GPS

     全球定位系統(tǒng)（GPS）已經(jīng)-很普及了，目前主要用于全球的定位測(cè)量渊额，GPS的功能不僅是它先進(jìn)的技術(shù)還有它的整個(gè)系統(tǒng)概念的能力尽纽。人造衛(wèi)星對(duì)每一個(gè)用戶來說都是獨(dú)立的，人造衛(wèi)星（信號(hào)發(fā)射機(jī)）發(fā)出位置測(cè)量所需要的高精度的信號(hào)乃坤，這就允許無限多的用戶從接收到的信號(hào)和已知的人造衛(wèi)星的位置計(jì)算出他們的位置政庆。系統(tǒng)中的每一個(gè)用戶都可以從人造衛(wèi)星發(fā)射到接收器的單通道信號(hào)中獲得他們獨(dú)立的位置。

3Di星群
 
    ARCSECOND公司已早先就已取得了局域GPS系統(tǒng)的專利權(quán)驼吓，就是3Di星群測(cè)量系統(tǒng)仲工。在3Di星群中，紅外線光發(fā)射機(jī)發(fā)射一組單獨(dú)的位置信息：從發(fā)射機(jī)到接收器的相對(duì)方位和俯仰角配赊，再加上已知發(fā)射機(jī)的方向和位置母卵，用戶就可以計(jì)算出他們?cè)?Di星群坐標(biāo)系統(tǒng)中的位置。這種測(cè)量原理就好比GPS一樣积苞，從發(fā)射機(jī)到接收器創(chuàng)建一種單信號(hào)通道慈柑，當(dāng)兩個(gè)或多個(gè)發(fā)射機(jī)在視野范圍內(nèi)時(shí)，就容許無限多數(shù)量的接收器可以連續(xù)獨(dú)立地計(jì)算出他們的位置这疟。下面討論GPS和3Di星群原理之間的直接關(guān)系菱计。

3Di星群與GPS的比較：

基本構(gòu)造：

     我們不需要明白GPS的內(nèi)部構(gòu)造，但是整個(gè)GPS系統(tǒng)是建立在好幾十億美元的基礎(chǔ)上的虹婿。是由距離地面12000英里的24顆人造衛(wèi)星組成的壤生，這些衛(wèi)星不斷地發(fā)射有用信息的信號(hào)，為地面上的接收器計(jì)算它們的位置朝刊。

    如圖2所示吴侦，在3Di星群中人造衛(wèi)星被紅外發(fā)射機(jī)取代，它即能被簡(jiǎn)單地固定在某地也能很方便地在兩工地間移動(dòng)坞古，發(fā)射機(jī)隨時(shí)發(fā)出需要的信號(hào)备韧，接收器獨(dú)立接收信號(hào)并計(jì)算它所在的位置。因此痪枫，像GPS一樣织堂，系統(tǒng)安裝好后，可以允許無限多的接收器同時(shí)工作奶陈。

建立測(cè)量矩陣： 

    在GPS中易阳，隱藏在背面的是一塊關(guān)鍵性的構(gòu)件附较，在人造衛(wèi)星和隨處移動(dòng)的接收器里有時(shí)鐘計(jì)時(shí)器。由美國(guó)政府負(fù)責(zé)運(yùn)行的全球網(wǎng)地面站測(cè)定人造衛(wèi)星的有關(guān)數(shù)據(jù)信息潦俺。在地面上測(cè)定的這些信息被埋植在GPS衛(wèi)星發(fā)射出來的信號(hào)中拒课，通過一種特殊的信息通道發(fā)送給接收器。這些軌道信息事示、星歷表能夠被實(shí)時(shí)地被更新早像。另外，GPS接收器中的時(shí)鐘也必須被實(shí)時(shí)地監(jiān)控和校準(zhǔn)暇寸。接收器時(shí)鐘與從四個(gè)衛(wèi)星發(fā)射出來的四個(gè)測(cè)量元素中的GPS衛(wèi)星時(shí)鐘是同步的著平。

     如圖3所示，3Di星群利用類似的概念去測(cè)定在局部水平面上的發(fā)射器的位置庸磅。設(shè)置測(cè)定步驟枝捷，首先發(fā)射器的相對(duì)位置和方向可用高級(jí)固定的運(yùn)算法則確定。另外確定測(cè)量比例尺也是很重要的一部分奋完，就是發(fā)射器間的絕對(duì)距離宽藏。已知兩發(fā)射器位置之間有效的位置系統(tǒng)決定了測(cè)量比例尺。一旦發(fā)射器位置和方向信息被確定淫兑，分布的接收器?-由有線的痊撤、無線的和紅外線的方式連接起來，組成了一個(gè)完整的測(cè)量系統(tǒng)嫂藏。對(duì)于用戶來說，設(shè)置是一個(gè)快速簡(jiǎn)單的過程喻谭，很多設(shè)置步驟甚至能夠完全自動(dòng)化峻胞。

簡(jiǎn)單的測(cè)量模型：

    在GPS中，接收器需要計(jì)算四個(gè)要素：x, y, z和時(shí)間关带。從每一個(gè)人造衛(wèi)星發(fā)出來的信號(hào)都包含同樣的測(cè)量信息值侥涵，從人造衛(wèi)星到接收器的距離形成了簡(jiǎn)單的測(cè)量基礎(chǔ)，在可視范圍內(nèi)有四個(gè)人造衛(wèi)星是測(cè)量的主要和必要的條件宋雏，它們能夠提供計(jì)算四個(gè)或更多數(shù)量的測(cè)量信息值芜飘。

     在3Di星群中能夠計(jì)算出三個(gè)要素：x, y和 z值。每一個(gè)發(fā)射器可以提供兩個(gè)測(cè)量信息值給接收器：從發(fā)射器到接收器的方位角和俯仰角磨总。最簡(jiǎn)單的位置測(cè)量嗦明，就是在可視范圍內(nèi)最少要有兩臺(tái)發(fā)射機(jī)，根據(jù)兩臺(tái)發(fā)射機(jī)提供的四個(gè)測(cè)量信息值蚪燕，應(yīng)用三角測(cè)量原理即可計(jì)算出上述的三個(gè)要素娶牌。如圖4所示，是簡(jiǎn)單測(cè)量的誤差域分布馆纳。注意诗良，兩個(gè)發(fā)射器產(chǎn)生的誤差域是一個(gè)菱形汹桦，它的大小和形狀在不同的測(cè)量區(qū)域是不相同的。

關(guān)于復(fù)雜的測(cè)量：

    GPS接收器設(shè)法同時(shí)接收超過四個(gè)衛(wèi)星信號(hào)鉴裹，市場(chǎng)上有很多GPS接收器能夠同時(shí)接收甚至多達(dá)12顆人造衛(wèi)星的信號(hào)舞骆。有些信號(hào)可能不被人們所注意，但在幾何學(xué)測(cè)量上都可有能降低測(cè)量不確定度窜抽， 每一個(gè)附加的信號(hào)組都會(huì)對(duì)測(cè)量方案提供幫助相彼。GPS用戶可以利用更多的衛(wèi)星提高測(cè)量精度。

     3Di星群也能利用從多個(gè)發(fā)射器中發(fā)出的有用信號(hào)提高測(cè)量精度传起。如圖5所示挚雾，這種組合的主要優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量誤差區(qū)域變成接近圓形，它的大小和形狀在整個(gè)測(cè)量區(qū)域中都保持在一個(gè)定值掺挺。3Di星群用戶在測(cè)量中會(huì)明白增加發(fā)射器的數(shù)量將減小測(cè)量不確定度钩氓。

局部的修正可以增加測(cè)量精度:

     GPS精密定位的主要信息是人造衛(wèi)星的位置。從人造衛(wèi)星發(fā)射出來的星歷表等數(shù)據(jù)信息是高精密的狰丝，衛(wèi)星的運(yùn)行軌道和無線電信號(hào)的傳播速度通過地球的電離層和對(duì)流層后常常會(huì)變化很大织刹，接收到的數(shù)據(jù)實(shí)際上已-改變。這就要求在地面上的大部分GPS接收器需要配備專門的解算軟件化团，這是GPS接收器的基本配置佛岛。

     同樣在3Di星群中，軟件等一些基礎(chǔ)配置增加了測(cè)量的可靠性辐荷。單個(gè)的固定的接收器能自動(dòng)實(shí)時(shí)地測(cè)量键袱，不管測(cè)量系統(tǒng)是否超出公差范圍。對(duì)于多臺(tái)確定的傳感器摹闽，系統(tǒng)能在后臺(tái)設(shè)置中完成任務(wù)并重復(fù)改正測(cè)量區(qū)域蹄咖。

實(shí)時(shí)地協(xié)調(diào)接收器供給這些最高質(zhì)量的測(cè)量:

    最高精度的GPS測(cè)量配置，差分GPS付鹿。用兩個(gè)接收器獲得同一衛(wèi)星在同一時(shí)刻的數(shù)據(jù)澜汤，這種方法能立刻測(cè)量出接收器到衛(wèi)星的相對(duì)距離。這種差分技術(shù)需要在測(cè)量GPS的幾千米范圍內(nèi)固定一臺(tái)的GPS接收器舵匾。在大地測(cè)量中俊抵，這種高精度的測(cè)量方法已?-是一種公開的技術(shù)。
在3Di星群中坐梯，也可利用更多的接收器技術(shù)以達(dá)到更高的位置測(cè)量精度徽诲。這種相關(guān)的技術(shù)是很重要的，當(dāng)10s到100s的傳感器被放在一個(gè)固定的物體上時(shí)吵血。同樣的在GPS中馏段，這是最精確的技術(shù)且允許輔助工具和主機(jī)體的變形。

3Di星群的測(cè)試:

     最近一個(gè)主要的航行器制造廠配合ARCSECOND公司測(cè)定3Di星群在航行器制造業(yè)的應(yīng)用践瓷，并取得了成功亭颈。實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)是測(cè)定航行器裝配加工時(shí)與所有夾具規(guī)定的位置信息的精度婚廷。這種方法增加了生產(chǎn)率，降低了加工悠蹬、檢驗(yàn)和返工的成本藏苫。這個(gè)系統(tǒng)的精度可能是大家關(guān)注的一個(gè)主要問題，在理論上這種測(cè)量程式很早就已被確定跛拌。因此信炬，檢定程序的一個(gè)重要部分是獨(dú)立地測(cè)定系統(tǒng)的整體精度。在一個(gè)75英尺（22.86m）×75英尺（22.86m）×18英尺（5.4864m）的空間內(nèi)却痴，擴(kuò)展不確定度（k＝2）是0.04英寸（1.016mm）移蔼。

        現(xiàn)采用兩種測(cè)試方式評(píng)定3Di星群的不確定度：（a）與激光干涉儀的比對(duì)，（b）一組坐標(biāo)被激光跟蹤儀確定的一套測(cè)量固定標(biāo)志點(diǎn)的比對(duì)漩判。在激光干涉儀的測(cè)試中（精度1.4PPM）备饭，用干涉儀的長(zhǎng)度測(cè)量來驗(yàn)證3Di星群的三維坐標(biāo)。在這次測(cè)試中3Di星群的測(cè)量不確定度是2千分之2-4英寸或4-8PPM摘沥。激光跟蹤儀是10PPM幼健。

     在用測(cè)量固定標(biāo)志點(diǎn)的三維坐標(biāo)測(cè)試中，在一間溫控的房間里用四臺(tái)激光跟蹤儀建立了一個(gè)60英尺×75英尺×18英尺的測(cè)量空間熊镣。分析上面的試驗(yàn)卑雁，在測(cè)量固定標(biāo)志點(diǎn)位置測(cè)量試驗(yàn)中不確定度在千分之10～20英寸。所有提供的數(shù)據(jù)是2標(biāo)準(zhǔn)偏差值在2秒的平均值之后绪囱。千分之一英寸就是0.001英寸测蹲。測(cè)量結(jié)果擴(kuò)展不確定度是：千分之2～4英寸（在42英尺內(nèi)），3Di星群提供的數(shù)據(jù)與測(cè)量固定標(biāo)志點(diǎn)比較的偏差是千分之20英寸（2δ標(biāo)準(zhǔn)偏差）鬼吵。在下面這樣的情況下扣甲，在那樣的測(cè)量區(qū)域內(nèi)測(cè)量結(jié)果與不確定度是相同的，它是不好說3Di星群或激光跟蹤儀哪一個(gè)比較好而柑。

    從測(cè)試中很明顯可以看出3Di星群的絕對(duì)測(cè)量精度與測(cè)量標(biāo)校尺的精度有直接的關(guān)系。當(dāng)激光跟蹤儀規(guī)定了測(cè)量比例尺時(shí)荷逞，那么測(cè)量結(jié)果與激光跟蹤儀的不確定度是一致的媒咳。當(dāng)干涉儀提供比例尺時(shí)，不確定度是減少的种远。因此ARCSECOND提供了一個(gè)用干涉儀測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)比例尺作為一個(gè)附件涩澡。加上這一項(xiàng)，3Di星群提供的不確定度一般優(yōu)于8PPM坠敷。

       ARCSECOND現(xiàn)在把這些理念應(yīng)用了“自動(dòng)校準(zhǔn)”性能汹涯，有了自動(dòng)校準(zhǔn)，所有的安裝都是全自動(dòng)的但要笨拙的應(yīng)用固定的接收器数屁，有兩個(gè)約束干涉測(cè)量比例標(biāo)準(zhǔn)尺片侧。自動(dòng)校準(zhǔn)將停工期減少到最少的執(zhí)行和適當(dāng)?shù)臏y(cè)量區(qū)域的環(huán)境條件希咒；連續(xù)的和實(shí)時(shí)的。
 

（METRIS）

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