基于北斗高精度定位的建筑施工精准控制系统和方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于北斗高精度定位的建筑施工精准控制系统，包括固定站、移动站、中心主机和通信设备；在固定建筑构件上布设3台固定站，在移动建筑构件上安装3台移动站；固定站和移动站分别接收卫星导航信号，获取各自的原始伪距、载波相位观测量，并通过无线通信设备向主机发送；主机完成对固定站、移动站观测量的处理，得到移动站和固定站间高精度相对位置信息。本发明专利技术的有益效果是：1、适应野外环境：北斗系统适应野外施工条件，北斗覆盖区域均可使用；2、重复利用：系统安装便捷，可重复使用；3、定位精度高：满足建筑物精确移动和高精度对准需求；4、实时性好：可以现场实时给出定位结果，无需事后处理，满足快速施工需求。

Precise control system and method of construction based on Beidou high-precision positioning

The invention discloses a construction precision control system based on Beidou high-precision positioning, which comprises a fixed station, a mobile station, a central host computer and a communication device; three fixed stations are arranged on a fixed building component; three mobile stations are installed on a mobile building component; and the fixed station and the mobile station receive satellite navigation signals respectively to obtain the satellite navigation signals. The original pseudo-range and carrier phase measurements are sent to the host by wireless communication equipment, and the host completes the processing of fixed station and mobile station measurements to obtain high-precision relative position information between the mobile station and the fixed station. The beneficial effects of the invention are: 1. adapting to the field environment: the Beidou system adapts to the field construction conditions, and the Beidou coverage area can be used; 2. reusing: the system is easy to install and can be reused; 3. high positioning accuracy: meeting the requirements of accurate building movement and high precision alignment; 4. good real-time: it can be used in the field real-time. The result of positioning is given without post-processing to meet the needs of rapid construction.

【技术实现步骤摘要】
基于北斗高精度定位的建筑施工精准控制系统和方法
本专利技术涉及一种基于北斗高精度定位的建筑施工精准控制系统和方法。
技术介绍
在高架铁路、大型桥梁等建设过程中，为尽量减小施工对其他经济活动的影响，如高度公路、铁路运输等，承建方多采用先在铁路/公路旁边平行施工，在浇块段施工完毕之后，通过墩顶预埋的转体装置完成墩顶转体，将桥梁结构转到原来设计的桥位上。墩顶转体施工保证了跨越铁路/公路的安全性，同时降低了工程难度和造价。墩顶转体施工过程中，需要对建筑物可移动部分进行精确对准。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于北斗高精度定位的建筑施工精准控制系统和方法。本专利技术的目的是通过以下技术方案来实现的：基于北斗高精度定位的建筑施工精准控制系统，包括固定站、移动站、中心主机和通信设备；在固定建筑构件上布设3台固定站，在移动建筑构件上安装3台移动站；固定站和移动站分别接收卫星导航信号，获取各自的原始伪距、载波相位观测量，并通过无线通信设备向主机发送；主机完成对固定站、移动站观测量的处理，得到移动站和固定站间高精度相对位置信息。作为优选方式，它还包括显示器，显示器的显示界面显示移动站和固定站间高精度相对位置信息，用于人员对施工状态的监视。作为优选方式，它还包括显示器，显示器的显示界面显示移动站和固定站间高精度相对位置信息，将高精度位置信息引入建筑机械的控制环路使其完成建筑构件的精确移动。作为优选方式，3台固定站和/或3台移动站之间呈等边三角形布置。作为优选方式，固定站和移动站对天140°视场内无遮挡。基于北斗高精度定位的建筑施工精准控制方法，固定站和移动站分别接收卫星导航信号，获取各自的原始伪距、载波相位观测量，并通过无线通信设备向主机发送，在主机上进行高精度相对定位解算，完成对固定站、移动站观测量的处理，得到移动站和固定站间高精度相对位置信息；在图形界面上显示该位置信息用于人员对施工状态的监视和/或将高精度相对位置信息引入建筑机械的控制环路使其完成建筑构件的精确移动。作为优选方式，定位流程如下：基于北斗的高精度对准系统主要由数据存储单元、固定站数据处理模块、移动站数据处理模块、相对位置输出&显示模块和数据链路组成；固定站与移动站的数据通过数据链路传输到统一的数据中心进行处理。收到的数据首先会存在一个数据存储单元等待处理。当收到当前历元的3个固定站的观测量数据后，会对固定站数据进行高精度解算，并根据所解得的基线向量结果来确定当前历元固定站在空间中的姿态和位置信息；在收到3个移动站的观测量数据后，可以获得当前历元移动站在空间中的姿态和位置信息，同时获得移动站相对固定站的相对位置和相对姿态信息，然后输出及显示移动站和固定站的相对位置和姿态。作为优选方式，包括高精度定位算法：为确定建筑物固定端和移动端的相对位置关系，需要对二者的相对位置和姿态进行测量，为此测量系统需要解算出3个固定站和3个移动站之间的基线向量；将该过程抽象成对多个基线的动基准RTK解算过程，其算法流程如下：Base、Rover双天线单点定位：利用伪距观测量，对基准站与流动站位置进行单点定位求解，得到基准站与流动站的单点定位坐标rb、rr。Kalman滤波求解基线向量与双差模糊度浮点数值：联立伪距与载波相位双差方程，利用扩展卡尔曼滤波对基线向量与模糊度的浮点数解进行估计。在RTK中，状态量由基线向量与整周模糊度站间单差组成，观测量为载波相位与伪距双差观测量k时刻的观测方程为：yk＝h(xk)+rk其中，rk为观测噪声，h(x)表达式如下：若已有k-1时刻滤波后的状态量及其协方差阵Pk-1|k-1，则k时刻的滤波过程如下：状态预测：未发生周跳的整周模糊度站间单差保持上一历元结果，基线向量使用单点定位的结果：协方差阵预测：Pk|k-1＝Pk-1|k-1卡尔曼增益计算：Kk＝Pk|k-1HT(HPk|k-1HT+Rk)-1其中，Rk为观测噪声协方差阵，H为h(x)在处的线性化矩阵，即：其中，其中，ei为流动站单点定位结果指向卫星i方向的单位向量。滤波(修正)：协方差阵更新：Pk|k＝(I-KkH)Pk|k-1作为优选方式，由卡尔曼滤波结果，得到了一个基线向量初步解与双差模糊度的浮点数解(由单差结果转换得到)，以及相应的协方差矩阵：之后将需要对双差模糊度的整数解进行估计，同样采用的是最小二乘准则：其中，在此，我们将使用最小二乘模糊度去相关调整法(Least-squaresAMBiguityDecorrelatedAdjustment，LAMBDA)对整周模糊度进行搜索及固定。作为优选方式，在搜索开始前，对双差模糊度进行去相关操作，使得去相关之后条件方差大小尽可能一致，改善模糊度搜索椭球的形状，使其呈近球形，从而提高搜索效率；去相关方法如下：寻找找到一个变换矩阵Z，使得变换后的协方差阵尽可能接近对角阵。在实数域内，进行去相关操作的方法是对协方差阵进行Cholesky分解，若那么Z＝L0。但是实际上由于整数的要求，变换矩阵Z必须是整数阵，所以完全去相关几乎是不可能的，只能近似去相关。在LAMBDA算法中，近似去相关所用到的方法是整数Gauss变换，可以对Cholesky分解得到的矩阵进行修改得到。进行近似去相关操作后，我们得到了变换矩阵Z以及变换后的浮点数模糊度及其协方差矩阵目标函数改写为：搜索范围确定：由于对整数域的全搜索是低效且不可行，所以需要对搜索域设置一个范围，确定搜索椭球的大小：qz(z)≤χ2对于搜索椭球体积χ2的选取，由双差整周模糊度的目标函数值进行定义：χ2＝qz(zχ)其中，用于计算椭球体积的双差整周模糊度常见的有两种取法，一是采用浮点数模糊度取整后的结果，二是采用Bootstrapping方法求解得到的整周模糊度，而在我们所使用的算法程序中采用的是后者。整周模糊度搜索：在确定了搜索范围后，使用如下的连续约束调整法对整周模糊度进行搜索。假设则可进行如下展开：连续约束调整法通过逐个约束模糊度，确定其边界，最终找到候选的整周模糊度，具体过程如下：如果模糊度从zn到zi+2已经约束好了，那么接下来就需要对zi+1进行约束：当第i+1个模糊度固定后，将继续对zi进行约束：将上式右边展开并整理后可发现如下递推关系：由此，可得zi的搜索范围：第i个模糊度固定后，将继续对zi-1进行约束，依次类推，依次约束模糊度。如果出现约束完某个模糊度后，搜索范围内没有整数，则向上返回一级，调整上一个模糊度固定的值，重新进行约束。同样当某一级范围内所有的整数模糊度都已遍历完毕，同样需要返回上一级；由此找到搜索椭球内的所有整数模糊度；对所有的搜索椭球内的候选整周模糊度，计算得到其目标函数值，目标函数值最小的整周模糊度即为所求结果，假设则可通过如下变换得到原模糊度空间下的双差整周模糊度解：Ratio固定判断：为对LAMBDA搜索结果的有效性进行判断，可计算ratio值：其中，s1、s2分别是最小、第二小目标函数值。当ratio值大于一定阈值(一般设为3)时，判LAMBDA解算成功，结果为固定(Fix)状态，反之，判结果为浮点(Float)状态。作为优选方式，在使用LAMBDA算法求解得到双差整周模糊度后，可对基线向量进行修正，得到基线向量的精确解：本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于北斗高精度定位的建筑施工精准控制系统，其特征在于：包括固定站、移动站、中心主机和通信设备；在固定建筑构件上布设3台固定站，在移动建筑构件上安装3台移动站；固定站和移动站分别接收卫星导航信号，获取各自的原始伪距、载波相位观测量，并通过无线通信设备向主机发送；主机完成对固定站、移动站观测量的处理，得到移动站和固定站间高精度相对位置信息。

【技术特征摘要】
1.基于北斗高精度定位的建筑施工精准控制系统，其特征在于：包括固定站、移动站、中心主机和通信设备；在固定建筑构件上布设3台固定站，在移动建筑构件上安装3台移动站；固定站和移动站分别接收卫星导航信号，获取各自的原始伪距、载波相位观测量，并通过无线通信设备向主机发送；主机完成对固定站、移动站观测量的处理，得到移动站和固定站间高精度相对位置信息。2.根据权利要求1所述的基于北斗高精度定位的建筑施工精准控制系统，其特征在于：它还包括显示器，显示器的显示界面显示移动站和固定站间高精度相对位置信息，用于人员对施工状态的监视。3.根据权利要求1所述的基于北斗高精度定位的建筑施工精准控制系统，其特征在于：它还包括显示器，显示器的显示界面显示移动站和固定站间高精度相对位置信息，将高精度位置信息引入建筑机械的控制环路使其完成建筑构件的精确移动。4.根据权利要求1所述的基于北斗高精度定位的建筑施工精准控制系统，其特征在于：3台固定站和/或3台移动站之间呈等边三角形布置。5.根据权利要求1所述的基于北斗高精度定位的建筑施工精准控制系统，其特征在于：固定站和移动站对天140°视场内无遮挡。6.基于北斗高精度定位的建筑施工精准控制方法，其特征在于：固定站和移动站分别接收卫星导航信号，获取各自的原始伪距、载波相位观测量，并通过无线通信设备向主机发送，在主机上进行高精度相对定位解算，完成对固定站、移动站观测量的处理，得到移动站和固定站间高精度相对位置信息；在图形界面上显示该位置信息用于人员对施工状态的监视和/或将高精度相对位置信息引入建筑机械的控制环路使其完成建筑构件的精确移动。7.根据权利要求6所述的基于北斗高精度定位的建筑施工精准控制方法，其特征在于，定位流程如下：基于北斗的高精度对准系统主要由数据存储单元、固定站数据处理模块、移动站数据处理模块、相对位置输出&显示模块和数据链路组成；固定站与移动站的数据通过数据链路传输到统一的数据中心进行处理；收到的数据首先会存在一个数据存储单元等待处理；当收到当前历元的3个固定站的观测量数据后，会对固定站数据进行高精度解算，并根据所解得的基线向量结果来确定当前历元固定站在空间中的姿态和位置信息；在收到3个移动站的观测量数据后，可以获得当前历元移动站在空间中的姿态和位置信息，同时获得移动站相对固定站的相对位置和相对姿态信息，然后输出及显示移动站和固定站的相对位置和姿态。8.根据权利要求6所述的基于北斗高精度定位的建筑施工精准控制方法，其特征在于，包括高精度定位算法：为确定建筑物固定端和移动端的相对位置关系，需要对二者的相对位置和姿态进行测量，为此测量系统需要解算出3个固定站和3个移动站之间的基线向量；将该过程抽象成对多个基线的动基准RTK解算过程，其算法流程如下：1)Base、Rover双天线单点定位：利用伪距观测量，对基准站与流动站位置进行单点定位求解，得到基准站与流动站的单点定位坐标rb、rr；2)Kalman滤波求解基线向量与双差模糊度浮点数值：联立伪距与载波相位双差方程，利用扩展卡尔曼滤波对基线向量与模糊度的浮点数解进行估计；在RTK中，状态量由基线向...

【专利技术属性】
技术研发人员：邓成宏，高树能，栾兴元，胡学龙，杨琳，杨林益，王勇，张宏伟，何浩然，栾富进，
申请(专利权)人：中铁八局集团昆明铁路建设有限公司，
类型：发明
国别省市：云南,53