网络式多站坐标测量系统测站智能优化部署方法研究

Network multi-station coordinate measurement system has the outstanding advantages of good parallelism,wide measurement range and high measurement accuracy due to the coordinating role of more than one station, which makes it to be the research hotspots and important development direction in the field of large-scale measurement. Since station deployment has a significant impact on the measurement range, accuracy, and also restricts the use-cost. Researching the optimization method of station deployment is a common problem faced by this kind of system. This project will study the station deployment issues of systems based on the principle of angle intersection through establishing a reasonable measurement uncertainty estimation model and multi-objective optimization functions and using practical intelligent optimization algorithm. Focusing on the space multi-angle coupling relations, measurement uncertainty estimation method, constraints description and global optimization algorithm improvement strategies, the work aims at a certain commonality method for the station optimal deployment from three levels of constraint analysis, optimization goals and optimization means in order to achieve area coverage under a certain cost and meet the requirement of the measurement accuracy. The research work provides a new and high adaptability idea for the station optimization layout problem based on the principle of angle intersection, thus has important theoretical value and practical significance.

网络式多站坐标测量系统在多站协同作用下实现测量，具有并行性好、测量范围大、测量精度高等突出优点，是工业大尺寸测量领域研究热点及重要发展方向。由于测站布局对系统测量精度、测量范围及使用成本具有重大影响，研究测站优化部署问题是网络式测量系统共同面临的问题。本项目通过建立合理的测量不确定度估计模型及多目标优化函数，结合实用的智能优化算法对基于角度交汇原理的测量系统测站布局优化问题进行研究。重点研究空间多角度耦合关系、测量不确定度估计方法、约束条件描述及全局优化算法改进策略，旨在从约束分析、优化目标、优化手段三个层面，以探索具有一定通用性的网络式多站测量系统测站优化部署方法为目的，实现测站优化布局能在一定成本下对被测区域的全面覆盖，且能满足测量精度的要求。项目研究思路可为基于角度交汇原理的多站组网测量布局优化问题提供具有高适应性的新方法，具有重要理论价值和现实意义。

研究测站部署对系统定位误差的影响，优化测站网络结构，为提高系统定位精度、降低成本提供理论支撑，同时为工程实践提供布站指导，是网络式多站坐标测量系统共同面临的问题。项目以wMPS空间测量定位系统为载体，重点研究了基于空间角度交汇原理的网络式多站坐标测量系统测站布局优化问题。研究内容主要包括：（1）空间角度误差耦合关系的研究：从系统测量方程出发，分析了测站布局优劣在坐标求解过程中的体现，得到不适定测量问题中病态问题与系统网络布局的直接对应关系，为角度交汇测量系统布局优劣的定量评价提出了新思路；（2）测量不确定度估计模型的建立：建立了基于角度交汇原理的定位误差模型，着重分析了测站分布对系统定位误差中随机误差的影响。采用Monte Carlo方法分析了多站网络测量系统空间误差分布特性，并用实验验证了两到四站组成的小型典型网络布局的空间误差特性。该方法突破了传统解析法的局限性，当组网测站数目增多时优势更明显，且不受具体测量系统的限制；（3）优化算法的选择及改进：建立了由测量精度、测量范围和成本组成的多目标优化函数，对不同量纲的子目标进行了归一化处理，并采用层次分析法对权重进行了分析。针对测量系统布局优化结果的模糊性，采用自然选择算法和群智能优化算法对布局进行了优化分析。为提高算法的全局搜索能力及收敛速度，对传统算法进行了改进，提出了基于进化代数衰减因子的改进自适应遗传算法（IAGA）和基于模拟退火-粒子群算法（SA-PSO），建立了布局优化流程，并在天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室wMPS平台上验证了算法的可行性，为工程应用提供了重要的参考价值。