Indoor GPS技术简介

GPS

     全球定位系统（GPS）已经­很普及了，目前主要用于全球的定位测量，GPS的功能不仅是它先进的技术还有它的整个系统概念的能力。人造卫星对每一个用户来说都是独立的，人造卫星（信号发射机）发出位置测量所需要的高精度的信号，这就允许无限多的用户从接收到的信号和已知的人造卫星的位置计算出他们的位置。系统中的每一个用户都可以从人造卫星发射到接收器的单通道信号中获得他们独立的位置。

3Di星群
 
    ARCSECOND公司已早先就已取得了局域GPS系统的专利权，就是3Di星群测量系统。在3Di星群中，红外线光发射机发射一组单独的位置信息：从发射机到接收器的相对方位和俯仰角，再加上已知发射机的方向和位置，用户就可以计算出他们在3Di星群坐标系统中的位置。这种测量原理就好比GPS一样，从发射机到接收器创建一种单信号通道，当两个或多个发射机在视野范围内时，就容许无限多数量的接收器可以连续独立地计算出他们的位置。下面讨论GPS和3Di星群原理之间的直接关系。

3Di星群与GPS的比较：

基本构造：

     我们不需要明白GPS的内部构造，但是整个GPS系统是建立在好几十亿美元的基础上的。是由距离地面12000英里的24颗人造卫星组成的，这些卫星不断地发射有用信息的信号，为地面上的接收器计算它们的位置。

    如图2所示，在3Di星群中人造卫星被红外发射机取代，它即能被简单地固定在某地也能很方便地在两工地间移动，发射机随时发出需要的信号，接收器独立接收信号并计算它所在的位置。因此，像GPS一样，系统安装好后，可以允许无限多的接收器同时工作。

建立测量矩阵： 

    在GPS中，隐藏在背面的是一块关键性的构件，在人造卫星和随处移动的接收器里有时钟计时器。由美国政府负责运行的全球网地面站测定人造卫星的有关数据信息。在地面上测定的这些信息被埋植在GPS卫星发射出来的信号中，通过一种特殊的信息通道发送给接收器。这些轨道信息、星历表能够被实时地被更新。另外，GPS接收器中的时钟也必须被实时地监控和校准。接收器时钟与从四个卫星发射出来的四个测量元素中的GPS卫星时钟是同步的。

     如图3所示，3Di星群利用类似的概念去测定在局部水平面上的发射器的位置。设置测定步骤，首先发射器的相对位置和方向可用高级固定的运算法则确定。另外确定测量比例尺也是很重要的一部分，就是发射器间的绝对距离。已知两发射器位置之间有效的位置系统决定了测量比例尺。一旦发射器位置和方向信息被确定，分布的接收器¾­由有线的、无线的和红外线的方式连接起来，组成了一个完整的测量系统。对于用户来说，设置是一个快速简单的过程，很多设置步骤甚至能够完全自动化。

简单的测量模型：

    在GPS中，接收器需要计算四个要素：x, y, z和时间。从每一个人造卫星发出来的信号都包含同样的测量信息值，从人造卫星到接收器的距离形成了简单的测量基础，在可视范围内有四个人造卫星是测量的主要和必要的条件，它们能够提供计算四个或更多数量的测量信息值。

     在3Di星群中能够计算出三个要素：x, y和 z值。每一个发射器可以提供两个测量信息值给接收器：从发射器到接收器的方位角和俯仰角。最简单的位置测量，就是在可视范围内最少要有两台发射机，根据两台发射机提供的四个测量信息值，应用三角测量原理即可计算出上述的三个要素。如图4所示，是简单测量的误差域分布。注意，两个发射器产生的误差域是一个菱形，它的大小和形状在不同的测量区域是不相同的。

关于复杂的测量：

    GPS接收器设法同时接收超过四个卫星信号，市场上有很多GPS接收器能够同时接收甚至多达12颗人造卫星的信号。有些信号可能不被人们所注意，但在几何学测量上都可有能降低测量不确定度， 每一个附加的信号组都会对测量方案提供帮助。GPS用户可以利用更多的卫星提高测量精度。

     3Di星群也能利用从多个发射器中发出的有用信号提高测量精度。如图5所示，这种组合的主要优点是测量误差区域变成接近圆形，它的大小和形状在整个测量区域中都保持在一个定值。3Di星群用户在测量中会明白增加发射器的数量将减小测量不确定度。

局部的修正可以增加测量精度:

     GPS精密定位的主要信息是人造卫星的位置。从人造卫星发射出来的星历表等数据信息是高精密的，卫星的运行轨道和无线电信号的传播速度通过地球的电离层和对流层后常常会变化很大，接收到的数据实际上已­改变。这就要求在地面上的大部分GPS接收器需要配备专门的解算软件，这是GPS接收器的基本配置。

     同样在3Di星群中，软件等一些基础配置增加了测量的可靠性。单个的固定的接收器能自动实时地测量，不管测量系统是否超出公差范围。对于多台确定的传感器，系统能在后台设置中完成任务并重复改正测量区域。

实时地协调接收器供给这些最高质量的测量:

    最高精度的GPS测量配置，差分GPS。用两个接收器获得同一卫星在同一时刻的数据，这种方法能立刻测量出接收器到卫星的相对距离。这种差分技术需要在测量GPS的几千米范围内固定一台的GPS接收器。在大地测量中，这种高精度的测量方法已¾­是一种公开的技术。
在3Di星群中，也可利用更多的接收器技术以达到更高的位置测量精度。这种相关的技术是很重要的，当10s到100s的传感器被放在一个固定的物体上时。同样的在GPS中，这是最精确的技术且允许辅助工具和主机体的变形。

3Di星群的测试:

     最近一个主要的航行器制造厂配合ARCSECOND公司测定3Di星群在航行器制造业的应用，并取得了成功。实验目标是测定航行器装配加工时与所有夹具规定的位置信息的精度。这种方法增加了生产率，降低了加工、检验和返工的成本。这个系统的精度可能是大家关注的一个主要问题，在理论上这种测量程式很早就已被确定。因此，检定程序的一个重要部分是独立地测定系统的整体精度。在一个75英尺（22.86m）×75英尺（22.86m）×18英尺（5.4864m）的空间内，扩展不确定度（k＝2）是0.04英寸（1.016mm）。

        现采用两种测试方式评定3Di星群的不确定度：（a）与激光干涉仪的比对，（b）一组坐标被激光跟踪仪确定的一套测量固定标志点的比对。在激光干涉仪的测试中（精度1.4PPM），用干涉仪的长度测量来验证3Di星群的三维坐标。在这次测试中3Di星群的测量不确定度是2千分之2-4英寸或4-8PPM。激光跟踪仪是10PPM。

     在用测量固定标志点的三维坐标测试中，在一间温控的房间里用四台激光跟踪仪建立了一个60英尺×75英尺×18英尺的测量空间。分析上面的试验，在测量固定标志点位置测量试验中不确定度在千分之10～20英寸。所有提供的数据是2标准偏差值在2秒的平均值之后。千分之一英寸就是0.001英寸。测量结果扩展不确定度是：千分之2～4英寸（在42英尺内），3Di星群提供的数据与测量固定标志点比较的偏差是千分之20英寸（2δ标准偏差）。在下面这样的情况下，在那样的测量区域内测量结果与不确定度是相同的，它是不好说3Di星群或激光跟踪仪哪一个比较好。

    从测试中很明显可以看出3Di星群的绝对测量精度与测量标校尺的精度有直接的关系。当激光跟踪仪规定了测量比例尺时，那么测量结果与激光跟踪仪的不确定度是一致的。当干涉仪提供比例尺时，不确定度是减少的。因此ARCSECOND提供了一个用干涉仪测量的标准比例尺作为一个附件。加上这一项，3Di星群提供的不确定度一般优于8PPM。

       ARCSECOND现在把这些理念应用了“自动校准”性能，有了自动校准，所有的安装都是全自动的但要笨拙的应用固定的接收器，有两个约束干涉测量比例标准尺。自动校准将停工期减少到最少的执行和适当的测量区域的环境条件；连续的和实时的。
 

（METRIS）

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