地面系統 (倾斜测绘对中杆MIMU高精度方位初始对准方法)

一:簡介

MIMU輔助RTK對中杆傾斜測量中,針對傾斜誤差補償效果嚴重依賴于MIMU慣導的方位初始化精度的問題,提出了三點法求解初始方位角的方法,即在保持對中杆下尖不動的情況下,將對中杆在三個方向上傾斜一定的角度,建立反映方位失准角的量測方程,通過叠代方法進行求解。對三點法進行簡化,得到了更爲簡潔的兩點法。實測數據表明,經過正確的MIMU慣導方位初始化後,在對中杆傾斜30°的範圍內RTK水平測量精度優于1.5cm。

在施工放样、地形图测绘及摄影测量布设像控点等工程测量技术领域,广泛采用实时动态差分法测量(Real Time Kinematic,RTK)方法。RTK是目前一种常用的卫星导航(Global Navigation Satellite System,GNSS)测量方法,采用了载波相位动态实时差分方法,可实时得到厘米级的定位精度,极大地提高了测量作业效率。GNSS接收机测量的是放置在对中杆顶端的天线相位中心的位置,而实际测绘需要的一般是对中杆下尖的位置,传统作业方式需要调整对中杆上的水准气泡居中,作业效率低,在墙角、管线等环境下难以实现对中杆的倾斜测量。

利用倾斜测量技术无需保持对中杆垂直,实现“停下即采,采好即走”,提高作业速度,同时解决对中杆不能到墙角、崖边等特殊点的测量。倾斜测量技术主要有两类:一是借助于微惯性测量单元(Miniature Inertial Measurement Unit,MIMU)或磁罗盘建立对中杆本体坐标系与地理坐标系之间的转换关系,自动补偿倾斜误差;二是“摇一摇”倾斜测量方法,通过晃动对中杆测量空间中多个点,以对中杆长度作为约束条件进行空间交汇计算出测量点的位置[张鲜妮]。上述两类方法都存在一定的缺陷。利用MIMU进行倾斜补偿,当对中杆倾斜角较大时,位置补偿精度主要受限于MIMU惯导的方位对准精度,论文主要讨论MIMU惯导的高精度方位初始对准方法,该方法只需保持对中杆下尖不动,将GNSS天线依次倾斜3个角位置,即可实现对准,与文献[华测]的方法“手持GNSS接收机步行一段10m左右的距离”相比,空间依赖性小。

二:高精度方位初始對准算法

如圖1所示,保持對中杆下尖不動,將GNSS天線依次傾斜三個或兩個角位置,根據GNSS獲取不同觀測點,建立測量方程組,將GNSS輸出與慣導輸出之偏差的兩次傾斜測量間差分作爲構造量測,然後根據方位失准角的最小二乘解來校正MIMU慣導方位,實現中杆的初始對准。


理論上,方位對准誤差與對中杆標稱長度誤差都會對下尖點的測量計算造成影響,實際應用中杆臂矢量應當標效准確,一般可達到毫米級精度,對于厘米級測繪要求而言,杆長誤差通常可以忽略不記。因此,方位對准精度在MIMU慣導傾斜補償方案中非常重要。

通過二次傾斜位置來估計方位角,當兩次傾斜位置關于鉛垂線對稱且傾斜角度越大時候,方位的對准精度越高。


图1 对中杆及其三次角位置倾斜放置示意图



三:試驗驗證

试验系统主要包括载波相位差分GNSS、MEMS惯导系统、对中杆、数据采集笔记本和蓄电池,参见图3。其中,GNSS子系统包含基站和移动站,移动站接收机采集频率5Hz,水平定位静态精度为0.7cm(1σ);MEMS数据采集频率100Hz,陀螺儀零偏稳定性约为30°/h,加速度計零偏重复性约为2mg;对中杆顶端GNSS天线相位中心距离下尖1.897m;笔记本同步采集GNSS定位与IMU惯性传感器数据,做事后分析,步骤如下:



图3  试验系统配置 图4  对中杆倾斜角与定位误差




四: 结论

利用MIMU慣導輔助GNSS進行RTK測量作業,能夠有效的補償對中杆傾斜時産生的誤差,獲得滿足精度的點位坐標和高程,但其前提是需對MIMU慣導進行正確初始化,MIMU慣導的姿態精度特別是方位精度決定了對中杆傾斜誤差補償的效果。方法給出了三點法求解初始方位角的算法,同時也給出了簡化的兩點法算法,應用該方位初始化算法後,實測結果表明,試驗過程中即使對中杆的傾斜角達到了將近30°,RTK測量的水平定位精度優于1.5cm,反過來看,定位結果也間接驗證了方位初始對准算法具有較高的精度。

該方法已申請發明專利,並獲得受理。

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