車載移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)方位角對(duì)比與分析

錢瑾斐，姚連璧,2

(1. 同濟(jì)大學(xué)測(cè)繪與地理信息學(xué)院，上海 200092； 2. 同濟(jì)大學(xué)現(xiàn)代工程測(cè)量國(guó)家測(cè)繪地理信息局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092)

車載移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)方位角對(duì)比與分析

錢瑾斐1，姚連璧1,2

(1. 同濟(jì)大學(xué)測(cè)繪與地理信息學(xué)院，上海 200092； 2. 同濟(jì)大學(xué)現(xiàn)代工程測(cè)量國(guó)家測(cè)繪地理信息局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092)

方位計(jì)算對(duì)移動(dòng)測(cè)量計(jì)算具有重要的意義，本文通過移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，分別在靜態(tài)環(huán)境與動(dòng)態(tài)環(huán)境下比較車載移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)的慣性測(cè)量單元(IMU)、雙天線及軌跡擬合方位角。結(jié)果表明：在靜態(tài)環(huán)境下，雙天線方位角精度高于IMU方位角的精度；在動(dòng)態(tài)環(huán)境下，IMU方位角與擬合方位角在直線段處的表現(xiàn)較好，而在轉(zhuǎn)彎處，雙天線方位角的絕對(duì)精度更高。

移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)；方位角；慣性測(cè)量單元；雙天線GNSS；軌跡擬合

車載移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)是一種信息采集與處理系統(tǒng)[1]，通過所集成的多傳感器平臺(tái)，能夠快速準(zhǔn)確地收集數(shù)據(jù)，有著廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域[2-3]。

在移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)中，方位角作為一種十分重要的數(shù)據(jù)，直接參與系統(tǒng)中位置與姿態(tài)的計(jì)算。同濟(jì)大學(xué)集成衛(wèi)星接收機(jī)、慣性導(dǎo)航單元、激光斷面儀、全景相機(jī)等搭建了移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、處理與應(yīng)用，取得了一定的成果[4-5]。在該系統(tǒng)中，主要的姿態(tài)測(cè)量傳感器為慣性測(cè)量單元，該慣性測(cè)量單元由3個(gè)單軸50型環(huán)形激光陀螺儀、3個(gè)高精度石英撓性加速度計(jì)、減振器及安裝機(jī)械構(gòu)件組成，是一款高性能的慣性測(cè)量設(shè)備，可用于導(dǎo)航、控制和動(dòng)態(tài)測(cè)量，并通過多項(xiàng)補(bǔ)償保證測(cè)量精度，密封設(shè)計(jì)及嚴(yán)格工藝保證產(chǎn)品在惡劣的環(huán)境下仍能精密地測(cè)量載體的角運(yùn)動(dòng)和線運(yùn)動(dòng)參數(shù)，橫滾角和俯仰角測(cè)角精度為0.05°，運(yùn)動(dòng)的方位角精度為0.1°。

車載移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)中所使用的GNSS傳感器為雙天線GNSS定位定姿儀。該儀器為雙頻GNSS接收機(jī)，能夠接收GPS和GLONASS兩個(gè)系統(tǒng)的衛(wèi)星信號(hào)，通過NMEA-0183協(xié)議，能夠直接輸出方位角數(shù)據(jù)。同時(shí)為了盡可能地提高移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)定位定姿的精度和可靠性，定位模式采用RTK模式，接入上海測(cè)繪院CORS系統(tǒng)，在整周模糊度固定即固定解的情況下，平面上定位精度能達(dá)到±0.8 cm+1×10-6D，高程點(diǎn)位精度達(dá)到±1.5 cm+1×10-6D，在2 m短基線的條件下，標(biāo)稱定向精度為0.09°。通過全站儀精確測(cè)量?jī)蓚€(gè)天線中心，本移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)雙天線基線的精確長(zhǎng)度為2.228 m。

此外，當(dāng)移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)只有一個(gè)GNSS接收機(jī)，無(wú)法直接獲取方位角信息時(shí)，可以通過軌跡點(diǎn)擬合得到道路線性[6]，進(jìn)而求得方位角。樣條(函數(shù))是一種分段多項(xiàng)式，各相鄰段上的多項(xiàng)式之間又具有某種連接性質(zhì)，因此既保持了多項(xiàng)式的簡(jiǎn)單性和逼近的可行性，又在各段之間保持了相對(duì)獨(dú)立的局部性質(zhì)，因此樣條是一類特別有效的逼近工具[7]。三次樣條函數(shù)的一階導(dǎo)數(shù)連續(xù)，因此可以通過三次樣條擬合軌跡來(lái)推算方位角。

對(duì)于雙天線GNSS的方位角，顏國(guó)軍與趙文曄等研究了基于雙天線的GPS姿態(tài)測(cè)定技術(shù)，指出雙天線測(cè)向技術(shù)能夠滿足二維常規(guī)姿態(tài)的要求且具有較高的解算精度[7-8]。鄒曉亮將雙天線方位角應(yīng)用到組合導(dǎo)航緊組合算法中，提高了組合導(dǎo)航的定位精度[9]。龐春雷等研究了將雙天線GPS應(yīng)用于低精度IMU的初始對(duì)準(zhǔn)中的算法，提高了IMU航向角的精度[10]。

目前為止，盡管對(duì)于雙天線方位角測(cè)向技術(shù)及IMU與雙天線方位角在組合導(dǎo)航中的應(yīng)用方面已經(jīng)有了不少的研究，但通常利用一種數(shù)據(jù)提高另一種數(shù)據(jù)的精度或通過卡爾曼濾波器等融合兩種數(shù)據(jù)計(jì)算來(lái)提高定位精度，而對(duì)于原始數(shù)據(jù)對(duì)比與分析的研究仍比較少。因此，本文基于筆者所在學(xué)院的車載移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，在靜態(tài)與動(dòng)態(tài)環(huán)境下分別進(jìn)行測(cè)試，對(duì)幾種方位角的精度與特性進(jìn)行比較與分析。

1 測(cè)試簡(jiǎn)介

對(duì)移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)慣性測(cè)量單元與雙天線GNSS方位角的測(cè)試主要分為靜態(tài)測(cè)試與動(dòng)態(tài)測(cè)試。靜態(tài)測(cè)試是將移動(dòng)測(cè)量車停放在同濟(jì)大學(xué)內(nèi)一個(gè)開闊、無(wú)信號(hào)干擾等GNSS觀測(cè)條件良好的空曠場(chǎng)地，使移動(dòng)測(cè)量車保持在靜止的狀態(tài)下，同時(shí)采集GNSS方位角與IMU姿態(tài)角數(shù)據(jù)，得到靜態(tài)環(huán)境下IMU姿態(tài)角和雙天線GNSS方位角。

動(dòng)態(tài)測(cè)試即實(shí)際在道路上行駛的測(cè)試。為了盡量保證GNSS信號(hào)的接受質(zhì)量，動(dòng)態(tài)測(cè)試選擇在上海逸仙路高架曲陽(yáng)路至軍工路段，來(lái)回全長(zhǎng)約20 km，測(cè)試分別于2014年11月14日與2015年5月19日各進(jìn)行了一次，測(cè)試行駛路線如圖1所示。

2 測(cè)試結(jié)果與分析

2.1 測(cè)試結(jié)果分析

通過計(jì)算靜態(tài)測(cè)試數(shù)據(jù)，得到IMU姿態(tài)角和雙天線GNSS方位角的平均值與標(biāo)準(zhǔn)差，見表1。

圖1 動(dòng)態(tài)測(cè)試行駛路線

表1 IMU及GNSS雙天線姿態(tài)角靜態(tài)測(cè)試結(jié)果 (°)

從測(cè)試結(jié)果來(lái)看，在靜態(tài)條件下，IMU的橫滾角、俯仰角的標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.017°和0.008°，小于標(biāo)稱精度，而方位角的標(biāo)準(zhǔn)差為0.108°，略大于所標(biāo)稱的運(yùn)動(dòng)方位角的精度；雙天線GNSS方位角的標(biāo)準(zhǔn)差為0.051°，符合標(biāo)稱精度，并且高于IMU方位角的精度?？梢钥闯?，IMU的姿態(tài)角和雙天線方位角的精度基本滿足標(biāo)稱精度；但是在長(zhǎng)時(shí)間靜態(tài)觀測(cè)時(shí)，由于IMU內(nèi)部的陀螺儀的漂移現(xiàn)象導(dǎo)致IMU方位角的精度比雙天線的方位角差。此外，可以看到，IMU與GNSS雙天線的方位角存在著0.323°的夾角，這是因?yàn)镮MU與雙天線的軸向因安裝誤差等原因沒有完全對(duì)準(zhǔn)造成的，因此在使用兩種方位角時(shí)要考慮這個(gè)差值。

2.2 動(dòng)態(tài)測(cè)試結(jié)果分析

動(dòng)態(tài)測(cè)試時(shí)，在高架上，由于周邊高樓遮擋等影響，GNSS的解算狀態(tài)存在浮點(diǎn)、差分甚至單點(diǎn)解的情況。因此，為了保證雙天線GNSS方位角的精度，從上述的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)中再挑選出GNSS解算狀態(tài)為固定解的路段且連續(xù)的GNSS觀測(cè)數(shù)據(jù)，如圖2所示。

圖2 固定解行駛軌跡

圖2中，(a)中軌跡1總長(zhǎng)約3842 m，測(cè)量于2014年11月14日，車輛的行駛方向?yàn)閺哪舷虮保?b)中軌跡2的總長(zhǎng)約1517 m，測(cè)量于2014年11月14日，車的行駛方向?yàn)閺谋毕蚰希?c)中軌跡3的總長(zhǎng)約3892 m，測(cè)量于2015年5月19日，車的行駛方向?yàn)閺哪舷虮保?d)中軌跡4的總長(zhǎng)約6109 m，測(cè)量于2015年5月19日，車的行駛方向?yàn)閺谋毕蚰?。由此分別獲得4段IMU方位角、雙天線GNSS方位角及樣條擬合方位角的數(shù)據(jù)，如圖3所示。

圖3 IMU與雙天線GNSS方位角數(shù)據(jù)

2.2.1 方位角在直線段的對(duì)比與分析

為了更好地分析動(dòng)態(tài)測(cè)試情況下各種方法計(jì)算方位角的差異，本文以行駛路線的形狀來(lái)區(qū)分出兩種行駛情況：①直線段；②曲線段。直線段是指移動(dòng)測(cè)量車的行駛軌跡為直線或接近于直線；曲線段是指移動(dòng)測(cè)量車的行駛軌跡為曲線，即車輛正在轉(zhuǎn)彎。

在直線段，對(duì)比IMU方位角、雙天線方位角與擬合方位角，如圖4所示。圖中為2014年11月14日的部分?jǐn)?shù)據(jù)，可以看出，在直線段運(yùn)動(dòng)過程中，IMU方位角與擬合方位角的時(shí)間序列的波動(dòng)幅度比GNSS雙天線方位角的時(shí)間序列小，IMU方位角、雙天線方位角與擬合方位角相互之間都明顯地存在著一個(gè)夾角。

以IMU方位角為基準(zhǔn)，分別計(jì)算圖3中4段軌跡直線段IMU方位角與雙天線GNSS方位角、IMU方位角與擬合方位角及GNSS方位角與擬合方位角的差值平均值及其標(biāo)準(zhǔn)差，見表2。

圖4 直線段方位角對(duì)比

在表2中，從三者的精度方面來(lái)看，雙天線GNSS方位角與IMU方位角的差值平均值的標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.183 9°、0.254 8°、0.162 2°及0.139 4°，標(biāo)準(zhǔn)差的平均值為0.18°，因此，在設(shè)IMU方位角為基準(zhǔn)參照的條件下，雙天線方位角的標(biāo)準(zhǔn)差最大達(dá)到了0.254 8°,達(dá)到了標(biāo)稱精度的2倍多，說(shuō)明雙天線輸出方位角在實(shí)際行駛過程時(shí)精度較差，相比較而言，擬合方位角的精度表現(xiàn)比較好，標(biāo)準(zhǔn)差為0.1°左右。

從三者相互夾角來(lái)看，與靜態(tài)測(cè)試中的相同，因?yàn)榘惭b誤差的關(guān)系，IMU方位角與雙天線方位角之間存在著一個(gè)約0.3°～0.4°的夾角。此外，表2中，對(duì)于直線段，坐標(biāo)樣條擬合得到的方位角也同樣與IMU方位角和雙天線GNSS方位角存在著夾角，分別約為0.7°與0.35°，可以認(rèn)為直線段軌跡擬合得到的方位角等于車輛行進(jìn)的方位角方向，則當(dāng)前移動(dòng)測(cè)量車IMU與雙天線的軸線相較車體坐標(biāo)系的行進(jìn)方向偏右，其偏差可以通過上述擬合方位角的結(jié)果進(jìn)行標(biāo)定，進(jìn)而提高航位推算結(jié)果的精度。

表2 直線段IMU方位角、雙天線GNSS方位角與擬合方位角差值的平均值及其標(biāo)準(zhǔn)差 (°)

2.2.2 方位角在轉(zhuǎn)彎處的對(duì)比與分析

在轉(zhuǎn)彎處，IMU方位角與GNSS雙天線方位角的差異，如圖5所示。

圖5 轉(zhuǎn)彎處不同方位角的差異

在圖5中，左側(cè)為3種方位角的互差，分別是IMU方位角減雙天線方位角、IMU方位角減擬合方位角、雙天線方位角減擬合方位角；右圖為左圖數(shù)據(jù)相應(yīng)的平面軌跡，(a)與(c)中，車輛向北行駛，(b)與(d)中，車輛向南行駛?？梢钥闯?，除了由安裝誤差導(dǎo)致的偏角外，在轉(zhuǎn)彎處，IMU與GNSS方位角兩者差值的時(shí)間序列在數(shù)值上都產(chǎn)生了增大的現(xiàn)象，大小從1°～2.5°不等，對(duì)于轉(zhuǎn)彎處雙天線與擬合方位角差值的時(shí)間序列，則存在著兩者差值減小的現(xiàn)象。由于雙天線方位角是由兩個(gè)天線空間位置定位得到的，相比IMU不存在漂移等現(xiàn)象，絕對(duì)精度更高，因此在轉(zhuǎn)彎處雙天線方位角的方向更能反映出車體方向。

而對(duì)于軌跡擬合方位角，在直線處，如圖4所示，除安裝誤差外，在數(shù)值上與IMU和雙天線方位角差別不大，但在轉(zhuǎn)彎處，如圖5所示，車輛運(yùn)動(dòng)軌跡的切線即擬合方位角與車身的軸線方向?qū)嶋H上是不相同的。當(dāng)轉(zhuǎn)彎半徑比較大時(shí)，對(duì)擬合方位角與雙天線的差值在0.5°左右。當(dāng)轉(zhuǎn)彎半徑比較小時(shí)，如圖6所示，此時(shí)軌跡的切線與車身的軸線方向相差較大，則軌跡擬合的方位角無(wú)法真實(shí)地反映出移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)的當(dāng)前方向。

圖6 大拐彎處雙天線GNSS方向與軌跡切線對(duì)比

3 結(jié)束語(yǔ)

本文分別在靜態(tài)環(huán)境與動(dòng)態(tài)環(huán)境下對(duì)IMU和GNSS方位角數(shù)據(jù)的差異進(jìn)行了比較與分析。相比其他已有研究成果，本文著重對(duì)兩者原始未經(jīng)處理的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較與分析，得出了以下結(jié)論：①由于存在安裝誤差，各方位角的軸線方向往往存在小的夾角，因此對(duì)方位角進(jìn)行標(biāo)定是不可或缺的；②在靜止?fàn)顟B(tài)下，由于陀螺儀漂移等的影響，長(zhǎng)時(shí)間下IMU方位角的精度比雙天線方位角的精度要差；③在移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)直線行駛或接近直線行駛的狀態(tài)下，除安裝誤差外，3種方位角中準(zhǔn)確度方面差別不大，IMU方位角與軌跡擬合方位角的精度較高；④在移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)轉(zhuǎn)彎時(shí)，宜采用雙天線的方位角結(jié)果為準(zhǔn)，在轉(zhuǎn)彎半徑比較大且只有單天線軌跡數(shù)據(jù)時(shí)，可

采用擬合方位角替代，在其余情況下，則使用IMU方位角作為移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)的方位角參考。對(duì)于本文中的移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)在轉(zhuǎn)彎處IMU與雙天線方位角的數(shù)值相差較大具體原因，以及這種現(xiàn)象對(duì)該移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)的影響，則需要作進(jìn)一步深入的研究與分析。

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Comparison and Analysis of Azimuth of Mobile Mapping System

QIAN Jinfei1，YAO Lianbi1,2

(1. College of Surveying and Geo-informatics, Tongji University, Shanghai 200092, China; 2. Key Laboratory of Modern Engineering Surveying, NASMG, Shanghai 200092, China)

Orientation is of great importance for mobile mapping survey. The azimuths of inertial measure unit(IMU), dual antenna GNSS and trajectory fitting in static and dynamic environment are analyzed by measured data from a mobile mapping system. The result shows that azimuth of dual antenna GNSS is more precise than azimuth of IMU in static environment. While azimuths of IMU and trajectory fitting have better performance in dynamic environment, azimuth of dual antenna GNSS has higher absolute precision in the curve sections.

mobile mapping system; azimuth; inertial measure unit; dual antenna GNSS; trajectory fitting

錢瑾斐，姚連璧.車載移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)方位角對(duì)比與分析[J].測(cè)繪通報(bào)，2017(2)：49-53.

10.13474/j.cnki.11-2246.2017.0047.

2016-03-11

國(guó)家863計(jì)劃(2013AA12A206);上海市自然科學(xué)基金(15ZR1443700)；“十三五”國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2016YFB1200602-02)

錢瑾斐(1990—)，男，碩士生，研究方向?yàn)橐苿?dòng)測(cè)量系統(tǒng)多傳感器集成與組合導(dǎo)航。E-mail：lqianjf@#edu.cn

P237

A

0494-0911(2017)02-0049-05