一种用于光电测距气象改正的方法及系统 |
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| 申请号 | CN201610113744.3 | 申请日 | 2016-02-29 | 公开(公告)号 | CN105652281A | 公开(公告)日 | 2016-06-08 |
| 申请人 | 武汉大学; | 发明人 | 章迪; 郭际明; 梅文胜; 巢佰崇; 李昕; 周吕; 胡纪元; 王高靖; 许毅; 蔡婧; 王威; 赵胤植; | ||||
| 摘要 | 本 发明 提供一种用于光电测距气象改正的方法及系统，设置无人机和相应地面操控模 块 ，地面操控系统和无人机建立无线通讯；所述无人机上搭载设置通讯模块、GNSS模块、 温度 传感器 、气压传感器、 湿度传感器 和存储模块；无人机沿设计航线往返飞行，光电测距仪器在此期间针对目标点进行多次重复测距，在测距同时测定测距 信号 传播路径上的气象元素；求取温度、气压、湿度、距离平均值，实现气象改正。本发明系统结构简单，模块分工明确；方法步骤清晰，方案易于实现。本发明能够精确地测定测距信号传播路径上的气象元素，可以极大地减少 现有技术 中的气象元素代表性误差，从而提高光电测距的 精度 ，为高精度测量提供可靠的保障。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种用于光电测距气象改正的方法，其特征在于：设置无人机和相应地面操控模块，地面操控系统和无人机建立无线通讯；所述无人机上搭载设置通讯模块、GNSS模块、温度传感器、气压传感器、湿度传感器和存储模块； |
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| 说明书全文 | 一种用于光电测距气象改正的方法及系统技术领域[0001] 本发明属于大地测量与工程测量领域，尤其涉及一种用于光电测距气象改正的方法及系统。 背景技术[0002] 当前，光电测距被广泛地运用于大地测量和工程测量领域。所谓光电测距包括电磁波测距、激光测距和红外光测距，典型的仪器包括激光测距仪、全站仪、三维激光扫描仪等。由于光波或电磁波在大气中传播时，会产生速度的改变并造成不可忽略的影响，因此为了得到高精度的测距结果，需要对距离观测值施加气象改正。由于条件的限制，目前最常用的方法是在仪器和目标处同时测定干湿温度和气压等气象元素，然后取两处的平均值代入公式计算气象改正。由于测距信号实际传播路径上的气象元素分布并没有固定的规律，因而这种方法的误差较大，特别是在大气的分布不均匀时，将给测距带来极大的误差。 发明内容[0003] 为解决上述问题，本发明提供了一种精确测定测距信号传播路径上的气象元素并计算光电测距气象改正的方法及系统。 [0004] 本发明技术方案提供一种用于光电测距气象改正的方法，设置无人机和相应地面操控模块，地面操控系统和无人机建立无线通讯；所述无人机上搭载设置通讯模块、GNSS模块、温度传感器、气压传感器、湿度传感器和存储模块； [0005] 执行以下步骤， [0006] 步骤1，获取光电测距仪器和目标点的概略坐标，并求出二者所确定的直线方程，作为无人机飞行的设计航线； [0007] 步骤2，将设计航线输入地面操控模块，设置相关参数，相关参数包括气象元素采样间隔、飞行速度和飞行往返次数； [0008] 步骤3，无人机沿设计航线往返飞行，光电测距仪器在此期间针对目标点进行多次重复测距，在测距同时测定测距信号传播路径上的气象元素； [0009] 测定气象元素的实现方式为，当光电测距仪器开始测距时，在光电测距仪器或目标附近，开启无人机及搭载的通讯模块、GNSS模块、温度传感器、气压传感器、湿度传感器、存储模块，放飞无人机使其按照设计航线飞行，并按采样间隔将所获取的时间、坐标、温度、气压、湿度信息写入存储模块； [0010] 步骤4，根据获取的温度、气压、湿度测量值，求取分别相应的平均值，作为测距信号传播路径上的平均气象元素测量值；将全站仪在无人机飞行期间所测距离求取平均值，剔除粗差，作为待改正距离值D0； [0011] 步骤5，将步骤4所得求取的温度、气压、湿度、距离平均值代入预设的气象改正公式，计算气象改正值ΔD； [0012] 步骤6，将气象改正值ΔD施加于待改正距离值D0，得到改正后的距离值D＝D0+ΔD，完成气象改正。 [0013] 而且，步骤1中，对所述直线方程添加一个偏移值作为设计航线，偏移前后的设计航线保持平行。 [0014] 而且，步骤3中，无人机通过通讯模块，将观测值传送给地面操控系统，供地面观测人员查看并作为备份数据。 [0016] 而且，步骤3中，无人机每隔一段预设距离悬停一段时间，以便温度传感器、气压传感器和湿度传感器适应悬停位置的大气环境。 [0017] 一种用于光电测距气象改正的系统，包括如下部分， [0018] 地面操控模块，用于控制无人机的飞行状态； [0019] 无人机，用于沿测距信号传播路径飞行； [0020] 通讯模块，用于无人机和地面操控模块之间的数据交互； [0021] GNSS模块，用于提供坐标和时间信息，包括天线和接收板卡； [0022] 温度传感器，用于测定当前位置的温度； [0023] 气压传感器，用于测定当前位置的气压； [0024] 湿度传感器，用于测定当前位置的湿度； [0025] 存储模块，用于记录前述的时间、坐标、温度、气压、湿度信息； [0026] 所述地面操控系统和无人机建立无线通讯；所述通讯模块、GNSS模块、温度传感器、气压传感器、湿度传感器和存储模块均搭载于无人机上。 [0027] 而且，设置自动驾驶模块，并搭载于无人机上。 [0028] 而且，所述温度传感器的精度达到0.2℃，所述气压传感器的精度达到0.5hpa，所述湿度传感器的精度达到10％。 [0030] 而且，所述GNSS模块采用差分定位方式，所述差分定位方式为单基站RTK、网络RTK、单基站RTD、网络RTD、广域差分、星载差分、后处理伪距差分或后处理相位差分。 [0031] 本发明提供一种用于光电测距气象改正的方法及系统，系统结构简单，模块分工明确；方法步骤清晰，方案易于实现。本发明能够精确地测定测距信号传播路径上的气象元素，可以极大地减少现有技术中的气象元素代表性误差，从而提高光电测距的精度，为高精度测量提供可靠的保障。附图说明 [0032] 图1为本发明实施例用于光电测距气象改正的系统构成示意图。 [0033] 图2为本发明实施例用于光电测距气象改正的方法流程图。 [0034] 图3为本发明的实施例应用示意图。 具体实施方式[0035] 以下结合附图对本发明技术方案进行说明。 [0036] 本发明的核心思想是利用无人机来测定测距信号传播路径上各点的气象元素，从而消除传统技术方法所带来的气象元素代表性误差。 [0037] 本发明所述测距信号包括电磁波、激光、红外光，所述光电测距仪器是指使用前述测距信号中的至少一种信号来进行测距的仪器，包含但不限于激光测距仪、全站仪、三维激光扫描仪。 [0038] 参见图1，本发明实施例提供一种用于光电测距气象改正的系统，包括： [0039] 地面操控模块12，用于控制无人机的飞行状态；无人机11，用于沿测距信号传播路径飞行；通讯模块13，用于无人机和地面操控模块之间的数据交互；GNSS模块14，进一步包括天线和接收板卡，用于提供坐标和时间信息，天线和接收板卡连接；温度传感器15，用于测定当前位置的温度；气压传感器16，用于测定当前位置的气压；湿度传感器17，用于测定当前位置的湿度；存储模块18，用于记录前述的时间、坐标、温度、气压、湿度信息。所述地面操控系统12和无人机11通过无线电通讯方式进行通讯；所述通讯模块13、GNSS模块14、温度传感器15、气压传感器16、湿度传感器17、存储模块18均搭载于无人机11上。具体实施时，各部分可采用已有产品。由于无人机11体积小、移动灵活、操控方便，并配以GNSS定位，因此可以精确地按照预定的航线飞行。无人机11一般内置有中央处理芯片，通讯模块13、GNSS模块14、温度传感器15、气压传感器16、湿度传感器17、存储模块18分别与中央处理芯片连接，实现数据采集存储等控制。预定航线根据光电测距仪器和目标的概略坐标生成，而光电测距仪器和目标的概略坐标可以事先通过多种已有技术轻易地得到，包括用GNSS方法或光电测距仪器测定(此时对于距离的改正可暂且采用已有技术)，其精度并不需要太高，达到分米甚至米级足矣；所述光电测距仪包括激光测距仪、全站仪、三维激光扫描仪等在近地面采用电磁波、激光、红外光中至少一种信号作为测距信号的仪器。 [0040] 作为优选的，无人机可进一步搭载自动驾驶模块19，以便其可以在与地面操控系统通讯中断、甚至不需要地面操控系统的情况下，仍能按照预定的轨迹和方案飞行。 [0041] 作为优选的，温度传感器15的精度应达到0.2℃，气压传感器的精度应达到0.5hpa，湿度传感器的精度应达到10％，以便确保所测气象元素及由此计算得到的气象改正值的精度。 [0042] 作为优选的，GNSS模块14可进一步采用差分定位方式，所述差分定位方式包括单基站RTK、网络RTK、单基站RTD、网络RTD、广域差分、星载差分、后处理伪距差分、后处理相位差分等，采用差分定位方式进一步提高GNSS定位精度，使航线更加精确地逼近测距信号的传播路径。 [0043] 在本实施例中，无人机采用四旋翼型；GNSS模块14包含GNSS天线和接收板卡，其中GNSS天线固定在无人机上部，接收板卡置于无人机内部，GNSS定位采用网络RTK方法，从而可以实时地得到cm级精度的坐标；无人机搭载的各传感器精度为：温度传感器精度0.1℃，气压传感器精度0.3hPa，湿度传感器精度10％；存储模块内存8G；无人机同时带有自动驾驶模块，将设计航线及相关参数设置好后即可实现自动智能飞行。 [0044] 实现用于光电测距气象改正的方法时，只需设置无人机和相应地面操控模块，地面操控系统和无人机建立无线通讯；所述无人机上搭载设置通讯模块、GNSS模块、温度传感器、气压传感器、湿度传感器和存储模块。参见图2，在实施例中，全站仪21用于测定仪器至目标处22的距离，所述目标点22上架有反射棱镜，反射棱镜和全站仪21均安置在观测墩23上，为减少传统测量方法的气象元素代表性误差，本实施例采用如下步骤： [0045] 步骤1，获取光电测距仪器和目标点的概略坐标，并求出二者所确定的直线方程，作为无人机飞行的设计航线31；所述目标点上可以架设反射棱镜、反射片或直接利用物体自身表面反射测距信号，所述概略坐标的精度在10米左右即可： [0046] 作为优选的，可对步骤1中所述直线方程添加一个偏移值，偏移前后的航线保持平行，其偏移的方向可以在原直线的任意方位，以便无人机飞行时全站仪可以无障碍地测距。 [0047] 实施例中，用网络RTK方法测定全站仪21和目标点22的坐标，精度±2cm；对二者坐标施加一个相同的、垂直向上2m的偏移量，再根据数学方法求出两处坐标所确定的直线方程作为无人机飞行的设计航线。 [0048] 步骤2，将设计航线输入地面操控模块，设置好气象元素采样间隔、飞行速度、飞行往返次数等参数： [0049] 实施例中，将设计航线输入地面操控模块12和自动驾驶模块19，设置各气象传感器15、16、17的采样间隔为5秒，GNSS模块14的GPGGA信息输出(包含坐标和时间信息)间隔为1秒，设置无人机11飞行速度每秒2米、往返各飞行1次。GPGGAG是GPS定位的主要数据，也是使用最广的数据。 [0050] 步骤3，无人机沿设计航线往返飞行，光电测距仪器在此期间针对目标点进行多次重复测距，在测距同时测定测距信号传播路径上的气象元素： [0051] 测距的实现方式为，无人机沿设计航线往返飞行，光电测距仪器在此期间进行多次重复测距，直至无人机飞行结束；所述光电测距仪的单次测距，其耗时通常在1～5秒之间，但反复测量多次可以提高结果的可靠性，当使用全站仪时，还可同步观测水平角、垂直角： [0052] 实施例中，无人机沿设计航线往返飞行，光电测距仪器在此期间进行多次重复测距，每次间隔30秒，直至无人机飞行结束。 [0053] 测定气象元素的实现方式为，当光电测距仪器开始测距时，在光电测距仪器或目标附近，开启无人机动力及其搭载的通讯模块、GNSS模块、温度传感器、气压传感器、湿度传感器、存储模块，放飞无人机使其按照设计航线飞行，并按前述采样间隔将所获取的时间、坐标、温度、气压、湿度信息写入存储模块。 [0054] 作为优选地，无人机通过通讯模块，以预设的时间间隔将观测值传送给地面操控系统，供地面观测人员查看并作为备份数据。 [0055] 作为优选的，无人机设置为隔一段预设距离悬停一段时间，以便前述温度传感器、气压传感器、湿度传感器能更好地适应悬停位置的大气环境，在各悬停点上给出更为准确的气象元素测量值。 [0056] 实施例中，全站仪21测距设置为与无人机11飞行同步进行；当全站仪11开始测距时，在全站仪21附近开启无人机11动力及其搭载的通讯模块13、GNSS模块14、温度传感器15、气压传感器16、湿度传感器17、存储模块18，放飞无人机11使其按照设计航线飞行，所述设计航线将比测距信号传播路径高出约2m，但这个距离对气象元素的测定来说，其代表性误差可忽略，并按前述采样间隔将所获取的时间、坐标、温度、气压、湿度信息写入存储模块 18，同时将所述信息通过通讯系统实时发送至地面操控模块12。 [0057] 步骤4，根据获取的温度、气压、湿度测量值，求取各自的平均值，作为测距信号传播路径上的平均气象元素测量值；将全站仪在无人机飞行期间所测距离求取平均值，剔除粗差，作为待改正距离值D0。具体实施时，粗差剔除可采用现有技术，本发明不予赘述。 [0058] 步骤5，将前述步骤4所得求取的温度、气压、湿度、距离平均值代入预设的气象改正公式，具体实施时可采用光电测距仪器厂商提供的气象改正公式，计算气象改正值ΔD；由于每个仪器厂商、每种仪器的测距信号波长及参考气象元素均有差异，气象改正计算公式各不相同，可查阅仪器产品说明书确认： [0059] 实施例中，将前述求取的温度、气压、湿度平均值代入光电测距仪器厂商提供的气象改正公式，计算气象改正值ΔD，厂家给出的气象改正公式为(单位为ppm)： [0060] [0061] ΔD＝ΔD′·D0·10-6 [0062] 其中，ΔD′为比例系数，p表示大气气压(hPa)，t表示大气温度(℃)，e表示相对湿度(％)，α＝1/273.16。 [0063] 步骤6，将气象改正值ΔD施加于待改正距离值D0，得到改正后的距离值D＝D0+ΔD，完成气象改正。 |
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