一種空間測量定位系統測站布局智能優(yōu)化方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于工業(yè)現場大尺寸三維坐標測量技術領域，特別涉及多站組網測量系統 的測站智能優(yōu)化部署方法，具體涉及一種空間測量定位系統測站布局智能優(yōu)化方法。
【背景技術】
[0002] 在大型工程測量中，被測對象不僅幾何尺寸大，相對測量精度要求高（優(yōu)于 IOppm)，待測關鍵點數量多，多個測量任務并存，且受外界環(huán)境影響大，因此測量方法和使 用的量具都具有特殊性。網絡式多站測量系統具有平衡測量范圍，測量精度及測量效率三 者間矛盾的巨大潛力，為大型裝備制造過程中的精密測量提供了有力的技術支持，是大尺 寸測量領域的研究熱點及重要發(fā)展方向。
[0003]空間測量定位系統（workspace Measuring and Positioning System, wMPS)是一 種新型的網絡式多站測量系統，該系統測量量程理論上可進行無限的拓展，且可實現被測 空間多點實時并行測量。國外對該系統研究最早的是美國Arcsecond公司（已并入Nikon)， 稱之為室內GPS或iGPS。其組成主要包括發(fā)射器，接收探測器，比例尺，無線接收電子元器 件及計算機控制中心。英國Bath大學和德國Karlsruhe大學大地測量研究所對iGPS進行 了大量性能評估實驗和動態(tài)跟蹤應用研究。國內部分高校和研究機構也對該系統進行了大 量的理論研究和樣機實驗。
[0004] 由于空間測量定位系統是在多測站的共同作用下實現坐標測量，因此單測站的性 能以及各測站之間的協同作用是影響系統整體性能的兩個關鍵方面。多測站的協同作用 不僅依賴于單測站的測量模型，多測站的交匯模型，而且和測站空間幾何分布具有密切關 系。此外，隨著測站數目的增多，系統使用成本也在逐漸增加，為了將成本控制在合理的范 圍，選擇合適的測站數目也是工程實踐中面臨的問題。研究測站布局對系統定位誤差的影 響，優(yōu)化測站網絡結構，為提高系統定位精度，降低成本提供理論支撐，同時為工程實踐提 供布站指導，是空間測量定位系統面臨的重要問題。
[0005] 在現有的測站網絡布局優(yōu)化研究方面，德國卡爾斯魯爾理工學院的Claudia Depenthal等人對iGPS系統中四發(fā)射站組成的布局進行了研究。在實驗中采用了 Box布局 和C布局，設計了 17個標準點，并將實驗結果與API激光跟蹤儀的測量結果進行比對，實驗 結果表明和Box型布局相比較，C型布局的誤差分布更不均勻。德國亞琛工業(yè)大學機床與 制造工程研究所的Robert Schmitthe和Nikon-Metrology公司的Demeester等人對iGPS 在機器人定位跟蹤時的幾種典型布局進行了仿真分析，結果表明，標準型的測量效果最好。 還有學者從wMPS網絡布局和定位誤差關系入手，研究了典型布局對定位誤差的影響，實驗 結果表明〇_4型布局整體測量精度最高。以上對測站網絡布局的研究均是對少數站或特定 布局進行了研究與對比實驗，當面臨更多測站組網測量時不具有一般拓展性，且布局的選 擇受限于典型布局方式，當測量環(huán)境變得復雜時缺乏靈活性及通用性。
[0006] 同時也有學者采用標準遺傳算法以wMPS系統定位誤差，覆蓋面積及使用成本作 為目標函數進行布局優(yōu)化，但是這種方法存在易使結果陷入局部最優(yōu)，收斂速度慢等問題， 導致測站不能達到最優(yōu)布局，影響空間測量定位系統性能的提高。

【發(fā)明內容】

[0007] 本發(fā)明所要解決的技術問題是克服現有技術的不足，針對工程實踐中缺少適應性 更廣的測站布局優(yōu)化方法，且未將影響系統布局的各個參數綜合考慮等問題，提出一種基 于改進遺傳算法的空間測量定位系統測站的部局智能優(yōu)化方法。在空間測量定位系統中， 建立系統定位誤差，覆蓋面積及使用成本的多目標數學關系模型。在考慮不同模型量綱不 同的情況下，運用歸一化方法將空間測量定位系統的布局優(yōu)化問題轉化為單目標最優(yōu)化問 題，并運用改進的遺傳算法進行全局尋優(yōu)，獲得最優(yōu)的測站部署方法。
[0008] 本發(fā)明采取的技術方案是一種空間測量定位系統測站布局智能優(yōu)化方法，其特征 在于，在空間測量定位系統中，為了獲得最優(yōu)的測站布局，建立由測站定位誤差，覆蓋范圍 及使用成本組成的多目標數學關系模型，即測站布局優(yōu)化數學模型，運用歸一化方法將空 間測量定位系統的布局優(yōu)化問題轉化為單目標優(yōu)化問題，并利用改進遺傳算法獲取最優(yōu)的 測站布局。
[0009] 具體步驟如下：
[0010]步驟1)、在空間定位測量系統中，建立測站布局優(yōu)化數學模型，包括系統定
[0011] 位誤差模型、系統覆蓋范圍模型、成本模型；
[0012]步驟2)、運用歸一化方法將空間測量定位系統的布局多目標優(yōu)化問題轉化為單目 標優(yōu)化問題求解；
[0013]步驟3)、使用改進遺傳算法對測站布局優(yōu)化模型進行求解。
[0014] 所述步驟1)中，
[0015] 系統定位誤差模型的建立過程如下：
[0016] 在空間定位測量系統中，主要包括發(fā)射站，接收器，比例尺，全向矢量棒，其直接觀 測量為光平面從零位掃描至被測點的時間。在發(fā)射站的局部坐標系下，時間信息和水平角 及垂直角可建立一一對應的函數關系。因此對于發(fā)射站的每次測量，均有下列式子成立：
[0018] 式中Tn=(X n, yn, zn)，n=1，2*"N表示為第n個發(fā)射站坐標原點坐標，P= (xTiyT，zT)表示待測點坐標，R n是被測點在第n個發(fā)射站坐標系下的水平投影距離坐標原點 的距離。
[0019] 若mni表示第n個發(fā)射站的第i次水平角和垂直角的測量，則有：
[0020] Ini=f JT1, T2, ? ? ? Tn，P) = mni+ e ni，n = 1，2...N
[0021] 將匕函數經泰勒級數展開并去掉所有非線性分量后，得到方位角誤差傳播矩陣H， 表示為：
[0025] 式中4和4分別表示水平角和垂直角測量方差。根據協方差矩陣進行加權處 理，此時定位估計協方差矩陣D為：
[0026] D = (H1Vm 1H) 1
[0027] 根據矩陣D，布站方式對于空間上的任意一點Pk的⑶OP (精度幾何稀釋因子）表 示為：
[0029] 對所有測站的布局優(yōu)化是為了達到對被測點的最高定位精度，則上式可推導為：
[0030] O1=OTOPpko
[0031] 所述步驟1)中，
[0032] 系統覆蓋面積模型的建立過程如下：
[0033] 定義發(fā)射站兩個光平面傾角分別為（^和巾2，令tKax= max(<i> 巾2)則以Z軸 為對稱軸，錐角為2巾_的上下兩個倒立圓錐為發(fā)射站激光平面的掃描盲區(qū)。接收器與發(fā) 射站距離不同，光脈沖的脈寬將會發(fā)生變化，因此接收器將工作在有限的距離范圍內。
[0034] 在水平面區(qū)域P = 0上隨機布撒的被測目標P1，其坐標為（Xl，yi)，對于任意測站 T,，被測目標P 1與任意測站T ,之間的歐式距離為：
[0036] 因此只需要(!(P1, T,)在接收器的有效工作距離[LR_，LR_]之間即可。而對于有 一定高度H的平面區(qū)域，發(fā)射站能測量的方位角范圍可表示為：
[0038] 其中a為水平角，P為垂直角。則測站的覆蓋面積模型可表示為：
[0039]
[0040] 若被測目標徑向距離及垂直角大小在測站可測范圍之內，認為測站測得該點的概 率為1，若被測目標徑向距離或垂直角大小中有一項超過測站可測范圍，則認為測得該點的 概率為0。
[0041] 所述步驟1)中，
[0042] 成本模型的建立過程如下：
[0043] 本發(fā)明僅考慮測站在完成測量任務時的投資成本，不考慮在測量過程中運行成 本。在所有測站都被部署完畢后，每種布局下測站的成本消耗模型可表示為：
[0044] O3= ON
[0045] 式中C表示單個測站的成本，N表示測站的個數。在測量區(qū)域內選擇合適的測站 數量，使得區(qū)域最大覆蓋，滿足測量系統精度同時使用成本少，可轉換為多目標優(yōu)化問題求 解。
[0046] 根據測站定位誤差D和覆蓋范圍F及測站成本C，得到測站布局多目標優(yōu)化模型：
[0047] Min O1=⑶OPpk
[0049] Min O3= C*N。
[0050] 所述步驟2)中，由于目標函數量綱不同運用歸一化方法將空間測量定位系統的 布局多目標優(yōu)化問題轉化為單目標優(yōu)化問題求解，具體過程如下：
[0051] 其中定位誤差數學模型可表示為：
[0058]式中，It是實際使用的測站數目，N_是可使用的測站數目。
[0059]因此該空間測量定位系統的布局優(yōu)化問題轉換為如下帶權重系數的單目標最優(yōu) 化問題：
[0061] 所述步驟3)中，
[0062] 使用改進遺傳算法對測站布局優(yōu)化模型進行求解，按如下步驟進行：
[0063] 將目標函數的參數集合編碼成染色體，并隨機初始化一定規(guī)模的染色體種群，