[发明专利]利用空间多长度约束增强坐标测量场精度的方法

摘要

本发明公开了一种利用空间多长度约束增强坐标测量场精度的方法，步骤是：(1)现场构建多个长度基准：在多个刚性杆两端安装激光跟踪仪靶球座作为测量点，利用激光跟踪仪标定刚性杆两端测量点间的距离；(2)布设多个激光跟踪仪靶球座作为全局测量点，安置基准长度的多个刚性杠，将刚性杆两端的激光跟踪仪靶球座也当成全局测量点；(3)在m个站位下设置激光跟踪仪，测量所有全局测量点的三维坐标；(4)利用所有m个站位下全局测量点的三维坐标，实现方位定向，计算得到迭代初值；(5)建立激光跟踪仪测长、水平角、垂直角约束方程，构建长度基准的约束方程，优化全局测量点的三维坐标。本方法构造成本低，效率高，能够有效增强坐标测量场精度。

主权项

一种利用空间多长度约束增强坐标测量场精度的方法，包括以下步骤：步骤一、现场构建多个长度基准：在多个刚性杆两端安装激光跟踪仪靶球座作为测量点，利用激光跟踪仪高精度的激光干涉测距，现场标定刚性杆两端测量点间的距离；包括：1‑1、把刚性杆架设在激光跟踪仪正前方放置的两个三角架上；1‑2、将激光跟踪仪靶球分别置于刚性杆两端的激光跟踪仪靶球座上，反复调整两个三角架的姿态，使激光跟踪仪的干涉测距方向与激光跟踪仪的Y坐标轴方向一致，进而标定刚性杆两端测量点间的距离；1‑3、重复上述步骤1‑1和1‑2，从而现场标定出多个基准长度刚性杆，把这些标定好的刚性杆在测量空间中随意放置，从而现场构建多个长度基准；步骤二、在测量空间内的稳固位置布设多个激光跟踪仪靶球座作为全局测量点，把步骤一标定好的基准长度的多个刚性杠稳固安置在工位型架上，将刚性杆两端的激光跟踪仪靶球座也当成全局测量点加入到测量场中；上述布设的激光跟踪仪靶球座的点与刚性杆两端的激光跟踪仪靶球座的点之和为n；步骤三、在测量空间的某一站位设置激光跟踪仪，将激光跟踪仪靶球依次放在每个激光跟踪仪靶球座上，测量全局测量点的三维坐标，将激光跟踪仪移到另一新的站位，重复上述过程，实现在m个站位下对全局测量点三维坐标的测量，在每个站位下激光跟踪仪至少测量3个以上的公共测量点；步骤四、利用激光跟踪仪在m个站位下对全局测量点三维坐标的观测值，完成所有m个站位的方位定向，得到全局测量点和站位三维坐标的迭代初值；步骤五、建立激光跟踪仪自身球坐标系的测长、水平角、垂直角约束方程，同时利用步骤一中构建的长度基准建立长度约束方程，利用步骤四方位定向得到的全局控制点和站位三维坐标迭代初值，采用最优化方法求取全局测量点三维坐标的优化值，从而利用长度约束增强三维坐标测量场的精度，实现将测量场的精度溯源至激光干涉测距的精度；包括：5‑1、根据激光跟踪仪在m个站位下对n个全局测量点的测量，得到mn组球坐标测量参数其中,i表示第i个测量点，i＝1,2,…,n，j表示第j个站位，j＝1,2,…,m，构造的长度约束为其中，k表示第k个长度约束，k＝1,2,…,m₁，m₁为构造的长度约束个数；其中n是布设的点和所有基准长度刚性杆上的测量点之和；5‑2、以某一站位坐标系作为全局坐标系，完成各个站位坐标系的方位定向，求得全局坐标系下全局测量点和站位三维坐标的迭代初值和定向过程中的旋转矩阵为5‑3、每个测量站位局部坐标系下测量点的三维坐标由全局坐标系下测量点的三维坐标通过式(1)转换得到：$\left[\begin{array}{c}{x}_{\mathrm{ij}}^s\\ y_{\mathrm{ij}}^s\\ z_{\mathrm{ij}}^s\end{array}\right]=R_j\·(\left[\begin{array}{c}{x}_i\\ y_i\\ z_i\end{array}\right]-\begin{array}{}\end{array}\left[\begin{array}{c}{X}_j\\ Y_j\\ Z_j\end{array}\right])---\left(1\right)$式(1)中，R_j为全局坐标系到站位j局部坐标系的旋转矩阵，矩阵为3×3形式；在测量站位局部坐标系下测量点的三维坐标转换为球坐标测量参数为5‑4、在全局坐标系下，构造长度基准的两个全局测量点间的距离L_k表示为：$L_k=\sqrt{{(x_{k1}-x_{k2})}^2+{(y_{k1}-y_{k2})}^2+{(z_{k1}-z_{k2})}^2}---\left(2\right)$式(2)中，(x_k1,y_k1,z_k1)和(x_k2,y_k2,z_k2)分别为全局坐标系下第k个长度基准两端全局测量点的三维坐标；5‑5、建立激光跟踪仪测长、水平角、垂直角约束方程及高精度的长度约束方程：${\mathrm{\Δ}}_{\mathrm{ij}}^l=\arctan ((l_{\mathrm{ij}}^s-l_{\mathrm{ij}}^u)/l_{\mathrm{ij}}^s)$${\mathrm{\Δ}}_{\mathrm{ij}}^{\mathrm{\α}}={\mathrm{\α}}_{\mathrm{ij}}^s-{\mathrm{\α}}_{\mathrm{ij}}^u$${\mathrm{\Δ}}_{\mathrm{ij}}^{\mathrm{\β}}={\mathrm{\β}}_{\mathrm{ij}}^s-{\mathrm{\β}}_{\mathrm{ij}}^u---\left(3\right)$${\mathrm{\Δ}}_k^L=\arctan ((L_k/L_k^u)/L_k)$式(3)中，反正切转换实现量纲的统一，对于m个站位、n个全局测量点和m₁个长度约束，建立3mn+m₁个约束方程；5‑6、利用全局坐标系下全局测量点和站位三维坐标的迭代初值和采用非线性最优化方法，求解全局测量点三维坐标的优化值，从而实现利用长度约束增强坐标测量场的精度，其中的非线性最优化方法选用最小二乘法或牛顿法。