基于GPS/SINS/TS的地籍测量新技术关键算法研究

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随着我国经济和社会的发展,产权管理工作对地籍数据的现势性需求越来越高。现代地籍信息更新量大、内容复杂、变化周期短,而现有地籍测量技术作业周期长、劳动强度大、受观测环境影响严重,已日益难以满足我国地籍管理工作需求,常造成“老帐未清又添新帐”的局面。现实地籍管理工作迫切需要一种快捷、高效的地籍测量新技术。 GPS技术、SINS技术、GIS技术、全站仪技术以及现代信息处理技术近年来的快速发展,为现代地籍测量技术的研究提供了一个新的技术平台。本文针对现实需求,提出了基于GPS/SINS/TS的地籍测量新技术:用于地籍图根点测量的GPS/SINS组合厘米级定位技术,图根点三维坐标转换成地籍平面坐标的误差控制方法,用于地籍碎部点测量的FOG/TS组合定向技术。主要研究工作如下: (1)研究了利用动态数据对物理量的估值进行净化的数学模型,为后续GPS/SINS数据深度融合提供数学基础。提出序贯最小二乘配置滤波方法,从预测状态中提取所需要的部分状态量做为具有先验信息的信号,将新增向量做为未知参数,利用最小二乘配置理论对各量进行估值及协因数阵解算,进一步对验后单位权方差进行X2检验,如果通过检验,则说明没有显著模型误差或统计误差,仍可采用原单位权方差,否则采用验后单位权方差;借助测量平差理论中带有约束条件的间接平差公式,得到了在进一步给定约束条件的情况下,计算向量新的估值及方差阵数学模型:综合利用条件净化和信息净化理论,导出了多变量间由一部分协方差阵计算另一部分协方差阵的公式。 (2)研究了在困难环境下,GPS载波相对定位与测速的严密数学模型。分析了常规的双差载波定位方程的不足,提出一种更为严密的双差载波定位方程,并证明了常规双差载波定位方程中的常数项是新的双差载波定位方程常数项的近似;为了应对在建筑物和树木遮挡、电力电信线路干扰等困难环境下的GPS频繁周跳;为了适应在困难环境下所得到的观测量不一致情况,以及便于编程,本文改进了宽巷整周模糊度固定方法,给出了适用单差和双差、单一频率观测值和双频混合观测值等情况的统一数学模型,算例表明该方法正确、效果明显。 (3)根据地籍图根点测量的特点,研究了用于地籍图根测量的GPS/SINS组合方案及关键算法。设计了硬件组成、使用方式以及数据处理策略;详细给出GPS/SINS数据融合中的九个主要计算模块的数学模型,并进一步形成了初始化阶段、动态阶段、静态阶段的数据解算流程及相应数学模型。 (4)研究了图根点三维坐标转换成地籍平面坐标的误差控制方法。在分析了归算及投影变形规律的基础上,提出基于二次函数图形的归算与投影参数选取方法,给出归算投影有效区图,利用该有效区图可以快速做出点间距变形是否超限的判断;基于该有效区图,得到了任意带投影中央子午线、抵偿面投影归算高的选取范围及最佳选取数学模型。算例表明,基于二次函数图形的归算与投影参数选取方法具有较好实用价值;利用误差传播理论,讨论了转换精度与公共点分布之间数学关系,得到了坐标转换精度与转换点坐标及公共点坐标的函数关系,分析该函数可得,转换精度是以公共点所确定的一点为中心,等圆向外衰减。根据这个规律,给出了更合理的公共点布设原则。 (5)为方便地籍碎部测量,研究了安装误差抵偿式FOG/TS组合定向技术。光纤陀螺与全站仪望远镜(或横轴)固连,分别在东向位置、东向补偿位置、西向位置、西向补偿位置的利用FOG做静态观测,获得四个平均值:在考虑安装误差、全站仪横轴误差、全站仪整平误差、垂线偏差情况下,详细推导了FOG观测量与全站仪横轴方位角及各误差量之间的函数关系,得到了四个位置的严密观测方程;利用严密观测方程进一步得到了忽略安装误差的全站仪视准轴坐标方位角计算模型;研究了各种有关物理量的误差对定向精度的影响规律,得到了满足地籍测量要求的FOG精度限值。 (6)研究了利用FOG/TS组合进行碎部点测量时的作业设站模式。为了便于实施,给出了前视设站、后视设站等两种作业模式,特别对后视设站法的作业流程及计算方法进行了细致研究:分别分析了两种作业设站模式的测点精度分布规律,仿真结果表明,两种设站作业模式的测点精度分布均是以测站为中心,等半径向外衰减。
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