黃逸宇

摘要：常規(guī)的高精度測繪定位系統(tǒng)使用TIN（Triangular Integration Network）三角集成網(wǎng)絡(luò)匹配定位測繪信息，易受地形地貌影響，導(dǎo)致測繪定位軌跡偏差較高，因此需要基于北斗導(dǎo)航設(shè)計(jì)一種全新的高精度測繪定位系統(tǒng)。硬件部分設(shè)計(jì)了ADIS16488慣性傳感器、霍爾傳感器，以及winbond存儲芯片存儲芯片，軟件部分根據(jù)觀測基準(zhǔn)，基于北斗導(dǎo)航固定了測繪模糊度參數(shù)，設(shè)計(jì)了高精度測繪功能模塊，從而完成了高精度測繪定位。系統(tǒng)測試結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的高精度北斗導(dǎo)航測繪定位系統(tǒng)的定位軌跡偏差較小，證明設(shè)計(jì)的測繪定位系統(tǒng)的性能良好，有一定的應(yīng)用價(jià)值，為后續(xù)的復(fù)雜地形地質(zhì)勘探作出了一定的貢獻(xiàn)。

關(guān)鍵詞：北斗導(dǎo)航；高精度；測繪；定位；設(shè)計(jì)

一、前言

測繪指的是測量或勘察某地區(qū)的地形、地質(zhì)條件，并繪制相應(yīng)的工程圖像[1]。近幾年，我國的工程建設(shè)、礦產(chǎn)資源開采等領(lǐng)域均廣泛地應(yīng)用到了測繪技術(shù)。在測繪的過程中[2]，需要利用遙感等技術(shù)獲取地面中的測繪特征點(diǎn)，繪制特征點(diǎn)位置信息，進(jìn)行有效定位，為后續(xù)的礦產(chǎn)資源開采、工程建設(shè)作參考[3]。測繪圖像中表達(dá)的信息較豐富，包括地表特點(diǎn)，地理要素、空間屬性等，使用的儀器種類也較多[4]，即三維激光掃描儀、全站儀、GPS接收機(jī)等。研究表明，在某些地形較復(fù)雜的區(qū)域，使用常規(guī)的測繪技術(shù)無法全面采集測繪定位信息，針對該問題，需要設(shè)計(jì)一種有效的高精度測繪定位系統(tǒng)。

事實(shí)上，在測繪過程中，受外界環(huán)境影響，極易出現(xiàn)測繪誤差，必須要對采集到的測繪定位數(shù)據(jù)進(jìn)行校準(zhǔn)，才能獲取準(zhǔn)確的測繪信息。相關(guān)研究人員針對測繪定位的特點(diǎn)提出了幾種常規(guī)的高精度測繪系統(tǒng)，第一種為基于數(shù)字化制圖技術(shù)的高精度測繪定位系統(tǒng)，其主要利用GPS獲取測繪信號，構(gòu)建有效的三維測繪模型完成高精度測繪定位；第二種為智能高精度測繪定位系統(tǒng)，其主要利用PIG測量裝置采集測繪數(shù)據(jù)，再使用制定的智能軟件進(jìn)行測繪校準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)測繪定位。但上述兩種高精度測繪定位系統(tǒng)均需要使用三角集成網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行測繪定位匹配，極易受復(fù)雜環(huán)境的影響，導(dǎo)致定位軌跡偏差過高，不滿足目前的高精度測繪定位需求，因此本文基于北斗導(dǎo)航，設(shè)計(jì)了一種全新的高精度測繪定位系統(tǒng)。

二、硬件設(shè)計(jì)

（一）ADIS16488慣性傳感器

為了滿足系統(tǒng)的高精度定位測繪需求，需要在系統(tǒng)中設(shè)置一個有效的慣性定位裝置，提高系統(tǒng)的動態(tài)定位性能，因此，本文選取ADIS16488慣性傳感器作為系統(tǒng)的核心傳感器。該傳感器由加速度中心、壓力傳感中心等若干個模塊組成，可以根據(jù)測繪地形條件進(jìn)行動態(tài)校準(zhǔn)，降低系統(tǒng)的測繪耗時，提高系統(tǒng)的測繪性能，為了使其滿足系統(tǒng)的運(yùn)行需求，本文設(shè)計(jì)了有效的ADIS16488慣性傳感器參數(shù)，如下表1所示。

由表1可知，ADIS16488慣性傳感器的測量精度較高，量程范圍較廣，在復(fù)雜的地形下仍能有效地獲取運(yùn)動載體的測繪定位信息，除此之外，其還能快速啟動，滿足本文設(shè)計(jì)的高精度測繪定位系統(tǒng)需求。

（二）霍爾傳感器

在測繪過程中，地勢等因素經(jīng)常會造成較大的測繪波段，影響實(shí)際測試結(jié)果，為了有效地獲取測繪位移，需要將霍爾傳感器置于設(shè)計(jì)的系統(tǒng)內(nèi)，僅根據(jù)傳感器內(nèi)部的電壓變化可以快速判斷測繪位移。

在霍爾效應(yīng)下，快速變化的磁場會產(chǎn)生較大的電磁波動，從而形成電勢差，此時可以將霍爾傳感器看成一種集成電路，即輸出電壓與外部磁場強(qiáng)度呈線性關(guān)系。常見的霍爾傳感器包括開關(guān)型、鎖鍵型，其中開關(guān)型主要使用BOP、BRP感應(yīng)磁感強(qiáng)度，獲取相關(guān)的信息，而鎖鍵型則需要結(jié)合電平鎖存狀態(tài)獲取BRP反向磁感強(qiáng)度。針對上述特點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)選取開關(guān)型霍爾傳感器作為系統(tǒng)的核心傳感器。

（三）winbond存儲芯片

在高精度測繪定位的過程中，會生成大量的測繪定位數(shù)據(jù)，若這部分?jǐn)?shù)據(jù)未能有效地存儲，會造成測繪定位系統(tǒng)卡頓，影響測繪系統(tǒng)的綜合性能，針對該問題，本文選取了winbond芯片作為系統(tǒng)的存儲芯片，該存儲芯片的參數(shù)如下表2所示。

由表2可知，winbond存儲芯片的存儲性能良好，能快速處理來自測繪采集中心的測繪數(shù)據(jù)，除此之外，該存儲芯片能定期有效地存儲各種類型的測繪數(shù)據(jù)，避免系統(tǒng)卡頓，有效地提高了高精度測繪定位系統(tǒng)的使用性能。

三、軟件設(shè)計(jì)

（一）基于北斗導(dǎo)航固定測繪模糊度參數(shù)

為了解決三角集成網(wǎng)絡(luò)在匹配測繪定位信息時出現(xiàn)的測繪定位軌跡偏差問題，提高測繪精度，本文基于北斗導(dǎo)航固定了測繪模糊度參數(shù)，北斗導(dǎo)航主要由空間星座、終端、運(yùn)控系統(tǒng)組成，因此本文利用北斗導(dǎo)航采集了定位測繪信息，通過接收機(jī)確定載波相位，有效地固定測繪模糊度參數(shù)。首先需要結(jié)合北斗導(dǎo)航采集的信息確定模糊度參數(shù)影響因素，其一是接收機(jī)端出現(xiàn)的相位偏差，其二是接收機(jī)信號出現(xiàn)的相位延遲，結(jié)合上述影響因素可以得到有效的模糊度表達(dá)式B，如下（1）所示。

公式（1）中，代表初始模糊度，代表接收端偏差，代表衛(wèi)星端偏差。此時可以假設(shè)模糊度參數(shù)為定值，對鐘差參數(shù)的相位進(jìn)行估計(jì)，得出的組合模糊度參數(shù)如下（2）所示。

公式（2）中，代表寬巷模糊度，代表波長。結(jié)合上述公式可以生成有效的模糊度參數(shù)固定算法，即首先處理來自北斗導(dǎo)航的數(shù)據(jù)，獲取數(shù)據(jù)的單差寬巷模糊度及無電離層組合模糊度，輸出FCBS，從而得到模糊度固定解，此時得到的測繪模糊度參數(shù)如下（3）所示。

公式（3）中，代表模糊度相關(guān)性，代表模糊度選項(xiàng)，代表固定平滑參數(shù)。此時經(jīng)過固定的模糊度參數(shù)存在最優(yōu)解，可以根據(jù)各個歷元的平均值對其進(jìn)行均方差求解，最終得到的參數(shù)固定值如下（4）所示。

公式（4）中，代表最接近的固定整數(shù)，代表FCB寬巷，K代表固定方差，結(jié)合上述均方差求解式可以快速固定測繪模糊度參數(shù)，有效地進(jìn)行測繪定位匹配，最大程度上提高測繪精度。

（二）設(shè)計(jì)高精度測繪功能模塊

結(jié)合上文的模糊度參數(shù)固定效果可以設(shè)計(jì)系統(tǒng)內(nèi)部的有效功能模塊。第一部分首先設(shè)計(jì)系統(tǒng)的登錄模塊，該模塊可以填寫用戶的個人信息，進(jìn)行安全校驗(yàn)，若出現(xiàn)了非法字符，需要再次驗(yàn)證，重新進(jìn)行注冊。當(dāng)用戶填寫個人信息后，該模塊可以立即進(jìn)行本地校驗(yàn)，確認(rèn)用戶名與密碼是否正確，并作出相應(yīng)的登錄反饋。第二部分是藍(lán)牙傳輸模塊，該模塊是高精度測繪系統(tǒng)的核心模塊，其可以傳輸測繪到的信息，該模塊的運(yùn)行流程圖如下圖2所示。

由圖1可知，應(yīng)用該模塊可以快速進(jìn)行測繪信息共享，建立有效連接提高系統(tǒng)的測繪數(shù)據(jù)傳輸性能。

第三部分是自定義繪圖模塊，用戶可以通過該模塊拍照獲取測繪信息，進(jìn)入自定義測繪界面，在該界面設(shè)置了有效的線性布局，包括二維坐標(biāo)、Image View控件等。用戶可以根據(jù)自身的使用需求選取相應(yīng)的工具進(jìn)行測繪。為了降低測繪難度，該模塊還設(shè)置了各種快捷鍵，幫助用戶快速進(jìn)行測繪、一鍵刪除等。

第四部分是圖片標(biāo)記模塊，該模塊可以從相冊中獲取測繪圖片，調(diào)整測繪系統(tǒng)的控件位置。主要包括兩個執(zhí)行步驟，即拍照、獲取圖片，為了提高系統(tǒng)的綜合性能，該模塊還設(shè)置了有效的圖片存儲路徑，方便用戶進(jìn)行自定義測繪。第五部分是數(shù)據(jù)清單模塊，該模塊主要使用Image View控件調(diào)整數(shù)據(jù)清單。除此之外，在該模塊內(nèi)部還設(shè)置了Viewpager+Fragment，便于處理各種格式的測繪數(shù)據(jù)，提高用戶的體驗(yàn)感。在進(jìn)入數(shù)據(jù)清單界面后，可以通過左右滑動查找所需的數(shù)據(jù)，快速獲取高精度測繪結(jié)果。上述模塊相互協(xié)作，全面提高了系統(tǒng)的綜合性能。

四、系統(tǒng)測試

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的高精度測繪定位系統(tǒng)的測繪定位效果，本文搭建了系統(tǒng)測試平臺，將其與文獻(xiàn)[1]、文獻(xiàn)[2]兩種高精度測繪定位系統(tǒng)對比，進(jìn)行系統(tǒng)測試，如下。

（一）測試準(zhǔn)備

針對系統(tǒng)測試需求，本文利用GNSS進(jìn)行單點(diǎn)開發(fā)，設(shè)計(jì)了有效的系統(tǒng)測試平臺，測試平臺內(nèi)部設(shè)置了多個開源軟件包，能使用PPP處理測繪數(shù)據(jù)，除此之外，該測試平臺使用Visual Studio作為開發(fā)工具，生成了多個測試模塊，該測試平臺可以快速處理獲取的測繪定位數(shù)據(jù)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)解析，進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，使數(shù)據(jù)均滿足系統(tǒng)測試的格式需求。在測繪數(shù)據(jù)處理的過程中，易受到數(shù)據(jù)流影響，出現(xiàn)較高的測繪定位誤差，針對該問題，本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)測試平臺設(shè)置了Kalman濾波器進(jìn)行了誤差修正，從而輸出有效的測試結(jié)果，系統(tǒng)測試處理流程如下圖3所示。

由圖2可知，經(jīng)上述步驟處理后的測繪數(shù)據(jù)格式統(tǒng)一，符合后續(xù)的系統(tǒng)測試需求。

（二）測試結(jié)果與討論

結(jié)合上述的測試準(zhǔn)備，在搭建的測試平臺中可以進(jìn)行高精度測繪定位系統(tǒng)測試，即分別使用本文設(shè)計(jì)的基于北斗導(dǎo)航的高精度測繪定位系統(tǒng)，文獻(xiàn)[1]的基于數(shù)字化制圖技術(shù)的高精度測繪定位系統(tǒng)，以及文獻(xiàn)[2]的智能高精度測繪定位系統(tǒng)對選取區(qū)域的東向、北向進(jìn)行測繪，將三種方法的測繪定位軌跡與標(biāo)準(zhǔn)的測繪定位軌跡對比。

本文設(shè)計(jì)的基于北斗導(dǎo)航的高精度測繪定位系統(tǒng)對選取地區(qū)的東向、北向測繪測繪時，生成的測繪定位軌跡與標(biāo)準(zhǔn)測繪定位軌跡相擬合，文獻(xiàn)[1]的基于數(shù)字化制圖技術(shù)的高精度測繪定位系統(tǒng)及文獻(xiàn)[2]的智能高精度測繪定位系統(tǒng)對選取地區(qū)的東向、北向測繪測繪時，生成的測繪定位軌跡與標(biāo)準(zhǔn)測繪定位軌跡偏差較大。證明本文設(shè)計(jì)的測繪定位系統(tǒng)的測繪定位效果較好，測繪定位偏差較小，滿足高精度測繪需求，有一定的應(yīng)用價(jià)值。

五、結(jié)語

綜上所述，近幾年，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，我國的測繪技術(shù)也越來越完善，在工程建設(shè)與礦山開采中均得到了廣泛的應(yīng)用，在此背景下，各種各樣的測繪定位系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。受特殊地形的影響，常規(guī)的高精度測繪定位系統(tǒng)在某些復(fù)雜地形生成的測繪定位曲線與標(biāo)準(zhǔn)曲線的偏差較高，不符合目前的高精度測繪需求，因此本文基于北斗導(dǎo)航設(shè)計(jì)了一種新型高精度測繪定位系統(tǒng)。系統(tǒng)測試結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的高精度測繪定位系統(tǒng)的定位精度較高，定位效果較好，有一定的應(yīng)用價(jià)值，可以作為后續(xù)各個礦山開采及地質(zhì)勘察的參考。H

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