一種新的船載激光測距儀動態(tài)精度檢測方法

田英國， 張 輝， 顧新鋒， 許國偉

(1.中國衛(wèi)星海上測控部，江蘇 江陰 214431； 2.國防大學(xué)聯(lián)合作戰(zhàn)學(xué)院，河北 石家莊 050001)

激光測距儀因具有指向性好、測量距離遠(yuǎn)、精度高、對光源相干性要求較低、可實(shí)時測量觀測者相對于目標(biāo)的距離等優(yōu)點(diǎn)，在測量船實(shí)際應(yīng)用中發(fā)揮了重要作用。

目前，船載激光測距儀通常為脈沖式激光測距儀，影響脈沖式激光測距儀精度的因素主要有脈沖激光的時間寬度、光波傳播速度的測量精度、大氣折射率、時鐘頻率的誤差、計時誤差、儀器測量誤差等[1-2]。特別是船載激光測距儀長期處于動態(tài)或震動的特殊環(huán)境下，激光發(fā)射光軸和接收光軸平行度、電子線路漂移、振蕩頻率和頻率穩(wěn)定性等容易受到影響，進(jìn)而影響其測量精度。根據(jù)我國的JJF 1324—2011《脈沖激光測距儀校準(zhǔn)規(guī)范》，激光測距儀的檢定周期一般不超過1年[3]。

近年來，許多研究機(jī)構(gòu)根據(jù)不同激光測距儀的使用和精度需求，提出了許多不同的檢定方法。史潔琴等[4]對光纖基線標(biāo)定激光測距儀方法進(jìn)行了研究，建立了激光器與光纖耦合模型，并實(shí)現(xiàn)了200 m以內(nèi)的激光測距儀標(biāo)定。蔡青梅等[5]通過光路折疊方法實(shí)現(xiàn)了2倍光程倍增，建立100 m室內(nèi)基線場，有效解決了室內(nèi)基線檢測效率低、可重復(fù)性差等技術(shù)問題。劉紅光等[6]在50 m高精度導(dǎo)軌上利用3個平面反射鏡進(jìn)行光路折疊，實(shí)現(xiàn)了4倍光程倍增，搭建了室內(nèi)200 m基線，并對Leica DISTOTMD510型手持式激光測距儀開展了50～200 m測段的檢定實(shí)驗(yàn)，檢測精度可達(dá)毫米量級。董洪舟等[7]采用光電延時法設(shè)計的距離模擬器實(shí)現(xiàn)了50 m～990 km的大量程距離模擬，經(jīng)測試全量程內(nèi)距離模擬誤差小于1 m。

上述方法均屬于室內(nèi)檢測方法，檢測船載激光測距儀精度需要建立激光測距專用標(biāo)定環(huán)境或者拆裝后到指定機(jī)構(gòu)進(jìn)行激光測距儀精度檢測，且室內(nèi)檢測方法檢測距離范圍有限。為此，鐘德安[8]采用校飛方法檢測船載激光測距儀精度，即用載有激光合作目標(biāo)的飛機(jī)，按規(guī)劃航行路線飛行，被檢測的激光測距儀和作為比較標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備同時跟蹤飛機(jī)，通過飛行試驗(yàn)評估激光測距系統(tǒng)的精度。但在實(shí)際使用過程中，該方法采用全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System,GNSS)相對定位的方式，需要給予特殊的海域、空域和氣象保障，且飛機(jī)改裝要求高，組織實(shí)施難度大，不能經(jīng)常實(shí)施[9]。

針對以上激光測距儀精度檢測方法存在的不足，提出一種新的激光測距儀檢測方法。該方法主要利用碼頭已知位置的激光合作目標(biāo)和船載高精度GNSS接收機(jī)，通過事后精密單點(diǎn)定位處理獲得測量船至激光合作目標(biāo)的距離，進(jìn)而檢測激光測距儀測距精度。該方法無須拆裝激光測距儀，無須建設(shè)專用的激光測距檢測設(shè)備，不涉及設(shè)備改裝等就可實(shí)現(xiàn)激光測距儀精度檢測，并可隨時開展激光測距儀精度檢測，可大幅提高激光測距儀精度檢測的效率和檢測頻度。

1 新激光測距儀精度檢測方法

新的激光測距儀精度檢測方法主要借鑒室外實(shí)測基線比較法，但在具體實(shí)現(xiàn)過程中綜合考慮了船舶運(yùn)動等特點(diǎn)。該方法的基本原理是在碼頭附近標(biāo)校塔上安裝激光合作目標(biāo)(已知高精度坐標(biāo)值)，借助船舶出航時機(jī)，利用激光測距儀實(shí)時跟蹤激光合作目標(biāo)，實(shí)時測量兩者之間的距離，同時測量船上的高精度GNSS接收機(jī)實(shí)時記錄原始觀測數(shù)據(jù)，通過事后精密單點(diǎn)定位處理獲得測量船至激光合作目標(biāo)的距離，將該距離值作為比對標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行激光測距儀的精度檢測。

該方法的事后精密處理技術(shù)主要采用精密單點(diǎn)定位方法，精密單點(diǎn)定位是利用高精度的GNSS衛(wèi)星星歷、衛(wèi)星鐘差和雙頻載波相位觀測值進(jìn)行高精度定位的方法。該技術(shù)無須用戶自己架設(shè)地面GNSS基準(zhǔn)站，不受作業(yè)距離的限制，機(jī)動靈活，單機(jī)作業(yè)，為開展長距離高精度的事后甚至實(shí)時動態(tài)定位提供了新的解決方案[10]。

為了合理可靠地對激光測距儀測距精度進(jìn)行檢測，構(gòu)建了圖1所示的新的激光測距儀精度檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由3個部分組成：船載動態(tài)檢測數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、地面激光合作目標(biāo)和數(shù)據(jù)處理與精度檢測子系統(tǒng)。其中，船載動態(tài)檢測數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)主要由船載激光測距儀、姿態(tài)測量設(shè)備和GNSS動態(tài)定位設(shè)備組成，主要完成激光測距儀動態(tài)跟蹤地面激光合作目標(biāo)，記錄激光測距儀距離測量數(shù)據(jù)、GNSS原始觀測數(shù)據(jù)、姿態(tài)測量數(shù)據(jù)以及對激光測距數(shù)據(jù)進(jìn)行GNSS時間同步；地面激光合作目標(biāo)具有360°全向激光反射功能，且激光合作目標(biāo)點(diǎn)具有高精度的位置信息，供數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)計算測量船至激光合作目標(biāo)之間的高精度距離；數(shù)據(jù)處理與精度檢測子系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合處理，并對激光測距儀的測量精度做出合理評估。

圖1 新的激光測距儀精度檢測系統(tǒng)

由于激光測距儀中心點(diǎn)與船載GNSS天線相位中心點(diǎn)存在空間距離，因此需進(jìn)行位置偏差修正。位置偏差改正的關(guān)系式可表示為

(1)

式中:ψ為偏航角;θ為俯仰角;φ為橫滾角。

在實(shí)際精度檢測過程中，激光測距受到大氣折射等的影響，采用參考文獻(xiàn)[11]中的大氣修正方法對激光測距值進(jìn)行修正。根據(jù)參考文獻(xiàn)[11]的修正方法和實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，在仰角為10°時，距離修正計算誤差小于3 cm。

2 新激光測距儀檢測方法有效性檢驗(yàn)

2.1 GNSS動態(tài)精密單點(diǎn)定位性能分析

為驗(yàn)證GNSS動態(tài)精密單點(diǎn)定位性能，于2020年10月開展了船載動態(tài)精密定位實(shí)驗(yàn)。測試船搭載了GNSS接收機(jī)，實(shí)驗(yàn)總時長約150 min，GNSS數(shù)據(jù)采樣間隔為1 s，基準(zhǔn)站采用了Trimble Net R9接收機(jī)，架設(shè)在固定基準(zhǔn)點(diǎn)。根據(jù)文獻(xiàn)[12]數(shù)據(jù)分析結(jié)果，Trimble公司新一代數(shù)據(jù)后處理軟件Trimble Business Center(TBC)動態(tài)基線解算精度可達(dá)厘米量級。使用TBC軟件以相對定位模式解算得到船載載流動站的運(yùn)動軌跡，并以此結(jié)果作為參考真值，評估船載GNSS動態(tài)精密單點(diǎn)定位的性能，動態(tài)定位方法采用參考文獻(xiàn)[13]的數(shù)據(jù)處理方法。圖2給出了船載GNSS動態(tài)精密單點(diǎn)定位的位置誤差，表1給出了船載GNSS動態(tài)精密單點(diǎn)定位位置誤差統(tǒng)計情況。

圖2 船載GNSS事后動態(tài)精密單點(diǎn)定位位置誤差

表1 船載GNSS事后動態(tài)精密單點(diǎn)定位位置誤差統(tǒng)計 單位:m

從圖2可知，GNSS動態(tài)精密單點(diǎn)定位與相對定位解相比，在東向、北向和天向都存在差異，尤其是在天向方向的差異較大。這種差異可能主要來自于精密單點(diǎn)定位模型同雙差模型間的差異，雙差模型中衛(wèi)星軌道誤差、衛(wèi)星鐘差、對流層延遲等誤差可通過雙差消除，而精密單點(diǎn)定位誤差無法組差消除上述誤差，因此動態(tài)精密單點(diǎn)定位的部分模型需進(jìn)一步優(yōu)化。從表1的統(tǒng)計結(jié)果可知，GNSS動態(tài)精密單點(diǎn)定位精度為11 cm，能夠滿足船載米級精度的激光測距儀精度檢測。

為了比對分析方法的有效性，對2020年5月份船載激光測距儀歷史校飛數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析。此次校飛中，測試船和校飛飛機(jī)均搭載了高精度GNSS接收機(jī)，實(shí)驗(yàn)總時長約20 min，GNSS數(shù)據(jù)采樣頻率為5 Hz。因無更高精度位置數(shù)據(jù)作為動態(tài)參考基準(zhǔn)，使用兩種高精度GNSS數(shù)據(jù)處理軟件比對的方式，給出校飛方法檢測激光測距儀檢測參考精度。使用GNSS數(shù)據(jù)后處理軟件GrafNav進(jìn)行動對動基線解算，并與Gamit Track軟件處理結(jié)果[14]進(jìn)行對比，結(jié)果如圖3所示，位置誤差統(tǒng)計情況如表2所示。

表2 船載GNSS與機(jī)載GNSS事后動對動相對定位位置誤差統(tǒng)計(傳統(tǒng)校飛方法) 單位：m

圖3 船載GNSS與機(jī)載GNSS事后動對動相對定位位置誤差(傳統(tǒng)校飛方法)

對比表1和表2數(shù)據(jù)處理結(jié)果發(fā)現(xiàn)，采用本文提出的方法也可獲得與傳統(tǒng)校飛方法相當(dāng)?shù)男Ч?，且不需要特殊的海域、空域和氣象保障，無須改裝飛機(jī)。

2.2 新激光測距儀檢測方法有效性檢驗(yàn)

采用平均偏差(Bias)和均方根誤差(RMS)作為激光測距儀測距精度的檢測標(biāo)準(zhǔn)。其計算公式為

(2)

(3)

式中:N為觀測值總數(shù)；Ri,GNSS為根據(jù)GNSS和陸地固定站點(diǎn)數(shù)據(jù)通過事后精密處理獲得的距離，將其作為距離真值；Ri,Laser為激光測距儀實(shí)際測量值。平均偏差衡量的是激光測距儀測量值與真值之間的偏離程度，均方根誤差衡量的是檢測方法的可靠性。

為了檢驗(yàn)新激光測距儀精度檢測方法的有效性，對手持激光測距儀實(shí)測值進(jìn)行了檢測。激光測距儀測量距離差值隨時間變化的情況如圖4所示。

圖4 激光測距儀精度檢測結(jié)果

從圖4中可以看到，激光測距結(jié)果與GNSS動態(tài)精密單點(diǎn)定位結(jié)果相差在厘米至分米量級?？傮w上，兩者差值的RMS在0.5 m以內(nèi)。以上結(jié)果基本反映了米級精度的激光測距儀的測距能力，證明了方法的正確性。

3 結(jié)束語

針對激光測距室內(nèi)檢測方法需建立激光測距標(biāo)定環(huán)境或者拆裝后到指定機(jī)構(gòu)進(jìn)行測距儀的標(biāo)定以及校飛方法組織協(xié)調(diào)困難等問題，提出了一種新的船載激光測距儀動態(tài)測距精度檢測方法。該方法在船舶出航時，實(shí)時跟蹤陸地固定的激光合作目標(biāo)，同時利用船載GNSS設(shè)備，采用GNSS動態(tài)精密單點(diǎn)定位的方法檢測激光測距儀測距精度，實(shí)現(xiàn)了激光測距儀的動態(tài)精度檢測，有效克服了傳統(tǒng)檢測方法需拆裝、組織困難等問題。最后，利用船載實(shí)測數(shù)據(jù)對該方法的有效性進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明：即使考慮各種誤差的綜合影響，GNSS動態(tài)精密單點(diǎn)定位精度可達(dá)到11 cm。下一步將對GNSS動態(tài)精密單點(diǎn)定位天向的定位精度進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，從而提高激光測距儀動態(tài)精度檢測的可靠性。