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地面系統 (傾斜測繪對中桿MIMU高精度方位初始對準方法)

一:簡介

 MIMU輔助RTK對中桿傾斜測量中,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,即在保持對中桿下尖不動的情況下,將對中桿在三個方向上傾斜一定的角度,建立反映方位失準角的量測方程,通過迭代方法進行求解。三點法進行簡化,得到了更為簡潔的兩點法。實測數據表明,經過正確的MIMU慣導方位初始化后在對中桿傾斜30°的范圍內RTK水平測量精度優于1.5cm

在施工放樣、地形圖測繪及攝影測量布設像控點等工程測量技術領域,廣泛采用實時動態差分法測量Real Time KinematicRTK)方法RTK目前一種常用的衛星導航(Global Navigation Satellite SystemGNSS測量方法,采用了載波相位動態實時差分方法,實時得到厘米級的定位精度,極大地提高了測量作業效率。GNSS接收機測量的是放置在對中桿頂端天線相位中心的位置,而實際測繪需要的一般是對中桿尖的位置,傳統作業方式需要調整對中桿上的水準氣泡居中,作業效率低,墻角管線環境下難以實現對中桿的傾斜測量

利用傾斜測量技術無需保持對中桿垂直,實現“停下即采,采好即走”,提高作業速度,同時解決對中桿不能到墻角、崖邊等特殊點的測量。傾斜測量技術主要有兩類一是借助于慣性測量單元(Miniature Inertial Measurement UnitMIMU磁羅盤建立對中桿本體坐標系與地理坐標系之間的轉換關系,自動補償傾斜誤差;二是搖一搖傾斜測量方法,通過晃動對中桿測量空間中多個點,以對中桿長度作為約束條件進行空間交匯計算出測量點的位置[張鮮妮]。上述兩類方法都存在一定的缺陷利用MIMU進行傾斜補償,當對中桿傾斜角較大時,位置補償精度主要受限于MIMU慣導的方位對準精度,論文主要討論MIMU慣導的高精度方位初始對準方法,該方法只需保持對中桿下尖不動,GNSS天線依次傾斜3角位置,即可實現對準,與文獻[華測]方法手持GNSS接收機步行一段10m左右的距離相比,空間依賴性小。

    二:高精度方位初始對準算法

如圖1所示保持對中桿下尖不動,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為構造量測,然后根據方位失準角的最小二乘解來校正MIMU慣導方位,實現中桿的初始對準。

 理論上,方位對準誤差與對中桿標稱長度誤差都會對下尖點的測量計算造成影響,實際應用中桿臂矢量應當標效準確,一般可達到毫米級精度,對于厘米級測繪要求而言,桿長誤差通常可以忽略不記。因此,方位對準精度在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,方位的對準精度越高。

 

1 對中桿及其三角位置傾斜放置示意圖

 

    三:試驗驗證

試驗系統主要包括載波相位差分GNSSMEMS慣導系統對中桿數據采集筆記本和蓄電池,參見圖3。其中GNSS子系統包含基站和移動站,移動站接收機采集頻率5Hz,水平定位靜態精度為0.7cm(1σMEMS數據采集頻率100Hz,陀螺儀零偏穩定性約為30°/h,加速度計零偏重復性約為2mg;對中桿頂端GNSS天線相位中心距離下尖1.897m筆記本同步采集GNSS定位與IMU慣性傳感器數據,做事后分析,步驟如下:

 

 

 

 

 

    四: 結論

利用MIMU慣導輔助GNSS進行RTK測量作業,能夠有效的補償對中桿傾斜時產生的誤差,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對中桿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,同時給出了簡化的兩點算法,應用該方位初始化算法后,實測結果表明,試驗過程中即使對中桿的傾斜角達到了將近30°RTK測量水平定位精度優于1.5cm反過來看,定位結果也間接驗證了方位初始對準算法具有高的精度。

    該方法已申請發明專利,并獲得受理。

 

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