

其中，-天文緯度，天文緯度單位為°；λ-天文經度，天文經度單位為°；ε、η-垂線偏差在子午圈和卯酉圈上的分量，垂線偏差在子午圈和卯酉圈上的分量的單位為°；B-大地緯度，大地緯度單位為°；L-大地經度，大地經度單位為°；

GPS水準法計算垂線偏差

垂線偏差是地面點垂線方向同正常重力方向之間夾角，也是正常重力方向同橢球面法線之間夾角；無重力測量條件時，采用與重力密切相關的高程異常數據推求垂線偏差；高程異常由GPS測量或GPS水準擬合法得到；

某陣地GPS靜態測量的基線兩端點有垂線偏差μ₁和μ₂，在基線方向上的分量分別為δ₁及δ₂，根據地球橢球基本參數之間的幾何關系有

δ_i＝ε_icosA_i+η_isinA_i (15)

式(15)中A_i為端點的大地方位角；在垂線偏差為已知時，基線兩端點的似大地水準面之差即高程異常差為

Δζ＝-(δ₁+δ₂)×D/2 (16)

式(16)中,D為線長；根據垂線偏差ε、η在小區域基本不變原理，有δ₁＝δ₂＝δ，故為

δ＝-Δζ/D (17)

水準法測得基線兩端點正常高，GPS測得大地高，獲取高程異常差Δζ，基線長D、大地方位角A，可求得垂線偏差，將大地坐標轉換為天文坐標；

天文方位角歸算

根據測得或數學歸算得到的大地經度、大地方位角和天文經緯度算得天文方位角a

式(18)中，a-天文方位角，天文方位角單位為°；A-大地方位角，大地方位角單位為°；

歸算精度與結論

根據以上原理，用某陣地已有天文點大地經緯度、大地方位角、天文經緯度及天文方位角，歸算垂線偏差分量和天文方位角，并將歸算結果與已知成果進行分析比對，以檢驗精度。