工程領域中三維導航應用技術要點剖析

陳炎釗

(浙江省第一測繪院,杭州 310012)

智能與信息化

工程領域中三維導航應用技術要點剖析

陳炎釗

(浙江省第一測繪院,杭州 310012)

三維導航與二維平面導航在技術上近似，但側重點不同，應用上也有不同。二維平面導航目前常應用于地面導航。三維導航尤其是全球性的三維導航，則必須考慮全球坐標系統的統一性，與高斯平面上的數字處理相比，技術上難度較大。選擇一個時空統一的合理坐標系統，作為全球導航參考基準，是重要內容之一。論文較為系統地分析了各個工序節點的技術要領，并提出一些新的可行性技術，將一種新型結構模式的數據+定位的三維連續導航系統的輪廓展現給大家。

三維定位;三維坐標系統;G PS導航

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.09.036

1 引言

三維導航與地面車載導航有所不同，技術上有相同之處也有各自的側重點。地面導航目前接觸到的多數是二維平面導航；而三維導航則要確定空間的實時位置，因而技術上又多了一層，難度也增加。尤其是全球性的三維導航，則必須考慮全球坐標系統的統一性，與高斯平面上的數據處理，不能相提評論。選擇一個時空統一的合理坐標系統，作為全球導航參考基準，是重要內容之一。同時，在地球表面進行全球導航，比如在海上，很多區域沒有島嶼等地物可以參照，導航必須給出全球的三維地圖才能有效表述，并將地圖分級放大，協同運行。

三維導航的核心技術是三維定位于GIS數據的協同工作。其應用非常廣泛。然而，其原理與在工程領域中利用衛星定位技術進行放樣是基本一致的，求得大地坐標，再進行轉換，然后使用坐標值定位。看似簡單，但各工序具有一定的復雜性與技術難度。

2 全球三維導航概述

2.1 導航技術歷史回顧

地圖最早也是由做向導開始的，軍隊的行軍作戰離不開地圖，可以說導航起源就是地圖。后來由地圖派生出專門的導航系統，到如今雖然發展了許多代，但大多數沒離開過地圖。

專業的導航系統已經有近百年的歷史了。1921年，美國明尼蘇達州JohnJ.Bovy申請了一項手持導航工具專利——可滾動地圖。它可以安裝在汽車上，為行駛的汽車導航。到了1960年，美國成功發射了全球首顆軌道導航衛星系統Transit1B。之后基于原子鐘測距的定位系統不斷發射實驗，到了1977年基本奠定了NAVSTARGPS系統框架。提供了穩定的三維定位系統[1]。

2.2 現代導航技術

衛星定位系統術語縮寫用GNSS縮寫表示，泛指包括美國的GPS、俄羅斯的Glonass、歐洲的Galileo、中國的北斗衛星導航系統等。為方便起見在此以GPS為例[2]。

全球定位系統（GPS）能為全球任意地點、任意多個用戶同時提供高精度、全天候、連續實時的三維定位、三維測速和時間基準。由于這一系統在定位、導航、測速、授時等方面具有高效率、高精度、多功能等特點，因而，原有較為復雜費時的天文測量導航基本被人們遺忘。但隨著數字攝像儀與計算機技術的發展，這項定位技術變得更加方便，尤其是具有永久的低（無）成本的參照系統，且只要有格林尼治授時臺授時，就可滿足導航定位之需。

衛星導航、慣性導航以及其他技術相互組合，促進了導航技術的進一步發展。

3 全球三維導航參照系統

3.1 基本概念

既然是全球導航，就需要有全球性的連續電子地圖。然而，由于從橢球體到平面的投影，在拓撲結構上不可能不產生奇點，所以地圖的平面投影通常不能給出一個連續的全球覆蓋。因而，高斯投影、墨卡托投影等提供的投影圖，是一種碎塊集合體，此為基礎的導航系統必定限于范圍面積或只能跳躍式提供地圖服務，而不可能提供連續的服務，除非有新型的三維系統。

3.2 參照系分類

3.2.1 國家2000大地坐標系

由國家2000大地坐標系由國務院批準，2008年7月1日起正式實施。坐標系原點為包括海洋和大氣的整個地球的質量中心，Z軸由原點指向歷元2000.0的地球參考極的方向，X軸由原點指向格林尼治參考子午線與地球赤道面（歷元2000.0）的交點，Y軸與Z軸、X軸構成右手正交坐標系。

采用的地球橢球的參數為：長半軸a=6 378 137m，扁率f=1/298.257 222 101。

3.2.2 WGS-84坐標系

原點為包括海洋和大氣的整個地球的質量中心，Z軸由原點指向歷元1984.0的地球參考極的方向，X軸由原點指向格林尼治參考子午線與地球赤道面（歷元1974.0）的交點，Y軸與Z軸、X軸構成右手正交坐標系。

WGS-84橢球[3]采用國際大地測量與地球物理聯合會第17屆大會測量常數推薦值，2個常用基本幾何參數為：長半徑a=（6378 137±2）m；扁率f=0.003 352 810 664。

3.3 坐標值的表達方式

三維系統通常分為2類：一類是真三維坐標系統，用（x、y，z）表示空間中的某點，如國家2000大地坐標系、WGS-84等；另一類是投影成平面地圖+大地水準面高程，也可以用經緯度+到橢球面的高度來表示，即用（B，L，H）來表示橢球表面的一個點。

4 衛星定位技術及相應對策

4.1 當前的衛星定位系統

迄今，比較完善的衛星導航系統有美國GPS、俄羅斯Glonass系統和歐洲衛星導航系統Galileo，以及我國正在建設的北斗導航系統。

利用GPS進行氣象預報，遙感地球大氣，測定大氣溫度及水汽含量，監測氣候變化等，由于現勢性較強，無須進行轉換，實測結果可認為是CGCS2000下的結果。GPS用于陸海空定位導航，進行海上船位和平臺的高精度定位，海洋測繪任務、飛機導航，要求精度一般在厘米級甚至米級，因此無須顧及框架間的差異。WGS-84下的結果可視作CGCS2000下的結果。建立WGS-84世界大地坐標系的一個重要目的，是在世界上建立一個統一的地心坐標系。地質、土地利用調查、精細農業和精細林業以及旅游考古、海事部門都可直接利用WGS-84下的結果。

4.2 衛星定位技術應用分類

導航技術的迅速發展，已由較為單一的交通定位導航，擴展到測繪、土地調查、建筑工程、旅游指南、公安PLGIS、通信、物探、氣象等領域，滲透到國民經濟的多個方面。衛星導航系統應用日益廣泛，為人類帶來了巨大的社會和經濟效益。

4.3 衛星定位技術對三維導航的主導作用

衛星定位技術的發展，使精準定位的三維導航也變得可行。一般情況下，只有在靜態才能求得精確值，但隨著應用的持久與廣泛，通過在已知坐標值的點位上設站，可以回歸求出衛星信號在傳播過程中的各種系統誤差改正數，并與原來理論研究的數學改正模型相印證，繼而高精度實時定位導航得以逐步實現。

5 衛星定位信號接收與處理

5.1 信號接收[4]

信號通道是接收機的核心部分。GPS信號通道是硬軟件結合的電路。不同類型的接收機其通道也有所不同的。

GPS信號通道的作用為：搜索衛星，索引并跟蹤衛星；對廣播電文數據信號進行解擴、解調出廣播電文；進行偽距測量、載波相位測量及多普勒頻移測量。

衛星所接收到的信號是擴頻的調制信號，所以要經過解擴、解調才能得到導航電文。為了達到此目的，在相關通道電路中設有偽碼相位跟蹤環和載波相位跟蹤環。

5.2 誤差改正

衛星定位原理是基于時鐘系統的電磁波測距后方交會。信號通過空中到地面，受到各種干擾影響，因而誤差改正組成較為復雜。這方面研究的文章較多，卓有成效。

在已知點上設站，反求改正參數，再用于未知點的定位改正。這是實用的有效方法。目前的Cors系統定位準確效率高。

5.3 信號處理[5]

微處理器是GPS接收機工作的重要部分，GPS接收機都是在微處理器指令下協同工作的。其主要步驟如下。

1）接收機開機后，首先進行自檢，稱為預熱。

2）隨后接收機對衛星進行搜索，當搜索到衛星信號時，即進行跟蹤，并將接收到的信號譯碼為GPS衛星星歷。當收索到4顆衛星信號時，將C/A碼偽距觀測值及星歷一起計算測站的三維坐標，并按預置位置更新率計算新的位置。

3）根據機內存貯的衛星歷書和測站近似位置，計算所有在軌衛星升降時間、方位和高度角。

4）GPS接收機給出導航電文，其數據結構格式 (電文片段)如下:

$GPGGA,091047.00,3959.7618,N,11619.5350,E,1,07,2.3, 60.0,M,-6.5,M,,*4A,,,,,,

$GPZDA,091048.00,14,01,2005,,*61

每一行的語義如下：所有行均以$符開始，以換行符結束，在符號$后的5個字符解釋了信息的基本類型，多重信息之間用逗號隔開：，使用回車控制符和換行控制符。

5.4 軟件處理導航電文

在導航軟件中，必須有接收處理導航電文的功能。軟件可以建一個mydh.DLL作為其中的一個組合件。mydh.DLL控件的內容至少有以下內容：

1）須有一個過程msmentsub'命名隨意…endsub，添加通訊控件，與接收器連接；

2）用RS232線路與接收器雙向通訊；

3）分揀導航電文中的坐標時間信息；

4）在硬盤中記錄坐標作為路徑信息；

5）換算經緯度坐標，與導航使用的GIS數據坐標系統取得一致；

6）在電子圖上定位顯示當前位置；

7）提示周邊相關信息；

8）可以預報未來時刻的準確方位及點位；

9）其他處理功能；

10）關閉通訊退出模塊的功能。

5.5 室內導航測試

我們用筆記本聯機接收天線，導航軟件開機預熱1min后，在室內自動顯示定位點，發現在室內只要有無線信號可以接收，即可解碼信號進行定位，但精度受到一定影響。同一位置在不同時間顯示的坐標是不同的，在一誤差半徑為R的圓內顯示散列點陣。由于室內景深不等，R的大小也在變化，R在10m級，室內定位誤差半徑(見圖1)。這是一個初步測試，有待于更多的研究。

5.6 空中導航模擬測試

在野外測試時，記錄有路徑數據文件。以這個文件為基礎，模擬1個全球路徑數據文件，用導航軟件回放，可以看到，飛行器飛行軌跡，還可以測試速度、方位、高度等參數。

圖1 室內定位誤差半徑

6 坐標處理

6.1 定位點坐標解碼數據

在某一時刻接收到的衛星星歷文件經過解碼，得到經緯度值與大地高。而導航軟件中的GIS數據一般可以用“經緯度坐標+高程”的形式保存到文件，但無法在屏幕上按一定比例顯示，因為1緯度與1經度其長度是不同的。同樣是1緯度，其長度值也在隨緯度大小而變化。因此必須轉換成能按比例顯示的坐標，那就是直角坐標系統。

前述，經典的投影為高斯平面，而從WGS-84坐標建立以來，有了以地球質心為原點的三維直角坐標系統。我們應將導航電文中解算出的坐標位置值（B,L,H），轉換成直角坐標系坐標。

6.2 坐標轉換與G IS一致

在工程建設領域，如橋梁、道路、水利樞紐等，建立的坐標是高斯平面系統，一般用普通幾何方法計算坐標值；而衛星定位值是地球橢球上的大地坐標經緯度。因此，工程建設的控制網及施工放樣若用衛星定位技術，必須經過多道轉換計算工序。目前，許多先進的總圖設計也也在GIS系統上進行。導航的原理也是定位引導，這是一致的。

從應用的角度出發，國家2000坐標系與WGS-84坐標系相差甚微，其誤差對基準來說是要考慮的，但對導航等工程來說則可以忽略。本文以WGS-84系統為例加以介紹。

一般坐標轉換流程為：P(B,L,H)→投影到分帶的高斯-克呂格投影平面上，經過平移旋轉與導航軟件的數據坐標取得一致。而海上導航用的海圖，其投影是墨卡托投影，是與高斯-克呂格投影不同的投影方式，但其過程基本相同，結果也在一個直角平面上[6]。

H是大地高，在三維導航中也應與導航軟件數據的高程系統取得一致。現在由于數據的積累，應該可以初步建立起全球大地水準面模型了。局部區域可以精確建立這個模型。借助于該模型，通過內插計算，可以方便地將大地高轉為水準面的高程。

與局部區域的導航不同，全球性的導航在平面上并不方便，平面圖有分帶，需要進行拼接。這在遠洋航行、遠距離國際航班等情況下，必然會出現。

6.3 全球三維G IS系統構建設計[7-10]

由于計算機技術日益成熟，建立一個三維坐標GIS系統已經是可行的。以WGS-84大地坐標系為基準的三維全球GIS系統，將很方便踐行各種計算，無需如橢球球面上那樣計算復雜耗時。所需數據也可以將原有的高斯平面上的數據逆向轉換成三維空間坐標數據。

同時，由于全球大地水準面模型的建立，水準高程與大地高之間的互相轉換變得方便可行。這樣，GPS高程也可以直接應用到一些工程項目中。

在這個三維系統上，計算也將更方便。2點之間的直線與地心構成的面在地球表面的截線段就是大地線，因此方位角、大地線長度等橢球面上的計算仍可協調統一。

在短距離工程領域內，直線距離可以直接代替大地線，其誤差可以忽略，如10km以內（宜以精度要求為前提確定距離長短）。這將相當于一個全球一體化的微分平面集合體。

這個微分平面，可大可小。微分平面坐標系與三維坐標系的轉換模型容易建立。

6.4 與全球G IS數據的結合

在現有GIS數據體系下，實現全球導航，一般以數據組合的方式出現。將電子地圖數據分成若干區域，以坐標為索引，調用所在區域的數據。

有的GIS軟件，總圖是以經緯度為單位將全圖展開在1個平面上，除赤道外，其他地方長度都是變形的，尤其南北極，1個點變成了1條線。但仍然可以起到示意作用。

還有一種情況，如用航天飛機雷達將全球掃描并經過數據加工形成不同分辨率的全球DEM圖像并作為導航底圖，其數據的高程精度在數10m之內。如對個別區域用精度較高的DEM數據補充后，可以滿足諸如航空導航等一些領域的需求。

7 結語

三維導航也是由應用需求催生的，不少高端行業需要這項技術提供服務。如遠洋貨輪通過全球三維導航，可以了解記錄精確的航行軌跡，不斷改進航行服務等。

通過分析這項技術服務，模式能不斷改進。不限于車載導航，諸如遠洋導航一類，不一定需要對路線周邊詳細的地理人文信息，僅需一個較為精準的航行線路，船只即可沿著這一軌跡航行到達目的地[11]。不同的是需要有跨帶的長距離的連續地形圖。因此，GIS系統模式不盡相同，有其自身的特點。

為建立新一代三維導航系統，我們應從高斯-克呂格分帶投影、墨卡托投影海圖的固定模式中走出來，借助于強大的計算機技術，建立起新型導航系統，提供更加科學、便捷、精準的技術服務。

【1】熊志昂，李紅瑞，賴順香.GPS技術與工程應用[M].北京：國防工業出版社，2007.

【2】楊力.GNSS的現狀及發展[EB/OL].（2011.03.12）[2015-10-01].http: //wenku.baidu.com/link?url=p4R7dJB5baH6yM5ckRXF5601pGnF fafa CeaABFb0SVeyv-gx51aojpWbfuE8jJffDuB80fCjbzmlv-tVZ-6 Ka6znx TJKXb9t0kpty1KB1S.

【3】鐘丹星，鄧新蒲.基于WGS-84橢球模型的衛星測時差定位精度分析[J].電子信息對抗技術，2002，17(5):18-21.

【4】秦紅雷.GPS信號格式和導航電文[EB/OL].（2012.11.25）[2015-10.1].http://www.docin.con/P-537178727.html.

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【11】辛潔，趙偉，張之學，等.衛星導航系統發展及其軍事應用特點分析[J].導航定位學報，2015，3(4):38-43.

AnalysisTechnical Points of Three-dimensionalNavigationApplication in Engineering Field

CHENYan-zhao
(TheFirstSurveyingandMappingInstituteofZhejiangProvince,Hangzhou 310012,China)

Three dimensional navigation and two-dimensional plane navigation in the technical approximation, but the focus is different,there are different applications. Two dimensional plane navigation is the common application of the ground navigation. Three dimensionalnavigation, especially the global three-dimensional navigation, youmust consider the unity of the global coordinate system, comparedwiththedigital processingon theGaussplan, themore difficult to increase the technical.Choosinga proper coordinate systemofspace and time isone of the important contents of the global navigation reference standard. This paper systematically analyzes the technicalmethods of eachworking procedure node, and puts forward some new feasible technologies. The outline of a new type of structural model of the data +locationofthe3Dcontinuousnavigationsystemisshowntoeveryone.

three-dimensionalpositioning;three-dimensionalcoordinatesystem;GPSnavigation

P258

B

10079-9467（2016）09-0129-04

2016-07-04

陳炎釗（1963～），男,浙江諸暨人，高級工程師，從事工程測繪與研究，（電子信箱）hz_cyz@126.com。