CN101484777A - 在缺少精确gps数据时获得准确测量数据的管理行进系统和方法 - Google Patents

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Abstract

一种方法和系统，用于在由于例如植物和建筑的自然或人造对象而不能够获得精确GPS数据的区域中获得目标点的精确测量型位置数据。该系统包括：设置在测量杆上的GPS接收机，其具有同样设置在杆上的惯性测量单元(IMU)和电子测距计(EDM)。该系统和方法在离开该区域时获得GPS数据，并使用区域中的IMU行进到目标点，以使用EDM获得数据，从而减少用IMU发生的累积误差。

Description

在缺少精确GPS数据时获得准确测量数据的管理行进系统和方法
技术领域
本发明涉及一种系统和方法，用于特别地在由于例如树木和建筑的自然或人为物体而不能够获得精确GPS数据的地区或区域内获得精确测量型(survey-grade)位置数据。
背景技术
在地球空间信息领域中的一个重要技术里程碑是在来自GPS卫星的某些或所有信号被干扰的区域中用GPS测量设备进行精确定位的扩展。这个问题具有几个因素，包括技术因素、经济因素和人机界面(MMI)因素。
经济因素是GPS测量设备的价格应该是$35K-50K的它的价值定位。该价值定位在包括传统全站仪(CTS)、自动全站仪(ATS)和扇形激光(fan laser)的可选择精确定位方法中是对于效率的重要改进。GPS测量设备需要一个操作员，并且在不需要重新分配设施的情况下能够在距离他的基础接收器多达10km的广大区域上操作。以大约$10K出售的CTS需要两个操作员的工作组，并且具有几百米的范围。以大约$＄45K出售的ATS仅需要一个操作员，但是具有与CTS类似的范围限制。两者都需要在每一个位置进行适当精细设置。扇形激光具有更小的范围限制，但是需要精细和耗时的安装过程。因此，只要GPS测量设备能够传递对于大部分测量型应用所需的可靠厘米级定位，那么GPS测量设备就可提供优良的价值定位。
仅使用GPS的测量员通常能够提供与通过竞争测量指令(实例是CTS、ATS、扇形激光、传统杆和链)相同的指定测量位置精度。这种精度是1厘米(cm)的量级，用于精确陆地测量。它的范围从10cm到1米，用于较低精度测量的应用，例如，地籍测量5、地理信息系统(GIS)和地震勘测。
当一个或多个信号瞄准线经过植物时，GPS测量设备的精度可靠性降低。因此，电流发生GPS测量设备在可遮挡、反射或折射GPS信号的树木或建筑附近是不可用的。更精确地，非精确GPS区域是GPS测量员不能提供在三位空间中定位一个点的所需精度的区域或领域(例如，由于从附近植物或建筑的信号折射，在精确陆地测量中，精度可能从1cm降低至3cm)。这描述了这样的事实，尽管GPS接收机可继续提供位置解决方案，但是它不能够可靠提供具有厘米级精度的精确测量型位置解决方案。如果由于在作业区域中的大量植物而强制操作员使用CTS或ATS作为常用的备用方案，那么他可能将CTS或ATS用于整个作业，而不使用GPS测量设备。因此，在存在植物和/或信号障碍物的情况下，GPS测量设备的价值定位降低。结果，需要一些保持价值定位的方法，并且需要在非精确GPS区域中保持精度的技术方案。
这样产生了问题的技术因素。两个可能的方式是(1)使用折衷的GPS信号经由TBD信号处理算法保持厘米精度，(2)使用一些其它定位装置在非精确GPS区域范围内导航。该方案应该提供测量型精度数据，以在该区域中定位对象或目标。
发明内容
本发明提供一种在非精确GPS区域内导航并在所述区域中获得目标点的精确测量型地点信息的方式。在所述非精确GPS区域中穿行和行进以及在该区域中测量的方法称为“管理行进(managed traverse)”。在管理行进中使用的“定位装置”可包括集成定位系统，其将GPS接收机、惯性测量单元(IMU)、激光电子测距计(EDM)和零速率指示器(ZVI)开关组合到GPS-惯性-EDM(GIE)测量设备中。当GIE测量设备访问强制GPS信号时，它返回至GPS测量设备。管理行进提供一种方法，用于在无丢失定位精度风险或较小丢失定位精度的风险的情况下，使用由一个操作员以简单方式所执行的GIE测量设备，在非精确GPS区域中行进。由管理行进所赋予的附加工作量损失远远小于在非精确GPS区域中设立全站仪和使用全站仪测量的工作量，否则一般不使用。
MMI因素来自于维持操作员熟悉度和使用容易度的需求。操作员应能够像他熟悉GPS测量设备那样使用GIE测量设备，以及能够在不需要详细训练的情况下快速、容易和可靠地执行管理行进。
如本文所使用的，术语“行进”指的是从开始点移动到结束点，获得沿途的位置信息，所述位置信息典型地是相对于开始点的当前地点的相对位置信息。在一种形式中，这可以使用惯性测量单元进行，所述惯性测量单元感测惯性运动(距离和方向)并对运动进行合成，以确定移动的距离和方向，因此可确定当前位置。
根据本发明的一方面，提供一种方法，其通过从非GPS区域外的开始点经过该区域向同样在该区域外的结束点沿着轨道移动测量设备，使用该测量设备获得具有该设备指定精度的在轨道上多个中间点的测量位置，从而获得该区域内的目标的位置信息。通常，这称为管理行进。
本发明提供一种确定目标位置的方法，包括以下步骤：确定离开所述目标的开始点的位置；从所述开始点行进到所述目标，同时通过使用对跟踪误差的累积所进行的跟踪方法来保持位置的轨迹；在到达所述目标的途中，通过确定相对于至少一个基准地点的位置来减少所累积的误差。
本发明提供一种在区域中确定对象地点的方法，包括：
a.在所述区域的周边附近定义第一基准点；
b.使GPS接收机位于所述第一基准点附近的所述区域外部的第一GPS接收机地点；
c.使用GPS信号确定在所述第一GPS接收机地点的所述GPS接收机的位置；
d.确定相对于在所述第一GPS接收机地点的所述GPS接收机的所述第一基准点的位置；
e.使用对误差的累积所进行的跟踪方法，从所述区域中的所述第一GPS接收机位置行进到所述对象的地点；
f.获得相对于所述第一基准点的所述对象地点的第一相对位置信息；
g.获得辅助位置信息，以减少在步骤(e)和(f)中至少一个过程中获得的误差的累积；和
h.使用在步骤(c)、(d)、(e)、(f)和(g)中获得的信息确定所述对象的地点。
本发明提供一种在区域中确定对象地点的方法，包括：
a.在所述区域的周边附近定义第一和第二基准点；
b.使GPS接收机位于所述第一基准点附近的所述区域外部的第一GPS接收机地点；
c.使用GPS信号确定在所述第一GPS接收机地点的所述GPS接收机的位置；
d.确定相对于在所述第一GPS接收机地点的所述GPS接收机的所述第一基准点的位置；
e.使用对误差的累积所进行的跟踪方法，从所述区域中的所述第一GPS接收机位置行进到所述对象的地点；
f.获得相对于所述第一基准点的所述对象地点的第一相对位置信息；
g.使用对误差的累积所进行的跟踪方法，从所述对象地点行进到在所述区域外部和在所述第二基准点附近的第二GPS接收机位置；
h.使GPS接收机位于所述第二GPS接收机地点；
i.使用GPS信号确定在所述第二GPS接收机地点的所述GPS接收机的位置；
j.确定相对于在所述第二GPS接收机地点的所述GPS接收机的所述第二基准点的位置；
k.获得相对于所述第二基准点的所述对象地点的第二相对位置信息；
l.获得辅助位置信息，以减少在步骤(e)、(f)、(g)和(k)中至少一个过程中获得的误差的累积；和
m.使用在步骤(c)、(d)、(f)、(i)、(j)、(k)和(l)中获得的信息确定所述对象的地点。
本发明提供一种在区域中确定目标位置的测量系统，在所述区域中使用GPS接收机不能够获得精确的测量型地点数据，该系统包括：
GPS接收机，用于确定在所述区域的周边附近的开始点的位置；
测量系统，用于在用户从所述开始点行进到所述目标时获得相对位置信息，所述测量系统进行跟踪误差的累积，以及用于获得辅助位置信息，以在所述行进期间减少误差的累积；和
处理系统，用于通过使用所述开始点位置、所述相对位置信息和所述辅助位置信息来计算所述目标的位置，从而所计算的所述目标的位置比仅使用相对位置信息所计算的所述目标的位置具有更大的精度。
本发明提供一种在区域中确定目标位置的测量系统，在所述区域中GPS接收机不能够为测量型应用定位具有足够精度的所述对象，该系统包括：
位置定位器，用于使用GPS接收机和GPS信号确定所述区域的周边附近的第一基准点的位置，所述位置定位器在所述区域中从所述第一基准点向所述对象行进期间获得相对于所述第一基准点的所述对象地点的相对位置信息，在所述行进期间累积跟踪误差；和
辅助装置，用于通过确定相对于其位置已知的至少一个基准地点的位置，减少在向所述区域中的所述目标行进期间所累积的跟踪误差。
本发明提供一种确定目标位置的测量系统，包括：
位置定位器，用于确定离开所述目标点的开始点的位置，当用户从所述开始点向所述目标行进时，所述位置定位器通过使用在所述行进期间对跟踪误差的累积所进行的跟踪方法来保持位置的轨迹；和
辅助装置，用于通过确定相对于其位置已知的至少一个基准地点的地点，减少在向所述区域中的所述目标行进期间所累积的跟踪误差。
附图说明
图1示出GIE测量设备；
图2示出具有GPS姿势阵列的GIE测量设备；
图3示出GIE测量设备使用；
图4示出AINS架构；
图5示出由于树木和位于树木下要测量的目标通过非精确GPS区域的管理行进；
图6示出由于方位角误差的位置误差的实例；
图7示出平滑位置误差的实例；和
图8示出自然出现或通过操作员放置的目标场中的典型SLAM导航。
具体实施方式
本发明提供一种确定目标位置的方法，包括以下步骤：确定离开所述目标的开始点的位置；从所述开始点行进到所述目标，同时通过使用对跟踪误差的累积所进行的跟踪方法来保持位置的轨迹；在到达所述目标的途中，通过确定相对于至少一个基准地点的位置来减少所累积的误差。
所述基准地点可以是所述开始点，或可以离开所述开始点。确定开始点的位置的步骤包括：使用GPS接收机。行进的步骤使用IMU的跟踪方法。减少所累积误差的步骤包括：使用EDM获得辅助信息。
本发明提供一种在区域中确定对象地点的方法，包括：
a.在所述区域的周边附近定义第一基准点；
b.使GPS接收机位于所述第一基准点附近的所述区域外部的第一GPS接收机地点；
c.使用GPS信号确定在所述第一GPS接收机地点的所述GPS接收机的位置；
d.确定相对于在所述第一GPS接收机地点的所述GPS接收机的所述第一基准点的位置；
e.使用对误差的累积所进行的跟踪方法，从所述区域中的所述第一GPS接收机位置行进到所述对象的地点；
f.获得相对于所述第一基准点的所述对象地点的第一相对位置信息；
g.获得辅助位置信息，以减少在步骤(e)和(f)中至少一个过程中获得的误差的累积；和
h.使用在步骤(c)、(d)、(e)、(f)和(g)中获得的信息确定所述对象的地点。
所述区域可以是使用GPS不能获得精确测量型位置信息的领域。步骤(d)可包括：使用EDM来确定相对于在所述GPS接收机地点的所述GPS接收机的所述基准点的位置。步骤(f)可包括：使用EDM来获得相对于所述第一基准点的所述对象地点的第一相对位置信息。步骤(g)可包括：使用IMU来获得辅助信息。步骤(a)可包括：使回复反射器位于所述第一基准点上。该方法还可包括：使回复反射器位于所述对象地点，以及步骤(f)可包括：使用具有激光的EDM来获得第一相对位置信息。该方法还可包括：使用在上面安装有GPS接收机和EDM的测量杆。该方法还可包括：使用在上面安装有GPS接收机和IMU的测量杆。该方法还可包括：使用在上面安装有GPS接收机、EDM和IMU的测量杆。步骤(f)可包括：使用EDM，以及步骤(g)包括：使用IMU。
本方法提供一种在区域中确定对象地点的方法，包括：
a.在所述区域的周边附近定义第一和第二基准点；
b.使GPS接收机位于所述第一基准点附近的所述区域外部的第一GPS接收机地点；
c.使用GPS信号确定在所述第一GPS接收机地点的所述GPS接收机的位置；
d.确定相对于在所述第一GPS接收机地点的所述GPS接收机的所述第一基准点的位置；
e.使用对误差的累积所进行的跟踪方法，从所述区域中的所述第一GPS接收机位置行进到所述对象的地点；
f.获得相对于所述第一基准点的所述对象地点的第一相对位置信息；
g.使用对误差的累积所进行的跟踪方法，从所述对象地点行进到在所述区域外部和在所述第二基准点附近的第二GPS接收机位置；
h.使GPS接收机位于所述第二GPS接收机地点；
i.使用GPS信号确定在所述第二GPS接收机地点的所述GPS接收机的位置；
j.确定相对于在所述第二GPS接收机地点的所述GPS接收机的所述第二基准点的位置；
k.获得相对于所述第二基准点的所述对象地点的第二相对位置信息；
l.获得辅助位置信息，以减少在步骤(e)、(f)、(g)和(k)中至少一个过程中获得的误差的累积；和
m.使用在步骤(c)、(d)、(f)、(i)、(j)、(k)和(l)中获得的信息确定所述对象的地点。
所述第一和第二基准点可以不同或相同。所述第一GPS接收机地点和所述第一基准点可以相同。所述第二GPS接收机地点和所述第二基准点可以相同。步骤(d)可包括：使用EDM来确定相对于在GPS接收机地点的所述GPS接收机的所述第一基准点的位置。步骤(f)可包括：使用IMU来获得相对于所述第一基准点的所述对象地点的第一相对位置信息。步骤(l)可包括：使用EDM来获得辅助信息。步骤(l)可包括：使用EDM来获得与在相对于第一GPS接收机地点的所述第二GPS接收机地点的所述GPS接收机的位置相关的信息。步骤(j)可包括：使用EDM来确定相对于在所述第二GPS接收机地点的所述第二基准点的位置。步骤(k)可包括：使用IMU来获得相对于所述第二基准点的所述对象地点的第二相对位置信息。该方法还可包括：使回复反射器位于所述对象地点，以及其中步骤(f)和(k)可包括：使用IMU来获得第一和第二相对位置信息。该方法还可包括：使用在上面安装有GPS接收机和EDM的测量杆。该方法还可包括：使用在上面安装有GPS接收机和IMU的测量杆。该方法还可包括：使用在上面安装有GPS接收机和EDM和IMU的测量杆。该方法还可包括：使用IMU来获得在步骤(f)和(k)中的信息，以及其中步骤(m)使用平滑估测处理来确定所述对象的地点，所述平滑估测处理组合了前向和反向时间估测处理，以减少位置误差。所述区域是使用GPS不能获得精确测量型位置信息的领域。
本发明提供一种在区域中确定目标位置的测量系统，在所述区域中使用GPS接收机不能够获得精确的测量型地点数据，该系统包括：
GPS接收机，用于确定在所述区域的周边附近的开始点的位置；
测量系统，用于在用户从所述开始点行进到所述目标时获得相对位置信息，所述测量系统进行跟踪误差的累积，以及用于获得辅助位置信息，以在所述行进期间减少误差的累积；和
处理系统，用于通过使用所述开始点位置、所述相对位置信息和所述辅助位置信息来计算所述目标的位置，从而所计算的所述目标的位置比仅使用相对位置信息所计算的所述目标的位置具有更大的精度。
该系统还可包括：在上面安装有所述GPS接收机的测量杆，以及其中所述测量系统包括：安装在所述杆上的具有激光的EDM。该系统还可包括：在上面安装有所述GPS接收机的测量杆，以及其中所述测量系统可包括：安装在所述杆上的IMU。该系统还可包括：在上面安装有所述GPS接收机的测量杆，以及其中所述测量系统包括：安装在所述杆上的具有激光的EDM，和IMU。当用户从所述开始点行进到所述目标时，所述测量系统获得在所述区域中多个中间基准点的相对位置信息，在每一个点的所述相对位置信息是相对于所述先前点的，以及所述测量系统通过获得从至少一个所述中间基准点到所述开始点的相对位置数据来获得对于所述中间基准点的辅助信息。所述测量系统可包括：IMU，用以获得相对位置信息，以及其中所述测量系统包括：EDM，用以获得所述辅助信息。
本发明提供一种在区域中确定目标位置的测量系统，在所述区域中GPS接收机不能够为测量型应用定位具有足够精度的所述对象，该系统包括：
位置定位器，用于使用GPS接收机和GPS信号确定所述区域的周边附近的第一基准点的位置，所述位置定位器在所述区域中从所述第一基准点向所述对象行进期间获得相对于所述第一基准点的所述对象地点的相对位置信息，在所述行进期间累积跟踪误差；和
辅助装置，用于通过确定相对于其位置已知的至少一个基准地点的位置，减少在向所述区域中的所述目标行进期间所累积的跟踪误差。
本发明提供一种确定目标位置的测量系统，包括：
位置定位器，用于确定离开所述目标点的开始点的位置，当用户从所述开始点向所述目标行进时，所述位置定位器通过使用在所述行进期间对跟踪误差的累积所进行的跟踪方法来保持位置的轨迹；和
辅助装置，用于通过确定相对于其位置已知的至少一个基准地点的地点，减少在向所述区域中的所述目标行进期间所累积的跟踪误差。
图1示出GIE测量设备，其包括测量杆12、GPS接收机和天线/IMU组件(AIA)14、具有带视觉瞄准的激光束的EDM 16、手柄18、在杆底部的零速率指示器开关(ZVI)20、地接触钉22和电子模块24，所述电子模块24与数据录入单元26和电池模块28连接。GIE测量设备通过该设备上的IMU组件14和其它部件提供惯性导航系统。电子模块24可包含用于处理数据的处理器。
EDM经由嵌入在EDM中的瞄准镜测量操作员指定的目标的范围。在操作期间，操作员控制整个杆使EDM瞄准。这可能比较麻烦，因此可独立瞄准的EDM会更加方便，并且可配置一对轴角编码器，以测量相对于设备其它部分的EDM方位角。实际配置需要在使用的简单性和方便性之间取舍。
当GIE测量设备完全接触GPS瞄准线时，它像提供精确测量型定位信息的GPS测量设备一样运行，并且操作员不需要运行EDM或ZVI。当GIE测量设备不能够提供地点定位时，它在非精确GPS区域中运行，然后操作员像手杖一样控制该设备，并且使用EDM和/或IMU获得定位信息。当地钉与地面接触时，ZVI开关关闭，从而向地钉在与地面的接触点处稳定的处理软件发出信号。处理软件使用零速率信息，控制速率误差的累积。该机构是称为手掌导航仪(WSN)的概念的一部分，其中的细节在我的先前美国专利No.6,853,909中公开，其内容合并与此。图3示出由操作员携带的WSN的基本概念。
图2示出基本GIE测量设备的变形，其包括用以辅助惯性导航仪的双天线GPS姿势阵列。双天线阵列提供俯仰角(heading)辅助，并且其典型地是获得快速俯仰角调整和连续俯仰角误差控制所需的所有内容。使用IMU中的加速计测量横摇角(roll)和纵摇角(pitch)。GIE可具有三天线GPS姿势阵列。在缺少IMU时，三天线姿势阵列提供了完整的定向方案。
如图4所示，GIE测量设备包含AINS架构。这是用于将来自IMU的惯性数据与来自GPS接收器、ZVI和EDM的其它导航数据(这里称为辅助数据)组合的标准算法。假设惯性导航仪机构已经很好地适当初始化，则它通过使用来自IMU中的加速计和陀螺仪的加速度和角速率解开在地面上的牛顿运动方程。初始化处理通常称为调整。INS方案包括IMU位置、速度和定向(横摇角、纵摇角和俯仰角)。IMU的定向可用作EDM激光的点角。因此，GIE测量设备可使用IMU定向和EDM范围测量方法计算相对于其自身位置的目标点极坐标。此外，辅助惯性导航系统(AINS)Kalman滤波器可对于已知目标位置使用EDM范围测量方法来辅助INS，并从而更好地调节其位置和定向误差。
根据本发明的管理行进方法提供了一种在非精确GPS区域行进的方法。图5示出由树木产生的非精确GPS区域以及将测量的位于树木下的目标点42的简单实例。通过圆40示出非精确GPS区域。操作员将两个或更多回复反射器44放置在非精确GPS区域的周边附近。将回复反射器设置在光三脚架上，并因此实现自支撑。操作员简单地将回复反射器的三脚架以这样的方式放置在基本稳固地面上，使得它们不能移动，所述方式为在非精确GPS区域周围以及非精确GPS区域中提供合理的三边测量几何。
然后，操作员使用非精确GPS区域外部的GIE测量设备10测量回复反射器44的位置，其中GIE测量设备的精确度在厘米级。由于GIE测量设备实现辅助INS，所以它可计算设备的横摇角、纵摇角和俯仰角，因此计算EDM瞄准线。这使得该设备根据极坐标(方位角、仰角、距离)计算相对于GIE测量设备的回复反射器44的相对位置，从而将精确GIE测量设备位置传送至回复反射器44。由于横摇角、纵摇角或方位角的误差造成的回复反射器位置误差将与GIE设备和回复反射器之间的距离按比例相关。典型地，方位角误差是相对位置的一个极坐标测量中位置误差的最大来源。操作员可以根据不同GIE测量设备位置执行回复反射器的两个或更多测量，以获得误差的统计平均，以及通过使用范围三边测量消除方位角误差的效果。操作员将回复反射器位置记录在数据记录器中用于以后使用。
然后，操作员进入非精确GPS区域40，并以手杖的方式操控GIE测量设备，如我的先前美国专利No.6,853,909中所述。操作员周期性测量回复反射器44的范围。使用这些步骤来控制在GIE测量设备的辅助INS中的定向(横摇角、纵摇角和方位角)误差，以及提供辅助信息来降低跟踪误差的累积。当操作员到达目标点时，他将地钉22放置在目标点42上，并测量所有回复反射器44的范围。在GIE测量设备中的辅助INS使用这些范围计算精确目标点位置。然后，操作员以他进入的相同方式离开非精确GPS区域40，以再次控制辅助INS定向误差。或者，操作员可以在不同位置离开所述区域。每当操作员离开所述区域时，他可使用GPS接收机获得位置信息。
IMU典型地包含加速计和陀螺仪，以及用于对IMU数据进行电子化处理的电子装置。为了生成INS方案，可提供处理计算机，以运行INS方程。相同的计算机(或处理器)可以运行在INS中的其它算法。相同的计算机(或处理器)可以运行在GIE中的IFNA算法中的管理行进。
回复反射器可以是球体，例如乒乓球。将球体用作目标的优点是，假设EDM激光点在球体中心，则测量距离不会从任意方向偏差。或者，如果GIE设备保持固定并且球体目标通过任意角旋转但是不移位，则由EDM测量的距离将保持不变。
根据实施例的管理行进方法的元素是(1)使用含有辅助INS的GIE测量设备；(2)对固定目标的范围确定的方法；和(3)测量固定目标位置的方法。
辅助INS在产生目标位置的其Kalman滤波器中执行最佳信息混合。上述范围确定的方法是GIE测量设备上的EDM 16和设置三脚架的回复反射器的组。如果其它可选范围确定方法能够是厘米级精度，则也可以使用这些方法。以下讨论的一种这样的可选方法是称为同时定位和地图创建(SLAM)的技术，其使用视频图像来提取在图像中固定目标的范围。
在推算(dead-reckoning)系统没有位置信息的情况下移动时，推算系统将累积位置误差。具有激光范围辅助的GIE测量设备将管理行进期间的其位置误差归类到累积的定向误差中。图6示出方位角误差如何影响所计算的目标位置误差的简单实例。
图7示出前向时间估测处理、反向时间估测处理和平滑估测处理。前向时间估测处理最佳地组合来自辅助传感器的当前和过去信息。反向时间估测处理使用来自辅助传感器的当前和未来信息，并因此仅根据记录数据以后处理方式运行。平滑估测处理是前向时间估测处理和反向时间估测处理的最佳组合。在每个时间点，平滑位置误差小于前向时间位置误差和反向时间位置误差、使用所有过去、当前和未来时间的结果中任一个。
在IMU中的加速计和陀螺仪包含设备误差，例如，AINS Kalman滤波器尝试使用当前可用辅助数据估测的偏置、比例因子误差和非正交性误差。例如，AINS将累积由于Kalman滤波器不能够校准的在方位角陀螺仪中的偏置而造成的方位角误差。在最小平方估测中使用未来信息更新当前估测的公知方法是平滑的。这涉及对数据向后运行以将未来信息传送至当前估测的估测处理。通过引用结合于此的我的先前美国专利No.6,834,234涉及一种称为场内场网络调节(IFNA)的技术，其在一般的非GPS区域中在数据段上运行平滑器。管理行进概念可包括从管理行进的两端向移动中间的目标位置估测携带精确GPS位置信息的IFNA。
实施IFNA的GIE测量设备将在管理行进期间记录所有惯性和辅助数据，并且一旦其离开非精确GPS区域，则GIE测量设备将计算平滑的目标测量位置。在管理行进任一端固定的精确GPS位置将大大改善移动中间的位置精度。在这种情况下，这种改善来自与EDM范围测量组合的平滑定向误差。
对于使用激光EDM的可选择方法或添加是使用已知为同时定位和地图创建(SLAM)的技术。SLAM是一种使用移动自动装置或无人工具在不熟悉空间中导航的方法。SLAM使用来自一个或多个视频相机的图像序列，以识别固定特征，然后建立这些固定特征的地图以及自动装置在其中的定位。采用两个主要图像处理技术。一个是图像分割和特征提取。SLAM使用这个技术来识别已知是固定的并因此在3D空间中是有效基准点的特定特征。典型的选择是在室外设置中的树木或在室内设置中的电灯组件。另一技术是立体成像，以提取深度并因此提取范围到特征的信息。在SLAM从不同自动装置位置对3D坐标栅格中的特征成像时，SLAM建立它们的地图，从而确定在该栅格中它自己的位置。在估测所有变量的一个Kalman滤波器中实施地图和自定位处理。一旦SLAM经由特征提取识别了基准点，则定位方法与使用激光范围的先前所述定位方法类似。在这种情况下，使用从多重叠2D图像的立体成像进行范围提取。参照下文可以找到SLAM技术的概述和描述。
可使用SLAM技术代替GIE测量设备中的EDM，或增加至其中。该设备可包括经由大CCD或窄视野(FOV)具有小于2cm量级的足够小像素尺寸的视频相机。由于操作员必需手动选择特征和将相机瞄准它们，所以窄FOV是比较不昂贵的方式，但是可限制设备的使用。宽FOV使得相机自动捕获特征，但是需要高分辨能力，因此需要大CCD阵列以获得厘米级的像素尺寸。该设备将包括SLAM处理算法，该算法以通过设备动力所指示的帧率(5帧每秒应足够用于手持设备)输入图像，并输出其识别的固定目标的位置以及通过设备的初始定向确定其x-y轴的相对Cartesian坐标帧中所有的设备位置。然后，除了惯性速率数据、GPS速率数据和零速率数据之外，AINS Kalman滤波器还将使用SLAM位置信息来计算最佳位置以及更新固定目标位置的SLAM处理器的估测。如果GIE测量设备在非精确GPS区域外部以全RTK模式运行，则所有目标位置误差可以降低至1-2cm。当GIE测量设备进入非精确GPS区域时，SLAM加AINS定向数据提供位置信息，以保持RTK位置精度。
可设计SLAM图像分割和特征提取算法，用于特定特征，例如罕见形状和/或颜色，可选择该算法进行简单和可靠的分段和提取。操作员可采用承载该特征的三脚架，以代替先前所述的回复反射器。这将保证对于SLAM的期望特征始终存在。还简化了在SLAM处理器中运行的SLAM软件以及视频相机的可能设计。
图8示出GIE测量设备如何可以在自然出现或通过操作员放置的目标场中导航。应该设计基于适当SLAM的GIE测量设备任务，从而相机可以观察具有足够强几何形状的目标，以允许它们的同时定位测量和设备的定位。
通过引用结合的以下参考文献提供了与本发明相关的附加信息。
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10.Gregory Dudek和Michael Jenkin的移动自动装置的计算原理。
11.互联网上对SLAM文献的某些链接，包括：
http://www.cas.kth.se/SLAM/Presentations/hdw-slides.pdf
http://www.robots.ox.ac.uk/ActiveVision/Papers/division iccv2003/div ision iccv2003.pdf
http://www.acfr.usyd.edu.au/publications/downloads/2002/Williams16 7/ifac2002Submission.pdf
http://web.media.mit.edu/～rgupta/IROS04jason.pdf
以下是本文中使用的缩写词的表：
AIA 天线/IMU组件
AINS 辅助惯性导航系统
ATS 自动全站仪
CCD 电荷耦合器件
CTS 传统全站仪
EDM 电子测距计
FOV 视野
GIE GPS-惯性-EDM
GIS 地理信息系统
GPS 全球定位系统
IFNA 场内场网络调节
IMU 惯性测量单元
INS 惯性导航系统
MMI 人机界面
RTK 实时运动
SLAM 同时定位和映射
TBD 要确定的
WSN 手杖导航仪
ZVI 零速率指示器

Claims (42)

1.一种确定目标位置的方法，包括以下步骤：
确定离开所述目标的开始点的位置；
从所述开始点行进到所述目标，同时通过使用对跟踪误差的累积所进行的跟踪方法来保持位置的轨迹；
在到达所述目标的途中，通过确定相对于至少一个基准地点的位置来减少所累积的误差。
2.根据权利要求1的确定目标位置的方法，其中所述基准地点是所述开始点。
3.根据权利要求1的确定目标位置的方法，其中所述基准地点离开所述开始点。
4.根据权利要求1的确定目标位置的方法，其中确定开始点的位置的步骤包括：使用GPS接收机。
5.根据权利要求1的确定目标位置的方法，其中行进的步骤使用IMU的跟踪方法。
6.根据权利要求1的确定目标位置的方法，其中减少所累积误差的步骤包括：使用EDM获得辅助信息。
7.一种在区域中确定对象地点的方法，包括：
a.在所述区域的周边附近定义第一基准点；
b.使GPS接收机位于所述第一基准点附近的所述区域外部的第一GPS接收机地点；
c.使用GPS信号确定在所述第一GPS接收机地点的所述GPS接收机的位置；
d.确定相对于在所述第一GPS接收机地点的所述GPS接收机的所述第一基准点的位置；
e.使用对误差的累积所进行的跟踪方法，从所述区域中的所述第一GPS接收机位置行进到所述对象的地点；
f.获得相对于所述第一基准点的所述对象地点的第一相对位置信息；
g.获得辅助位置信息，以减少在步骤(e)和(f)中至少一个过程中获得的误差的累积；和
h.使用在步骤(c)、(d)、(e)、(f)和(g)中获得的信息确定所述对象的地点。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述区域是使用GPS不能获得精确测量型位置信息的领域。
9.根据权利要求7所述的方法，其中步骤(d)包括：使用EDM来确定相对于在所述GPS接收机地点的所述GPS接收机的所述基准点的位置。
10.根据权利要求7所述的方法，其中步骤(f)包括：使用EDM来获得相对于所述第一基准点的所述对象地点的第一相对位置信息。
11.根据权利要求7所述的方法，其中步骤(g)包括：使用IMU来获得辅助信息。
12.根据权利要求7所述的方法，其中步骤(a)包括：使回复反射器位于所述第一基准点上。
13.根据权利要求7所述的方法，还包括：使回复反射器位于所述对象地点，以及其中步骤(f)包括：使用具有激光的EDM来获得第一相对位置信息。
14.根据权利要求7所述的方法，还包括：使用在上面安装有GPS接收机和EDM的测量杆。
15.根据权利要求7所述的方法，还包括：使用在上面安装有GPS接收机和IMU的测量杆。
16.根据权利要求7所述的方法，还包括：使用在上面安装有GPS接收机、EDM和IMU的测量杆。
17.根据权利要求7所述的方法，其中步骤(f)包括：使用EDM，以及步骤(g)包括：使用IMU。
18.一种在区域中确定对象地点的方法，包括：
a.在所述区域的周边附近定义第一和第二基准点；
b.使GPS接收机位于所述第一基准点附近的所述区域外部的第一GPS接收机地点；
c.使用GPS信号确定在所述第一GPS接收机地点的所述GPS接收机的位置；
d.确定相对于在所述第一GPS接收机地点的所述GPS接收机的所述第一基准点的位置；
e.使用对误差的累积所进行的跟踪方法，从所述区域中的所述第一GPS接收机位置行进到所述对象的地点；
f.获得相对于所述第一基准点的所述对象地点的第一相对位置信息；
g.使用对误差的累积所进行的跟踪方法，从所述对象地点行进到在所述区域外部和在所述第二基准点附近的第二GPS接收机位置；
h.使GPS接收机位于所述第二GPS接收机地点；
i.使用GPS信号确定在所述第二GPS接收机地点的所述GPS接收机的位置；
j.确定相对于在所述第二GPS接收机地点的所述GPS接收机的所述第二基准点的位置；
k.获得相对于所述第二基准点的所述对象地点的第二相对位置信息；
l.获得辅助位置信息，以减少在步骤(e)、(f)、(g)和(k)中至少一个过程中获得的误差的累积；和
m.使用在步骤(c)、(d)、(f)、(i)、(j)、(k)和(l)中获得的信息确定所述对象的地点。
19.根据权利要求18所述的方法，其中所述第一和第二基准点不同。
20.根据权利要求18所述的方法，其中所述第一和第二基准点相同。
21.根据权利要求18所述的方法，其中所述第一GPS接收机地点和所述第一基准点相同。
22.根据权利要求18所述的方法，其中所述第二GPS接收机地点和所述第二基准点相同。
23.根据权利要求18所述的方法，其中步骤(d)包括：使用EDM来确定相对于在GPS接收机地点的所述GPS接收机的所述第一基准点的位置。
24.根据权利要求18所述的方法，其中步骤(f)包括：使用IMU来获得相对于所述第一基准点的所述对象地点的第一相对位置信息。
25.根据权利要求18所述的方法，其中步骤(l)包括：使用EDM来获得辅助信息。
26.根据权利要求18所述的方法，其中步骤(l)包括：使用EDM来获得与相对于第一GPS接收机地点的在所述第二GPS接收机地点的所述GPS接收机的位置相关的信息。
27.根据权利要求18所述的方法，其中步骤(j)包括：使用EDM来确定相对于在所述第二GPS接收机地点的所述第二基准点的位置。
28.根据权利要求18所述的方法，其中步骤(k)包括：使用IMU来获得相对于所述第二基准点的所述对象地点的第二相对位置信息。
29.根据权利要求18所述的方法，还包括：使回复反射器位于所述对象地点，以及其中步骤(f)和(k)包括：使用IMU来获得第一和第二相对位置信息。
30.根据权利要求18所述的方法，还包括：使用在上面安装有GPS接收机和EDM的测量杆。
31.根据权利要求18所述的方法，还包括：使用在上面安装有GPS接收机和IMU的测量杆。
32.根据权利要求18所述的方法，还包括：使用在上面安装有GPS接收机和EDM和IMU的测量杆。
33.根据权利要求18所述的方法，还包括：使用IMU来获得在步骤(f)和(k)中的信息，以及其中步骤(m)使用平滑估测处理来确定所述对象的地点，所述平滑估测处理组合了前向和反向时间估测处理，以减少位置误差。
34.根据权利要求18所述的方法，其中所述区域是使用GPS不能获得精确测量型位置信息的领域。
35.一种在区域中确定目标位置的测量系统，在所述区域中使用GPS接收机不能够获得精确的测量型地点数据，该系统包括：
GPS接收机，用于确定在所述区域的周边附近的开始点的位置；
测量系统，用于在用户从所述开始点行进到所述目标时获得相对位置信息，所述测量系统进行跟踪误差的累积，以及所述测量系统用于获得辅助位置信息，以在所述行进期间减少误差的累积；和
处理系统，用于通过使用所述开始点位置、所述相对位置信息和所述辅助位置信息来计算所述目标的位置，从而所计算的所述目标的位置比仅使用相对位置信息所计算的所述目标的位置具有更大的精度。
36.根据权利要求35所述的系统，还包括：在上面安装有所述GPS接收机的测量杆，以及其中所述测量系统包括：安装在所述杆上的具有激光的EDM。
37.根据权利要求35所述的系统，还包括：在上面安装有所述GPS接收机的测量杆，以及其中所述测量系统包括：安装在所述杆上的IMU。
38.根据权利要求35所述的系统，还包括：在上面安装有所述GPS接收机的测量杆，以及其中所述测量系统包括：安装在所述杆上的具有激光的EDM，和IMU。
39.根据权利要求37所述的系统，其中当用户从所述开始点行进到所述目标时，所述测量系统获得在所述区域中多个中间基准点的相对位置信息，在每一个点的所述相对位置信息是相对于所述先前点的，以及所述测量系统通过获得从至少一个所述中间基准点到所述开始点的相对位置数据来获得对于所述中间基准点的辅助信息。
40.根据权利要求39所述的系统，其中所述测量系统包括：IMU，用以获得相对位置信息，以及所述测量系统包括：EDM，用以获得所述辅助信息。
41.一种在区域中确定目标位置的测量系统，在所述区域中GPS接收机不能够为测量型应用定位具有足够精度的所述对象，该系统包括：
位置定位器，用于使用GPS接收机和GPS信号确定所述区域的周边附近的第一基准点的位置，所述位置定位器在所述区域中从所述第一基准点向所述对象行进期间获得相对于所述第一基准点的所述对象地点的相对位置信息，在所述行进期间累积跟踪误差；和
辅助装置，用于通过确定相对于其位置已知的至少一个基准地点的位置，减少在向所述区域中的所述目标行进期间所累积的跟踪误差。
42.一种确定目标位置的测量系统，包括：
位置定位器，用于确定离开所述目标点的开始点的位置，当用户从所述开始点向所述目标行进时，所述位置定位器通过使用在所述行进期间对跟踪误差的累积所进行的跟踪方法来保持位置的轨迹；和
辅助装置，用于通过确定相对于其位置已知的至少一个基准地点的地点，减少在向所述区域中的所述目标行进期间所累积的跟踪误差。
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