DE112006003390T5

DE112006003390T5 - Verwaltetes Durchmesssystem und Verfahren zum Erlangen von genauen Vermessungsdaten in Abwesenheit von präzisen GPS-Daten

Info

Publication number: DE112006003390T5
Application number: DE112006003390T
Authority: DE
Inventors: Bruno Sunnyvale Scherzinger
Original assignee: Trimble Navigation Ltd
Current assignee: Trimble Inc
Priority date: 2005-12-15
Filing date: 2006-12-15
Publication date: 2008-10-16
Anticipated expiration: 2026-12-16
Also published as: US7541974B2; US20110102255A1; US7940211B2; WO2007078832A3; US20090115655A1; CN101484777A; US20070139262A1; US20110238303A1; WO2007078832A9; US8416130B2; WO2007078832A2; DE112006003390B4; US7619561B2; US7978128B2; US20100141759A1

Abstract

Ein Verfahren zum Bestimmen der Position eines Ziels, umfassend die Schritte:
Bestimmen der Position eines Startpunktes, beabstandet von dem Ziel;
Laufen von dem Startpunkt zu dem Ziel, während Positionen verfolgt werden, unter Verwendung eines Nachverfolgungsverfahrens, das der Ansammlung von Nachverfolgungsfehlern ausgesetzt ist;
auf dem Weg zu dem Ziel, Reduzieren der angesammelten Fehler durch Bestimmen einer Position relativ zu mindestens einem Referenzort.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung ist auf ein System und Verfahren zum Erhalten von präzisen vermessungswertigen Positionsdaten gerichtet, insbesondere in Bereichen oder Zone, wo präzise GPS-Daten nicht erhalten werden können aufgrund natürlicher oder künstlicher Objekte, wie zum Beispiel Bäumen und Gebäuden.
Ein noch offener technischer Meilenstein innerhalb der geomatischen Gesellschaft ist die Erweiterung einer präzisen Positionierung bei einem GPS-Vermessungsinstrument in Bereiche, wo einige oder alle der Signale von den GPS-Satelliten gestört sind. Dieses Problem hat mehrere Dimensionen, die die technische Dimension, ökonomische Dimension und Mensch-Maschine-Schnittstellen-(MMI, Man Machine Interface)-Dimension enthalten.
Die ökonomische Dimension ist der Wert des GPS-Vermessungsinstruments, der den Preis 23000 bis 50000 Dollar rechtfertigt. Der vorgeschlagene Wert ist die signifikante Verbesserung in Effizienz über alternative präzise Positionierungsverfahren, die herkömmliche Totalstationen (CTS, Conventional Total Stations) enthalten, sowie automatische Totalstationen (ATS, Automatic Total Stations) und Fächerlaser bzw. Fan-Laser. Ein GPS-Vermessungsinstrument benötigt einen Bediener und kann über einen weiten Bereich von bis zu 10 km von seinem Basisempfänger betrieben werden ohne ein Umstellen der Infrastruktur. Eine CTS, die für ungefähr 10000 Dollar verkauft wird, benötigt ein Team von zwei Bedienern, und hat einen Bereich von wenigen hundert Metern. Eine ATS, die für ungefähr 45000 Dollar verkauft wird, benötigt nur einen Bediener, aber hat eine Bereichsgrenze ähnlich zu einer CTS. Beide benötigen eine ziemlich sorgfältige Einstellung an einem Ort. Fan-Laser haben sogar kürzere Bereichsgrenzen und benötigen sorgfältige und zeitverbrauchende Installationen. Deshalb kann das GPS-Vermessungsinstrument einen exzellenten Wertvorschlag darstellen, solange es eine verlässliche Positionierung auf Zentimeterniveau liefert, die gebraucht wird für die meisten vermessungswertigen Anwendungen.
Ein Vermesser, der nur GPS verwendet, ist normalerweise in der Lage, eine spezifizierte vermessene Positionsgenauigkeit bereitzustellen, wie die von konkurrierenden Vermessungsinstrumenten (Beispiele sind CTS, ATS, Fan-Laser, traditionelle Stab und Kette). Diese Genauigkeit ist in der Größenordnung von einem Zentimeter (cm) für eine Präzisionslandvermessung. Sie liegt im Bereich von 10 cm bis zu einem Meter für Vermessungsanwendungen mit geringerer Genauigkeit, wie zum Beispiel Gemarkungsvermessung 5, ein geographisches Informationssystem (GIS) und eine seismische Vermessung.
Die Genauigkeitsverlässlichkeit des GPS-Vermessungsinstruments verschlechtert sich, wenn ein oder mehrere Signallinien der Sicht durch Blattwerk gehen. Deshalb ist die gegenwärtige Generation von GPS-Vermessungsinstrumenten unbrauchbar nahe Bäumen oder Gebäuden, die die GPS-Signale verdecken, reflektieren oder beugen. Solch ein Bereich ist hier im Folgenden einer präzise-GPS-verweigerte Zone genannt. Präziser ausgedrückt, ist eine präzise-GPS-verweigerte Zone eine Zone oder Bereich, wo ein GPS-Vermesser die benötigte Genauigkeit beim Lokalisieren eines Punktes in einem dreidimensionalen Raum nicht bereiten kann (beispielsweise Genauigkeit kann sich verschlechtern von 1 cm auf 3 cm in einer Präzisionslandvermessung aufgrund von einer Signalbeugung von naheliegendem Blattwerk oder Gebäuden). Dies beschreibt die Tatsache, dass obwohl ein GPS-Empfänger weiter eine Positionslösung bereitstellen kann, er nicht verlässlich eine präzise vermessungswertige Positionslösung bereitstellen kann, die eine Genauigkeit auf Zentimeterniveau besitzt. Falls ein Bediener dazu gebracht wird, ein CTS oder ATS als häufige Ausweichlösung zu verwenden wegen großflächigem Blattwerk in einem Arbeitsbereich, dann wird er wahrscheinlich die CTS oder ATS für die gesamte Arbeit verwenden, und nicht das GPS-Vermessungsinstrument verwenden. Der Wert des GPS-Vermessungsinstruments wird so vermindert in der Anwesenheit von Blattwerk und/oder Signalhindernissen. Deshalb wird ein Verfahren zum Beibehalten des Wertvorschlags benötigt, was wiederum eine technische Lösung benötigt, um eine Genauigkeit beizubehalten in präzise-GPS-verweigerten Zonen.
Dies führt zur technischen Dimension des Problems. Zwei mögliche Ansätze sind, (1) die problembehafteten GPS-Signale zu verwenden, um eine Zentimetergenauigkeit über einen TBD-Signalverarbeitungsalgorithmus aufrecht zu erhalten, und (2), durch präzise-GPS-verweigerte Zonen Abdeckung zu navigieren, unter Verwendung von einem anderen Positionierungsmittel. Die Lösung sollte vermessungswertige Präzisionsdaten bereitstellen zum Lokalisieren von Objekten oder Zielen innerhalb der Zone.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Weg zum Navigieren durch präzise-GPS-verweigerte Zonen und zum Erhalten von präziser vermessungswertiger Ortsinformation von Zielpunkten innerhalb der Zone. Das Verfahren eines Durchgehens oder Durchlaufens und Vermessens in einer präzisen-GPS-verweigerten Zone wird bezeichnet als ein "verwaltetes Durchmessen". Das "Positionierungsmittel", das verwendet wird bei einem verwalteten Durchmessen, kann ein integriertes Positionierungssystem umfassen, das einen GPS-Empfänger, eine Inertialmesseinheit (IMU, Inertial Measurement Unit), einen laser-elektronischen Abstandsmesser (EDM, Laser Electronic Distance Meter) und einen Null-Geschwindigkeits-Indikator-(ZVI, Zero Velocity Indikator)-Schalter in ein GPS-Inertial-EDM-(GIE)-Vermessungsinstrument kombiniert. Das GIE-Vermessungsinstrument wird zu einem GPS-Vermessungsinstrument, wenn es Zugang zu ungestörten GPS-Signalen hat. Das gemanagte bzw. verwaltete Durchmessen stellt ein Verfahren zum Durchlaufen oder Durchmessen einer präzisen-GPS-verweigerten Zone dar, unter Verwendung eines GIE-Vermessungsinstruments, das zu betreiben ist auf eine einfache Art und Weise durch einen einzelnen Bediener mit keinem oder geringem Risiko, eine Positionierungsgenauigkeit zu verlieren. Die zusätzliche Arbeitslasterhöhung, die durch ein verwaltetes Durchmessen auferlegt wird, sollte signifikant geringer sein als die eines Einstellens und Vermessens mit einer Totalstation in der präzise-GPS-verweigerten Zone oder andererseits wird es im Allgemeinen nicht verwendet werden.
Die MMI-Dimension kommt aus einer Anforderung, eine Bedienergewohnheit und Verwendungseinfachheit aufrecht zu erhalten. Der Bediener sollte in der Lage sein, das GIE-Vermessungsinstrument wie ein GPS-Vermessungsinstrument zu verwenden, das er gewöhnt ist, und ein verwaltetes Durchmessen schnell, leicht und verlässlich ohne großes Training auszuführen.
Wie hierin verwendet, bedeutet der Ausdruck "Laufen" Durchlaufen von einem Startpunkt zu einem Endpunkt, erhalten von Positionsinformation entlang des Wegs (im Sinne von Durchmessen), was typischerweise Relativ-Positionsinformation des gegenwärtigen Ortes relativ zu dem Startpunkt ist. In einer Form kann dies durchgeführt werden mit einer Inertialmesseinheit, die eine Inertialbewegung (Abstand und Richtung) erfasst, und eine Bewegung integriert, um einen Abstand und eine Lage, die durchlaufen wurden, zu bestimmen, und daher kann eine gegenwärtige Position bestimmt werden.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren bereitgestellt zum Erhalten von Positionsinformation eines Ziels innerhalb einer GPS-verweigerten Zone durch Bewegen eines Vermessungsinstruments entlang einer Bahn durch die Zone von einem Startpunkt außerhalb der Zone zu einem Endpunkt auch außerhalb der Zone, unter Verwendung des Vermessungsinstruments zum Erhalten der vermessenen Positionen einer Vielzahl von Zwischenpunkten auf der Bahn mit einer Genauigkeit, die spezifiziert ist für das Instrument. Dies wird manchmal bezeichnet als ein verwaltetes Durchmessen.
Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zum Bestimmen der Position eines Ziel bereit, umfassend die Schritte eines Bestimmens der Position eines Startpunktes, beabstandet von dem Ziel, Durchlaufen von dem Startpunkt zu dem Ziel, während Positionen verfolgt werden, unter Verwendung eines Nachverfolgungsverfahrens, das der Ansammlung von Nachverfolgungsfehlern ausgesetzt wird, und auf dem Weg zu dem Ziel, Verringern der gesammelten Fehler durch Bestimmen einer Position relativ zu mindestens einen Referenzort.
Die Erfindung stellt ein Verfahren bereit zum Bestimmen des Orts eines Objekts in einer Zone, umfassend:

a. Definieren eines ersten Referenzpunkts nahe dem Umfang der Zone;
b. Lokalisieren eines ersten GPS-Empfängers bei einem GPS-Empfängerort außerhalb der Zone nahe dem ersten Referenzpunkt;
c. Bestimmen der Position des GPS-Empfängers bei dem ersten GPS-Empfängerort unter Verwendung von GPS-Signalen;
d. Bestimmen der Position des ersten Referenzpunkts relativ zu dem GPS-Empfänger bei dem ersten GPS-Empfängerort;
e. Laufen, von der ersten GPS-Empfängerposition in die Zone, zu dem Ort des Objekts, unter Verwendung eines Nachverfolgungsverfahrens, das der Ansammlung von Fehlern ausgesetzt ist;
f. Erhalten von erster relativer Positionsinformation des Objektorts relativ zu dem ersten Referenzpunkt;
g. Erhalten von Hilfspositionsinformation zum Verringern der Ansammlung von Fehlern, erhalten während mindestens einem der Schritte (e) und (f); und
h. Bestimmen des Orts des Objekts, unter Verwendung der Information, erhalten in Schritten (c), (d), (e), (f) und (g).

Die Erfindung stellt ein Verfahren zum Bestimmen des Orts eines Objekts in einer Zone bereit, umfassend:

a. Definieren von ersten und zweiten Referenzpunkten nahe dem Umfang der Zone;
b. Lokalisieren eines GPS-Empfängers bei einem ersten GPS-Empfängerort außerhalb der Zone nahe dem ersten Referenzpunkt;
c. Bestimmen der Position des GPS-Empfängers bei dem ersten GPS-Empfängerort unter Verwendung von GPS-Signalen;
d. Bestimmen der Position des ersten Referenzpunkts relativ zu dem GPS-Empfänger bei dem ersten GPS-Empfängerort;
e. Laufen, von der ersten GPS-Empfängerposition in die Zone, zu dem Ort des Objekts, unter Verwendung eines Nachverfolgungsverfahrens, das der Ansammlung von Fehlern ausgesetzt ist;
f. Erhalten von erster relativer Positionsinformation des Objektorts relativ zu dem ersten Referenzpunkt;
g. Laufen von dem Objektort zu einer zweiten GPS-Empfängerposition außerhalb der Zone und nahe dem zweiten Referenzpunkt, unter Verwendung eines Nachverfolgungsverfahrens, das der Ansammlung von Fehlern ausgesetzt ist;
h. Lokalisieren eines GPS-Empfängers bei dem zweiten GPS-Empfängerort;
i. Bestimmen der Position des GPS-Empfängers bei dem zweiten GPS-Empfängerort, unter Verwendung von GPS-Signalen;
j. Bestimmen der Position des zweiten Referenzpunkts relativ zu dem GPS-Empfänger bei dem zweiten Empfängerort;
k. Erhalten von zweiter relativer Positionsinformation des Objektorts relativ zu dem zweiten Referenzpunkt;
l. Erhalten von Hilfspositionsinformation zum Verringern der Ansammlung von Fehlern, erhalten während mindestens einem der Schritte (e), (f), (g) und (k); und
m. Bestimmen des Orts des Objekts, unter Verwendung der Information, erhalten in Schritten (c), (d), (f), (i), (j), (k) und (l).

Die Erfindung stellt ein Vermessungssystem bereit zum Bestimmen der Position eines Ziels in einer Zone, in der präzise vermessungswertige Ortsdaten nicht erhalten werden können unter Verwendung von GPS-Empfängern, umfassend:
einen GPS-Empfänger zum Bestimmen der Position eines Startpunktes nahe dem Umfang der Zone;
ein Messsystem zum Erhalten von relativer Positionsinformation, wenn jemand von dem Startpunkt zu dem Ziel läuft, wobei das Messsystem einer Ansammlung von Nachverfolgungsfehlern ausgesetzt ist während diesem Durchlaufen oder Durchmessen und zum Erhalten von Hilfspositionsinformation zum Verringern der Ansammlung von Fehlern während dem Durchlaufen; und
ein Verarbeitungssystem zum Berechnen der Position des Ziels, unter Verwendung der Startpunktposition, der relativen Positionsinformation und der Hilfspositionsinformation, wobei die Position des Ziels, die so berechnet wurde, eine größere Präzision aufweist als die berechnet unter Verwendung von nur relativer Positionsinformation.
Die Erfindung stellt ein Vermessungssystem bereit zum Bestimmen der Position eines Objekts in einer Zone, wo ein GPS-Empfänger das Objekt nicht mit ausreichender Präzision für eine vermessungswertige Anwendung lokalisieren kann, umfassend:
einen Positionslokalisierer zum Bestimmen der Position eines ersten Referenzpunkts nahe einem Umfang der Zone unter Verwendung eines GPS-Empfängers und GPS-Signalen;
wobei der Positionslokalisierer relative Positionsinformation des Objektorts erhält relativ zu dem ersten Referenzpunkt während einem Durchlaufen bzw. Durchmessen innerhalb der Zone von dem ersten Referenzpunkt in Richtung des Objekts, wobei Nachverfolgungsfehler während dem Durchlaufen gesammelt werden;
ein Hilfsgerät zum Reduzieren der angesammelten Nachverfolgungsfehler während dem Durchlaufen zu dem Ziel innerhalb der Zone, durch Bestimmen einer Position relativ zu mindestens einem Referenzort, dessen Position bekannt ist.
Die Erfindung stellt ein Vermessungssystem bereit zum Bestimmen der Position eines Ziels, umfassend:
einen Positionslokalisierer zum Bestimmen der Position eines Startpunkts, beabstandet von dem Zielpunkt, wobei der Positionslokalisierer Positionen nachverfolgt bzw. den Überblick behält, wenn man von dem Startpunkt zu dem Ziel läuft, unter Verwendung eines Nachverfolgungsverfahrens, das der Ansammlung von Nachverfolgungsfehlern während dem Durchlaufen ausgesetzt ist, und
ein Hilfsgerät zum Reduzieren von gesammelten Nachverfolgungsfehlern während einem Durchlaufen zu dem Ziel innerhalb der Zone durch Bestimmen einer Position relativ zu mindestens einem Referenzort, dessen Position bekannt ist.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
1 zeigt ein GIE-Vermessungsinstrument;
2 zeigt ein GIE-Vermessungsinstrument mit GPS-Verhaltensarray;
3 zeigt eine GIE-Vermessungsinstrumentverwendung;
4 zeigt eine AINS-Architektur;
5 zeigt ein verwaltetes Durchmessen durch eine präzise-GPS-verweigerte Zone aufgrund eines Baums, und eines zu vermessenden Ziels, das sich unter dem Baum befindet;
6 zeigt ein Beispiel eines Positionsfehlers aufgrund eines Azimut-Fehlers;
7. zeigt ein Beispiel eines geglätteten Positionsfehlers; und
8 zeigt eine typische SLAM-Navigation durch ein Feld von Zielen, entweder natürlich auftretende oder platziert durch den Bediener.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zum Bestimmen der Position eines Ziels bereit, umfassend die Schritte eines Bestimmens der Position eines Startpunktes, beabstandet von dem Ziel, Laufen von dem Startpunkt zu dem Ziel, während Positionen nachverfolgt werden, unter Verwendung eines Nachverfolgeverfahrens, das der Ansammlung von Nachverfolgungsfehlern ausgesetzt ist, und auf dem Weg zu dem Ziel, Verringern der gesammelten Fehler durch Bestimmen von einer Position relativ zu mindestens einem Referenzort.
Der Referenzort kann der Startpunkt sein oder kann beabstandet sein von dem Startpunkt. Der Schritt eines Bestimmens der Position eines Startpunkts kann ein Verwenden eines GPS-Empfängers umfassen. Der Schritt eines Durchlaufens bzw. Laufens kann ein Nachverfolgeverfahren mit einer IMU verwenden. Der Schritt eines Verringerns gesammelter Fehler kann erhalten von Hilfsinformation mit einem EDM umfassen.
Die Erfindung stellt ein Verfahren bereit zum Bestimmen des Orts eines Objekts in einer Zone, umfassend:

a. Definieren eines ersten Referenzpunkts nahe dem Umfang der Zone;
b. Lokalisieren eines GPS-Empfängers bei einem ersten GPS-Empfängerort außerhalb der Zone nahe dem ersten Referenzpunkt;
c. Bestimmen der Position des GPS-Empfängers bei dem ersten GPS-Empfängerort unter Verwendung von GPS-Signalen;
d. Bestimmen der Position des ersten Referenzpunkts relativ zu dem GPS-Empfänger bei dem ersten GPS-Empfängerort;
e. Laufen bzw. Durchlaufen von der ersten GPS-Empfängerposition in die Zone zu dem Ort des Objekts, unter Verwendung eines Nachverfolgungsverfahrens, das der Ansammlung von Fehlern ausgesetzt ist;
f. Erhalten von erster relativer Positionsinformation des Objektorts relativ zu dem ersten Referenzpunkt;
g. Erhalten von Hilfspositionsinformation zum Verringern der Ansammlung von Fehlern, erhalten während mindestens einem der Schritte (e) und (f); und
h. Bestimmen des Orts des Objekts, unter Verwendung der Information, erhalten in Schritten (c), (d), (e), (f) und (g).

Die Zone kann ein Bereich sein, wo präzise vermessungswertige Positionsinformation nicht erhalten werden kann, unter Verwendung von GPS. Der Schritt (d) kann ein Verwenden eines EDM umfassen zum Bestimmen der Position des Referenzpunkts relativ zu dem GPS-Empfänger bei dem GPS-Empfängerort. Der Schritt (f) kann ein Verwenden eines EDM umfassen zum Erhalten von erster relativer Positionsinformation des Objektorts relativ zu dem ersten Referenzpunkt. Der Schritt (g) kann ein Verwenden einer IMU umfassen zum Erhalten von Hilfsinformation. Der Schritt (a) kann ein Lokalisieren eines Retroreflektors auf dem ersten Referenzpunkt umfassen. Das Verfahren kann ferner Lokalisieren eines Retroreflektors bei dem Objektort enthalten, und Schritt (f) kann ein Verwenden eines EDM mit einem Laser zum Erhalten von erster relativer Positionsinformation umfassen. Das Verfahren kann ferner ein Verwenden eines Vermessungsstabs mit einem GPS-Empfänger und darauf angebrachten EDM enthalten. Das Verfahren kann ferner ein Verwenden eines Vermessungsstabs mit einem GPS-Empfänger und einer darauf angebrachten IMU enthalten. Das Verfahren kann ferner ein Verwenden eines Vermessungsstabs mit einem GPS-Empfänger, EDM und darauf angebrachter IMU enthalten. Der Schritt (f) kann ein Verwenden eines EDM umfassen und der Schritt (g) kann ein Verwenden einer IMU umfassen.
Die Erfindung stellt ein Verfahren bereit zum Bestimmen des Orts eines Objekts in einer Zone, umfassend:

a. Definieren eines ersten und zweiten Referenzpunkts nahe dem Umfang der Zone;
b. Lokalisieren eines GPS-Empfängers bei einem ersten GPS-Empfängerort außerhalb der Zone nahe des ersten Referenzpunkts;
c. Bestimmen der Position des GPS-Empfängers bei dem ersten GPS-Empfängerort unter Verwendung von GPS-Signalen;
d. Bestimmen der Position des ersten Referenzpunkts relativ zu dem GPS-Empfänger bei dem ersten GPS-Empfängerort;
e. Laufen, von der ersten GPS-Empfängerposition in die Zone, zu dem Ort des Objekts, unter Verwendung eines Nachverfolgungsverfahrens, das der Ansammlung von Fehlern ausgesetzt ist;
f. Erhalten von erster relativer Positionsinformation des Objektorts relativ zu dem ersten Referenzpunkt;
g. Laufen von dem Objektort zu einer zweiten GPS-Empfängerposition außerhalb der Zone und nahe dem zweiten Referenzpunkt, unter Verwendung eines Nachverfolgungsverfahrens, das der Ansammlung von Fehlern ausgesetzt ist;
h. Lokalisieren eines GPS-Empfängers bei dem zweiten GPS-Empfängerort;
i. Bestimmen der Position des GPS-Empfängers bei dem zweiten GPS-Empfängerort, unter Verwendung von GPS-Signalen;
j. Bestimmen der Position des zweiten Referenzpunkts relativ zu dem GPS-Empfänger bei dem zweiten Empfängerort;
k. Erhalten von zweiter relativer Positionsinformation des Objektorts relativ zu dem zweiten Referenzpunkt;
l. Erhalten von Hilfspositionsinformation zum Reduzieren der Ansammlung von Fehlern, erhalten während mindestens einem der Schritte (e), (f), (g) und (k); und
m. Bestimmen des Orts des Objekts, unter Verwendung der Information, die erhalten wird in Schritten (c), (d), (f), (i), (j), (k) und (l).

Der erste und zweite Referenzpunkt können unterschiedlich sein oder die gleichen. Der erste GPS-Empfängerort und der erste Referenzpunkt können die gleichen sein. Der zweite GPS-Empfängerort und der zweite Referenzpunkt können die gleichen sein. Der Schritt (d) kann ein Verwenden eines EDM umfassen zum Bestimmen der Position des ersten Referenzpunkts relativ zu dem GPS-Empfänger bei dem GPS-Empfängerort. Der Schritt (f) kann ein Verwenden einer IMU umfassen zum Erhalten von erster relativer Positionsinformation des Objektorts relativ zu dem ersten Referenzpunkt. Der Schritt (l) kann ein Verwenden eines EDM umfassen zum Erhalten von Hilfsinformation. Der Schritt (l) kann ein Verwenden eines EDM umfassen zum Erhalten von Information hinsichtlich der Position des GPS-Empfängers bei dem zweiten GPS-Empfängerort relativ zu dem ersten GPS-Empfängerort. Der Schritt (j) kann ein Verwenden eines EDM umfassen zum Bestimmen der Position des zweiten Referenzpunkts relativ zu dem zweiten GPS-Empfängerort. Der Schritt (k) kann ein Verwenden einer IMU umfassen zum Erhalten von zweiter relativer Positionsinformation des Objektorts relativ zu dem zweiten Referenzpunkt. Das Verfahren kann ferner Lokalisieren eines Retroreflektors bei dem Objektort enthalten, und die Schritte (f) und (k) können ein Verwenden einer IMU umfassen zum Erhalten von erster und zweiter relativer Positionsinformation. Das Verfahren kann ferner ein Verwenden eines Vermessungsstabs enthalten mit darauf angebrachten GPS-Empfänger und EDM. Das Verfahren kann ferner ein Verwenden eines Vermessungsstabs enthalten mit einem darauf angebrachten GPS-Empfänger und einer IMU. Das Verfahren kann ferner ein Verwenden eines Vermessungsstabs enthalten mit einem darauf angebrachten GPS-Empfänger, EDM und einer IMU. Das Verfahren kann ferner ein Verwenden einer IMU enthalten zum Erhalten von Information in den Schritten (f) und (k) und Schritt (m) kann den Ort des Objekts bestimmen, unter Verwendung eines geglätteten Schätzungsprozesses, der Vorwärts- und Rückwärtszeitabschätzungsprozesse kombiniert zum Reduzieren eines Positionsfehlers. Die Zone kann ein Bereich sein, wo präzise vermessungswertige Positionsinformation nicht unter Verwendung von GPS erhalten werden kann.
Die Erfindung stellt ein Vermessungssystem bereit zum Bestimmen der Position eines Ziels in einer Zone, in der präzise vermessungswertige Ortsdaten nicht unter Verwendung von GPS-Empfängern erhalten werden kann, umfassend:
einen GPS-Empfänger zum Bestimmen der Position eines Startpunktes nahe dem Umfang der Zone;
ein Messsystem zum Erhalten von relativer Positionsinformation, wenn man von dem Startpunkt zu dem Ziel läuft, wobei das Messsystem der Ansammlung von Nachverfolgungsfehlern ausgesetzt ist während dem Durchlaufen und zum Erhalten von Hilfspositionsinformation zum Reduzieren der Ansammlung von Fehlern während dem Durchlaufen bzw. Durchmessen; und
ein Verarbeitungssystem zum Berechnen der Position des Ziels, unter Verwendung der Startpunktposition, der relativen Positionsinformation und der Hilfspositionsinformation, wobei die Position des Ziels, die so berechnet wird, eine größere Präzision aufweist, als die, die berechnet wird unter Verwendung von nur der relativen Positionsinformation.
Das System kann ferner einen Vermessungsstab umfassen, auf dem der GPS-Empfänger angebracht ist, und das Messsystem kann einen EDM umfassen mit einem auf dem Stab angebrachten Laser. Das System kann ferner einen Vermessungsstab umfassen, auf dem der GPS-Empfänger angebracht ist, und das Messsystem kann eine IMU umfassen, die an dem Stab angebracht ist. Das System kann ferner einen Vermessungsstab umfassen, auf dem der GPS-Empfänger angebracht ist, und das Messsystem kann einen EDM mit einem Laser umfassen, und eine IMU, die auf dem Stab angebracht ist. Das Messsystem kann relative Positionsinformation einer Vielzahl von Zwischenreferenzpunkten innerhalb der Zone erhalten, wenn man von dem Startpunkt zu dem Ziel läuft, wobei die relative Positionsinformation bei jedem Punkt relativ zu dem vorherigen Punkt ist, und das Messsystem kann Hilfsinformation für mindestens einen der Zwischenreferenzpunkte erhalten, durch Erhalten von relativen Positionsdaten von dem Zwischenreferenzpunkt zu dem Startpunkt. Das Messsystem kann eine IMU umfassen zum Erhalten von relativer Positionsinformation, und einen EDM zum Erhalten der Hilfsinformation.
Die Erfindung stellt ein Vermessungssystem bereit zum Bestimmen der Position eines Objekts in einer Zone, wobei ein GPS-Empfänger das Objekt nicht mit ausreichender Präzision für eine vermessungswertige Anwendung lokalisieren kann, umfassend:
einen Positionslokalisierer zum Bestimmen der Position eines ersten Referenzpunkts nahe einem Umfang der Zone unter Verwendung eines GPS-Empfängers und GPS-Signalen, wobei der Positionslokalisierer relative Positionsinformation des Objektorts relativ zu dem ersten Referenzpunkt erhält während einem Durchlaufen innerhalb der Zone von dem ersten Referenzpunkt in Richtung des Objekts, wobei Nachverfolgungsfehler während dem Durchlaufen angesammelt werden; und
ein Hilfsgerät zum Reduzieren der angesammelten Nachverfolgungsfehler während dem Durchlaufen zu dem Ziel innerhalb der Zone, durch Bestimmen der Position relativ zu mindestens einem Referenzort, dessen Position bekannt ist.
Die Erfindung stellt ein Vermessungssystem bereit zum Bestimmen der Position eines Ziels, umfassend:
einen Positionslokalisierer zum Bestimmen der Position eines Startpunkts, beabstandet von dem Zielpunkt; wobei der Positionslokalisierer Positionen verfolgt, wenn man von dem Startpunkt zu dem Ziel läuft bzw. durchmisst, unter Verwendung eines Nachverfolgungsverfahrens, das der Ansammlung von Nachverfolgungsfehlern während dem Durchlaufen ausgesetzt ist, und
ein Hilfsgerät zum Reduzieren der angesammelten Nachverfolgungsfehler während einem Durchlaufen zu dem Ziel innerhalb der Zone durch Bestimmen einer Position relativ zu mindestens einem Referenzort, dessen Position bekannt ist.
1 zeigt ein GIE-Vermessungsinstrument, das einen Vermessungsstab 12 umfasst, sowie einen GPS-Empfänger und eine Antennen/IMU-Anordnung (AIA, Antenne/IMU Assembly) 14, einen EDM 16 mit einem Laserstrahl mit visuellem Anvisieren, einem Handgriff 18, einen Null-Geschwindigkeits-Indikatorschalter (ZVI) 20 an dem Boden des Stabs, eine Erdkontaktspitze 22 und ein elektronisches Modul 24, mit dem eine Dateneingabeeinheit 26 und ein Batteriemodul verbunden sind. Das GIE-Vermessungsinstrument stellt ein Inertialnavigationssystem durch die IMU-Anordnung 14 und andere Komponenten an dem Instrument bereit. Das elektronische Modul 24 kann einen Prozessor zum Verarbeiten der Daten enthalten.
Der EDM misst den Abstand zu einem Ziel, das der Bediener bestimmt hat über ein Beobachtungsteleskop, das in dem EDM eingebaut ist. Während dem Betrieb manipuliert der Bediener den gesamten Stab zum Ausrichten des EDMs. Dies kann hinderlich sein, daher kann ein EDM, der getrennt ausgerichtet werden kann, bequemer sein, und ein Paar an Wellencodierern kann bereitgestellt werden zum Messen EDM-Orientierungswinkel mit Bezug auf den Rest des Instruments. Die tatsächliche Konfiguration wird einen Kompromiss benötigen zwischen Einfachheit und der Leichtigkeit der Bedienung.
Wenn das GIE-Vermessungsinstrument einen klaren Zugriff auf GPS-Sichtlinien hat, dann arbeitet es wie ein GPS-Vermessungsinstrument, stellt präzise vermessungswertige Ortsinformation bereit, und der Bediener braucht nicht den EDM oder ZVI zu betätigen. Wenn das GIE-Vermessungsinstrument nicht in der Lage ist, eine Ortsfixierung bereitzustellen, arbeitet es in einer präzisen-GPS-verweigerten Zone, und dann bedient der Bediener das Instrument wie einen Laufstab und erhält Ortsinformation unter Verwendung des EDM und/oder IMU. Wenn die Erdspitze mit der Erde verbunden ist, schließt der ZVI-Schalter und dabei wird zu der Verarbeitungs-Software signalisiert, dass die Erdspitze stationär ist bei ihrem Kontaktpunkt mit der Erde. Die Verarbeitungs-Software verwendet die Null-Geschwindigkeitsinformation zum Steuern einer Ansammlung von Geschwindigkeitsfehlern. Dieser Mechanismus ist Teil eines Konzepts, das der Laufstabnavigator (WSN, Walking Stick Navigator) genannt wird, und die Details von diesem sind offenbart in dem vorherigen US-Patent Nr. 6,853,909 , das hierin durch Bezugnahme enthalten ist. 3 zeigt das Grundkonzept des WSN, das durch einen Bediener ausgeführt wird.
2 zeigt eine Variation des Grund-GIE-Vermessungsinstruments, das ein Zwei-Antennen-GPS-Verhaltens-Array enthält, zum Helfen des Intertialnavigators. Ein Zwei-Antennen-Array stellt eine Richtungshilfe bzw. Heading-Hilfe bereit, und ist typischerweise alles, was benötigt wird zum Erhalten von schneller Richtungsanordnung und kontinuierlicher Richtungsfehlersteuerung. Rollwinkel und Neigung werden gemessen unter Verwendung von Beschleunigern in der IMU. Der GIE kann ein Drei-Antennen-GPS-Verhaltens-Array bzw. Drei-Antennen-GPS-Attitude-Array aufweisen. In der Abwesenheit einer IMU stellt ein Drei-Antennen-Attitude-Array die vollständige Orientierungslösung bereit.
Das GIE-Vermessungsinstrument enthält eine AINS-Architektur, wie in 4 gezeigt. Dies ist ein Standardalgorithmus zum Kombinieren von Intertialdaten, die von einer IMU kommen mit anderen Navigationsdaten, hier Hilfsdaten genannt, die von dem GPS-Empfänger, ZVI und EDM kommen. Der Inertialnavigatormechanismus löst die Newton-schen Bewegungsgleichungen auf der Erde unter Verwendung der Beschleunigungen und Winkelraten, die von den Beschleunigern und Kreisel oder Gyroskopen in der IMU kommen, vorausgesetzt, dass es ausreichend gut initialisiert wurde. Der Initialisierungsprozess wird im Allgemeinen Anordnung genannt. Die INS-Lösung umfasst die IMU-Position, Geschwindigkeit und Orientierung (roll, pitch and heading, bzw. Rollwinkel, Neigung und Richtung. Die Orientierung der IMU kann verwendet werden als die Zeigewinkel des EDM-Lasers. Deshalb kann das GIE-Vermessungsinstrument die Polarkoordinaten eines Zielpunkts mit Bezug auf die eigene Position berechnen, unter Verwendung der IMU-Orientierung und der EDM-Abstandsmessung. Ferner kann ein Hilfsinertialnavigationssystem-(AINS, Added Inertial Navigation System)-Kalman-Filter die EDM-Abstandsmessungen verwenden, um Zielpositionen zu kennen, um dem INS zu helfen, und dabei Positions- und Orientierungsfehler besser zu regulieren.
Das verwaltete Durchmessverfahren gemäß der Erfindung stellt ein Verfahren eines Durchmessens einer präzisen-GPS verweigerten Zone bereit. 5 zeigt ein einfaches Beispiel einer präzisen-GPS-verweigerten Zone, die erzeugt wird durch einen Baum und einen Zielpunkt 42, der zu vermessen ist, und sich unter dem Baum befindet. Die präzise-GPS-verweigerte Zone wird durch einen Kreis 40 gezeigt. Der Bediener stellt zwei oder mehr Retroreflektoren 44 nahe dem Umfang der präzisen-GPS-verweigerten Zone auf. Die Retroreflektoren werden angebracht auf leichte Tripods und sind daher selbstunterstützend. Der Bediener platziert die Retroreflektor-Tripods einfach auf ausreichend festem Grund, so dass sie sich nicht bewegen, in einem Muster, das eine ausreichende Trilaterierungsgeometrie um und in der präzisen-GPS-verweigerten Zone bereitstellt.
Der Bediener vermisst dann die Positionen der Retroreflektoren 44, unter Verwendung des GIE-Vermessungsinstruments 10 außerhalb der präzisen-GPS-verweigerten Zone, wobei die GIE-Vermessungsinstrumentgenauigkeit auf einem Zentimeterniveau ist. Weil das GIE-Vermessungsinstrument eine Hilfs-INS implementiert, berechnet es Rollwinkel, Neigung und Richtung des Instruments und daher die EDM-Sichtlinie. Dies erlaubt, dass das Instrument die relative Position des Retroreflektors 44 berechnen kann mit Bezug auf das GIE-Vermessungsinstrument hinsichtlich Polarkoordinaten (Azimut, Höhe, Abstand) und transferiert dabei die präzise GIE-Vermessungsinstrumentposition an die Retroreflektoren 44. Der Retroreflektorpositionsfehler aufgrund von Rollwinkel, Neigung oder Azimut-Fehler wird proportional verwandt sein mit dem Abstand zwischen dem GIE-Instrument und dem Retroreflektor. Typischerweise ist der Azimut-Fehler die größte Quelle von Positionsfehlern in einer einzelnen Polarkoordinatenmessung der relativen Position. Der Bediener kann zwei oder mehr Messungen der Retroreflektorposition ausführen von verschiedenen GIE-Vermessungsinstrumentpositionen zum Erhalten eines statistischen Durchschnittsbildens von Fehlern und zum Eliminieren des Effekts des Azimut-Fehlers durch Verwenden von Abstandstrilateration. Der Bediener nimmt die Retroreflektorpositionen auf für eine zukünftige Verwendung in dem Datenspeicher.
Der Bediener gibt dann die präzise-GPS-verweigerte Zone 40 ein, und verwendet das GIE-Vermessungsinstrument auf eine Laufstab-Art und Weise, wie beschrieben in US-Patent Nr. 6,853,909 . Der Bediener misst periodisch Abstände zu dem Retroreflektor 44. Diese Schritte werden verwendet zum Steuern der Orientierung (Rollwinkel, Neigung und Azimut)-Fehler in dem Hilfs-INS des GIE-Vermessungsinstruments, und zum Bereitstellen von Hilfsinformation zum Verringern der Ansammlung von Nachverfolgungsfehlern. Wenn der Bediener den Zielpunkt erreicht, platziert er die Erdspitze 22 auf dem Zielpunkt 22 und misst Abstände zu allen Retroreflektoren 44. Das Hilfs-INS in dem GIE-Vermessungsinstrument berechnet eine präzise Zielpunktposition unter Verwendung dieser Bereiche bzw. Abstände. Der Bediener kann dann die präzise-GPS-verweigerte Zone 40 verlassen auf die gleiche Art und Weise, wie er eingetreten ist, um die Hilfs-INS-Orientierungsfehler zu steuern. Alternativ kann der Bediener die Zone bei einem unterschiedlichen Ort verlassen. Wenn immer der Bediener die Zone verlässt, kann er Positionsinformation erhalten unter Verwendung des GPS-Empfängers.
Eine IMU enthält typischerweise Beschleuniger und Kreisel oder Gyroskope und die Elektronik zum Digitalisieren der IMU-Daten. Zum Erzeugen einer INS-Lösung kann ein Verarbeitungscomputer bereitgestellt werden zum Laufenlassen der INS-Gleichungen. Der gleiche Computer (oder Prozessor) kann die anderen Algorithmen in einem INS ablaufen lassen. Der gleiche Computer (oder Prozessor) kann die verwaltete Durchmessung in IFNA-Algorithmen in einem GIE ablaufen lassen.
Die Retroreflektoren können Sphären sein, wie zum Beispiel Ping-Pong-Bälle. Der Vorteil eines Verwendens einer Sphäre als Ziel ist der, dass der gemessene Abstand unbeeinflusst ist von irgendeiner Richtung, vorausgesetzt der EDM-Laserpunkt ist auf dem Zentrum der Sphäre. Alternativ wird, falls das GIE-Instrument stationär bleibt und das sphärische Ziel rotiert wird um irgendeinen Winkel, aber nicht versetzt wird, dann der durch den EDM gemessene Abstand unverändert bleiben.
Elemente des verwalteten Durchmessverfahrens gemäß der Ausführungsform sind (1) Verwenden eines GIE-Vermessungsinstruments, das ein Hilfs-INS enthält, (2) ein Verfahren einer Abstandsbestimmung von festen Zielen, und (3) ein Verfahren zum Vermessen der festen Zielposition.
Das Hilfs-INS führt den optimalen Informationsverschnitt aus in seinem Kalman-Filter, das die Zielposition erzeugt. Das Verfahren einer Abstandsbestimmung, das oben diskutiert wurde, war ein EDM 16 auf dem GIE-Vermessungsinstrument und ein Array von am Tripod angebrachten Retroreflektoren. Alternative Verfahren einer Abstandsbestimmung können auch betrieben werden, falls sie in der Lage sind, Zentimeterniveaugenauigkeit zu erreichen. Eine solche unten diskutierte Alternative ist eine Technik, die simultane Ort und Abbildung (SLAM, Simultaneous Location And Mapping) genannt wird, die Videobilder verwendet zum Extrahieren von Abständen zu festen Zielen in den Bildern.
Ein Maßstabsystem bzw. Dead-Reckoning-System wird Positionsfehler sammeln, wenn es ohne Positionsinformation läuft. Das GIE-Vermessungsinstrument mit Laserabstandshilfe wird Positionsfehler steuern während einem verwalteten Durchmessen innerhalb des angesammelten Orientierungsfehlers. Ein einfaches Beispiel, wie in Azimut-Fehler den berechneten Zielpositionsfehler beeinflusst, ist in 6 gezeigt.
7 zeigt Vorwärtszeit, Rückwärtszeit und geglättete Schätzungsprozesse. Der Vorwärtszeitschätzprozess kombiniert optimal gegenwärtige und frühere Information von Hilfssensoren. Der Rückwärtszeitschätzprozess verwendet gegenwärtige und zukünftige Information von Hilfssensoren und kann daher nur in einer Nachverarbeitung von aufgezeichneten Daten laufen. Der geglättete Schätzungsprozess ist eine optimale Kombination der Vorwärtszeit- und Rückwärtszeitschätzprozesse. Der Geglättete-Positionsfehler ist kleiner als entweder der Vorwärtszeit- oder Rückwärtszeitpositionsfehler, was daher resultiert, dass alle früheren, gegenwärtigen und späteren Informationen bei jedem Zeitpunkt verwendet werden.
Die Beschleuniger und Kreisel in der IMU enthalten Instrumentenfehler, wie zum Beispiel Biasfehler, Skalenfaktorfehler und Nicht-Orthogonalitätsfehler, die das AINS-Kalman-Filter versucht, abzuschätzen unter Verwendung von gegenwärtig verfügbaren Hilfsdaten. Beispielsweise wird das AINS einen Azimut-Fehler ansammeln aufgrund des Biasfehlers in dem Azimut-Gyroskop, das der Kalman-Filter nicht in der Lage war zu kalibrieren. Eine gewöhnliche Technik in Kleinste-Quadrate-Abschätzung zum Verwenden von zukünftiger Information zum Aktualisieren einer gegenwärtigen Schätzung ist Glätten. Dies involviert einen Abschätzungsprozess, der rückwärts läuft auf den Daten, um zukünftige Information für eine gegenwärtige Abschätzung zu verwenden. US-Patent Nr. 6,834,234 , das hier durch Bezugnahme enthalten ist, betrifft eine Technik, die In-Field Field Network Adjustment (IFNA) genannt wird, die Glätter auf Daten-Segmenten in allgemeinen GPS-verweigerten Zonen laufen lässt. Das verwaltete Durchmesskonzept kann IFNA enthalten, um präzise GPS-Positionsinformation von beiden Enden des verwalteten Durchmessens zu der Zielpositionsschätzung in der Mitte des Durchmessens zu bringen.
Das GIE-Vermessungsinstrument, das IFNA implementiert, wird alle Inertial- und Hilfsdaten aufzeichnen während einem verwalteten Durchmessen und wird eine geglättete Zielvermessungsposition berechnen, sobald sie aus der präzisen-GPS-verweigerten Zone herausgeht. Die präzise GPS-Positionsfixierungen an jedem Ende des verwalteten Durchmessens wird signifikant die Positionsgenauigkeit verbessern in der Mitte des Durchlaufens bzw. Durchmessens. In diesem Fall wird eine Verbesserung von dem geglätteten Orientierungsfehler kombiniert mit EDM-Abstandsmessungen kommen.
Eine Alternative zu oder eine Hinzufügung zur Verwendung eines Laser-EDM ist es, eine Technik zu verwenden, die als Simultaneous Location and Mapping (SLAM) bekannt ist. SLAM ist ein Verfahren, das einen Mobilroboter oder unbenanntes Fahrzeug verwendet, um in einem unbekannten Raum zu navigieren. SLAM verwendet Sequenzen von Bildern von einer oder mehreren Videokameras zum Identifizieren von festen Merkmalen und bildet dann eine Karte von festen Merkmalen und dem Ort des Roboters. Zwei Schlüsselbildverarbeitungstechniken werden angewandt. Eine ist eine Bildsegmentierung und Merkmalsextrahierung. SLAM verwendet diese zum Identifizieren von bestimmten Merkmalen, die bekannt sind, stationär zu sein, und daher gültige Referenzpunkte im dreidimensionalen Raum bilden. Typische Auswahlen sind Bäume außen oder Lichtfixierungen innen. Die andere Technik ist Stereoabbilden zum Extrahieren von Tiefe und daher Abstand-zu-Merkmalsinformation. SLAM bildet eine Karte von Merkmalen in einem dreidimensionalen Koordinatengitter, da es diese von verschiedenen Roboterpositionen abbildet, und dabei die eigene Position in dem Gitter bestimmt. Der Abbildungs- und Selbstlokalisierungsprozess wird implementiert in einem einzelnen Kalman-Filter, das alle Variablen abschätzt. Sobald SLAM Bezugspunkte bzw. Referenzpunkte identifiziert hat über Merkmalsextrahierung, ist das Verfahren einer Positionierung ähnlich zu dem vorher beschriebenen Positionierungsverfahren, das Laserabstände verwendet. In diesem Fall wird eine Abstandsextrahierung durchgeführt unter Verwendung eines Stereoabbildens von mehreren überlappenden 2D-Bildern. Eine Übersicht von und Beschreibungen der SLAM-Techniken können in den unten genannten Referenzen gefunden werden.
SLAM-Techniken können verwendet werden anstatt oder zusätzlich zu dem EDM in einem GIE-Vermessungsinstrument. Das Instrument kann eine Videokamera mit ausreichend kleiner Pixelgröße enthalten, in der Größenordnung von geringer als 2 cm über entweder ein großes CCD oder einem engen Sichtfeld (FOV, Field Of View). Das enge Sichtfeld ist der weniger teuere Ansatz, aber kann die Verwendbarkeit des Instruments begrenzen, da der Bediener manuell Merkmale auswählen muss, und die Kamera auf diese richten. Ein weites FOV erlaubt der Kamera, Merkmale automatisch einzufangen, aber benötigt eine hohe Auflösung und daher ein großes CCD-Array zum Erhalten einer zentimeterhohen Pixelgröße. Das Instrument würde einen SLAM-Verarbeitungsalgorithmus enthalten, der Bilder eingibt mit einer Bildrate, die durch die Instrumentdynamik vorgegeben wird (5 Bilder pro Sekunde sollten genügen für ein handgehaltenes Instrument) und gibt die Positionen der festen Ziele aus, die es identifiziert hat, und die Instrumentposition, alle in relativen kartesischen Koordinaten, dessen x-y-Achse bestimmt wird durch die Inertialorientierung des Instruments. Das AINS-Kalman-Filter würde dann die SLAM-Positionsinformation zusätzlich zu Intertial-, GPS- und Null-Geschwindigkeits-Daten verwenden zum Berechnen der optimalen Position und zum Aktualisieren der Abschätzungen des SLAM-Prozessors der festen Zielpositionen. Falls das GIE-Vermessungsinstrument betrieben wird in einem vollen RTK-Modus außerhalb einer präzisen-GPS-verweigerten Zone, können dann alle Zielpositionsfehler verringert werden auf 1–2 cm. Wenn das GIE-Vermessungsinstrument eintritt in eine präzise-GPS-verweigerte Zone, dann stellt SLAM plus AINS-Orientierungsdaten die Positionsinformation bereit, um eine RTK-Positionsgenauigkeit aufrecht zu erhalten.
Der SLAM-Bildsegmentierungs- und Merkmalsextrahierungsalgorithmus kann entworfen werden für ein bestimmten Merkmal, wie zum Beispiel eine ungewöhnliche Form und/oder Farbe, ausgewählt zum Durchführen einer einfachen und verlässlichen Segmentierung und Extrahierung. Der Bediener kann Tripods verwenden, die dieses Merkmal haben, anstelle von Retroreflektoren, die vorher beschrieben wurden. Dies würde sicherstellen, dass gewünschte Merkmale für SLAM immer vorliegen. Es würde auch die SLAM-Software vereinfachen, die in dem SLAM-Prozessor läuft und möglicherweise das Design der Videokamera.
8 zeigt, wie ein GIE-Vermessungsinstrument durch ein Feld von Zielen navigieren kann, die entweder natürlich auftreten oder von dem Bediener platziert sind. Ein richtiges SLAM-basiertes GIE-Vermessungsinstrument sollte entworfen sein, so dass die Kamera die Ziele mit ausreichend starker Geometrie sehen kann, um ihre simultane Positionsmessung und Positionierung des Instruments zu erlauben.
Die folgenden Referenzen, die hierin durch Bezugnahme enthalten sind, stellen zusätzliche Information bezüglich der Erfindung bereit.

1. George Siouris, Aerospace Avionics Systems, A Modern Synthesis, Academic Press 1993.
2. Oleg Salychev, Inertial System in Navigation and Geophysics, Bauman MSTU Press, Moscow 1998.
3. U.S. Patent Nr. 6,853,909 .
4. U.S. Patent Nr. 6,834,234 .
5. U.S. Patent Nr. 6,266,628 .
6. U.S. Patent Nr. 5,268,695 .
7. U.S. Patent Nr. 5,561,432 .
8. Principles of Robot Motion von Howie Choset, et al The MIT Press (4. Juni 2005), ISBN: 0262033275.
9. Introduction to Autonomous Mobile Robots (Intelligent Robotics and Autonomous Agents), von Roland Siegesart and Illah R. Nourbakhsh, The MIT Press (1. April 2004), ISBN: 026219502X.
10. Computational Principles of Mobile Robotics von Gregory Dudek und Michael Jenkin.
11. Einige Links zu SLAM-Literatur im Internet enthalten: http://www.cas.kth.se/SLAM/Presentations/hdw-slides.pdf http://www.robots.ox.ac.uk/ActiveVision/Papers/davison_iccy2003/davison_iccv2003.pdf http://www.acfr.usyd.edu.au/publications/downloads/2002/Williams167/ifac2002Submission.pdf http://www.web.media.mit.edu/~rgupta/IROS04jason.pdf

ZUSAMMENFASSUNG
Ein Verfahren und System erhält präzise vermessungswertige Präzisionsdaten von Zielpunkten in Zonen, wo präzise GPS-Daten nicht erhalten werden können aufgrund von natürlichen oder künstlichen Objekten, wie zum Beispiel Laub- oder Blattwerk und Gebäuden. Das System umfasst einen GPS-Empfänger, angebracht auf einem Vermessungsstab mit einer Initialmesseinheit (IMU, Inertial Measurement Unit) und einem elektronischen Abstandsmesser (EDM, Electronic Distance Meter) auch angebracht auf dem Stab. Das System und Verfahren erhält GPS-Daten, wenn es außerhalb der Zone ist, und verwendet die IMU innerhalb der Zone zum Durchmessen auf einen Zielpunkt, unter Verwendung des EDM zum Erhalten von Daten, die reduziert sind um gesammelte Fehler, die auftreten bei der IMU.
Das Folgende ist eine Tabelle von Abkürzungen, die hierin verwendet werden:

AIA: Antenne/IMU-Anordnung
AINS: Hilfsinertialnavigationssystem
ATS: automatische Totalstation
CCD: CCD-Kamera
CTS: herkömmliche Totalstation
EDM: elektronischer Abstandsmesser
FOV: Sichtfeld
GIE: GPS-Inertial-EDM
GIS: geographisches Informationssystem
GPS: globales Positionierungssystem
IFNA: In-field field network adjustment
IMU: Inertialmesseinheit
INS: Inertialnavigationssystem
MMI: Mensch-Maschine-Schnittstellen
RTK: Echtzeitkinematik
SLAM: simultane Ort und Abbildung
TBD: zu bestimmen
WSN: Laufstabnavigator
ZVI: Null-Geschwindigkeits-Indikator

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- US 6853909 [0037, 0042, 0055]
- US 6834234 [0049, 0055]
- US 6266628 [0055]
- US 5268695 [0055]
- US 5561432 [0055]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- George Siouris, Aerospace Avionics Systems, A Modern Synthesis, Academic Press 1993 [0055]
- Oleg Salychev, Inertial System in Navigation and Geophysics, Bauman MSTU Press, Moscow 1998 [0055]
- Principles of Robot Motion von Howie Choset, et al The MIT Press (4. Juni 2005), ISBN: 0262033275 [0055]
- Introduction to Autonomous Mobile Robots (Intelligent Robotics and Autonomous Agents), von Roland Siegesart and Illah R. Nourbakhsh, The MIT Press (1. April 2004), ISBN: 026219502X [0055]
- Computational Principles of Mobile Robotics von Gregory Dudek und Michael Jenkin [0055]
- http://www.cas.kth.se/SLAM/Presentations/hdw-slides.pdf [0055]
- http://www.robots.ox.ac.uk/ActiveVision/Papers/davison_iccy2003/davison_iccv2003.pdf [0055]
- http://www.acfr.usyd.edu.au/publications/downloads/2002/Williams167/ifac2002Submission.pdf [0055]
- http://www.web.media.mit.edu/~rgupta/IROS04jason.pdf [0055]

Claims

Ein Verfahren zum Bestimmen der Position eines Ziels, umfassend die Schritte: Bestimmen der Position eines Startpunktes, beabstandet von dem Ziel; Laufen von dem Startpunkt zu dem Ziel, während Positionen verfolgt werden, unter Verwendung eines Nachverfolgungsverfahrens, das der Ansammlung von Nachverfolgungsfehlern ausgesetzt ist; auf dem Weg zu dem Ziel, Reduzieren der angesammelten Fehler durch Bestimmen einer Position relativ zu mindestens einem Referenzort.
Das Verfahren zum Bestimmen der Position eines Ziels nach Anspruch 1, wobei der Referenzort der Startpunkt ist.
Das Verfahren zum Bestimmen der Position eines Ziels nach Anspruch 1, wobei der Referenzort beabstandet ist von dem Startpunkt.
Das Verfahren zum Bestimmen der Position eines Ziels nach Anspruch 1, wobei der Schritt zum Bestimmen der Position eines Startpunkts ein Verwenden eines GPS-Empfängers umfasst.
Das Verfahren zum Bestimmen der Position eines Ziels nach Anspruch 1, wobei der Schritt eines Laufens ein Nachverfolgungsverfahren mit einer IMU verwendet.
Das Verfahren zum Bestimmen der Position eines Ziels nach Anspruch 1, wobei der Schritt eines Reduzierens von angesammelten Fehlern, erhalten von Hilfsinformation mit einem EDM umfasst.
Ein Verfahren zum Bestimmen des Orts eines Objekts in einer Zone, umfassend: a. Definieren eines ersten Referenzpunkts nahe dem Umfang der Zone; b. Lokalisieren eines GPS-Empfängers bei einem ersten GPS-Empfängerort außerhalb der Zone nahe dem ersten Referenzpunkt; c. Bestimmen der Position des GPS-Empfängers bei dem ersten GPS-Empfängerort unter Verwendung von GPS-Signalen; d. Bestimmen der Position des ersten Referenzpunkts relativ zu dem GPS-Empfänger bei dem ersten GPS-Empfängerort; e. Laufen, von der ersten GPS-Empfängerposition in die Zone, zu dem Ort des Objekts, unter Verwendung eines Nachverfolgungsverfahrens, das der Ansammlung von Fehlern unterworfen ist; f. Erhalten von erster relativer Positionsinformation des Objektorts relativ zu dem ersten Referenzpunkt; g. Erhalten von Hilfspositionsinformation zum Reduzieren der Ansammlung von Fehlern, erhalten durch mindestens einen der Schritte (e) und (f); und h. Bestimmen des Orts des Objekts, unter Verwendung der Information, erhalten in Schritten (c), (d), (e), (f) und (g).
Das Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Zone ein Bereich ist, wo präzise vermessungswertige Positionsinformation nicht unter Verwendung von GPS erhalten werden kann.
Das Verfahren nach Anspruch 7, wobei der Schritt (d) umfasst, Verwenden eines EDM zum Bestimmen der Position des Referenzpunkts relativ zu dem GPS-Empfänger bei dem GPS-Empfängerort.
Das Verfahren nach Anspruch 7, wobei der Schritt (f) umfasst, Verwenden eines EDM zum Erhalten erster relativer Positionsinformation des Objektorts relativ zu dem ersten Referenzpunkt.
Das Verfahren nach Anspruch 7, wobei Schritt (g) umfasst, Verwenden einer IMU zum Erhalten von Hilfsinformation.
Das Verfahren nach Anspruch 7, wobei Schritt (a) umfasst, Lokalisieren eines Retroreflektors auf dem ersten Referenzpunkt.
Das Verfahren nach Anspruch 7, ferner enthaltend, Lokalisieren eines Retroreflektors bei dem Objektort, und wobei Schritt (f) umfasst, Verwenden eines EDM mit einem Laser zum Erhalten von erster relativer Positionsinformation.
Das Verfahren nach Anspruch 7, ferner enthaltend, Verwenden eines Vermessungsstabs mit einem GPS-Empfänger und EDM, darauf angebracht.
Das Verfahren nach Anspruch 7, ferner enthaltend, Verwenden eines Vermessungsstabs mit einem GPS-Empfänger und IMU, darauf angebracht.
Das Verfahren nach Anspruch 7, ferner enthaltend, Verwenden eines Vermessungsstabs mit einem GPS-Empfänger, EDM und IMU, darauf angebracht.
Das Verfahren nach Anspruch 7, wobei Schritt (f) umfasst, Verwenden eines EDM, und wobei Schritt (g) eine Verwendung einer IMU umfasst.
Ein Verfahren zum Bestimmen des Orts eines Objekts in einer Zone, umfassend: a. Definieren eines ersten und zweiten Referenzpunkts nahe dem Umfang der Zone; b. Lokalisieren eines GPS-Empfängers bei einem ersten GPS-Empfängerort außerhalb der Zone nahe dem ersten Referenzpunkt; c. Bestimmen der Position des GPS-Empfängers bei dem ersten GPS-Empfängerort unter Verwendung von GPS-Signalen; d. Bestimmen der Position des ersten Referenzpunkts relativ zu dem GPS-Empfänger bei dem ersten GPS-Empfängerort; e. Laufen, von der ersten GPS-Empfängerposition in die Zone, zu dem Ort des Objekts, unter Verwendung eines Nachverfolgungsverfahrens, das der Ansammlung von Fehlern ausgesetzt ist; f. Erhalten von erster relativer Positionsinformation des Objektorts relativ zu dem ersten Referenzpunkt; g. Laufen von dem Objektort zu einer zweiten GPS-Empfängerposition außerhalb der Zone und nahe dem zweiten Referenzpunkt, unter Verwendung eines Nachverfolgungsverfahrens, das der Ansammlung von Fehlern ausgesetzt ist; h. Lokalisieren eines GPS-Empfängers bei dem zweiten GPS-Empfängerort; i. Bestimmen der Position des GPS-Empfängers bei dem zweiten GPS-Empfängerort, unter Verwendung von GPS-Signalen; j. Bestimmen der Position des zweiten Referenzpunkts relativ zu dem GPS-Empfänger bei dem zweiten Empfängerort; k. Erhalten von zweiter relativer Positionsinformation des Objektorts relativ zu dem zweiten Referenzpunkt; l. Erhalten von Hilfspositionsinformation zum Reduzieren der Ansammlung von Fehlern, erhalten während mindestens einem der Schritte (e), (f), (g) und (k); und m. Bestimmen des Orts des Objekts, unter Verwendung der Information, erhalten in Schritten (c), (d), (f), (i), (j), (k) und (l).
Das Verfahren nach Anspruch 15, wobei der erste und zweite Referenzpunkt unterschiedlich sind.
Das Verfahren nach Anspruch 18, wobei der erste und zweite Referenzpunkt der gleich ist.
Das Verfahren nach Anspruch 18, wobei der erste GPS-Empfängerort und der erste Referenzpunkt dieselben sind.
Das Verfahren nach Anspruch 18, wobei der zweite GPS-Empfängerort und der zweite Referenzpunkt dieselben sind.
Das Verfahren nach Anspruch 18, wobei der Schritt (d) umfasst, Verwenden eines EDM zum Bestimmen der Position des ersten Referenzpunkts relativ zu dem GPS-Empfänger bei dem GPS-Empfängerort.
Das Verfahren nach Anspruch 18, wobei der Schritt (f) umfasst, Verwenden einer IMU zum Erhalten von erster relativer Positionsinformation des Objektorts relativ zu dem ersten Referenzpunkt.
Das Verfahren nach Anspruch 18, wobei Schritt (l) umfasst, Verwenden eines EDM zum Erhalten von Hilfsinformation.
Das Verfahren nach Anspruch 18, wobei Schritt (l) umfasst, Verwenden eines EDM zum Erhalten von Information hinsichtlich der Position des GPS-Empfängers bei dem zweiten GPS-Empfängerort relativ zu dem ersten GPS-Empfängerort.
Das Verfahren nach Anspruch 18, wobei Schritt (j) umfasst, Verwenden eines EDM zum Bestimmen der Position des zweiten Referenzpunkts relativ zu dem zweiten GPS-Empfängerort.
Das Verfahren nach Anspruch 18, wobei Schritt (k) umfasst, Verwenden einer IMU zum Erhalten von zweiter relativer Positionsinformation des Objektorts relativ zu dem zweiten Referenzpunkt.
Das Verfahren nach Anspruch 18, ferner enthaltend, Lokalisieren eines Retroreflektors bei dem Objektort, und wobei Schritte (f) und (k) umfassen, Verwenden einer IMU zum Erhalten von erster und zweiter relativer Positionsinformation.
Das Verfahren nach Anspruch 18, ferner enthaltend, Verwenden eines Vermessungsstabs mit einem GPS-Empfänger und einem EDM, darauf angebracht.
Das Verfahren nach Anspruch 18, ferner enthaltend, Verwenden eines Vermessungsstabs mit einem GPS-Empfänger und IMU, darauf angebracht.
Das Verfahren nach Anspruch 18, ferner enthaltend, Verwenden eines Vermessungsstabs mit einem GPS-Empfänger, EDM und IMU, darauf angebracht.
Das Verfahren nach Anspruch 18, ferner enthaltend, Verwenden einer IMU zum Erhalten von Information in Schritten (f) und (k), und wobei Schritt (m) den Ort des Objekts bestimmt, unter Verwendung eines geglätteten Schätzungsprozesses, der Vorwärts- und Rückwärtszeitschätzungsprozesse kombiniert zum Reduzieren eines Positionsfehlers.
Das Verfahren nach Anspruch 18, wobei die Zone ein Bereich ist, wo präzise vermessungswertige Positionsinformation unter Verwendung von GPS nicht erhalten werden kann.
Ein Vermessungssystem zum Bestimmen der Position eines Ziels in einer Zone, in der präzise vermessungswertige Ortsdaten nicht unter Verwendung von GPS-Empfängern erhalten werden können, umfassend: einen GPS-Empfänger zum Bestimmen der Position eines Startpunktes nahe dem Umfang der Zone; ein Messsystem zum Erhalten von relativer Positionsinformation, wenn man von dem Startpunkt zu dem Ziel läuft, wobei das Messsystem der Ansammlung von Nachverfolgungsfehlern ausgesetzt ist während dem Durchlaufen und zum Erhalten von Hilfspositionsinformation zum Reduzieren der Ansammlung von Fehlern während dem Durchlaufen; und ein Verarbeitungssystem zum Berechnen der Position des Ziels unter Verwendung der Startpunktposition, der relativen Positionsinformation und der Hilfspositionsinformation, wobei die Position des Ziels, die so berechnet wird, eine größere Präzision hat als die, die berechnet wurde unter Verwendung von nur der relativen Positionsinformation.
Das System nach Anspruch 35, ferner umfassend einen Vermessungsstab, auf dem der GPS-Empfänger angebracht ist, und wobei das Messsystem ein EDM mit einem Laser umfasst, der an dem Stab angebracht ist.
Das System nach Anspruch 35, ferner umfassend einen Vermessungsstab, auf dem der GPS-Empfänger angebracht ist, und wobei das Messsystem eine IMU, angebracht an dem Stab, umfasst.
Das System nach Anspruch 35, ferner umfassend einen Vermessungsstab, an dem der GPS-Empfänger angebracht ist, und wobei das Messsystem einen EDM mit einem Laser und einer IMU, angebracht an dem Stab, umfasst.
Das System nach Anspruch 37, wobei das Messsystem relative Positionsinformation einer Vielzahl von Zwischenreferenzpunkten innerhalb der Zone erhält, wenn man von dem Startpunkt zu dem Ziel läuft, wobei die relative Positionsinformation bei jedem Punkt relativ ist zu dem vorherigen Punkt, und wobei das Messsystem Hilfsinformation erhält für mindestens einen der Zwischenreferenzpunkte durch Erhalten von relativen Positionsdaten von dem Zwischenreferenzpunkt zu dem Startpunkt.
Das System nach Anspruch 39, wobei das Messsystem eine IMU umfasst zum Erhalten von relativer Positionsinformation, und wobei das Messsystem einen EDM umfasst zum Erhalten der Hilfsinformation.
Ein Vermessungssystem zum Bestimmen der Position eines Objekts in einer Zone, wo ein GPS-Empfänger das Objekt nicht mit ausreichender Präzision für eine vermessungswertige Anwendung lokalisieren kann, umfassend: einen Positionslokalisierer zum Bestimmen der Position eines ersten Referenzpunkts nahe einem Umfang der Zone unter Verwendung eines GPS-Empfängers und GPS-Signalen, wobei der Positionslokalisierer relative Positionsinformation des Objektorts erhält relativ zu dem ersten Referenzpunkt während einem Durchlaufen innerhalb der Zone von dem ersten Referenzpunkt in Richtung des Objekts, Ansammeln von Nachverfolgungsfehlern während dem Durchlaufen; und ein Hilfsgerät zum Reduzieren der angesammelten Nachverfolgungsfehler während einem Durchlaufen zu dem Ziel innerhalb der Zone, durch Bestimmen einer Position relativ zu mindestens einem Referenzort, dessen Position bekannt ist.
Ein Vermessungssystem zum Bestimmen der Position eines Ziels, umfassend: einen Positionslokalisierer zum Bestimmen der Position eines Startpunkts, beabstandet von dem Zielpunkt; wobei der Positionslokalisierer Positionen verfolgt, wenn man von dem Startpunkt zu dem Ziel läuft, unter Verwendung eines Nachverfolgungsverfahrens, das der Ansammlung von Nachverfolgungsfehlern während dem Durchlaufen ausgesetzt ist, und ein Hilfsgerät zum Reduzieren der angesammelten Nachverfolgungsfehler während einem Laufen zu dem Ziel innerhalb der Zone durch Bestimmen einer Position relativ zu mindestens einem Referenzort, dessen Position bekannt ist.