基于wMPS系統(tǒng)的移動發(fā)射站快速定向方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于工業(yè)現場大尺寸測量方法，特別涉及基于光電掃描的室內空間測量系 統(tǒng)移動站加密定向，拓展測量空間以及精度補償的方法。具體講涉及基于WMPS系統(tǒng)的移動 發(fā)射站快速定向方法。
【背景技術】
[0002] 隨著科技進步，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 大學精密測試技術及儀器國家重點實驗室研發(fā)的室內空間測量系統(tǒng)（即wMPS:workshop MeasurementPositionSystem)在大尺寸測量領域取得越來越廣泛的應用，并具有大量成 功的案例。室內空間測量系統(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，通過基準尺或者全局控制點建立大范圍高精度測量網絡。
[0003] 但是，多站式布局需要發(fā)射站進行定向參數標定，傳統(tǒng)的標定方法是利用固定長 度的基準尺進行標定，保證在多個位置上兩發(fā)射站可以同時觀測到基準尺兩端，而在有些 工業(yè)測量現場環(huán)境比較惡劣，例如：在造船廠等工業(yè)測量空間內往往會出現大范圍遮擋情 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空間測量系統(tǒng)內誤差分布并不均勻，工 作空間內的測量精度隨著發(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，通過對已知坐標的控制點進 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為障礙物遮擋 等因素無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，是構建全范圍一致的高精度測量場、適應惡劣測量環(huán)境的基礎。
【發(fā)明內容】
[0004] 為克服現有技術的不足，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)域內實現全范圍測量，構建高精度測量場，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、在測量空間內布置多個固定發(fā)射站，通過已知固定長度的基準尺定向，搭 建整體室內空間測量系統(tǒng)，并定義整體測量空間坐標系0-ΧΥΖ;
[0006] 步驟二、結合發(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、在測量空間內選取至少6個全局控制點，保證控制點被固定發(fā)射站與移 動站全部探測到，利用單站球坐標系統(tǒng)分別測量6個控制點坐標，建立全局控制場坐標系 0-χκγκζκ，并統(tǒng)一至整體測量空間坐標系o-XYZ;
[0008] 步驟四、在全局控制點上布置接收器，接收器接收掃描光信號與同步光信號，已知 控制點在激光跟蹤儀坐標系下的坐標，通過后方交會方法，將移動站快速匹配至室內空間 測量系統(tǒng)；
[0009] 步驟五、將移動站布置在任意地方進行坐標測量。
[0010] 步驟一搭建整體室內空間測量系統(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，構建初步測量場；
[0012] 步驟1-2)使用基準尺，兩端放置接收器，全空間內垂直擺放基準尺若干位置，實 現各個固定發(fā)射站的全局定向；
[0013] 步驟1-3)將所有發(fā)射站定向關系統(tǒng)一，建立整體測量空間坐標系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；
[0016] 步驟3-2)將球形接收器分別放到精密全局控制點上，接收移動站的掃描光平面 信號以及同步標記光信號，得到各個全局控制點在移動站坐標系下的水平角ak和俯仰角 βk，k= 1，2. · ·m;
[0017] 步驟3-3)假設空間中，移動站坐標系0-XAZi，計算出移動站坐標系0-XJA與全 局控制場坐標系〇_ΧκΥκΖκ的旋轉平移矩陣初值，其中兩個坐標系滿足以下關系：
[0019] 步驟3-4)測得水平角ak和俯仰角βk，以及已知的控制點坐標，根據后方交會原 理，使用光束平差優(yōu)化建立目標函數：
[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，求解目標函數，得到移動站與全局控制場的定 向關系，并轉移至整體測量空間坐標系0-ΧΥΖ下，得到移動站與整體測量空間坐標系的定 向關系即移動站與固定站的定向關系；
[0023] 步驟3-6)根據移動站與固定站定向關系，進行最優(yōu)區(qū)域的坐標解算。
【附圖說明】：
[0024] 圖1是移動站測量仿真圖。
【具體實施方式】
[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)域內實現全范圍測量，構建高精度測量場，基于控制點后方交會方法，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、通過激光跟蹤儀標定基準尺長度，多次測量基準尺長度并取平均值作為 基準長度；
[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尺兩端， 全空間內垂直擺放基準尺若干位置，實現各個固定發(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系0-ΧΥΖ;
[0029] 步驟四、結合發(fā)射站測量范圍，在待測區(qū)域附近布置移動站；
[0030] 步驟五、在測量空間內選取至少6個全局控制點，控制點可見為全局最佳，保證 控制點被移動站全部測到，激光跟蹤儀分別測量6個控制點坐標，建立精密全局控制場 〇-XKYKZK，〇-XKYKZK是以全局控制點中任意一點為原點建立的坐標系，并統(tǒng)一至整體測量空 間坐標系0-ΧΥΖ;
[0031] 步驟六、將球形接收器分別放到精密全局控制點上，接收移動站的掃描光平面信 號以及同步標記光信號，得到各個全局控制點在移動站坐標系下的水平角ak和俯仰角 βk,k= 1, 2. . .m；
[0032] 步驟七、假設空間中，移動站坐標系0-XAZi，計算出移動站坐標系0-XAZi與控制 場坐標系o-xKYKzK的旋轉平移矩陣初值，其中兩個坐標系滿足以下關系：
[0034]步驟八、通過水平角ak和俯仰角i3k，，根據光束平差優(yōu)化建立目標函數：
[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，求解目標函數，得到移動站與全局控制場的精確 定向關系，并轉移至整體測量空間坐標系0-ΧΥΖ下，得到移動站與整體測量空間坐標系的 定向關系即移動站與固定站的定向關系；
[0038] 步驟十、將定向關系確定后，進彳丁最優(yōu)區(qū)域的坐標解算；
[0039] 步驟十一、將移動站布置在任意地方進行坐標測量，實現整體測量場的精度補償 與保證。
[0040] 本發(fā)明根據后方交會定向方法，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；同時，解決了在整體測量場 內不同區(qū)域內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