基于聯(lián)合平差的船臺測量場標(biāo)定方法研究

豐寅帥，彭 飛，王 中，孟慶旭

(海軍工程大學(xué) 艦船與海洋學(xué)院，湖北 武漢 430033)

0 引 言

隨著船舶制造行業(yè)的不斷發(fā)展，船舶制造所能達(dá)到的精度越來越高，對船舶制造過程中所能達(dá)到的測量精度提出了更高的要求，而傳統(tǒng)的以捶球和標(biāo)尺為主的接觸式測量方法已經(jīng)逐漸難以滿足當(dāng)前船舶制造行業(yè)的精度需求，因此，以全站儀為主的非接觸式高精度測量方法已經(jīng)在造船現(xiàn)場得到了廣泛應(yīng)用。在目前船舶建造現(xiàn)場的測量作業(yè)中，由于船體分段尺寸較大，測量條件復(fù)雜[1]，在某一固定站位下無法完整獲取整個船體分段的尺寸和形狀數(shù)據(jù)[2]，以往常見的方法是利用全站儀進(jìn)行多級轉(zhuǎn)站的形式，通過不斷的轉(zhuǎn)移測量站位來獲取船體分段多個角度的測量數(shù)據(jù)，但這種方法速度較慢，并且轉(zhuǎn)站過程本身是帶有無法消除的系統(tǒng)誤差，會造成測量精度下降等問題。因此，為了減少轉(zhuǎn)站次數(shù)，實現(xiàn)船體分段測量數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理，就需要在船臺區(qū)域內(nèi)構(gòu)建能夠覆蓋全域的具有統(tǒng)一基準(zhǔn)的船臺測量場[3]。

圖1 船臺測量場示意圖Fig. 1 Slipway measurement field

如圖1所示，船臺測量場是以多級轉(zhuǎn)站測量為基礎(chǔ)，在船臺區(qū)域內(nèi)布置相當(dāng)數(shù)量的公共點，通過多次坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，將不同站位下所測得的公共點坐標(biāo)統(tǒng)一到一個基準(zhǔn)坐標(biāo)系下。目前，常見的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換算法主要有奇異值分解法[4]、四元數(shù)法[5]和正交矩陣法[6]，由于坐標(biāo)轉(zhuǎn)換算法本身就帶有一定的誤差，且在不同站位所測得的公共點數(shù)量可能不同，因此，在將公共點坐標(biāo)轉(zhuǎn)換至基準(zhǔn)坐標(biāo)系時會引入一定的參數(shù)誤差，同時，受限于全站儀等測量設(shè)備的加工精度，在某一站位下對公共點進(jìn)行測量時也會引入一定的測量誤差，進(jìn)一步加大了船臺測量場的整體誤差。為了解決此類問題，就需要對船臺測量場進(jìn)行標(biāo)定，目前常見的方法是基于最小二乘原理[7-9]，對轉(zhuǎn)站測量得到的公共點坐標(biāo)進(jìn)行平差計算，從而得到滿足誤差最小時的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)。近年來，國內(nèi)外學(xué)者對采用平差計算方法進(jìn)行了大量的研究，Schaffrin[10-12]利用拉格朗日函數(shù)構(gòu)建了平差模型，并進(jìn)一步推到得到了加權(quán)整體最小二平差算法；Calikins[13]和Meid[14]則是通過對測量現(xiàn)場的不確定度進(jìn)行研究，給出了一種基于光束平差法的誤差處理方法；何榮基基于間接平差原理，給出了自由設(shè)站測量時含約束條件的平差模型。但上述研究大多是針對單次測量或單級轉(zhuǎn)站所開展的，而對于船臺測量場構(gòu)建時的多級轉(zhuǎn)站過程，相關(guān)的研究還相對較少。

為了對利用多級轉(zhuǎn)站方法構(gòu)建船臺測量場時公共點的最優(yōu)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)進(jìn)行求解，本文采用一種基于最小二乘原理和公共點經(jīng)過多級轉(zhuǎn)站后返回原站位坐標(biāo)不變原則的聯(lián)合平差算法，并通過構(gòu)建拉格朗日函數(shù)得到平差值的求解方法，實現(xiàn)了船臺測量場公共點位置誤差的最小化處理。通過模擬實驗，對此方法的有效性和精度進(jìn)行了驗證。

1 誤差方程及其求解方法

1.1 誤差方程

根據(jù)誤差理論和測量平差原理[15-16]，在利用多級轉(zhuǎn)站方法構(gòu)建船臺測量場時，公共點的殘余誤差方程可以寫為：

在轉(zhuǎn)站測量中，V為轉(zhuǎn)站后公共點坐標(biāo)的誤差矩陣；A為 誤差方程的系數(shù)矩陣；為轉(zhuǎn)站參數(shù)誤差矩陣；L為公共點的經(jīng)過轉(zhuǎn)站后的坐標(biāo)和測量坐標(biāo)的偏差。

當(dāng)轉(zhuǎn)站測量時公共點誤差最小時，V取最小值，同時，滿足最小值，式中，為公共點坐標(biāo)的權(quán)值矩陣。

1.2 誤差方程的求解方法

由坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模型可知，在公共點由第j站轉(zhuǎn)至第j+1站時，有

式中：j和j+1分別公共點的坐標(biāo)數(shù)據(jù)在第j站和第j+1站測量得到；kj，Rj和Tj分別代表公共點坐標(biāo)從第j站轉(zhuǎn)至第j+1站時的尺度參數(shù)、角度參數(shù)和距離參數(shù)。其中，公共點在轉(zhuǎn)站前后相對位置不變，故kj取值為1，坐標(biāo)轉(zhuǎn)換原理和歐拉角理論，角度參數(shù)可表示為Rj=RXj·RYj·RZj，對應(yīng)角度分別為 αj，βj， γj，距離參數(shù)可表示為：

在船臺測量場中，對于某一個公共點在j+1站的坐標(biāo)，其位置誤差可以表示為其真實坐標(biāo)和測量值的差值，即

對式（4）作泰勒展開，并與式（1）聯(lián)立，可以得到：

式中，為第i個公共點在第j站的測量坐標(biāo)初值，分別為第i個公共點從第j站轉(zhuǎn)至第j+1站的平移參數(shù)，分別代表第i個公共點在第j+1站的真實坐標(biāo)初值。

2 約束條件方程及其求解方法

2.1 約束條件方程

在轉(zhuǎn)站過程中，同時滿足公共點在第1站的坐標(biāo)在經(jīng)過多次轉(zhuǎn)站后，當(dāng)其轉(zhuǎn)回第1站時，坐標(biāo)不變，即

若式（7）成立，則有

式（8）和式（9）即為約束條件方程。

2.2 約束條件方程的求解方法

在平差計算時，可將約束條件方程寫成如下形式：

對式（10）作泰勒展開，可得：

令

則式（12）可寫成如下形式：

文獻(xiàn)[17]對式（13）的線性化處理方法進(jìn)行了詳細(xì)闡述，并得到了對應(yīng)參數(shù)的具體表達(dá)形式。

3 平差值的求解方法

根據(jù)約束條件方程構(gòu)建拉格朗日函數(shù)：

的參數(shù)矩陣。

求偏導(dǎo)，設(shè)此時 Φ的偏導(dǎo)數(shù)為零，則 Φ有極小值，即此時誤差最小，則

經(jīng)整理，可得：

將式（1）代入，可得：

令

則式（18）可以寫成

令

則式（20）可寫成

則有

將式（23）代入式（18），可得：

同時，未加約束條件的平差值經(jīng)整理，可以表示為：

4 實驗驗證

本次實驗在船臺測量場的基礎(chǔ)上，對確定公共點在基準(zhǔn)坐標(biāo)系中位置的轉(zhuǎn)站測量過程進(jìn)行了模擬，對利用聯(lián)合平差算法對所測得的公共點坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并通過與未進(jìn)行聯(lián)合平差的結(jié)果進(jìn)行對比，對基于聯(lián)合平差的船臺測量場標(biāo)定方法進(jìn)行驗證。

4.1 實驗過程

1）在實驗場地內(nèi)的不同位置共布設(shè)22個公共點，在第1測量站位架設(shè)全站儀，為了對船臺測量場的實際情況進(jìn)行模擬，各站位所測得的公共點數(shù)量均不相同，每個公共點測量10次。

2）將全站儀轉(zhuǎn)移至下一站位，重復(fù)過程1，直至測完6站，并對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄。

4.2 實驗結(jié)果

在本次實驗中，采用每一測站下每個公共點10次測量數(shù)據(jù)的平均值作為當(dāng)前站位的測量坐標(biāo)，同時，將相鄰的兩站兩兩組合，利用坐標(biāo)轉(zhuǎn)換算法對角度參數(shù)R和距離參數(shù)T進(jìn)行計算，共得到6組數(shù)據(jù)。

利用聯(lián)合平差算法對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，其中，平差初值為通過計算得到的6組坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)，約束條件方程根據(jù)公共點在第1站的坐標(biāo)進(jìn)行一輪坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后返回第1站時與原坐標(biāo)的差值最小列出，并設(shè)置迭代計算時角度閾值為1″，距離閾值為0.1mm。最后，將經(jīng)過聯(lián)合平差處理得到的中誤差和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)與未經(jīng)過聯(lián)合平差處理的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。

表1為在經(jīng)過聯(lián)合平差計算前后，所用站位所測得的公共點經(jīng)過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換統(tǒng)一至第1站的坐標(biāo)數(shù)據(jù)。表2和表3分別表示不同轉(zhuǎn)站過程的測量數(shù)據(jù)，在經(jīng)過聯(lián)合平差計算前后坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)誤差的對比。從表中數(shù)據(jù)可以看出，公共點的測量數(shù)據(jù)經(jīng)過聯(lián)合平差計算后，其坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)誤差整體小于聯(lián)合平差計算前的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換誤差。還可以看出，在進(jìn)行聯(lián)合平差前后，其坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)誤差的差值較小，這是因為在本次實驗中，每一站為所測的公共點數(shù)量較多，并且每個公共點的坐標(biāo)值均是10次重復(fù)測量取平均得到，公

表1 聯(lián)合平差前后的公共點坐標(biāo)Tab. 1 Coordinates of common points before and after joint adjustment

表2 未經(jīng)聯(lián)合平差的轉(zhuǎn)站參數(shù)誤差Tab. 2 Transformation parameter errors without joint adjustment

表3 聯(lián)合平差后的轉(zhuǎn)站參數(shù)誤差Tab. 3 Transformation parameter errors after joint adjustment

共點測量坐標(biāo)本身所帶有的測量誤差較小，因此，坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)誤差較小，其差值也較小。表4為在經(jīng)過聯(lián)合平差前后，第6站的公共點坐標(biāo)在經(jīng)過一輪坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后，返回至第6站時的坐標(biāo)與原坐標(biāo)的差值，由表中數(shù)據(jù)可以看出，在經(jīng)過聯(lián)合平差之后，第6站公共的坐標(biāo)經(jīng)過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換返回至第6站后與原坐標(biāo)的差值更小，進(jìn)一步說明了利用聯(lián)合平差算法對公共點坐標(biāo)進(jìn)行處理可以有效提升船臺測量的整體精度。

表4 聯(lián)合平差前后第6站的坐標(biāo)差Tab. 4 Coordinate difference of 6th station before and after joint adjustment

5 結(jié) 語

在利用多級轉(zhuǎn)站的測量方法構(gòu)建船測量場的過程中，由于公共點測量誤差和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換算法誤差的存在，會導(dǎo)致不同站位所測得的公共點坐標(biāo)統(tǒng)一至基準(zhǔn)坐標(biāo)系后與其真實空間位置產(chǎn)生一定的偏差，從而影響船臺測量場的精度。本文采用聯(lián)合平差算法實現(xiàn)了多級轉(zhuǎn)站時最優(yōu)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)的求解，該方法基于最小二乘原理和誤差最小原則，給出了船臺測量場公共點經(jīng)過多級轉(zhuǎn)站測量的誤差方程及其求解方法，并根據(jù)公共點經(jīng)過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換返回原站位坐標(biāo)不變的原則，給出了對應(yīng)的約束條件方程及其求解方法。最后，根據(jù)拉格朗日函數(shù)，得到了平差值的求解方法。實驗證明，本文所提出的船臺測量場聯(lián)合平差標(biāo)定算法有效減少了船臺測量場的誤差，提高了利用船臺測量場進(jìn)行測量作業(yè)的精度。