GPS載波相位差分定位方法在運動捕捉中應(yīng)用的研究

武善鋒，曹艷杰

（南京師范大學泰州學院體育系，江蘇泰州 225300）

1 引 言

運動捕捉技術(shù)是一種用于準確測量運動物體在三維空間中運動情況的高新技術(shù).從技術(shù)的角度來說，運動捕捉的實質(zhì)就是要測量、跟蹤、記錄物體在三維空間中的運動軌跡[1].典型的運動捕捉設(shè)備一般由傳感器、信號捕捉設(shè)備、數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)處理設(shè)備這四大部分共同構(gòu)成.其中，傳感器是固定在運動物體特定部位的跟蹤裝置，用于向系統(tǒng)提供運動物體運動的位置信息，是運動捕捉實現(xiàn)的基礎(chǔ)和關(guān)鍵技術(shù)之一.利用該技術(shù)可以幫助教練員從不同的角度觀察運動員的技術(shù)動作，配合數(shù)據(jù)采集技術(shù)，搜集某類技術(shù)動作的運動參數(shù)及運動員生理生化指標數(shù)據(jù)，對訓練過程中出現(xiàn)的問題進行實時的診斷和分析，為科學訓練提供規(guī)范化的技術(shù)指導.

2 現(xiàn)有成型定位系統(tǒng)簡介

所謂定位是指被定位物體具體的物理或數(shù)學層面上的位置數(shù)據(jù).現(xiàn)有運動捕捉系統(tǒng)中，應(yīng)用比較廣泛的是成像式采集系統(tǒng)和電磁式采集系統(tǒng)，如表1中對三種典型定位系統(tǒng)進行了多位比較.

表1 三種定位系統(tǒng)性能比較情況統(tǒng)計表

成像式采集系統(tǒng)是基于計算機視覺原理工作的，通過多個攝像機同時、高速、連續(xù)拍攝，獲取運動參數(shù)[2].成像式采集系統(tǒng)雖然可以捕捉實時動作，但是對目標的識別、跟蹤、定位的計算量較大，容易出錯，而且對于運動場地有一定的限制，只適用于技巧類的體育項目（如蹦床、跳水、體操等）.

電磁式采集系統(tǒng)是基于電磁感應(yīng)原理工作的，將發(fā)射源附近規(guī)則分布的電磁場的變化測量結(jié)果轉(zhuǎn)化為電信號，以有線方式交給后臺計算機處理，得到運動員的速度、角度和位置信息.信息采集的實時性比較強，但是有線方式傳輸給場館的布線帶來麻煩，而且在使用過程中極易受到場館周圍電磁場的干擾、作用范圍和強度受到發(fā)射源位置和強度的限制，只適合于在仿真訓練中使用.

隨著無線技術(shù)的日益普及和成熟，運用無線定位技術(shù)實現(xiàn)高精度、高實時性、廣距離的運動捕捉具有廣闊的應(yīng)用前景.無線定位技術(shù)是通過對無線電波的一些參數(shù)進行測量，根據(jù)特定的算法來判斷被測物體的位置[3].測量參數(shù)一般包括無線電波的傳輸時間、幅度、相位和到達角等.通過給運動員或者運動器械安裝定位傳感器或者定位標簽，結(jié)合無線定位技術(shù)（如GPS、紅外、藍牙、超聲波、Wi-Fi等），將位置參數(shù)信息通過無線局域網(wǎng)送到后臺可視化服務(wù)器軟件進行處理，如圖1所示.

圖1 無線定位技術(shù)系統(tǒng)架構(gòu)圖

在競技體育領(lǐng)域中，無線室內(nèi)定位算法是目前比較成熟的，比如說LANDMARC算法，其在室內(nèi)定位的精度可以達到厘米級，可以應(yīng)用于室內(nèi)競技運動項目，如排球、羽毛球等.成功的無線室外定位系統(tǒng)卻不多，比如美國的GPS、俄羅斯的GLONASS、歐洲的Galileo以及我國自行研制的北斗系列導航系統(tǒng).這些系統(tǒng)進行室外定位的精度為數(shù)十米，經(jīng)過修正后，可以達到厘米級；采用GPS載波相位測量技術(shù)，精度可以達到厘米級[4].在室外競技運動，如足球、沙灘排球、橄欖球、帆船等項目中，可以以該技術(shù)為核心構(gòu)建室外運動捕捉系統(tǒng).

3 GPS載波相位差分定位技術(shù)

3.1 GPS定位

目前，GPS是室外定位和導航使用的主要方法.GPS全球定位系統(tǒng)的空間由24顆工作衛(wèi)星（其中三顆為備用衛(wèi)星）構(gòu)成.GPS的空間星座部分和地面監(jiān)控部分是運動捕捉系統(tǒng)應(yīng)用GPS進行定位的基礎(chǔ)，目前只能通過GPS接收機才能實現(xiàn).GPS接收機的主要任務(wù)是接收GPS衛(wèi)星發(fā)射的信號，以獲得定位所需要的數(shù)據(jù)，如圖2所示.如果要實現(xiàn)精確定位，只需要一個歷元（指定天球坐標或軌道參數(shù)而規(guī)定的某一時刻）內(nèi)對四顆衛(wèi)星的觀測量即可得到接收機準確的三維位置.

圖2 GPS系統(tǒng)組成

GPS定位技術(shù)主要是測量測碼偽距（由碼相位觀測所確定的偽距）或者測相偽距（由載波相位觀測所確定的偽距），如圖3所示.利用碼相位（C/A碼）得到偽距的方法應(yīng)用比較早，但定位精度比較差，目前定位誤差為5米左右，根本無法滿足競技體育的高精度要求.實驗證明，由于載波波長比較短，將其作為測量信號，精度可以達到0.2mm.GPS載波相位差分定位方法就是為了提高定位精度而產(chǎn)生和發(fā)展起來的.

圖3 GPS定位

3.2 GPS載波相位差分定位原理

GPS載波相位差分（相對）定位系統(tǒng)是由基準站、移動站（GPS接收機）兩個部分組成，它將基準站采集到的載波相位信號發(fā)給移動站，是實時處理兩個測站載波相位觀測量的差分定位方法，如圖4所示.對應(yīng)到競技體育中，就是將基準站設(shè)定在固定點上，為所有運動員佩戴GPS接收機，在運動中利用載波相位差分實現(xiàn)定位.利用GPS載波相位差分定位技術(shù)可以在厘米量級精度上確定空間任意兩點之間的距離誤差，差分技術(shù)可以大大削弱相關(guān)誤差的影響，在高精度測量中得到廣泛的應(yīng)用.

圖4 GPS載波相位差分定位原理圖

GPS載波相位定位中求解坐標方法包括單差、雙差和三差三種數(shù)學模型，其中雙差觀測方程構(gòu)成的數(shù)學模型使用最為普遍.雙差觀測方程將兩個不同測量站測得的數(shù)據(jù)求站間星間差，若移動站和基準站之間相隔距離比較近的時候，利用雙差方程可以就消除兩站之間的公共誤差和站接收機鐘差[5].

求解得到雙差相位觀測量:

在構(gòu)建賽場的時候，可以在賽場周圍放置固定基站.當移動站和基站間距離較近時，可以假設(shè)，這時：

移動站相對基準站的坐標改變量為 ，當基準站坐標已知的情況下，可以很容易的求得移動站的坐標；移動站對于同步觀測兩顆GPS衛(wèi)星的方向矢量之差可以表示為：

其中，

表示觀測噪聲.等式（1）的位置參數(shù)

和雙差整周模糊度

，求解等式（1）的關(guān)鍵是

初始值的確定，確定完

后，就可以實現(xiàn)載波相位差分定位，在觀測過程中如果出現(xiàn)新的衛(wèi)星，需要在運動中重新確定

初始值，以確保載波相位差分定位的有效實現(xiàn)

[5]

.

3.3 GPS載波相位差分定位誤差分析

由于GPS載波相位差分定位是使用GPS接收機接收衛(wèi)星信號實現(xiàn)定位的，因此，偽距測量誤差主要來源于衛(wèi)星、GPS接收器以及傳輸過程.其中，傳輸過程中衛(wèi)星星歷、電離層效應(yīng)、對流層效應(yīng)等對誤差的影響，可以通過差分算法完全消除[6].而基準站、移動站本身具備的誤差有些是可消除，有些是不可消除的.比如說接收機安裝位置、天線相位中心變化誤差，可以完全消除或者通過人為干預(yù)進行減?。欢邮諜C本身由于運行的環(huán)境因素，如熱噪聲和多徑效應(yīng)（衛(wèi)星信號被地表或者障礙物多次反射），不可能通過差分系統(tǒng)消除.這些都是造成定位誤差的原因[7].但是這一部分誤差相比較其他GPS定位方法，已經(jīng)小了很多.所以，應(yīng)用在對精準度比較高的室外競技運動中是非常合適的，例如帆船、滑雪、足球（圖5、圖6）等.

圖5 帆船運動中3D運動捕捉

圖6 足球競賽中運動員的定位

3.4 監(jiān)測點部署和儀器選擇

為了達到較好的定位精度，不影響運動員正常比賽，選擇將GPS監(jiān)測點部署在賽場周邊，共計3個基準站，這樣可以全方位對運動員的行為進行定位分析.衛(wèi)星高度角大于15°，采樣時間間隔為10s，如圖7.

圖7 監(jiān)測點部署

運動員佩戴的GPS接收機選用麥哲倫switch手表GPS.該接收機防水、耐摔、持續(xù)工作時間長，靈敏度高可以使用于不同的賽事，并且可以通過無線方式和監(jiān)控主機進行通信，定位精度可以達到米級.

3.5 數(shù)據(jù)處理和測量分析

后臺監(jiān)控主機上安裝Solutions 3.3.2圖形處理軟件[8]，預(yù)先設(shè)定的基準站地理位置已知，通過GPS腕表采集地理位置參數(shù)，利用GPS載波相位差分定位原理，進行運算，得到如下計算坐標和實際坐標值，如表2.

表2 地理位置參數(shù)計算坐標和實際坐標值數(shù)據(jù)統(tǒng)計表

采用GPS載波相位差分定位技術(shù)對表2所得數(shù)據(jù)進行計算，得到表3數(shù)據(jù)，可以看出，實際測量產(chǎn)生出現(xiàn)誤差，但是誤差范圍可以縮小至mm單位以內(nèi).

表3 實際測量誤差統(tǒng)計表

4 結(jié) 論

GPS技術(shù)由于具備全天候、全球性的定位能力，在當前的導航定位之中應(yīng)用非常廣泛.如在競技體育中的越野比賽、野外拓展訓練、野外生存等用的非常多.但是，GPS也會受到天氣、地理位置等環(huán)境的影響，可能導致信號丟失或者精度不夠的問題.文章提出了GPS載波相位差分定位方法，對其進行了原理分析及定位誤差分析.通過計算，載波相位的觀測量雖然誤差是客觀存在的，然而可以縮小到到mm單位，從而提高了測量成果的可靠性和精確性[9].通過分析，發(fā)現(xiàn)該方法具有實效性高、定位精度高、范圍廣、抗干擾能力強、成本低等的優(yōu)點，將其應(yīng)用于競技體育運動中的運動捕捉系統(tǒng)中，對提高運動員運動技能水平有著重要的作用.

在競技體育運動中，運用GPS載波相位差分定位方法，配合實時傳感器傳回的數(shù)據(jù)，可以對室外競技體育賽后的數(shù)據(jù)進行回放，也可以通過賽后或運動后數(shù)據(jù)建立模擬現(xiàn)場運動環(huán)場景，進行實時的模擬訓練.在訓練過程中，及時將運動的參數(shù)傳回，有利于對運動技術(shù)要領(lǐng)進行全面的分析和及時的修正，以便更好的改進并提高運動員技術(shù)水平.通過對此方法的推廣，期望此方法能夠在體育訓練和比賽中發(fā)揮重要作用.

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