慣導(dǎo)RTK傾斜測量精度評定

韋洪昌，王德豐

（湖南省有色地質(zhì)勘查局二四五隊(duì)，湖南 吉首 416000）

慣導(dǎo)RTK傾斜改正系統(tǒng)稱IMU慣性導(dǎo)航傳感系統(tǒng)，其主要利用陀螺儀和加速度計(jì)測量傾斜方向和角度，從而能自動進(jìn)行傾斜角與方位角的傾斜補(bǔ)償[1]。慣導(dǎo)RTK移動站在測量過程中，對中桿無需扶直，IMU系統(tǒng)能夠快速測量出對中桿傾斜的角度與方向，并實(shí)時進(jìn)行補(bǔ)償校正，獲取對中桿扶直狀態(tài)下的地面點(diǎn)坐標(biāo)，可提高流動站測量作業(yè)效率[2]。

IMU傾斜測量精度有限，其精度的高低直接影響測量結(jié)果的精度。為評定其測量精度，下面對同一個點(diǎn)在不同傾斜角度和方向下進(jìn)行測量，對比分析其測量精度。

1 實(shí)驗(yàn)方案

1.1 慣導(dǎo)RTK傾斜改正的基本原理

RTK第一代傾斜測量是基于電子羅盤或磁力計(jì)地磁解算，而引起磁場變化的因素很多，如高壓線，變壓器，發(fā)射站及多金屬的地方這些會對傾斜校正值有影響導(dǎo)致測量結(jié)果不可控，可信度降低?，F(xiàn)期在慣導(dǎo)RTK中出現(xiàn)了新的傾斜改正技術(shù)，屬于二代傾斜測量[3]。傾斜角度的測量主要是利用陀螺儀和加速度計(jì)兩種傳感器。陀螺儀對角速度積分的方法計(jì)算出方向上傾斜角度，加速度計(jì)是利用重力加速度和其軸線上的矢量分量之間的三角函數(shù)關(guān)系計(jì)算出傾斜的角度。融合兩者生成的新的慣性導(dǎo)航傳感系統(tǒng)IMU[4]。通過IMU慣性導(dǎo)航傳感器能自動進(jìn)行傾斜角與方位角的傾斜補(bǔ)償，在測量過程中，移動站對中桿無需絕對扶直，慣性導(dǎo)航傳感器能夠快速計(jì)算出對中桿傾斜的角度與方向，并及時進(jìn)行補(bǔ)償校正獲取地面點(diǎn)水平方向的坐標(biāo)值，故基于慣導(dǎo)技術(shù)的傾斜改正方法克服了通過地磁解算進(jìn)行傾斜改正的受地磁及附近金屬構(gòu)筑物影響的缺陷，且無需每次測量校正，可提高流動站測量作業(yè)效率。

如圖1，慣導(dǎo)RTK在測量時，其對中桿在任意方向上傾斜，對中桿傾斜角為θ，對中桿的方位角為α，對中桿長度為L，GNSS接收機(jī)相位中心的坐標(biāo)為（x′、y′、h′），則對中桿底部坐標(biāo)（x、y、h）為：

圖1 慣導(dǎo)RTK傾斜改正的基本原理

從式（1）可知，傾斜改正的平面精度受對中桿的傾斜角θ及對中桿的方位角α影響，高程精度受對中桿的傾斜角θ影響。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

本次實(shí)驗(yàn)使用的慣導(dǎo)RTK允許的最大傾斜角度為45°，建議傾斜角度小于30°。

選擇視野開闊、地勢平坦的區(qū)域作為實(shí)驗(yàn)場地，以場地經(jīng)度109°40′50.42″為中央子午線，在場地內(nèi)不同的兩個位置打入帶十字絲的鋼釘作為測量標(biāo)志，設(shè)該2點(diǎn)點(diǎn)號分別為A1、A2。將對中桿立于十字絲中心上，對中桿分別向方位角為 0°、90°、180°、270°的方向進(jìn)行傾斜，每個方向均在傾斜角度分別為0°、10°、20°、30°、40°時進(jìn)行測量，測量采樣時間為10s，采樣間隔為1s。以傾斜角為0°時測量的坐標(biāo)為基準(zhǔn)，在不同傾斜角度下測量的坐標(biāo)的偏差進(jìn)行精度評定。

2 傾斜測量

架設(shè)基準(zhǔn)站及移動站，對A1、A2進(jìn)行測量，對中桿分別向方位角為 0°、90°、180°、270°的方向進(jìn)行傾斜，每個方向均在傾斜角度分別為0°、 10°、20°、30°、40°時進(jìn)行測量。測量采樣時間為10s，采樣間隔為1s。A1、A2各狀態(tài)下測量的坐標(biāo)值及與對中桿傾斜 0°作為基準(zhǔn)坐標(biāo)偏差見表 1及表2。

表1 A1號點(diǎn)測量值及計(jì)算值

表2 A2號點(diǎn)測量值及計(jì)算值

3 精度評定

3.1 平面精度

分析表1及表2可知：

（1）在不同方位角上傾斜角度小于30°時，測量的點(diǎn)位偏差最大的為31.8mm，滿足RTK規(guī)范要求的≤±50mm。同時，在傾斜角小于30°情況下，A1、A2的平均點(diǎn)位偏差分別為11.6mm和16.7㎜。說明在傾斜角度為0°～30°時，慣導(dǎo)RTK的傾斜補(bǔ)償精度可靠，與RTK固有誤差接近[5]。同時，對中桿向不同方位角傾斜同一角度下的測量精度較均勻。

（2）在傾斜角度為40°時，個別點(diǎn)位偏差超過了RTK規(guī)范要求的≤±50mm，達(dá)到55.3mm。說明在傾斜角度大于30°時，隨著傾斜角度的增大，慣導(dǎo)RTK的傾斜補(bǔ)償精度有所降低，個別點(diǎn)不滿足規(guī)范要求。

3.2 高程精度

通過表1及表2可知，在0°～40°的傾斜角度下，最大高程偏差≤30mm，平均高程偏差10.4mm。說明在傾斜角小于40°時，慣導(dǎo)RTK的傾斜補(bǔ)償精度對高程影響較小。

4 小結(jié)

通過對慣導(dǎo)RTK的精度評定可知：在儀器建議的最大傾斜角30°內(nèi)，平面誤差及高程誤差與RTK固有誤差接近，滿足規(guī)范要求的≤±50mm；在傾斜角大于30°時，個別點(diǎn)的平面誤差達(dá)到了55.3mm，不滿足規(guī)范要求的≤±50mm。