专利名称：全球导航卫星系统的手持终端及其对中和调平方法
技术领域：
本发明涉及全球导航卫星系统(Globalnavigation Satellites System,GNSS),尤其是涉及GNSS手持终端。
背景技术：
全球导航卫星系统是卫星导航系统的总称，可分为全球系统、区域系统、增强系统等。全球系统包括美国的GPS系统、俄罗斯的GL0NASS系统、欧洲的Galileo系统、中国的北斗系统、法国的DORIS星基无线电多普勒定轨定位系统、德国的PRARE星站距离和距离变化率测量系统等。区域系统包括:日本的QZSS准天顶卫星系统、印度的IRNSS区域卫星导航系统等。增强系统包括:STARFIRE全球空基差分系统、WAAS广域增强系统、EGNOS欧洲广域增强系统、日本的MSAS增强系统等。GNSS终端接收全球导航卫星系统的信号并解算出终端的位置信息，因此可用于进行大地测量。在大地测量中，被测点都是位于一个实际物体上，被测点的实时定位精度需要达到厘米级，因此在操作GNSS终端的过程中确定定位参考点是很重要的。这个参考点就是天线的相位中心，即GNSS终端输出的原始位置坐标是卫星接收天线相位中心的经纬度坐标。要保证该经纬度坐标与被测点的经纬度坐标相同，需要调整天线位置，使得天线相位中心在被测点所在水平面上的投影和被测点重合，这个调整天线相位中心的动作称为“对中”。同时，为了保证卫星天线能够均匀的接收来自不同方向和高度的卫星信号，也需要调整卫星天线平面和水平面平行，这个动作称为“调平”。测量型GNSS终端可分为非手持式和手持式两种。非手持式终端主要由主机、手簿、对中杆组成。主机内部主要包括卫星接收天线和定位解算模块。手簿是主机和操作者之间的交互界面，它和主机之间通过有线或无线方式进行通讯，操作者通过手簿对主机发送控制指令、读取数据、存储数据等工作。手持式终端将卫星天线和定位解算模块集成在手簿中。对中杆是一头尖，另一头带螺纹柱的细长杆，杆上安装有调平液泡。对中杆和主机的组装结构保证对中杆垂直于天线平面，并且轴线通过天线相位中心。对中杆用于把天线平面调节到水平并使相位中心对准被测点，同时也兼具抬高天线减少遮挡的功能。在非手持式测量型GNSS终端中，对中杆是必备部件，对于手持式终端，如果定位精度要求达到厘米级，传统的方式也是采用对中杆。实际操作过程中，将对中杆尖头抵在被测点上，操作者根据液泡的位置不断调整对中杆的角度，保持对中杆垂直于水平面，这种调整需在终端定位过程中持续进行，因此会明显增加工作负担。

发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种不需要对中杆的手持式GNSS终端。本发明另外提出一种手持式GNSS终端的对中方法。
本发明所提出的一种全球导航卫星系统的手持终端，包括一壳体，在壳体正面布置有一显示屏，在壳体上布置有一卫星天线。在壳体背面布置有一激光指示器和一摄像头，激光指示器用于发出光束到地面形成光点，摄像头用于拍摄包括被测点和光点的图像。并且，在壳体内布置一姿态传感器，用于感测卫星天线的俯仰角和横滚角。显示屏、激光指示器、摄像头、以及姿态传感器连接到布置于壳体内的一主控制板。在本发明的一实施例中，激光指示器发出光束所在的轴线通过卫星天线的相位中心，并且该轴线和天线平面垂直。在本发明的一实施例中，摄像头安装的角度使得激光指示器通过光束指示在被测点上的光点处于拍摄的范围之内。在本发明的一实施例中，姿态传感器为加速度计。在本发明的一实施例中，全球导航卫星系统为全球系统。在本发明的一实施例中，全球导航卫星系统为区域系统。在本发明的一实施例中，所述手持终端能够接收一种或多种全球导航卫星系统的信号。本发明所提出的全球导航卫星系统的手持终端的对中和调平方法，包括以下步骤:接收操作者设定的卫星天线允许的俯仰角和横滚角阈值，或者接收操作者设定的光点的最大允许偏移误差、以及天线相位中心和地面的距离；从激光指示器发射激光束到地面以形成光点；利用摄像头拍摄包含被测点和光点的图像；在显示屏上显示图像，以供使用者将光点对准所述被测点；利用姿态传感器测量卫星天线的俯仰角和横滚角；在主控制板中判断卫星天线的俯仰角和横滚角是否在阈值规定的范围内；以及向操作者反馈卫星天线的俯仰角和横滚角是否在所述阈值规定的范围内。本发明所提出的手持终端和对中及调平方法利用激光指示器指示被测点，利用姿态传感器感测天线姿态，利用电子摄像头和显示屏实时显示被测点附近影像，使得操作者不再依赖对中杆就可以完成原有工作。


为让本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，以下结合附图对本发明的具体实施方式
作详细说明，其中:图1示出本发明一实施例的手持终端的侧视图。图2示出本发明一实施例的手持终端的正面视图。图3示出本发明一实施例的手持终端的电路结构框图。图4示出本发明一实施例的手持终端的对中和调平过程。
具体实施例方式本发明所要描述的实施例涉及全球导航卫星系统(GNSS)的手持终端。在此，GNSS系统可包括全球系统，例如美国的GPS系统、俄罗斯的GL0NASS系统、欧洲的Galileo系统、中国的北斗系统等，也可包括区域系统，例如日本的QZSS准天顶卫星系统、印度的IRNSS区域卫星导航系统等。手持终端可以是专用于卫星导航的设备，也可以是集成了卫星导航功能的多功能设备。另外，手持终端可能兼容了多种GNSS系统。
图1示出本发明一实施例的手持终端的侧视图。手持终端100包含壳体101，在壳体正面布置显示屏102，在壳体背面布置了激光指示器103和摄像头104。激光指示器103能够发出激光束，照射到物体表面以形成光点。摄像头104能够拍摄物体图像，尤其是能够捕捉这一被测点。激光束所形成的光点较佳为肉眼可视的。但这并非作为限制，在使用不可视激光(例如红外光)的情况下，摄像头104被配置为能够捕获肉眼不可视的激光束(例如红外摄像头)，并转换为在显示屏102上可视的点。另外，卫星天线105以外置或内置方式布置在壳体上。当卫星天线105为外置式时，它局部或者全部暴露在壳体表面。卫星天线105为内置式时，它隐藏在壳体内部。当卫星接收天线105被布置到终端100上后，它具有确定的相位中心0，如图1和图2所示。图3示出本发明一实施例的手持终端的电路结构框图。如图3所示，显示屏102、激光指示器103和摄像头104、以及卫星天线105布置在以主控制板110为中心的电路中。在电路中还布置有GNSS接收机106、姿态传感器107、电源108，均布置在壳体101内。在需要声音输出的情况下，终端可具有扬声器109,其布置在壳体101上并局部暴露于壳体表面。显示屏102、激光指示器103和摄像头104、卫星天线105、GNSS接收机106、姿态传感器107、电源108和扬声器109均连接到主控制板110。通常，卫星接收天线105能够接收导航卫星广播的信号，并将该信号传输到GNSS接收机106。GNSS接收机106利用卫星信号实时解算出天线相位中心O的位置，GNSS接收机106也可以同时接收来自于其他增强系统的辅助信号，利用辅助信号参与解算，能够获得更高精度的定位结果。回到图1所示，激光指示器103安装在天线105的背面，且激光指示器103发出光束所在的轴线恰好通过天线的相位中心0，并且轴线和天线平面垂直。这样，激光指示器103所发出的光束在地面或物体上形成的光点将能够指示手持终端是否处在所希望的被测点。摄像头104同样安装在天线的背面，安装的角度要保证激光指示器103指示在被测点上的光点处于拍摄的范围之内。摄像头104拍摄的画面输出到显示屏102。在此定义载体(即终端100)坐标系如下:原点为天线相位中心0，X轴平行于天线平面指向前方，Y轴平行于天线平面指向右侧，Z轴和X、Y —起构成右手系。定义俯仰角为载体绕Y轴旋转的角度，横滚角为载体绕X轴旋转的角度。姿态传感器107和卫星天线105的位置要保持相对固定，没有相对运动。这可以通过将姿态传感器107和卫星天线105固定在终端壳体上来实现。在本发明的实施例中，姿态传感器107可以是加速度计、陀螺仪、罗盘或其中任何组合，用于测量卫星天线105的俯仰角β和横滚角α。这里以加速度计为例来说明，加速度计是测量载体加速度的传感器，本发明的实施例中使用的加速度计至少需要两个加速度测量元件，这两个元件的测量轴X1和Y1相互正交，并且分别平行于载体坐标系的X轴和Y轴。当天线静止时，加速度计的输出值就是重力加速度g在X轴和Y轴上的投影分量。当天线平面和水平面平行时，重力加速度g垂直于X轴和Y轴，因此加速度传感器输出为0，当天线平面和水平面不平行时，加速度计的输出反应了 g在X轴和/或Y轴上的投影分量。图4示出本发明一实施例的手持终端的对中和调平过程。如步骤41所示，根据测量的精度要求，允许操作者预先设定天线允许的最大俯仰角和最大横滚角阈值，接受这些设定。在步骤42，激光指示器103发射激光束。并且在步骤43，摄像头104拍摄包含被测点和指示光点的图像，传输给主控制板110，经主控制板处理后在步骤44传输给显示屏102显示。这样，实际操作时操作者观察显示屏102，可以同时看到被测点和指示光点，操作者移动终端100将指示光点对准被测点。此后，然后再调节接收机的姿态使其满足阈值规定。在步骤45，姿态传感器107测量天线的俯仰角和横滚角，传输给主控制板110。当主控制板110在步骤46判断天线的俯仰角和横滚角在阈值规定的范围内时，就认为天线是水平的。此时如步骤47，主控制板110可以通过面板指示灯、声音提示、显示屏上的界面提示等任何形式来告知操作者当前的天线俯仰角和横滚角是否在阈值规定的限制范围内。当接收机的姿态满足阈值规定时，即可进行定位数据采集和记录。在上述实施例中，通过判断俯仰角和横滚角是否超过阈值本质上就是控制光点偏离被测点的误差。所以，在本发明的另一实施例中，也可以由用户设置光点的最大允许偏移误差、以及天线相位中心和地面的距离，然后据此计算出允许的最大俯仰角和横滚角。通过这样的终端装置和操作方法，操作者可以不用对中杆就可以完成全部的对中和调平工作，使得测量效率大大提高。虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的修改和完善，因此本发明的保护范围当以权利要求书所界定的为准。
权利要求
1.一种全球导航卫星系统的手持终端，包括一壳体，在所述壳体正面布置有一显示屏，在所述壳体上布置有一卫星天线，其特征在于，在所述壳体背面布置有一激光指示器和一摄像头，所述激光指示器用于发出光束到地面形成光点，所述摄像头用于拍摄包括被测点和光点的图像；并且，在所述壳体内布置一姿态传感器，用于感测所述卫星天线的俯仰角和横滚角； 其中，所述显示屏、所述激光指示器、所述摄像头、所述姿态传感器连接到布置于所述壳体内的一主控制板。
2.按权利要求1所述的手持终端，其特征在于，所述激光指示器发出光束所在的轴线通过所述卫星天线的相位中心，并且所述轴线和天线平面垂直。
3.按权利要求1所述的手持终端，其特征在于，所述摄像头安装的角度使得所述激光指示器通过光束指示在被测点上的光点处于拍摄的范围之内。
4.按权利要求1所述的手持终端，其特征在于，所述姿态传感器为加速度计。
5.按权利要求1所述的手持终端，其特征在于，所述全球导航卫星系统为全球系统。
6.按权利要求1所述的手持终端，其特征在于，所述全球导航卫星系统为区域系统。
7.按权利要求1所述的手持终端，其特征在于，所述手持终端能够接收一种或多种全球导航卫星系统的信号。
8.一种如权利要求1的全球导航卫星系统的手持终端的对中和调平方法，包括以下步骤: 接收操作者设定的所述卫星天线允许的俯仰角和横滚角阈值，或者接收操作者设定的光点的最大允许偏移误差、以及天线相位中心和地面的距离； 从所述激光指示器发射激光束到地面以形成光点； 利用所述摄像头拍摄包含被测点和所述光点的图像； 在所述显示屏上显示所述图像，以供使用者将所述光点对准所述被测点； 利用所述姿态传感器测量所述卫星天线的俯仰角和横滚角； 在所述主控制板中判断所述卫星天线的俯仰角和横滚角是否在所述阈值规定的范围内；以及 向操作者反馈所述卫星天线的俯仰角和横滚角是否在所述阈值规定的范围内。
9.按权利要求8所述的方法，其特征在于，通过所述显示屏向操作者反馈所述卫星天线的俯仰角和横滚角是否在所述阈值规定的范围内。
10.按权利要求8所述的方法，其特征在于，通过所述手持终端的扬声器向操作者反馈所述卫星天线的俯仰角和横滚角是否在所述阈值规定的范围内。
全文摘要
本发明提出一种不需使用对中杆的全球导航卫星系统的手持终端及其对中和调平方法，该手持终端包括一壳体，在壳体正面布置有一显示屏，在壳体上布置有一卫星天线。在壳体背面布置有一激光指示器和一摄像头，激光指示器用于发出光束到地面形成光点，摄像头用于拍摄包括被测点和光点的图像。并且，在壳体内布置一姿态传感器，用于感测卫星天线的俯仰角和横滚角。显示屏、激光指示器、摄像头、以及姿态传感器连接到布置于壳体内的一主控制板。
文档编号G01C1/00GK103091684SQ201110338960
公开日2013年5月8日 申请日期2011年10月31日 优先权日2011年10月31日
发明者胡华, 俞江虹, 郁宏伟, 韩友东, 李庆武, 姚刚, 刘峻宁, 毕勤 申请人:上海伽利略导航有限公司