基于北斗導航的高精度測繪定位系統設計

黃逸宇

摘要：常規的高精度測繪定位系統使用TIN（Triangular Integration Network）三角集成網絡匹配定位測繪信息，易受地形地貌影響，導致測繪定位軌跡偏差較高，因此需要基于北斗導航設計一種全新的高精度測繪定位系統。硬件部分設計了ADIS16488慣性傳感器、霍爾傳感器，以及winbond存儲芯片存儲芯片，軟件部分根據觀測基準，基于北斗導航固定了測繪模糊度參數，設計了高精度測繪功能模塊，從而完成了高精度測繪定位。系統測試結果表明，設計的高精度北斗導航測繪定位系統的定位軌跡偏差較小，證明設計的測繪定位系統的性能良好，有一定的應用價值，為后續的復雜地形地質勘探作出了一定的貢獻。

關鍵詞：北斗導航；高精度；測繪；定位；設計

一、前言

測繪指的是測量或勘察某地區的地形、地質條件，并繪制相應的工程圖像[1]。近幾年，我國的工程建設、礦產資源開采等領域均廣泛地應用到了測繪技術。在測繪的過程中[2]，需要利用遙感等技術獲取地面中的測繪特征點，繪制特征點位置信息，進行有效定位，為后續的礦產資源開采、工程建設作參考[3]。測繪圖像中表達的信息較豐富，包括地表特點，地理要素、空間屬性等，使用的儀器種類也較多[4]，即三維激光掃描儀、全站儀、GPS接收機等。研究表明，在某些地形較復雜的區域，使用常規的測繪技術無法全面采集測繪定位信息，針對該問題，需要設計一種有效的高精度測繪定位系統。

事實上，在測繪過程中，受外界環境影響，極易出現測繪誤差，必須要對采集到的測繪定位數據進行校準，才能獲取準確的測繪信息。相關研究人員針對測繪定位的特點提出了幾種常規的高精度測繪系統，第一種為基于數字化制圖技術的高精度測繪定位系統，其主要利用GPS獲取測繪信號，構建有效的三維測繪模型完成高精度測繪定位；第二種為智能高精度測繪定位系統，其主要利用PIG測量裝置采集測繪數據，再使用制定的智能軟件進行測繪校準，實現測繪定位。但上述兩種高精度測繪定位系統均需要使用三角集成網絡進行測繪定位匹配，極易受復雜環境的影響，導致定位軌跡偏差過高，不滿足目前的高精度測繪定位需求，因此本文基于北斗導航，設計了一種全新的高精度測繪定位系統。

二、硬件設計

（一）ADIS16488慣性傳感器

為了滿足系統的高精度定位測繪需求，需要在系統中設置一個有效的慣性定位裝置，提高系統的動態定位性能，因此，本文選取ADIS16488慣性傳感器作為系統的核心傳感器。該傳感器由加速度中心、壓力傳感中心等若干個模塊組成，可以根據測繪地形條件進行動態校準，降低系統的測繪耗時，提高系統的測繪性能，為了使其滿足系統的運行需求，本文設計了有效的ADIS16488慣性傳感器參數，如下表1所示。

由表1可知，ADIS16488慣性傳感器的測量精度較高，量程范圍較廣，在復雜的地形下仍能有效地獲取運動載體的測繪定位信息，除此之外，其還能快速啟動，滿足本文設計的高精度測繪定位系統需求。

（二）霍爾傳感器

在測繪過程中，地勢等因素經常會造成較大的測繪波段，影響實際測試結果，為了有效地獲取測繪位移，需要將霍爾傳感器置于設計的系統內，僅根據傳感器內部的電壓變化可以快速判斷測繪位移。

在霍爾效應下，快速變化的磁場會產生較大的電磁波動，從而形成電勢差，此時可以將霍爾傳感器看成一種集成電路，即輸出電壓與外部磁場強度呈線性關系。常見的霍爾傳感器包括開關型、鎖鍵型，其中開關型主要使用BOP、BRP感應磁感強度，獲取相關的信息，而鎖鍵型則需要結合電平鎖存狀態獲取BRP反向磁感強度。針對上述特點，本文設計的系統選取開關型霍爾傳感器作為系統的核心傳感器。

（三）winbond存儲芯片

在高精度測繪定位的過程中，會生成大量的測繪定位數據，若這部分數據未能有效地存儲，會造成測繪定位系統卡頓，影響測繪系統的綜合性能，針對該問題，本文選取了winbond芯片作為系統的存儲芯片，該存儲芯片的參數如下表2所示。

由表2可知，winbond存儲芯片的存儲性能良好，能快速處理來自測繪采集中心的測繪數據，除此之外，該存儲芯片能定期有效地存儲各種類型的測繪數據，避免系統卡頓，有效地提高了高精度測繪定位系統的使用性能。

三、軟件設計

（一）基于北斗導航固定測繪模糊度參數

為了解決三角集成網絡在匹配測繪定位信息時出現的測繪定位軌跡偏差問題，提高測繪精度，本文基于北斗導航固定了測繪模糊度參數，北斗導航主要由空間星座、終端、運控系統組成，因此本文利用北斗導航采集了定位測繪信息，通過接收機確定載波相位，有效地固定測繪模糊度參數。首先需要結合北斗導航采集的信息確定模糊度參數影響因素，其一是接收機端出現的相位偏差，其二是接收機信號出現的相位延遲，結合上述影響因素可以得到有效的模糊度表達式B，如下（1）所示。

公式（1）中，代表初始模糊度，代表接收端偏差，代表衛星端偏差。此時可以假設模糊度參數為定值，對鐘差參數的相位進行估計，得出的組合模糊度參數如下（2）所示。

公式（2）中，代表寬巷模糊度，代表波長。結合上述公式可以生成有效的模糊度參數固定算法，即首先處理來自北斗導航的數據，獲取數據的單差寬巷模糊度及無電離層組合模糊度，輸出FCBS，從而得到模糊度固定解，此時得到的測繪模糊度參數如下（3）所示。

公式（3）中，代表模糊度相關性，代表模糊度選項，代表固定平滑參數。此時經過固定的模糊度參數存在最優解，可以根據各個歷元的平均值對其進行均方差求解，最終得到的參數固定值如下（4）所示。

公式（4）中，代表最接近的固定整數，代表FCB寬巷，K代表固定方差，結合上述均方差求解式可以快速固定測繪模糊度參數，有效地進行測繪定位匹配，最大程度上提高測繪精度。

（二）設計高精度測繪功能模塊

結合上文的模糊度參數固定效果可以設計系統內部的有效功能模塊。第一部分首先設計系統的登錄模塊，該模塊可以填寫用戶的個人信息，進行安全校驗，若出現了非法字符，需要再次驗證，重新進行注冊。當用戶填寫個人信息后，該模塊可以立即進行本地校驗，確認用戶名與密碼是否正確，并作出相應的登錄反饋。第二部分是藍牙傳輸模塊，該模塊是高精度測繪系統的核心模塊，其可以傳輸測繪到的信息，該模塊的運行流程圖如下圖2所示。

由圖1可知，應用該模塊可以快速進行測繪信息共享，建立有效連接提高系統的測繪數據傳輸性能。

第三部分是自定義繪圖模塊，用戶可以通過該模塊拍照獲取測繪信息，進入自定義測繪界面，在該界面設置了有效的線性布局，包括二維坐標、Image View控件等。用戶可以根據自身的使用需求選取相應的工具進行測繪。為了降低測繪難度，該模塊還設置了各種快捷鍵，幫助用戶快速進行測繪、一鍵刪除等。

第四部分是圖片標記模塊，該模塊可以從相冊中獲取測繪圖片，調整測繪系統的控件位置。主要包括兩個執行步驟，即拍照、獲取圖片，為了提高系統的綜合性能，該模塊還設置了有效的圖片存儲路徑，方便用戶進行自定義測繪。第五部分是數據清單模塊，該模塊主要使用Image View控件調整數據清單。除此之外，在該模塊內部還設置了Viewpager+Fragment，便于處理各種格式的測繪數據，提高用戶的體驗感。在進入數據清單界面后，可以通過左右滑動查找所需的數據，快速獲取高精度測繪結果。上述模塊相互協作，全面提高了系統的綜合性能。

四、系統測試

為了驗證設計的高精度測繪定位系統的測繪定位效果，本文搭建了系統測試平臺，將其與文獻[1]、文獻[2]兩種高精度測繪定位系統對比，進行系統測試，如下。

（一）測試準備

針對系統測試需求，本文利用GNSS進行單點開發，設計了有效的系統測試平臺，測試平臺內部設置了多個開源軟件包，能使用PPP處理測繪數據，除此之外，該測試平臺使用Visual Studio作為開發工具，生成了多個測試模塊，該測試平臺可以快速處理獲取的測繪定位數據，并進行數據解析，進行數據預處理，使數據均滿足系統測試的格式需求。在測繪數據處理的過程中，易受到數據流影響，出現較高的測繪定位誤差，針對該問題，本文設計的系統測試平臺設置了Kalman濾波器進行了誤差修正，從而輸出有效的測試結果，系統測試處理流程如下圖3所示。

由圖2可知，經上述步驟處理后的測繪數據格式統一，符合后續的系統測試需求。

（二）測試結果與討論

結合上述的測試準備，在搭建的測試平臺中可以進行高精度測繪定位系統測試，即分別使用本文設計的基于北斗導航的高精度測繪定位系統，文獻[1]的基于數字化制圖技術的高精度測繪定位系統，以及文獻[2]的智能高精度測繪定位系統對選取區域的東向、北向進行測繪，將三種方法的測繪定位軌跡與標準的測繪定位軌跡對比。

本文設計的基于北斗導航的高精度測繪定位系統對選取地區的東向、北向測繪測繪時，生成的測繪定位軌跡與標準測繪定位軌跡相擬合，文獻[1]的基于數字化制圖技術的高精度測繪定位系統及文獻[2]的智能高精度測繪定位系統對選取地區的東向、北向測繪測繪時，生成的測繪定位軌跡與標準測繪定位軌跡偏差較大。證明本文設計的測繪定位系統的測繪定位效果較好，測繪定位偏差較小，滿足高精度測繪需求，有一定的應用價值。

五、結語

綜上所述，近幾年，隨著計算機技術的發展，我國的測繪技術也越來越完善，在工程建設與礦山開采中均得到了廣泛的應用，在此背景下，各種各樣的測繪定位系統應運而生。受特殊地形的影響，常規的高精度測繪定位系統在某些復雜地形生成的測繪定位曲線與標準曲線的偏差較高，不符合目前的高精度測繪需求，因此本文基于北斗導航設計了一種新型高精度測繪定位系統。系統測試結果表明，設計的高精度測繪定位系統的定位精度較高，定位效果較好，有一定的應用價值，可以作為后續各個礦山開采及地質勘察的參考。H

參考文獻

[1]李婷婷.基于數字化制圖技術的礦山地質測繪精準定位系統[J].世界有色金屬，2021（18）：22-23.

[2]任常杰，安文斗，管練武，等.小徑管道測繪機器人定位系統設計與實現[J].自動化與儀器儀表，2021（05）：202-205+211.

[3]倪飛，陳紅，羅云峰，等.群樁基礎周圍局部沖刷地形瞬時繪制系統研制[J].重慶交通大學學報（自然科學版），2022，41（04）：113-119+132.

[4]陳陽.用活遙感技術手段，錨定地理大數據核心定位——訪內蒙古自治區測繪地理信息中心黨委副書記、主任張瑞新[J].中國測繪，2022（02）：46-50.