惯导技术辅助的高精度GNSS动态倾斜测量系统及方法技术方案

本发明专利技术提出一种惯导技术辅助的高精度GNSS动态倾斜测量系统及方法，所述系统包括GNSS板卡和惯导模块，所述惯导模块包括处理器、以及分别与所述处理器通信连接的角速度传感器、加速度传感器、PPS脉冲时钟；所述GNSS板卡用于测量观测点的定位信息；所述处理器根据传感器测量值计算得到观测点的位置、姿态、速度信息；建立惯性导航与GNSS定位组合的状态方程，利用卡尔曼滤波估计角速度传感器、加速度传感器的误差并实时的进行误差补偿，得到修正后的姿态角；根据所述观测点的定位信息、修正后的姿态角以及杆长计算出测量点的位置。本发明专利技术提出的系统和方法对测量设备不再要求严格的对中，系统会自动修正坐标值，降低了人为误差，提高测量的效率。

High Precision GNSS Dynamic Tilt Measurement System and Method Assisted by Inertial Navigation Technology

【技术实现步骤摘要】
惯导技术辅助的高精度GNSS动态倾斜测量系统及方法
本专利技术属于卫星导航定位
，具体涉及一种惯导技术辅助的高精度GNSS动态倾斜测量系统及方法。
技术介绍
全球导航卫星系统(GNSS)是能在地球表面或近地空间的任何地点为用户提供全天候的3维坐标和速度以及时间信息的空基无线电导航定位系统。GNSS技术目前已基本取代了地基无线电导航、传统大地测量和天文测量导航定位技术，并推动了大地测量与导航定位领域的全新发展。目前用GNSS做高精度测量时，需要将GNSS设备垂直放置于测量点位置上方，设备均需调整到水平，这就需要对中。由于受到地磁和周边环境的影响，采集的数据存在不稳定性，同时由于校准时需要繁杂的操作步骤，容易导致业务人员校准失败，当需要大量多点测量时，这种方式严重影响测量效率，甚至有的需要倾斜测量的点无法直接测量，只能间接测量，需要辅助手段将间接测量值转换到测量点。这就导致了对测量人员要有一定技术要求，并给测量人员带来大量额外工作，测量人员也容易出现人为误差导致测量精度出现问题甚至错误。
技术实现思路
本专利技术提出一种惯导技术辅助的高精度GNSS动态倾斜测量系统及方法，用于解决现有GNSS测量中需要对中给测量人员带来的不便以及测量效率低下、测量误差大的问题。本专利技术第一方面，提供一种惯导技术辅助的高精度GNSS动态倾斜测量系统，所述系统包括GNSS板卡和惯导模块，所述惯导模块包括处理器、以及分别与所述处理器通信连接的角速度传感器、加速度传感器、PPS脉冲时钟；所述GNSS板卡用于测量观测点的定位信息，并将所述观测点的定位信息发送至所述惯导模块的处理器；所述PPS脉冲时钟将所述角速度传感器、加速度传感和所述GNSS板卡的数据通过脉冲信号校准，实现数据时间上的同步；所述处理器根据角速度传感器测量值、加速度传感器测量值计算得到观测点的位置、姿态、速度信息；建立惯性导航与GNSS定位组合的状态方程，利用卡尔曼滤波估计角速度传感器、加速度传感器的误差并实时的进行误差补偿，得到修正后的姿态角；根据所述观测点的定位信息、修正后的姿态角、所述观测点和测量点之间的直杆长度计算出测量点的位置。可选的，所述计算观测点的姿态信息具体包括：设已知的初始位置向量信息：纬度经度λ，高度h；初始姿态角信息：航向角ψ，俯仰角θ，横滚角φ；初始速度：vn；根据所述初始姿态角信息得到初始姿态矩阵其中Rx，Ry，Rz分别为绕x，y，z轴的单位旋转矩阵；设角速度传感器测量值为加速度传感器测量值为和分别表示载体坐标系相对于惯性坐标系的角增量和速度增量，则载体坐标系相对于导航坐标系的角增量为：其中，为的转置，为地球自转角速率在导航坐标系的投影，为载体运动引起的导航坐标系相对于地球旋转角速度，Δt＝tk+1-tk是时间间隔(tk,tk+1)的增量，k为正整数；由上述公式计算出角增量表示的四元数更新方程：其中，qk为tk时刻的四元数，qk+1为tk+1时刻的四元数；令qk+1＝[q1,q2,q3,q4]T,将tk+1时刻的四元数qk+1转换为tk+1时刻的姿态矩阵将tk+1时刻的姿态矩阵转换成tk+1时刻的姿态角，获得tk+1时刻观测点的姿态信息，即航向角ψk+1，俯仰角θk+1，横滚角φk+1：φk+1＝arctan2(c32,c33)ψk+1＝arctan2(c21,c11)其中cij代表所述姿态矩阵的第(i,j)个元素，i＝1,2,3,j＝1,2,3。可选的，所述计算观测点的速度信息具体为：将加速度传感器测得的载体坐标系下的速度增量转换为导航坐标系下的速度增量则经有害加速度改正后的速度增量为Δvn：其中γn＝(00γ)T，γ为在纬度和大地高度h下的重力；为地球自转角速率在导航系的投影，为载体运动引起的导航系相对于地球旋转角速度，Δt＝tk+1-tk，vn为初始速度向量信息；已知所述观测点初始速度为vn，所述观测点的速度信息更新公式为：：其中为tk时刻的速度，为tk+1时刻的速度，为tk+1时刻速度增量。可选的，所述计算观测点的位置信息具体包括：已知初始的位置矢量为所述观测点的位置信息更新公式为：其中为tk+1时刻的位置矢量，为tk时刻的位置矢量，M为子午圈曲率半径，N为卯酉圈曲率半径，分别为所述观测点在tk时刻、tk+1时刻的速度信息，Δt＝tk+1-tk，根据所述观测点的位置信息更新公式得到观测点的位置信息PINS。可选的，所述惯性导航与GNSS定位组合的状态方程为：其中，误差状态向量Xk-1、Xk分别为tk-1时刻、tk时刻的误差状态向量；所述误差状态向量中，φ为姿态角误差矢量，δvn是速度误差矢量，δp是位置误差矢量，εb角速度传感器测量零漂，为加速度传感器测量零偏；F为tk-1时刻到tk时刻的状态转移矩阵，I为单位矩阵，Hk为tk时刻的观测系数矩阵，Δt＝tk-tk-1；Zk为观测量，PINS为根据角速度传感器测量值、加速度传感器测量值计算得到观测点的位置，PGNSS为GNSS板卡测量到的观测点定位信息，Vk为量测噪声。可选的，所述测量点的位置Pr计算方法为：其中，为为纬度，h为高度，M为子午圈曲率半径，N为卯酉圈曲率半径；PGNSS为GNSS测量到的观测点定位信息，为根据所述卡尔曼滤波估计得到的所述修正后的姿态角转换成的方向余弦阵，δl＝[0,0,-l]，l为观测点与测量点之间的直杆长度。本专利技术第二方面，提出一种惯导技术辅助的高精度GNSS动态倾斜测量方法，所述方法包括：S1、通过GNSS测量观测点定位信息，并进行PPS脉冲时钟校准；S2、通过角速度传感器测量值、加速度传感器测量值计算观测点的位置、姿态、速度信息；S3、建立惯性导航与GNSS定位组合的状态方程，利用卡尔曼滤波估计角速度传感器、加速度传感器的误差并实时的进行误差补偿，得到修正后的姿态角信息；S4、根据所述观测点的定位信息、卡尔曼滤波估计得到的观测点修正后的姿态角信息、所述观测点和测量点之间的直杆长度计算出测量点的位置。可选的，所述步骤S2具体为：S21、计算所述观测点的姿态信息设获取到的观测点的初始定位信息为：初始位置向量信息：纬度经度λ，高度h；初始姿态角信息：航向角ψ，俯仰角θ，横滚角φ；初始速度：vn；根据所述初始姿态角信息得到初始姿态矩阵其中Rx，Ry，Rz分别为绕x，y，z轴的单位旋转矩阵；设角速度传感器测量值为加速度传感器测量值为和分别表示载体坐标系相对于惯性坐标系的角增量和速度增量，则载体坐标系相对于导航坐标系的角增量为：其中，为的转置，为地球自转角速率在导航坐标系的投影，为载体运动引起的导航坐标系相对于地球旋转角速度，Δt＝tk+1-tk是时间间隔(tk,tk+1)的增量，由此计算出旋转角增量表示的四元数更新方程：其中，qk为tk时刻的四元数，qk+1为tk+1时刻的四元数；令qk+1＝[q1,q2,q3,q4]T,将tk+1时刻的四元数qk+1转换为tk+1时刻的姿态矩阵然后将tk+1时刻的姿态矩阵转换成tk+1时刻的姿态角，获得tk+1时刻观测点的姿态信息，即航向角ψk+1，俯仰角θk+1，横滚角φk+1：φk+1＝arctan2(c32,c33)ψk+1＝arctan2(c21,c11)其中cij代表姿态矩阵的第(i，j)个元素，i＝1,2,3本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种惯导技术辅助的高精度GNSS动态倾斜测量系统，其特征在于，所述系统包括GNSS板卡和惯导模块，所述惯导模块包括处理器、以及分别与所述处理器通信连接的角速度传感器、加速度传感器、PPS脉冲时钟；所述GNSS板卡用于测量观测点的定位信息，并将所述观测点的定位信息发送至所述惯导模块的处理器；所述PPS脉冲时钟将所述角速度传感器、加速度传感和所述GNSS板卡的数据通过脉冲信号校准，实现数据时间上的同步；所述处理器根据角速度传感器测量值、加速度传感器测量值计算得到观测点的位置、姿态、速度信息；建立惯性导航与GNSS定位组合的状态方程，利用卡尔曼滤波估计角速度传感器、加速度传感器的误差并实时的进行误差补偿，得到修正后的姿态角；根据所述观测点的定位信息、修正后的姿态角、所述观测点和测量点之间的直杆长度计算出测量点的位置。

【技术特征摘要】
1.一种惯导技术辅助的高精度GNSS动态倾斜测量系统，其特征在于，所述系统包括GNSS板卡和惯导模块，所述惯导模块包括处理器、以及分别与所述处理器通信连接的角速度传感器、加速度传感器、PPS脉冲时钟；所述GNSS板卡用于测量观测点的定位信息，并将所述观测点的定位信息发送至所述惯导模块的处理器；所述PPS脉冲时钟将所述角速度传感器、加速度传感和所述GNSS板卡的数据通过脉冲信号校准，实现数据时间上的同步；所述处理器根据角速度传感器测量值、加速度传感器测量值计算得到观测点的位置、姿态、速度信息；建立惯性导航与GNSS定位组合的状态方程，利用卡尔曼滤波估计角速度传感器、加速度传感器的误差并实时的进行误差补偿，得到修正后的姿态角；根据所述观测点的定位信息、修正后的姿态角、所述观测点和测量点之间的直杆长度计算出测量点的位置。2.根据权利要求1所述惯导技术辅助的高精度GNSS动态倾斜测量系统其特征在于，所述计算观测点的姿态信息具体包括：设已知的初始位置向量信息：纬度经度λ，高度h；初始姿态角信息：航向角ψ，俯仰角θ，横滚角φ；初始速度：vn；根据所述初始姿态角信息得到初始姿态矩阵其中Rx，Ry，Rz分别为绕x，y，z轴的单位旋转矩阵；设角速度传感器测量值为加速度传感器测量值为和分别表示载体坐标系相对于惯性坐标系的角增量和速度增量，则载体坐标系相对于导航坐标系的角增量为：其中，为的转置，为地球自转角速率在导航坐标系的投影，为载体运动引起的导航坐标系相对于地球旋转角速度，Δt＝tk+1-tk是时间间隔(tk,tk+1)的增量，k为正整数；由上述公式计算出角增量表示的四元数更新方程：其中，qk为tk时刻的四元数，qk+1为tk+1时刻的四元数；令qk+1＝[q1,q2,q3,q4]T,将tk+1时刻的四元数qk+1转换为tk+1时刻的姿态矩阵然后将tk+1时刻的姿态矩阵转换成tk+1时刻的姿态角，获得tk+1时刻观测点的姿态信息，即航向角ψk+1，俯仰角θk+1，横滚角φk+1：φk+1＝arctan2(c32,c33)ψk+1＝arctan2(c21,c11)其中cij代表所述姿态矩阵的第(i,j)个元素，i＝1,2,3,j＝1,2,3。3.根据权利要求2所述惯导技术辅助的高精度GNSS动态倾斜测量系统其特征在于，所述计算观测点的速度信息具体为：将加速度传感器测得的载体坐标系下的速度增量转换为导航坐标系下的速度增量则经有害加速度改正后的速度增量为Δvn：其中γn＝(00γ)T，γ为在纬度和大地高度h下的重力；为地球自转角速率在导航系的投影，为载体运动引起的导航系相对于地球旋转角速度，Δt＝tk+1-tk，vn为初始速度向量信息；已知所述观测点初始速度为vn，所述观测点的速度信息更新公式为：：其中为tk时刻的速度，为tk+1时刻的速度，为tk+1时刻速度增量。4.根据权利要求3所述惯导技术辅助的高精度GNSS动态倾斜测量系统其特征在于，所述计算观测点的位置信息具体包括：已知初始的位置矢量为所述观测点的位置信息更新公式为：其中为tk+1时刻的位置矢量，为tk时刻的位置矢量，M为子午圈曲率半径，N为卯酉圈曲率半径，分别为所述观测点在tk时刻、tk+1时刻的速度信息，Δt＝tk+1-tk；根据所述观测点的位置信息更新公式得到观测点的位置信息PINS。5.根据权利要求4所述惯导技术辅助的高精度GNSS动态倾斜测量系统其特征在于，所述惯性导航与GNSS定位组合的状态方程为：其中，误差状态向量X＝[φT(δvn)T(δp)T(εb)T(▽b)T]，Xk-1、Xk分别为tk-1时刻、tk时刻的误差状态向量；所述误差状态向量中，φ为姿态角误差矢量，δvn是速度误差矢量，δp是位置误差矢量，εb角速度传感器测量零漂，▽b为加速度传感器测量零偏；F为tk-1时刻到tk时刻的状态转移矩阵，I为单位矩阵，Hk为tk时刻的观测系数矩阵，Δt＝tk-tk-1；Zk为观测量，PINS为根据角速度传感器测量值、加速度传感器测量值计算得到的观测点位置，PGNSS为GNSS板卡测量到的观测点定位信息，Vk为量测噪声。6.根据权利要求5所述惯导技术辅助的高精度GNSS动态倾斜测量系统其特征在于，所述测量点的位置Pr计算方法为：其中，为为纬度，h为高度，M为子午圈曲率半径，...

【专利技术属性】
技术研发人员：张践，马骏，熊东旭，
申请(专利权)人：武汉苍穹电子仪器有限公司，
类型：发明
国别省市：湖北,42