一种适用林区的星‑地结合定位方法

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一种适用林区的星-地结合定位方法\n技术领域\n[0001] 本发明涉及林业信息化领域，具体而言，涉及一种适用林区的星-地结合定位方法。\n背景技术\n[0002] 全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System，GNSS）为全球性的位置与时间测定系统，包括卫星星座、地面监控系统及用户终端设备，可为地球表面、近地表和地球外空任意地点用户提供全天候、实时、高精度的三维位置、速度及精密的时间信息。\n目前世界上卫星导航定位系统主要有我国的“北斗导航系统”（BD）、美国的“全球定位系统”（Global Positioning System，GPS）、俄罗斯的“全球轨道导航卫星系统”（Global Navigation Satellite System，GLONASS）和欧洲的“伽利略卫星导航系统”（Galileo satellite navigation system，Galileo）。随着卫星定位系统日益完善和卫星定位技术的不断提高，GNSS已应用在国民经济的多个领域，在交通、安全、测绘、农业、林业、气象、搜索救援、环境监测等各个行业发挥着越来越重要的作用。\n[0003] 随着卫星定位系统的日益完善和卫星定位技术的不断发展与成熟，卫星定位技术已经成熟应用于交通、物流、测绘、通讯等各大领域。我国林业领域应用中，最早使用的是美国的GPS系统，目前，俄罗斯的GLONASS系统以及我国自主研制的北斗定位系统也逐渐应用于我国林业领域。自GPS应用于林业以来，国内不少专家、学者都致力于卫星定位技术在林业应用的研究，大体总结为以下几个方面：1）森林资源调查与管理，包括样地调查、各种境界线的勘定、森林分布区域测定、林地面积测量、伐区踏查、伐区设计、林政案件调查、古树名木定位等；2）林业工程测量；3）植树造林，包括飞机播种造林、造林分类及清查等；4）森林防火，包括火场定位、火场面积测量、火场损失评估等；5）动物资源调查及野生动植物保护；\n6）森林旅游及野外考察。\n[0004] 目前，卫星定位技术已经在我国林业领域广泛投入应用，但是在林区实际业务应用中，存在林下环境信号差、定位工作效率低、精度低等问题，以至于不能满足部分业务的位置精度需求，尤其是在南方高山、密林区表现尤为明显。影响定位精度的因素有很多，美国学者Christopher等人对林冠、地貌和距离对GPS定位精度影响的研究表明，林冠和地貌干扰会降低定位的精度和效率。我国学者聂玉藻等对不同地类、不同地形、不同测程、不同林冠下的RTD GPS复测试验，进行了林冠与山地对GPS定位精度影响及消减对策的研究，结果表明山谷定位精度低于山坡。我国学者谭伟等进行了手持GPS在不同林分下定位精度的研究，结果表明林下手持GPS定位精度与林分郁闭度、测量气候等因素关系密切，与测量时段关系不大，郁闭度越高，定位精度越低。我国学者徐文兵等进行了林区地形条件对GPS定位精度影响的研究，研究表明高郁闭度林区定位精度低，水域附近的多路效应对定位结果的影响小于建筑物对信号的阻挡作用。\n[0005] 国外学者韦希勤等研究了森林资源一类连续清查固定样地点定位的精度问题，但精度不理想，其误差平均在54m，最小也有15m。我国学者陈华安等进行了手持GPS接收机面积测量精度测试，实验证明，地块面积小于600m2时，面积测量误差会超过5%，不能满足森林资源调查的要求，并且地块越小，相对误差就越大；郁闭度会影响GPS信号接收，而影响面积测量精度；大峡谷中则很难进行定位和面积测量。信号差、定位精度低已成为卫星定位技术在实际林区应用中不可逾越的问题。\n发明内容\n[0006] 本发明提供一种适用林区的星-地结合定位方法，用以克服现有技术中存在的至少一个问题。\n[0007] 为达到上述目的，本发明提供了一种适用林区的星-地结合定位方法，包括以下步骤：\n[0008] 首先针对测试区域选择若干处（不少于3处）相对开阔或林分郁闭度小可以接收到卫星定位信号的地方布设无线网络基站，这些基站尽量错落分布在测试区域的周围和内部，通过卫星定位系统或其它方法能够确定出基站的准确位置信息。针对静止目标的测定，将支持无线网络定位的手持定位设备置于林区的待测点，根据手持定位设备所接收的不少于3个无线网络基站发送的射频信号，根据信号强度及林区修正因子得到待测点与无线网络基站的距离，从而计算出待测点与3个无线网络基站的相对坐标；或针对移动目标的测定，根据支持惯性导航定位的定位设备所获取的从定位起点时刻到林区待测点的方向、加速度信息，积分计算得到当前位置与起点位置的相对坐标，并根据支持惯性导航定位的定位设备在起点的定位坐标以及相对坐标计算出当前时刻的惯性导航定位坐标；\n[0009] 将GPS定位模块置于无线网络基站，根据GPS定位模块接收的卫星信号进行定位得到无线网络基站的参考坐标；\n[0010] 在定位服务器端，将时间同步后的地面无线定位坐标或惯性导航定位坐标与参考坐标进行融合，得到待测点的实际定位坐标。\n[0011] 可选的，所述地面无线定位坐标的获取方式如下：\n[0012] 假设待定点的地面无线定位坐标为(X,Y)，所选择的三个无线网络基站坐标分别为(Xa,Ya)、(Xb,Yb)、(Xc,Yc)，且待定点到基站的距离分别为Ra、Rb、Rc，距离Ri由公式计算得出（pl0表示基站发射的信号强度，pli为终端接收到i基\n站的信号强度，k为林区环境下的修正因子）。根据以下公式计算出待测点的地面无线定位坐标(X,Y)：\n[0013]\n[0014] 可选的，所述惯性导航定位坐标的获取方式如下：\n[0015] 惯性导航定位数据的获取方式如下：\n[0016] 假定惯性导航定位模块获取的相对坐标为(ΔX,ΔY)，当前时刻的惯性导航定位坐标为(XI,YI)，上一时刻的已知定位坐标为(Xq,Yq)，则：\n[0017] XI＝Xq+ΔX\n[0018] YI＝Yq+ΔY。\n[0019] 可选的，将地面无线定位坐标或惯性到导航定位坐标与参考坐标进行融合的方式如下：\n[0020] 假设参考坐标为(XS,YS)，地面无线定位坐标或惯性导航定位坐标为(ΔXL,ΔYL)，待测点的精确坐标为(X,Y)，则：\n[0021] X＝λΔXL+XS\n[0022] Y＝λΔYL+YS\n[0023] 其中，λ为由地面定位数据坐标系统到卫星定位数据坐标系统的转换系数。\n[0024] 可选的，所述GPS定位模块置于林区架设的无线网络基站相应的定位设备中。\n[0025] 本发明提出了星-地结合定位在林业应用的技术方案，通过无线网络辅助定位、惯性导航等技术辅助定位林业的待测点，提高了定位的精度，克服了现有林区定位中存在的信号差、定位精度低等问题。\n附图说明\n[0026] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。\n[0027] 图1为本发明一个实施例的适用林区的星-地结合定位的技术方案框架图；\n[0028] 图2是本发明一个实施例的无线网络辅助GPS技术工作示意图；\n[0029] 图3为本发明一个实施例的无线网络基站定位图；\n[0030] 图4为本发明一个实施例的惯性导航与GPS导航组合原理图。\n具体实施方式\n[0031] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。\n[0032] 卫星定位技术在林业应用上表现出的定位精度低、信号干扰等问题早就引起了我国众多学者的关注，他们对不同林区环境下的卫星定位精度已经做了大量研究与测试，研究表明，定位精度与林分郁闭度、林冠类别、地貌、测量气候等因素有关，林分郁闭度越大、定位精度越低；山谷定位精度最低、山坡次之、山顶定位精度最高；晴天定位精度高于阴雨天，定位精度与测量时段关系不大。目前，就林区信号弱、定位精度低这一问题，还没有一套针对实际业务的完整解决方案。\n[0033] 为解决林区信号弱、定位精度低、不能满足业务需求等问题，需要将地面定位技术与卫星定位技术结合以弥补在高郁闭度林下卫星信号弱或无卫星信号而导致的无法定位等问题。这种星-地结合定位技术的基本思路是：在林下无卫星信号的区域周边及内部，选0择开阔及郁闭度小的位置架设无线网络基站，使无线网络基站可通过卫星定位获得其自身坐标，在林区内，结合卫星定位数据和地面定位数据得出待测点的位置信息，对于部分地图应用业务，还需使用定位数据与地图数据的匹配技术，弥补单一定位方式的不足，从而提高其定位精度。可用于在卫星定位信号微弱或无法接收的情况下测定林区内部静止目标和移动目标的位置信息。\n[0034] 图1为本发明一个实施例的适用林区的星-地结合定位的技术方案框架图；参照图\n1，适用林区的星-地结合定位的方法包括以下步骤：\n[0035] 针对静止目标的测定，将支持无线网络定位的手持定位设备置于林区的静止目标待测点，根据手持定位设备所接收的不少于3个无线网络基站发送的射频信号，根据信号强度及林区修正因子得到待测点与无线网络基站的距离，从而计算出待测点与3个无线网络基站的相对坐标；根据支持惯性导航定位的定位设备所获取的从定位起点时刻到林区待测点的方向、加速度信息，积分计算得到当前位置与起点位置的相对坐标，并根据支持惯性导航定位的定位设备在起点的定位坐标以及相对坐标计算出当前时刻的惯性导航定位坐标；\n[0036] 其中，在采用支持无线网络定位的手持定位设备对静止目标进行定位时，需要预先针对测试区域选择若干处（不少于3处）相对开阔或林分郁闭度小可以接收到足够卫星定位信号的地方布设无线网络基站，这些无线网络基站尽量错落分布在测试区域的周围和内部，使其可以通过卫星定位系统或其它方法确定出每个无线网络基站的准确位置信息。针对静止目标的测定，即可将手持定位设备置于林区内静止目标待测点上。\n[0037] 在采用支持惯性导航定位的定位设备针对移动目标进行定位时，可以首先选择一个起点使用前述的静止目标定位方法得到第一定位坐标，然后使用具有角速度传感器（陀螺仪）的定位设备从地面无线定位坐标所指位置移动到待测点，通过移动过程中记录的矢量方向变化角度和加速度信息计算出与第一定位坐标的相对坐标。\n[0038] 将GPS定位模块置于无线网络基站，根据GPS定位模块接收的卫星信号进行定位得到无线网络基站的参考坐标；\n[0039] 在定位服务器端，将时间同步后的地面无线定位坐标或惯性导航定位坐标与参考坐标进行融合，得到待测点的精确坐标。\n[0040] 以下对无线网络与卫星结合、惯性导航与卫星结合的定位方案分别进行阐述，并给出组合定位的基本原理。\n[0041] 1.林区无线网络与卫星结合定位方案\n[0042] 无线网络辅助定位技术，其设计思想是尽量将终端的工作简化，将卫星扫描及定位运算等最为繁重的工作从终端一侧转移到网络一侧的定位服务器完成。窄带CDMA的辅助GPS（A-GPS）利用陆地蜂窝网络来提高GPS接收机的性能，通过直接对GPS接收机提供卫星星座信息来辅助定位，A-GPS系统主要包括3个部分：定位服务器、具有部分或全GPS接收机功能的接收机和无线通信连接。现在有两种类型的A-GPS系统：移动基站辅助的GPS，移动基站获得GPS卫星信号并判断相应的伪码，将这些带有时间戳的卫星伪码送到定位服务器，利用这些信息来计算位置信息；基于移动基站的GPS，该技术是一种GPS的执行标准，定位服务器为移动基站提供辅助信息，以此使移动基站可以计算其自身的位置。图2是本发明一个实施例的无线网络辅助GPS技术工作示意图。\n[0043] 基于林区无线网络与卫星结合定位方案的实现流程为：无线网络基站不断向手持定位设备发送射频信号，根据无线网络基站到手持设备的方向角及距离，计算出待测点的三维坐标；同时，GPS定位模块根据其所接收的卫星信号以及定位服务器提供的辅助定位信息得到其参考坐标。最后，将两种定位数据进行融合。\n[0044] 无线网络定位数据的获取方式如下：\n[0045] 假设待定点为(X,Y)，三个无线网络基站坐标分别为(Xa,Ya)、(Xb,Yb)、(Xc,Yc)，且待定点到基站的距离分别为Ra、Rb、Rc，距离Ri由公式 计算得出\n（pl0表示基站发射的信号强度，pli为终端接收到i基站的信号强度，k为林区环境下的修正因子），定位关系图如图3所示。\n[0046] 根据以下公式即可计算出待测点坐标(X,Y)：\n[0047] (X-Xa)2+(Y-Ya)2＝Ra2   （1）\n[0048] (X-Xb)2+(Y-Yb)2＝Rb2   （2）\n[0049] (X-Xc)2+(Y-Yc)2＝Rc2   （3）\n[0050] 根据上述3个公式推导得到：\n[0051]\n[0052] 2.惯性导航与卫星结合定位方案\n[0053] 惯性导航的基本原理就是运动轨迹推算方法，即通过陀螺仪和加速度计连续测量载体的航向角和加速度，并自动进行积分运算，获得载体的瞬时速度和瞬时位移数据的技术。惯性导航系统既不向外界发射能量，也不接收外界的任何信息，因此具有不受干扰，可在空中、地下、水下等任何地方使用，但随时间推移定位误差会不断积累。将惯性导航系统所测量的数据与全球定位系统所测量的数据作为定位的多源信息，可以计算出定位的最优估计。其组合导航系统原理图如图4所示。\n[0054] 该定位方案的巡护业务实现流程为：手持终端GPS定位模块根据接收的卫星信号进行定位得到其参考坐标；同时惯性导航定位模块根据上一时刻的位置信息以及所获取的方向、加速度信息计算得到相对坐标，并推算当前时刻的定位坐标。最后，将两种定位方式所得数据进行融合得到精确坐标。\n[0055] 惯性导航定位数据的获取方式如下：\n[0056] 惯性导航获取的相对坐标为(ΔX,ΔY)，假设当前定位坐标为(XI,YI)，上一时刻的已知定位坐标为(Xq,Yq)，则：\n[0057] XI＝Xq+ΔX   （5）\n[0058] YI＝Yq+ΔY   （6）\n[0059] 星-地结合定位技术在巡护业务应用的基本原理：\n[0060] 时间同步原理公式如下：\n[0061] T星＝T+Δt (Δt＝0)  （8）\n[0062] T地＝T+Δt'   （9）\n[0063] 根据公式（8）、（9），可推导出公式（10）\n[0064] T星＝T地-Δt'   （10）\n[0065] 其中T为定位瞬时间，T星为卫星定位系统终端提供的定位时间，Δt为卫星定位模块获取到卫星坐标数据所用的时间，一般情况下卫星定位模块已经针对Δt进行了纠正处理，所以Δt可视为0。T地为地面目标的定位瞬时间，Δt'为定位服务器接收到目标定位数据所用的时间或是惯性导航定位系统的微处理机接收到导航信息的时间。\n[0066] 定位数据融合原理：\n[0067] 假设参考坐标为(XS,YS)，地面无线定位坐标或惯性导航定位坐标为(ΔXL,ΔYL)，待测点的精确坐标为(X,Y)，则：\n[0068] X＝λΔXL+XS\n[0069] Y＝λΔYL+YS\n[0070] 其中，λ为由地面定位数据坐标系统到卫星定位数据坐标系统的转换系数。\n[0071] 上述实施例将地面定位技术与卫星定位技术结合，将其应用于林区业务，解决了部分林区信号差、定位精度低甚至无法定位的问题。，其中的几个关键点是：（1）卫星定位与地面定位的时间同步技术，只有两种定位方式的时间达到同步，才可以将定位信息进行无时差融合，从而提高其定位数据融合后的精度；（2）卫星定位信息与地面定位信息的融合技术，只有两种方式的定位信息能够以一种优势互补的方式达到数据的完美融合，才能够弥补单一定位方式的不足，从而提高定位精度；（3）定位信息与导航地图的匹配技术，在一些导航业务中，尤其是道路比较复杂的林区，需要电子地图数据的支持，只有使定位数据与地图道路完美匹配，才能使得导航更精确；（4）林区环境下定位信息的无线传输技术，手持终端、定位服务器之间的定位信息交互都是通过无线网络实现的，因此该技术也是星-地结合定位技术的关键技术之一。\n[0072] 本发明提出了星-地结合定位在林业应用的技术方案，通过无线网络辅助定位、惯性导航等地面定位技术辅助卫星定位定位林区的待测点，提高其定位的精度，克服了现有林区定位中存在的信号差、定位精度低等问题。\n[0073] 本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。\n[0074] 本领域普通技术人员可以理解：实施例中的装置中的模块可以按照实施例描述分布于实施例的装置中，也可以进行相应变化位于不同于本实施例的一个或多个装置中。上述实施例的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块。\n[0075] 最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。