本技术的实施例涉及gnss定位和高程测量，特别涉及一种平面旋转式gnss定位和高程测量系统及其控制方法。
背景技术：
1、gnss(global navigation satellite system，全球导航卫星系统)定位技术是一种被普遍认可、广泛接受的追踪定位技术，该技术可以对人员、动物、资产、车辆等进行追踪定位，并提供航向、速度、时间等数据。目前的gnss定位技术主要分为测距码测量和载波相位测量两种，测距码测量方式可以实现米级的定位精度，而载波相位测量方式理论上可实现毫米级的定位精度。
2、影响gnss定位精度的因素主要有三类，即卫星相关误差，传播路径相关误差、以及接收机相关误差，而在如何处理这些误差以提高gnss定位和高程数据测量精度的问题上，国内外各团队研究的主流方法主要可以分为差分方法和非差分方法两大方向。差分方法的主要代表技术为rtk(real time kinematic，实时动态定位)技术，非差分方法的主要代表技术为ppp(precise point position，精密单点定位)技术。在研究进行中，有团队将rtk技术与ppp结合起来，提出了一种ppp技术和rtk技术融合使用的方案，简称为ppp-rtk技术。
3、在理想状态下，rtk技术的定位精度可达到毫米级，ppp技术的定位精度可达到厘米级至分米级，ppp-rtk技术的定位精度在网络畅通且延迟小的情况下与rtk技术相当，在网络差或无网络情况下则降级为厘米级至分米级。
4、然而，实际工作环境并非理想状态，存在着很多会影响最终的定位精度的因素，rtk技术、ppp技术和ppp-rtk技术，面临着以下问题：
5、1)为了实现ppp技术，需要实时提供精密卫星轨道和钟差产品，这对传输系统提出了较高要求，当传输系统的通信质量出现波动时，最终的定位精度会受到较大影响。
6、2)rtk技术和ppp技术均需要对信号通过电离层和对流层时产生的延迟进行建模，模型不可能完全精确的时刻反映大气条件的变化，这对定位精度有着显著影响。
7、3)城市环境中的建筑物的反射和折射会对gnss信号产生多径效应，严重影响rtk技术和ppp定位技术的定位精度。
8、4)在城市密集区域或有自然遮挡物(如树木、山脉)的环境中，gnss信号可能会被遮挡，而载波相位的整周模糊度需要被准确估计和固定，在信号条件不佳或动态环境下，模糊度固定比较困难，这将影响rtk技术和ppp技术的连续性和可靠性。
9、5)rtk技术依赖数据链路传输基站的数据，网络延迟会影响其实时性和可靠性。
技术实现思路
1、本技术的实施例的主要目的在于提出一种平面旋转式gnss定位和高程测量系统及其控制方法，可以有效消除随机误差和系统误差，提升gnss定位和高程测量的精度，同时降低了成本，具有广泛的推广前景，具备显著的经济效益和社会效益。
2、为解决上述技术问题，本技术的实施例提出了一种平面旋转式gnss定位和高程测量系统，包括：gnss天线、gnss接收机、机械旋臂、伺服控制模组和数据处理模组，所述gnss天线可滑动地安装在所述机械旋臂上，所述机械旋臂的一端与所述伺服控制模组连接，所述gnss接收机与所述gnss天线和所述数据处理模组之间分别建立有通信连接；所述伺服控制模组用于基于预设的运行逻辑，驱动所述机械旋臂转动以带动所述gnss天线转动，并驱动所述gnss天线沿所述机械旋臂直线滑动，从而依次到达各测量点位，并确定到达的各测量点位的空间位置，在完成一个运行周期后，得到目标平面；其中，所述预设的运行逻辑中设定有不同的转动角度和不同的滑动挡位，不同的转动角度和不同的滑动挡位的组合形成了不同的测量点位；所述gnss接收机用于实时接收所述gnss天线传输的信号，并基于接收到的信号解算出原始定位数据和原始高程数据；所述数据处理模组用于基于各测量点位的空间位置，获得所述gnss接收机在各测量点位处解算出的原始定位数据和原始高程数据，基于所述目标平面的几何特征，对所述gnss接收机在各测量点位处解算出的原始定位数据和原始高程数据进行融合处理，确定所述目标平面的特征点对应的定位数据和高程数据，将所述特征点对应的定位数据和高程数据作为最终定位数据和最终高程数据。
3、本技术的实施例还提出了一种平面旋转式gnss定位和高程测量系统的控制方法，适用于如上述所述的平面旋转式gnss定位和高程测量系统，所述方法包括以下步骤：为所述平面旋转式gnss定位和高程测量系统上电，上电完成后，对所述平面旋转式gnss定位和高程测量系统进行初始化，并将所述机械旋臂和所述gnss天线归位到初始位置；其中，所述平面旋转式gnss定位和高程测量系统中烧录有与预设的运行逻辑对应的程序，所述预设的运行逻辑中设定有不同的转动角度和不同的滑动挡位，不同的转动角度和不同的滑动挡位的组合形成了不同的测量点位；初始化完成后，运行所述程序，驱动所述机械旋臂转动以带动所述gnss天线转动至不同的转动角度，驱动所述gnss天线沿所述机械旋臂直线滑动至不同的滑动挡位，从而依次到达各测量点位，并确定到达的各测量点位的空间位置，在完成一个运行周期后，得到目标平面；在所述机械旋臂转动和所述gnss天线滑动的过程中，获取所述gnss接收机解算出的原始定位数据和原始高程数据；其中，所述gnss接收机实时接收所述gnss天线传输的信号，并基于接收到的信号解算出原始定位数据和原始高程数据；基于各测量点位的空间位置，获得所述gnss接收机在各测量点位处解算出的原始定位数据和原始高程数据，基于所述目标平面的几何特征，对所述gnss接收机在各测量点位处解算出的原始定位数据和原始高程数据进行融合处理，确定所述目标平面的特征点对应的定位数据和高程数据；将所述特征点对应的定位数据和高程数据作为最终定位数据和最终高程数据。
4、本技术的实施例还提出了一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上述所述的平面旋转式gnss定位和高程数据系统的控制方法。
5、本技术的实施例提出的平面旋转式gnss定位和高程测量系统及其控制方法，将gnss天线可滑动地安装在机械旋臂的一端，由伺服控制模组基于预设的运行逻辑，驱动机械旋臂转动从而带动gnss天线转动，同时驱动gnss天线沿机械旋臂直线滑动，从而使gnss天线依次到达各测量点位，并确定到达的各测量点位的空间位置，在完成一个运行周期后，得到目标平面，在此过程中，gnss接收机实时接收gnss天线传输的信号，解算出原始定位数据和原始高程数据，通过数据处理模组基于各测量点位的空间位置，获得gnss接收机在各测量点位处解算出的原始定位数据和原始高程数据，基于目标平面的几何特征，对gnss接收机在各测量点处解算出的原始定位数据和原始高程数据进行融合处理，确点出目标平面的特征点对应的定位数据和高程数据，并将其作为最终定位数据和最终高程数据，有效地消除了随机误差和系统误差，提升了gnss定位和高程测量的精度。如若采用ppp技术，则可以将定位精度和高程测量精度在理论上提升到毫米级，如若设备采用rtk技术，则可以将定位精度和高程测量精度在理论上提升到亚毫米级。相比于rtk技术和ppp-rtk技术，使用本技术提出的平面旋转式gnss定位和高程测量系统，可以大幅降低了定位和高程测量的成本，因此具有广泛的推广前景，具备显著的经济效益和社会效益。
6、在一些可选的实施例中，所述平面旋转式gnss定位和高程测量系统还包括通信模组和供电模组，所述gnss接收机和所述数据处理模组之间通过所述通信模组建立有通信连接；所述供电模组用于为所述gnss天线、所述gnss接收机、所述伺服控制模组和所述通信模组供电，所述供电模组的供电方式为线路供电或电池供电；所述通信模组用于获取所述gnss接收机解算出的原始定位数据和原始高程数据，并将所述gnss接收机解算出的原始定位数据和原始高程数据发送至所述数据处理模组。数据处理模组需要具备一定的计算能力，因此选用云端的数据处理模组更为合适，鉴于此，平面旋转式gnss定位和高程测量系统中可以设置通信模组，由通信模组作为桥梁，将gnss接收机解算出的原始定位数据和原始高程数据发送给数据处理模组，从而进一步提升定位精度和高程测量精度。
7、在一些可选的实施例中，所述伺服控制模组由控制单元、方位电机和直线电机组成，所述gnss天线通过所述直线电机可滑动地安装在所述机械旋臂上，所述机械旋臂的一端与所述方位电机连接；所述控制单元用于基于预设的运行逻辑生成驱动信号，并向所述方位电机和所述直线电机发送所述驱动信号；所述方位电机用于驱动所述机械旋臂转动以带动所述gnss天线转动，并使所述机械旋臂到达所述驱动信号对应的不同的转动角度处悬停；所述直线电机用于驱动所述gnss天线沿所述机械旋臂直线滑动，并使所述gnss天线到达所述驱动信号对应的不同的滑动挡位处悬停；所述控制单元还用于检测所述机械旋臂和所述gnss天线是否悬停稳定，在所述机械旋臂和所述gnss天线悬停稳定后，确定所述gnss天线到达的当前测量点位的空间位置。
8、在一些可选的实施例中，在一个运行周期中，所述预设的运行逻辑具体为：遍历各所述滑动挡位，驱动所述gnss天线沿所述机械旋臂直线滑动至当前滑动挡位处固定，再驱动所述机械旋臂转动一周以带动所述gnss天线转动，并使所述机械旋臂到达各所述转动角度处悬停，从而使所述gnss天线依次到达各测量点位；或者，遍历各所述转动角度，驱动所述机械旋臂转动至当前转动角度处固定，再驱动所述gnss天线沿所述机械旋臂直线滑动至各所述滑动挡位处悬停，从而使所述gnss天线依次到达各测量点位。
9、在一些可选的实施例中，所述转动角度为n个，所述目标平面为圆形，所述目标平面的圆心为所述机械旋臂与所述伺服控制模组连接的一端，所述目标平面的半径r为所述机械旋臂的长度，所述机械旋臂上设定有m个滑动挡位，所述目标平面被m个滑动挡位划分为m个同心圆，m个滑动挡位和n个转动角度组合形成了m×n个测量点位，所述目标平面的特征点为所述目标平面的圆心；其中，m和n均为大于1的整数。
10、在一些可选的实施例中，所述基于所述目标平面的几何特征，对所述gnss接收机在各测量点位处解算出的原始定位数据和原始高程数据进行融合处理，确定所述目标平面的特征点对应的定位数据和高程数据，将所述特征点对应的定位数据和高程数据作为最终定位数据和最终高程数据，包括：遍历各所述同心圆，再遍历当前同心圆上的各测量点位，基于当前同心圆对应的滑动挡位到所述机械旋臂与所述伺服控制模组连接的一端的长度、当前测量点位对应的转动角度和所述gnss接收机在当前测量点位处解算出的原始定位数据，确定当前同心圆的圆心的粗定位数据，并基于所述gnss接收机在当前测量点位处解算出的原始高程数据，确定当前同心圆的圆心的粗高程数据；对基于当前同心圆上的各测量点位处确定的当前同心圆的圆心的粗定位数据进行均值处理，得到当前同心圆的圆心的定位数据，并对基于当前同心圆上的各测量点位处确定的当前同心圆的圆心的粗高程数据进行均值处理，得到当前同心圆的圆心的高程数据；基于各同心圆的圆心的定位数据进行均值处理，得到所述目标平面的圆心对应的定位数据，并基于各同心圆的圆心的高程数据进行均值处理，得到所述目标平面的圆心对应的高程数据。本技术提出的平面旋转式gnss定位和高程测量系统，机械旋臂的运动尺度为数十厘米量级，运动周期为秒级或分钟级，因此原始定位数据和原始高程数据的测量可以认为是小尺度、短周期的数据测量，符合独立同分布，使用均值处理就可以很好地提升精度，均值处理所需要的算力较低，这使得本技术提出的平面旋转式gnss定位和高程测量系统能够兼顾计算成本和精度提升效果。
11、在一些可选的实施例中，所述将所述特征点对应的定位数据和高程数据作为最终定位数据和最终高程数据，包括：所述伺服控制模组、所述gnss接收机和所述数据处理模组重复工作p个运行周期，得到p个运行周期的所述目标平面的圆心对应的定位数据和p个运行周期的所述目标平面的圆心对应的高程数据；其中，p为大于1的整数；分别对p个运行周期的所述目标平面的圆心对应的定位数据和p个运行周期的所述目标平面的圆心对应的高程数据进行均值处理，得到p个运行周期的平均定位数据和p个运行周期的平均高程数据，将所述p个运行周期的平均定位数据和所述p个运行周期的平均高程数据作为最终定位数据和最终高程数据。对于对快速性要求不高的应用，本技术提出的平面旋转式gnss定位和高程测量系统可以进行多个运行周期的测量，对多个运行周期确定的目标平面的圆心对应的定位数据和高程数据进行均值处理，从而进一步提升了定位精度和高程数据测量精度。
1.一种平面旋转式gnss定位和高程测量系统，其特征在于，包括：gnss天线、gnss接收机、机械旋臂、伺服控制模组和数据处理模组，所述gnss天线可滑动地安装在所述机械旋臂上，所述机械旋臂的一端与所述伺服控制模组连接，所述gnss接收机与所述gnss天线和所述数据处理模组之间分别建立有通信连接；
2.根据权利要求1所述的平面旋转式gnss定位和高程测量系统，其特征在于，所述平面旋转式gnss定位和高程测量系统还包括通信模组和供电模组，所述gnss接收机和所述数据处理模组之间通过所述通信模组建立有通信连接；
3.根据权利要求1所述的平面旋转式gnss定位和高程测量系统，其特征在于，所述伺服控制模组由控制单元、方位电机和直线电机组成，所述gnss天线通过所述直线电机可滑动地安装在所述机械旋臂上，所述机械旋臂的一端与所述方位电机连接；
4.根据权利要求3所述的平面旋转式gnss定位和高程测量系统，其特征在于，在一个运行周期中，所述预设的运行逻辑具体为：
5.根据权利要求1所述的平面旋转式gnss定位和高程测量系统，其特征在于，所述转动角度为n个，所述目标平面为圆形，所述目标平面的圆心为所述机械旋臂与所述伺服控制模组连接的一端，所述目标平面的半径r为所述机械旋臂的长度，所述机械旋臂上设定有m个滑动挡位，所述目标平面被m个滑动挡位划分为m个同心圆，m个滑动挡位和n个转动角度组合形成了m×n个测量点位，所述目标平面的特征点为所述目标平面的圆心；其中，m和n均为大于1的整数。
6.根据权利要求5所述的平面旋转式gnss定位和高程测量系统，其特征在于，所述基于所述目标平面的几何特征，对所述gnss接收机在各测量点位处解算出的原始定位数据和原始高程数据进行融合处理，确定所述目标平面的特征点对应的定位数据和高程数据，将所述特征点对应的定位数据和高程数据作为最终定位数据和最终高程数据，包括：
7.根据权利要求6所述的平面旋转式gnss定位和高程测量系统，其特征在于，所述将所述特征点对应的定位数据和高程数据作为最终定位数据和最终高程数据，包括：
8.一种平面旋转式gnss定位和高程测量系统的控制方法，适用于如权利要求1至7中任一项所述的平面旋转式gnss定位和高程测量系统，其特征在于，所述方法包括：
9.根据权利要求8所述的平面旋转式gnss定位和高程测量系统的控制方法，其特征在于，所述平面旋转式gnss定位和高程测量系统放置在权威认证组织认证的具有高精度定位数据和高程信息的标准测量地点，在所述将所述特征点对应的定位数据和高程数据作为最终定位数据和最终高程数据之后，所述方法还包括：
10.一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时，实现如权利要求8至9中任一项所述的平面旋转式gnss定位和高程测量系统的控制方法。
