《室內空間測量定位系統的精密控制場精度溯源方法》是天津大學於2013年11月20日申請的發明專利，該專利申請號為2013105900168，公布號為CN103591891A，公布日為2014年2月19日，發明人是邾繼貴、林嘉睿、任永傑、楊凌輝、任瑜。
《室內空間測量定位系統的精密控制場精度溯源方法》公開了一種室內空間測量定位系統的精密控制場精度溯源方法，包括在測量空間內布設有多個移動鳥巢和多個站位；利用目標反射鏡和移動鳥巢上組成全局控制點；雷射跟蹤儀在所有站位下測量所有全局控制點的三維坐標；利用雷射跟蹤儀的測距值作為約束，採用動態加權，解算全局控制點的三維坐標；布置多個發射站，結合精密控制場完成發射站定向過程；利用室內空間測量定位系統同時測量全局控制點和被測點，以全局控制點的三維坐標作為約束，解算被測點的三維坐標。該發明利用雷射跟蹤儀高精度測距作為約束，獲取全局控制點更為精確的三維坐標，構建精密控制場，作為wMPS系統的測量基準，實現現場精度溯源，進而提高wMPS系統的測量精度。
2021年6月24日，《室內空間測量定位系統的精密控制場精度溯源方法》獲得第二十二屆中國專利優秀獎。
（概述圖為《室內空間測量定位系統的精密控制場精度溯源方法》摘要附圖）
基本介紹
- 中文名：室內空間測量定位系統的精密控制場精度溯源方法
- 申請人：天津大學
- 發明人：邾繼貴、林嘉睿、任永傑、楊凌輝、任瑜
- 申請號：2013105900168
- 申請日：2013年11月20日
- 公布號：CN103591891A
- 公布日：2014年2月19日
- 地址：天津市南開區衛津路92號
- 代理機構：天津市北洋有限責任專利代理事務所
- 代理人：李麗萍
- Int. Cl.：G01B11/00、G01B11/03
- 類別：發明專利
專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,改善效果,附圖說明,技術領域,權利要求,實施方式,專利榮譽,
專利背景
室內空間測量定位系統（wMPS：Workspace Measurement Positioning system）是針對航天、航空、造船等大型製造業測量需求，基於空間角度交會特點發展起來的一種新型的多站分散式空間測量定位系統，可實現大尺度空間坐標的網路化高精度自動測量。圖1為2013年11月前已有技術的室內空間測量定位系統（即《掃描平面雷射空間定位系統測量網路的構建》所描述的空間測量定位系統）組成示意圖。如圖1所示，這種wMPS定位系統主要由多個發射站101、多個接收器102和解算工作站103組成。此類系統借鑑全球定位系統的思想，使用多個發射站101組成測量網路，採用基於光電掃描的空間角度交會自動測量方法對單個接收器102進行定位，發射站101在工作時不負責解算接收器坐標，而是通過向外發射帶有角度信息的光信號，為測量空間內的光電接收器提供定位服務。
由於wMPS定位系統採用空間角度交會進行三維坐標測量，測量誤差隨測量距離增加而顯著增大，需要通過測量現場精度溯源來保證測量的可靠性。傳統的現場精度溯源多採用標準件作為測量基準，攜帶維護不方便，測量靈活性不高，難以適應工業大尺寸現場的測量範圍大，環境惡劣等特點。2013年11月前，在大尺度空間內尚沒有可靠的溯源基準。因此，研究空間測量定位系統的精密控制場精度溯源方法對提高室內空間測量定位系統的測量精度，實現現場測量的精度溯源具有重要價值。
發明內容
專利目的
《室內空間測量定位系統的精密控制場精度溯源方法》的目的是為了彌補wMPS系統因測量距離增大導致的精度損失，以及工業現場大尺寸測量難以使用標準件實現精度溯源的不足，充分利用雷射跟蹤儀干涉測距可直接溯源至雷射波長的特點，該發明提供一種室內空間測量定位系統的精密控制場精度溯源方法。該發明利用雷射跟蹤儀高精度測距作為約束，獲取全局控制點更為精確的三維坐標，構建精密控制場，作為wMPS系統的測量基準，實現現場測量的精度溯源，進而提高wMPS系統的測量精度。
技術方案
《室內空間測量定位系統的精密控制場精度溯源方法》包括以下步驟：
步驟一、在測量空間內布設有N個移動鳥巢和M個站位，將雷射跟蹤儀放置在站位1，
步驟二、將一目標反射鏡放在移動鳥巢1上形成全局控制點1，測量該全局控制點1的三維坐標，以此類推，移動所述目標反射鏡到移動鳥巢2、移動鳥巢3、……、移動鳥巢N-1、移動鳥巢N，測量所有全局控制點2、全局控制點3、……、全局控制點N-1和全局控制點N的三維坐標；
步驟三、將雷射跟蹤儀依次放置在站位2、站位3、……、站位M-1和站位M，每次移動雷射跟蹤儀後重複步驟二，至此，完成所有站位對所有全局控制點的共同觀測；上述步驟二和步驟三中，雷射跟蹤儀在每個站位至少測量到3個以上的全局控制點；
步驟四、根據所有站位下、所有全局控制點的三維坐標計算所有站位的方位定向，從而獲得所有全局控制點和所有站位三維坐標疊代初值；
步驟五、利用所述雷射跟蹤儀測得的站位與全局控制點的距離值作為約束建立最佳化目標方程，進行平差解算，其中採用動態加權的方法，將所述全局控制點的三維坐標測量精度溯源至雷射跟蹤儀干涉測距精度，從而建立精密控制場；
步驟六、在測量空間內布置多個發射站，待發射站初始化後，結合精密控制場完成發射站定向過程，快速組成測量網路；
步驟七、利用室內空間測量定位系統同時測量全局控制點和被測點，以全局控制點的三維坐標作為約束，進行平差解算，求得被測點的三維坐標，將被測點的三維坐標測量精度溯源至精密控制場。
改善效果
《室內空間測量定位系統的精密控制場精度溯源方法》根據雷射跟蹤儀干涉測距可直接溯源至雷射波長的特點，利用跟蹤儀高精度測距作為約束，獲取現場工裝型架上全局控制點更為精確的三維坐標，構建精密控制場，並將其作為工業現場高精度測量基準，室內空間測量定位系統同時測量全局控制點和被測點，並利用高精度平差解算，將全局控制點的精度復現到被測點上，實現現場測量的精度溯源，提高了室內空間測量定位系統的測量精度。
附圖說明
圖1是2013年11月前已有技術室內空間測量定位系統（wMPS）組成示意圖；
圖2是《室內空間測量定位系統的精密控制場精度溯源方法》中全局控制點三維坐標在多個站位下的測量過程示意圖；
圖3是將被測點精度溯源至精密控制場示意圖；
圖4是與1.5英寸目標反射鏡大小形狀一致的接收器104的示意圖；
圖5是雷射跟蹤儀201球坐標測量系統數學模型示意圖。
技術領域
《室內空間測量定位系統的精密控制場精度溯源方法》屬於工業現場大尺寸三維坐標測量方法，特別涉及一種室內空間測量定位系統的精密控制場精度溯源方法。
權利要求
1.一種室內空間測量定位系統的精密控制場精度溯源方法，包括以下步驟：
步驟一、在測量空間內布設有N個移動鳥巢和M個站位，將雷射跟蹤儀（201）放置在站位1；
步驟二、將一目標反射鏡（202）放在移動鳥巢1上形成全局控制點1，測量該全局控制點1的三維坐標，以此類推，移動所述目標反射鏡（202）到移動鳥巢2、移動鳥巢3、……、移動鳥巢N-1、移動鳥巢N，測量所有全局控制點2、全局控制點3、……、全局控制點N-1和全局控制點N的三維坐標；
步驟三、將雷射跟蹤儀（201）依次放置在站位2、站位3、……、站位M-1和站位M，每次移動雷射跟蹤儀（201）後重複步驟二，至此，完成所有站位對所有全局控制點的共同觀測；上述步驟二和步驟三中，雷射跟蹤儀（201）在每個站位至少測量到3個以上的全局控制點；
步驟四、根據所有站位下、所有全局控制點的三維坐標計算所有站位的方位定向，從而獲得所有全局控制點和所有站位三維坐標疊代初值；
步驟五、利用所述雷射跟蹤儀（201）測得的站位與全局控制點的距離值作為約束建立最佳化目標方程，進行平差解算，其中採用動態加權的方法，將所述全局控制點的三維坐標測量精度溯源至雷射跟蹤儀（201）干涉測距精度，從而建立精密控制場；具體步驟包括：
步驟5-1）根據各站位坐標系下全局控制點的三維坐標計算雷射跟蹤儀的干涉測距值
，其中
表示第個站位，
，
表示第個全局控制點，
；
步驟5-2）以站位1的坐標係為全局坐標系，完成各站位的方向定向，求得全局控制點和雷射跟蹤儀所在站位在全局坐標系下的三維坐標，分別為
和
，作為最佳化過程的初值；
步驟5-2）在全局坐標系下，建立冗餘測距方程，表示為：
式（1）中，
為測距值，對式（1）在、處按泰勒一階展開，得：
式（2）中，
和
分別為全局控制點和雷射跟蹤儀站位的三維坐標的最佳化改正值，利用式（2）建立如下誤差方程：
對於M個雷射跟蹤儀站位，N個全局控制點，冗餘誤差方程組用下式表示：
式（4）中，矩陣A是由式（1）的泰勒展開的一階求導項所組成的大型稀疏矩陣，ΔX＝[ΔX1，ΔY1，ΔZ1，ΔX2，ΔY2，ΔZ2，...，ΔXM，ΔYM，ΔZM，Δx1，Δy1，Δz1，Δx2，Δy2，Δz2，...，ΔxN，ΔyN，ΔzN]，
；
步驟5-3）根據雷射跟蹤儀的測距精度
對向量V進行加權，並用下式表示：
步驟5-4）根據雷射跟蹤儀的測距及測角精度對向量
進行初始加權，並根據定向精度對向量
進行初始加權，由此得到向量
的初始權矩陣
；
步驟5-5）當全局控制點個數N和雷射跟蹤儀測量站位數M滿足
時，建立最佳化目標方程表示為下式：
採用奇異值分解計算廣義逆矩陣的方法，進行疊代解算；
在每一次疊代中，計算向量
和協方差矩陣
，其中，k表示疊代次數；根據對進行修正，實現動態加權；
疊代至滿足終止條件，得到全局控制點的三維坐標值，完成精密控制場的建立；
步驟六、在測量空間內布置多個發射站（101），待發射站初始化後，結合精密控制場完成發射站定向過程，快速組成測量網路；
步驟七、利用室內空間測量定位系統同時測量全局控制點和被測點，以全局控制點的三維坐標作為約束，進行平差解算，求得被測點的三維坐標，將被測點的三維坐標測量精度溯源至精密控制場。
2.根據權利要求1所述室內空間測量定位系統的精密控制場精度溯源方法，其中，所述目標反射鏡（202）為1.5英寸目標反射鏡，步驟六中，結合精密控制場完成發射站定向過程包括以下步驟：
步驟6-1）使用與1.5英寸目標反射鏡大小形狀一致的接收器（104）替換全局控制點的目標反射鏡（202），替換過程中保證移動鳥巢（203）的位置不發生移動，以確保全局控制點的三維坐標不發生變化；
步驟6-2）在測量空間內布置好發射站（101），每兩個發射站間至少有四個全局控制點可同時接收到兩個發射站（101）的信號；
步驟6-3）待所有發射站（101）轉速平穩後，在測量空間多個位置擺放標準桿，利用標準桿和全局控制點實現室內空間測量定位系統的定向過程，從而組成測量網路。
3.根據權利要求1所述室內空間測量定位系統的精密控制場精度溯源方法，其中，步驟七中，結合精密控制場完成發射站定向過程包括以下步驟：
步驟7-1）保持所有全局控制點處的接收器（104）和所有發射站（101）不發生移動；
步驟7-2）在測量空間內的被測點處放置好接收器（104），每個接收器（104）至少可同時接收到兩個發射站（101）的信號；
步驟7-3）利用發射站（101）組成的測量網路同時測量全局控制點和被測點，以全局控制點的三維坐標作為約束，進行平差解算，求得被測點的三維坐標，將被測點的三維坐標測量精度溯源至精密控制場。
實施方式
《室內空間測量定位系統的精密控制場精度溯源方法》是基於《掃描平面雷射空間定位系統測量網路的構建》所述的室內空間測量定位系統（即所述的2013年11月前已有技術中的WMPS系統），並結合精密控制場實現測量現場精度溯源。wMPS系統組成如圖1所示，採用基於光電掃描的空間角度自動測量方法對單個光電接收器（簡稱接收器）進行定位，發射站在工作時不負責解算接收器坐標，而是通過向外發射帶有角度信息的光信號，為測量空間內的光電接收器提供定位服務。系統內每個接收器收到發射站光信號後自動計算自身在各個發射站坐標系的下的角度信息，並結合已知的發射站方位信息使用角度交會方法計算自身三維坐標。
如圖2所示，為了提高室內空間測量定位系統的測量精度，實現現場測量的精度溯源，該發明一種室內空間測量定位系統的精密控制場精度溯源方法，包括以下步驟：以飛機大部件對接為例：
步驟一、在對接機身的裝配型架上布設N個移動鳥巢，在對接大部件周圍布設M個站位，將雷射跟蹤儀201放置在站位1，
步驟二、將一目標反射鏡202（該發明中目標反射鏡202為1.5英寸目標反射鏡）放在移動鳥巢1上形成全局控制點1，利用雷射跟蹤儀201測量該全局控制點1的三維坐標，以此類推，移動所述目標反射鏡202到移動鳥巢2、移動鳥巢3、……、移動鳥巢N-1、移動鳥巢N，測量所有全局控制點2、全局控制點3、……、全局控制點N-1和全局控制點N的三維坐標；
步驟三、將雷射跟蹤儀201依次放置在站位2、站位3、……、站位M-1和站位M，每次移動雷射跟蹤儀201後重複步驟二，至此，完成所有站位對所有全局控制點的共同觀測；上述步驟二和步驟三中，雷射跟蹤儀201在每個站位至少測量到3個以上的全局控制點；
步驟四、根據所有站位下、所有全局控制點的三維坐標計算所有站位的方位定向，從而獲得所有全局控制點和所有站位三維坐標疊代初值；
步驟五、利用所述雷射跟蹤儀201測得的站位與全局控制點的距離值作為約束建立最佳化目標方程，進行平差解算，其中採用動態加權的方法，將所述全局控制點的三維坐標測量精度溯源至雷射跟蹤儀201干涉測距精度，從而建立精密控制場；其過程如下：
步驟5-1）雷射跟蹤儀201是球坐標測量系統，其數學模型如圖5所示，其干涉測距值可表示為：
利用式（1）根據各站位坐標系下全局控制點的三維坐標計算全局控制點在各站位坐標系下的干涉測距值，作為最佳化過程的測量值，其中表示第個站位，，表示第個全局控制點，；
步驟5-2）以站位1的坐標係為全局坐標系，完成各站位的方向定向，求得全局控制點和雷射跟蹤儀所在站位在全局坐標系下的三維坐標，分別為和，作為最佳化過程的初值；
步驟5-2）在全局坐標系下，建立冗餘測距方程，表示為：
式（2）中，lij為測距值，對式（1）在、處按泰勒一階展開，得：
式（3）中，和分別為全局控制點和跟蹤儀站位的三維坐標的最佳化改正值，利用式（3）建立如下誤差方程：
對於M個雷射跟蹤儀站位，N個全局控制點，冗餘誤差方程組用下式表示：
式（5）中，矩陣A是由式（2）的泰勒展開的一階求導項所組成的大型稀疏矩陣，ΔX=[ΔX1，ΔY1，ΔZ1，ΔX2，ΔY2，ΔZ2，...，ΔXM，ΔYM，ΔZM，Δx1，Δy1，Δz1，Δx2，Δy2，Δz2，...，ΔxN，ΔyN，ΔzN]；；
步驟5-3）根據雷射跟蹤儀的測距精度對向量V進行加權，並用下式表示：
步驟5-4）根據雷射跟蹤儀的測距及測角精度對向量進行初始加權，並根據定向精度對向量進行初始加權，由此得到向量的初始權矩陣；
步驟5-5）當全局控制點個數N和雷射跟蹤儀測量站位數M滿足時，建立最佳化目標方程表示為下式：
由於矩陣A是病態矩陣，矩陣條件數極大，平差解算時較小的誤差就會引起解的失真，因此採用奇異值分解計算廣義逆矩陣的方法，進行疊代解算。
在每一次疊代中，計算向量和協方差矩陣，其中，k表示疊代次數；根據對進行修正，實現動態加權；
疊代至滿足終止條件，得到全局控制點的三維坐標值，完成精密控制場的建立。
步驟六、在對接大部件周圍布置多個發射站101，待發射站初始化後，結合精密控制場完成發射站定向過程，快速組成測量網路，其步驟如下：
步驟6-1）使用與1.5英寸目標反射鏡大小形狀一致的接收器104（如圖4所示）替換全局控制點的目標反射鏡202，替換過程中保證移動鳥巢203的位置不發生移動，以確保全局控制點的三維坐標不發生變化；
步驟6-2）在測量空間內布置好發射站101，每兩個發射站間至少有四個全局控制點可同時接收到兩個發射站101的信號；
步驟6-3）待所有發射站101轉速平穩後，在測量空間多個位置擺放標準桿，利用標準桿和全局控制點實現室內空間測量定位系統的定向過程，從而組成測量網路。
步驟七、利用室內空間測量定位系統同時測量全局控制點和被測點，以全局控制點的三維坐標作為約束，進行平差解算，求得被測點的三維坐標，將被測點的三維坐標測量精度溯源至精密控制場，如圖3，其步驟如下：
步驟7-1）保持所有全局控制點處的接收器（104）和所有發射站（101）不發生移動；
步驟7-2）在測量空間內的被測點處放置好接收器（104），每個接收器（104）至少可同時接收到兩個發射站（101）的信號；
步驟7-3）利用發射站（101）組成的測量網路同時測量全局控制點和被測點，以全局控制點的三維坐標作為約束，進行平差解算，求得被測點的三維坐標，將被測點的三維坐標測量精度溯源至精密控制場。
綜上，《室內空間測量定位系統的精密控制場精度溯源方法》根據雷射跟蹤儀干涉測距可直接溯源至雷射波長的特點，利用跟蹤儀高精度測距作為約束，獲取現場裝配型架上全局控制點更為精確的三維坐標，構建精密控制場，並將其作為工業現場高精度測量基準，室內空間測量定位系統同時測量全局控制點和被測點，並利用高精度平差解算，將全局控制點的精度復現到被測點上，實現現場測量的精度溯源，提高了室內空間測量定位系統的測量精度。該發明具有以下優點：彌補了室內空間測量定位系統因測量距離增大導致的精度損失；結合精密控制場完成發射站定向過程，提高室內空間測量定位系統的定向效率和精度。精密控制場為工業現場測量提供了測量基準，實現了室內空間測量定位系統三維坐標測量的精度溯源；在提高室內空間測量定位系統測量精度的同時，不影響其工作效率。
專利榮譽
2021年6月24日，《室內空間測量定位系統的精密控制場精度溯源方法》獲得第二十二屆中國專利優秀獎。
