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车载POS系统测量合作目标安置参数解算方法

周阳林 李广云 王力 周帅峰 符京杨 董明

周阳林, 李广云, 王力, 周帅峰, 符京杨, 董明. 车载POS系统测量合作目标安置参数解算方法[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2017, 42(10): 1446-1452. doi: 10.13203/j.whugis20150741
引用本文: 周阳林, 李广云, 王力, 周帅峰, 符京杨, 董明. 车载POS系统测量合作目标安置参数解算方法[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2017, 42(10): 1446-1452. doi: 10.13203/j.whugis20150741
ZHOU Yanglin, LI Guangyun, WANG Li, ZHOU Shuaifeng, FU Jingyang, DONG Ming. A Method Designed for Calculating the Cooperative Targets' Mounting Parameters to Vehicle Based Position and Orientation System[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2017, 42(10): 1446-1452. doi: 10.13203/j.whugis20150741
Citation: ZHOU Yanglin, LI Guangyun, WANG Li, ZHOU Shuaifeng, FU Jingyang, DONG Ming. A Method Designed for Calculating the Cooperative Targets' Mounting Parameters to Vehicle Based Position and Orientation System[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2017, 42(10): 1446-1452. doi: 10.13203/j.whugis20150741

车载POS系统测量合作目标安置参数解算方法

doi: 10.13203/j.whugis20150741
基金项目: 

国家自然科学基金 41274014

国家自然科学基金 41501491

地理信息工程国家重点实验室重点基金 SKLGIE2014-Z-2-1

详细信息
    作者简介:

    周阳林, 博士生, 主要从事移动测量系统集成与多传感检校研究.zhouyanglin@126.com

  • 中图分类号: P258

A Method Designed for Calculating the Cooperative Targets' Mounting Parameters to Vehicle Based Position and Orientation System

Funds: 

The National Natural Science Foundation of China 41274014

The National Natural Science Foundation of China 41501491

the Key Fund of National Key Laboratory of Geo-Information Engineering SKLGIE2014-Z-2-1

More Information
    Author Bio:

    ZHOU Yanglin, PhD candidate, specializes in MMS integration and multisensor calibration. E-mail: zhouyanglin@126.com

图(7) / 表(5)
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出版历程
  • 收稿日期:  2016-10-26
  • 刊出日期:  2017-10-05

车载POS系统测量合作目标安置参数解算方法

doi: 10.13203/j.whugis20150741
    基金项目:

    国家自然科学基金 41274014

    国家自然科学基金 41501491

    地理信息工程国家重点实验室重点基金 SKLGIE2014-Z-2-1

    作者简介:

    周阳林, 博士生, 主要从事移动测量系统集成与多传感检校研究.zhouyanglin@126.com

  • 中图分类号: P258

摘要: POS系统是移动测量系统的重要组成部分。由于系统集成影响,POS系统中心的运动状态无法直接观测。因此,可采取设置相关测量合作目标的方法,在确定其与POS系统中心的位置基础上,通过观测合作目标来确定POS系统中心的运动状态。从车载移动测量系统空间基准统一方程出发,提出了一种解算测量合作目标安置参数的方法,并以此为基础,系统分析POS系统定位定姿误差、全站仪测距测角误差、尺度因子误差等误差源对安置参数解算的影响,推导了安置参数解算的误差模型。实验结果表明,采用本文解算方法,可以获取毫米级的合作目标安置参数,满足合作目标应用于动态测量检测POS系统定位精度的需求。

English Abstract

周阳林, 李广云, 王力, 周帅峰, 符京杨, 董明. 车载POS系统测量合作目标安置参数解算方法[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2017, 42(10): 1446-1452. doi: 10.13203/j.whugis20150741
引用本文: 周阳林, 李广云, 王力, 周帅峰, 符京杨, 董明. 车载POS系统测量合作目标安置参数解算方法[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2017, 42(10): 1446-1452. doi: 10.13203/j.whugis20150741
ZHOU Yanglin, LI Guangyun, WANG Li, ZHOU Shuaifeng, FU Jingyang, DONG Ming. A Method Designed for Calculating the Cooperative Targets' Mounting Parameters to Vehicle Based Position and Orientation System[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2017, 42(10): 1446-1452. doi: 10.13203/j.whugis20150741
Citation: ZHOU Yanglin, LI Guangyun, WANG Li, ZHOU Shuaifeng, FU Jingyang, DONG Ming. A Method Designed for Calculating the Cooperative Targets' Mounting Parameters to Vehicle Based Position and Orientation System[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2017, 42(10): 1446-1452. doi: 10.13203/j.whugis20150741
  • 在移动测量系统中,位置姿态系统(position and orientation system, POS)具有地理位置参考和传感器定向的功能,实时为载体提供空间位置和姿态信息,使移动测量系统获取的点云数据、影像数据具有相应的地理坐标[1]。POS系统的精度决定了移动测量系统的整体精度水平,因此国内外对提高POS系统的精度及检验POS系统精度开展了大量的研究。目前,由于POS系统中心无法直接观测,国内外学者通常通过分析移动测量系统整体成图质量[2-4],或者通过间接分析POS子系统的GNSS与IMU的工作性能,开展POS系统的姿态精度研究[5-7]

    通过移动测量系统的成图质量分析POS系统的成图精度,存在传感器同步误差、系统安置误差和传感器测量误差,对POS系统精度分析造成一定的影响;对POS子系统进行单独分析,实验条件过于理性化,不能全面反映POS系统精度。

    为了更直接分析POS系统在实际工作状态下的位置姿态精度,可采取在载体上布设测量合作目标,确定其与POS中心位置关系,通过观测合作目标的方法,对POS系统精度进行分析。

    采用该种方法,关键是确定合作目标与POS之间的位置关系。目前,尚未有系统、成熟的方案分析测量合作目标与POS之间的位置关系。

    目前可行的传感器安置参数标定方法有以下几种:(1) 采用直接量测的方式,即按照厂商给定的设备外部标称中心、三轴指向,直接量测出传感器与POS系统的位置关系[8];(2) 通过传感器主动测量的方式,即根据公共点建立传感器坐标系与POS坐标系的联系,解算出传感器与POS系统的位置关系[9];(3) 首先通过直接量测获取安置参数初值,然后根据传感器主动测量信息修正安置参数,以提高传感器安置参数解算精度[10-12]。但对于测量合作目标而言,只能被动返回测量信息,且测量合作目标安置参数只包含位置信息,不包含姿态信息,因此,传感器安置参数标定的方法对测量合作目标并不完全适用。

    本文在传感器安置参数标定方法的基础上,提出了一种通过直接地理参考方式建立联系,采取静态观测方式解算测量合作目标安置参数的方法。同时,详细分析了各类误差对安置参数解算的影响,并通过实验对安置参数解算模型的精度进行验证。实验所选用的车载设备是Trimble MX1系统,所使用的POS系统为POS LV220,其GNSS与INS的位置关系由厂商精确标定,杆臂值参数XaxisYaxisZaxis分别为-0.083、0.025、-0.263。实验时,将GNSS中心设置为POS系统中心进行数据输出。

    • 在静态状态下,利用POS输出位置姿态信息,建立测量合作目标坐标在不同坐标系下的联系,解算模型如图 1所示。

      图  1  测量合作目标坐标解算模型

      Figure 1.  The Coordination Calculating Model of Cooperative Target

      合作目标安置参数解算过程如下:

      1) 通过全站仪外部测量获取测量合作目标在地心地固坐标系坐标为:

      $$ {\mathit{\boldsymbol{r}}_{{E_i}}} = R_{_{L{H_C}}}^{^E}\left( t \right)\cdot{k_1}{\cdot}R{\rm{ }}\left( {\theta, \varphi } \right)\cdot{\mathit{\boldsymbol{r}}_{{L_i}}} + \mathit{\boldsymbol{r}}_{_{L{H_C}}}^{^E}\left( t \right) $$ (1)

      2) 利用POS输出信息获取测量合作目标在地心地固坐标系坐标为:

      $$ {\mathit{\boldsymbol{r}}_{{E_i}}} = R_{_{L{H_I}}}^{^E}\left( t \right){\cdot}R_{_I}^{^{L{H_I}}}\left( t \right)\cdot{k_2}\cdot\mathit{\boldsymbol{r}}_{_{{L_i}}}^{^I} + \mathit{\boldsymbol{r}}_{_{L{H_I}}}^{^E}\left( t \right) $$ (2)

      其中,k1k2分别表示全站仪测量坐标系、POS坐标系与当地水平坐标系之间的尺度因子的变化;RLHCE(t)表示全站仪在t时刻所处位置的当地水平参考系向地心地固系的转变;RLHIE(t)表示在t时刻POS系统所在当地水平参考系向地心地固系的转变;RILHI(t)表示在t时刻POS坐标系向当地水平系参考系的转变;rLi表示在全站仪坐标系下,全站仪获得的测距值;θφ分别为全站仪获取的垂直角和水平角;rLiI表示在POS坐标系下,测量合作目标i相对于POS坐标系中心的矢量;rLHIE(t)表示在t时刻,POS坐标系中心在地心地固坐标系下的位置。

      3) 将式(1) 和式(2) 联立,获取测量合作目标安置参数rLiI的解算公式,如式(3)。

      $$ \mathit{\boldsymbol{r}}_{_{{L_i}}}^{^I} = C\cdot\left( {D\cdot{\mathit{\boldsymbol{r}}_{{L_i}}} + \mathit{\boldsymbol{r}}_{_{L{H_C}}}^{^E}\left( t \right)-\mathit{\boldsymbol{r}}_{_{L{H_I}}}^{^E}\left( t \right)} \right)\cdot{k_2}^{-1} $$ (3)

      其中,

      $$ \begin{array}{l} C = {\left( {R_{_{L{H_I}}}^{^E}\left( t \right){\rm{ }}R_{_I}^{^{L{H_I}}}\left( t \right)} \right)^{- 1}} = R_{_I}^{^{L{H_I}}}{\left( t \right)^{- 1}}{\left( {R_{_{L{H_I}}}^{^E}\left( t \right)} \right)^{- 1}}\\ D = R_{_{L{H_C}}}^{^E}\left( t \right)\cdot{k_1}\cdot\left( {R\left( {\theta, \varphi } \right)} \right), \\ {\left( {R_{_{L{H_I}}}^{^E}\left( t \right)} \right)^{ - 1}} = \\ \left[{\begin{array}{*{20}{c}} {{\rm{cos}}(90^\circ-B)}&0&{-{\rm{sin}}(90^\circ-B)}\\ 0&1&0\\ {{\rm{sin}}(90^\circ - B)}&0&{{\rm{cos}}(90^\circ - B)} \end{array}} \right] \cdot \left[{\begin{array}{*{20}{c}} {{\rm{cos}}L}&{{\rm{sin}}L}&0\\ {-{\rm{sin}}L}&{{\rm{cos}}L}&0\\ 0&0&1 \end{array}} \right], \end{array} $$
      $$ \begin{gathered} {\left( {R_{{{_I}_I}}^{^{L{H_I}}}\left( t \right)} \right)^{ - 1}} = \left[ {\begin{array}{*{20}{c}} 1&0&0 \\ 0&{\cos R}&{\sin R} \\ 0&{ - \sin R}&{\cos R} \end{array}} \right] \cdot \hfill \\ \left[ {\begin{array}{*{20}{c}} {\cos P}&0&{\sin P} \\ 0&1&0 \\ {\sin P}&0&{\cos P} \end{array}} \right] \cdot \left[ {\begin{array}{*{20}{c}} {\cos H}&{\sin H}&0 \\ { - \sin H}&{\cos H}&0 \\ 0&0&1 \end{array}} \right]。 \hfill \\ \end{gathered} $$
    • 1) 全站仪的测量误差:由于仪器本身性能缺陷造成的测量误差,包含全站仪的距离测量误差及角度测量误差。

      2) GNSS定位误差:星历误差(轨道误差)、卫星钟误差、电离层延迟、对流层延迟、多路径效应、接收机钟误差、天线相位中心位置误差都会影响GNSS定位,使其产生定位误差。实验时采用静态测量、多基站模式测量,提高了GNSS定位解算精度。

      3) IMU姿态测量误差:当POS系统工作时,IMU输出的是POS坐标系相对于当地水平参考系的姿态角。IMU姿态测量的精度会受到加速度计比例误差、速度计常数误差、随机漂移、陀螺各种系统漂移等因素的影响。

    • 为获得目标点在相应坐标系下的坐标,需要进行一系列坐标转换。在坐标转换过程中,由于坐标基准不同,由于尺度变换而产生误差,称为尺度因子误差[13]。在本文中,尺度因子通过已知参考点事先求出。

    • 根据坐标安置参数的解析式,可得误差传播计算公式(4)。式中,包含mlmθmφ的项表示全站仪测距、测角误差的影响;包含mxEmyEmzEmHmPmR的项表示POS系统输出位置姿态误差的影响。

      $$ \begin{array}{l} m_{_{\mathit{\boldsymbol{r}}_{{L_i}}^{^I}}}^2 = {\left( {C{\cdot}D{\cdot}\frac{{\partial {\mathit{\boldsymbol{r}}_L}}}{{\partial l}}} \right)^2}{\cdot}m_{_l}^{^2} + {\left( {C{\cdot}\frac{{\partial D}}{{\partial \theta }}{\cdot}{\mathit{\boldsymbol{r}}_L}} \right)^2}{\cdot}m_{_\theta }^{^2} + {\left( {C{\cdot}\frac{{\partial D}}{{\partial \varphi }}{\cdot}{\mathit{\boldsymbol{r}}_L}} \right)^2}{\cdot}m_{_\varphi }^{^2} + \\ {\left( {\frac{{\partial C}}{{\partial H}}{\cdot}(D{\cdot}{\mathit{\boldsymbol{r}}_L}^2 + \mathit{\boldsymbol{r}}_{_{L{H_C}}}^{^E}\left( t \right)-\mathit{\boldsymbol{r}}_{_{L{H_I}}}^{^E}\left( t \right))} \right)^2}{\cdot}m_{_H}^{^2} + \\ {\left( {\frac{{\partial C}}{{\partial P}}{\cdot}\left( {D{\cdot}{\mathit{\boldsymbol{r}}_L}^2 + \mathit{\boldsymbol{r}}_{_{L{H_C}}}^{^E}\left( t \right)-\mathit{\boldsymbol{r}}_{_{L{H_I}}}^{^E}\left( t \right)} \right)} \right)^2}{\cdot}m_{_P}^{^2} + \\ {\left( {\frac{{\partial C}}{{\partial R}}{\cdot}\left( {D{\cdot}{\mathit{\boldsymbol{r}}_L}^2 + \mathit{\boldsymbol{r}}_{_{L{H_C}}}^{^E}\left( t \right)-\mathit{\boldsymbol{r}}_{_{L{H_I}}}^{^E}\left( t \right)} \right)} \right)^2}{\cdot}m_{_R}^{^2} + \\ {\left( {C{\cdot}\frac{{\partial \mathit{\boldsymbol{r}}_{_{L{H_C}}}^{^E}\left( t \right)}}{{\partial {x_E}}}} \right)^2}{\cdot}m_{_{{x_E}}}^{^2} + {\left( {C{\cdot}\frac{{\partial \mathit{\boldsymbol{r}}_{_{L{H_C}}}^{^E}\left( t \right)}}{{\partial {y_E}}}} \right)^2}{\cdot}m_{_{{y_E}}}^{^2} + {\left( {C{\cdot}\frac{{\partial \mathit{\boldsymbol{r}}_{_{L{H_C}}}^{^E}\left( t \right)}}{{\partial {z_E}}}} \right)^2}{\cdot}m_{_{{z_E}}}^{^2} \end{array} $$ (4)

      为了更好地分析各项误差对测量合作目标安置参数求解精度的影响,基于POS系统在车载移动测量系统中应用环境,模拟了一组合理的测量合作目标分布:合作目标在POS坐标系X方向(车行方向)坐标恒定为-0.5 m,在Z方向(垂直向下)与Y方向(右手法则确定)坐标以0.1 m的间隔,分别从-0.5~0.5 m进行安置。这些测量合作目标在空间上组成一个由121个点构成的平面,如图 2所示。同时,本文假设将全站仪中心高度与POS中心高度一致,全站仪的X轴指向POS坐标系中心。

      图  2  测量合作目标点位模拟分布图

      Figure 2.  Distribution of Simulation Cooperative Targets

    • 使用全站仪对合作目标进行观测时,采取精密测距模式,其测距误差为0.000 6 m+1×10-6,测角误差为5″。全站仪架设位置与POS系统较接近,因此其当地水平坐标系与地心地固坐标系之间的转换可近似相等,即RLHIE(t)-1·RLHCE(t)≈1。假设静态POS系统输出的横滚角、俯仰角和航向角分别为0°、0°和360°,即RILHI(t)-1=1,则C·D=k1·R(θ, φ)。

      1) 全站仪测距误差对合作目标定位精度的影响为:

      $$ m_{_{\mathit{\boldsymbol{r}}_{{L_i}}^{^I}}}^2 = {\left( {C{\cdot}D{\cdot}\frac{{\partial {\mathit{\boldsymbol{r}}_L}}}{{\partial l}}} \right)^2}{\cdot}m_{_l}^{^2} $$ (5)

      图 3(a)可知,全站仪测距误差对同一平面内合作目标的整体误差影响是定值,为0.6 mm。

      图  3  测距误差对安置参数解算影响

      Figure 3.  Effect of Laser Ranging Error on Mounting Parameters and Angular Measurement Error

      2) 全站仪测角误差对合作目标定位精度的影响为:

      $$ \begin{array}{l} m_{_{\mathit{\boldsymbol{r}}_{{L_i}}^{^I}}}^2 = {\left( {C{\cdot}\frac{{\partial D}}{{\partial \theta }}{\cdot}{\mathit{\boldsymbol{r}}_L}} \right)^2}{\cdot}m_{_\theta }^{^2} + \\ {\left( {C{\cdot}\frac{{\partial D}}{{\partial \varphi }}{\cdot}{\mathit{\boldsymbol{r}}_L}} \right)^2}{\cdot}m_{_\varphi }^{^2} \end{array} $$ (6)

      图 3(b)3(c)可知,垂直角θ误差、水平角φ误差对合作目标整体定位精度的影响随合作目标在平面内的分布变化较大。合作目标与POS坐标系X轴向同轴时,即水平角与垂直角均为零时,垂直角误差和水平角误差对合作目标定位精度影响达到最小。此时,垂直角误差对合作目标定位精度无影响。

      分析模拟数据可知,全站仪测量对合作目标安置参数解算精度的综合影响达到0.61 mm,主要为测距误差产生的影响。

    • POS采用静态解算的模式,与已知点构成GPS构成控制网进行解算,其解算精度达到水平方向2 mm,垂直方向4 mm;偏航角、俯仰角及横滚角构成的姿态参数的精度分为0.025°、0.02°及0.02°。

      1) POS定位误差对合作目标定位精度的影响为:

      $$ \begin{array}{l} m_{_{\mathit{\boldsymbol{r}}_{{L_i}}^{^I}}}^2 = {\left( {C{\cdot}\frac{{\partial \mathit{\boldsymbol{r}}_{_{L{H_C}}}^{^E}\left( t \right)}}{{\partial {x_E}}}} \right)^2}{\cdot}m_{_{{x_E}}}^{^2} + \\ {\left( {C{\cdot}\frac{{\partial \mathit{\boldsymbol{r}}_{_{L{H_C}}}^{^E}\left( t \right)}}{{\partial {y_E}}}} \right)^2}{\cdot}m_{_{{y_E}}}^{^2} + {\left( {C{\cdot}\frac{{\partial \mathit{\boldsymbol{r}}_{_{L{H_C}}}^{^E}\left( t \right)}}{{\partial {z_E}}}} \right)^2}{\cdot}m_{_{{z_E}}}^{^2} \end{array} $$ (7)

      图 4(a)4(b)4(c)可知, POS定位误差对合作目标安置参数解算的影响关系是直接传递的,其影响在水平方向达到2 mm,垂直方向达到4 mm,对安置参数解算的综合影响达到4.47 mm。

      图  4  POS定位误差对安置参数解算影响

      Figure 4.  Effect of Vertical Position Error on Mounting Parameters

      2) POS定姿误差对合作目标定位精度的影响为:

      $$ \begin{array}{l} m_{_{\mathit{\boldsymbol{r}}_{{L_i}}^{^I}}}^2 = \\ {\left( {\frac{{\partial C}}{{\partial H}}{\cdot}\left( {D{\cdot}{\mathit{\boldsymbol{r}}_L}^2 + \mathit{\boldsymbol{r}}_{_{L{H_C}}}^{^E}\left( t \right)-\mathit{\boldsymbol{r}}_{_{L{H_I}}}^{^E}\left( t \right)} \right)} \right)^2}{\cdot}m_{_H}^{^2}\\ + {\left( {\frac{{\partial C}}{{\partial P}}{\cdot}\left( {D{\cdot}{\mathit{\boldsymbol{r}}_L}^2 + \mathit{\boldsymbol{r}}_{_{L{H_C}}}^{^E}\left( t \right)-\mathit{\boldsymbol{r}}_{_{L{H_I}}}^{^E}\left( t \right)} \right)} \right)^2}{\cdot}m_{_P}^{^2}\\ + {\left( {\frac{{\partial C}}{{\partial R}}{\cdot}\left( {D{\cdot}{\mathit{\boldsymbol{r}}_L}^2 + \mathit{\boldsymbol{r}}_{_{L{H_C}}}^{^E}\left( t \right)-\mathit{\boldsymbol{r}}_{_{L{H_I}}}^{^E}\left( t \right)} \right)} \right)^2}{\cdot}m_{_R}^{^2} \end{array} $$ (8)

      图 5(a)5(b)5(c)可知, 航向角误差和俯仰角误差随着合作目标分布呈现相似规律, 航向角误差对合作目标定位精度影响随着合作目标在Y轴上偏离POS中心距离的增大而增大;俯仰角误差对合作目标定位精度影响随着合作目标在Z轴上偏离POS中心距离的增大而增大; 横滚角对合作目标定位精度的影响随着合作目标偏离POS中心在模拟平面内的投影点的增大而增大,且在投影中心上,即合作目标Y轴、Z轴坐标均为零时,达到最小的影响值。POS定姿误差对合作目标安置参数解算的影响在水平方向达到0.1 mm,垂直方向达到0.09 mm,综合影响达到0.17 mm。

      图  5  POS定姿误差对安置参数解算影响

      Figure 5.  Effect of Orientation Error on Mounting Parameters

    • 尺度因子对安置参数整体解算精度的影响为:

      $$ \begin{array}{l} m_{_{\mathit{\boldsymbol{r}}_{{L_i}}^{^I}}}^2 = \\ {\left( {C{\cdot}\left( {D{\cdot}{\mathit{\boldsymbol{r}}_L}^2 + \mathit{\boldsymbol{r}}_{_{L{H_C}}}^{^E}\left( t \right)-\mathit{\boldsymbol{r}}_{_{L{H_I}}}^{^E}\left( t \right)} \right)} \right)^2}{\cdot}m_{_k}^{^2} \end{array} $$ (9)

      图 6可知,就安置参数整体解算精度而言,尺度因子对其的影响,随着测量合作目标与POS中心相应投影点的距离的增大而增大,当测量合作目标位于POS坐标系X轴上时,尺度因子对安置参数整体解算精度影响最小。

      图  6  尺度因子对安置参数解算影响

      Figure 6.  Effect of Scale Factor Error on Mounting Parameters

    • 将各项误差对测量合作目标安置参数解算精度影响结果进行统计,统计数据见表 1

      表 1  误差对安置参数影响统计/mm

      Table 1.  Influence of Different Errors on Targets' Mounting Parameters/mm

      误差项 dx dy dz ds
      全站仪测距 0.461 0.237 0.237 0.600
      全站仪测角 0.001 0.001 0.001 0.002
      POS定位 2.0 2.0 4.0 4.90
      POS定姿 0.17 0.24 0.21 0.36
      尺度因子 0.011 0.005 0.005 0.013

      就整体解算精度而言,该种静态安置参数求解方法可达到毫米级的精度要求,能满足动态测量对测量合作目标安置参数解算的精度要求。在所有误差项中,POS系统输出的位置误差是求解测量合作目标安置参数的主要影响因素。若要获取更高精度的相对位置关系,需通过工业加工,采用预留固定安置空间的方式来实现。POS姿态误差及全站仪的测距误差对安置参数解算的影响相似。全站仪测角误差与尺度因子对安置参数解算的影响可忽略。综合模型数据可发现,将测量合作目标与POS中心安置得越近,其安置参数解算的误差就越小。

    • 实验时,采用静态观测和外接电源的方式单独给移动测量车供电。测量合作目标安置示意图见图 7。使用全站仪测出合作目标在WGS-84坐标系下的坐标,结合POS系统输出位置姿态参数,通过式(3) 即可求得合作目标在POS坐标系下的坐标。

      图  7  测量合作目标安置示意图

      Figure 7.  Distribution of Cooperative Targets on Vehicle

      实验时,POS系统在静态输出位置姿态参数见表 2。通过全站仪获取的测量合作目标位置坐标在WGS-84坐标系下的坐标见表 3

      表 2  POS输出位置姿态参数/mm

      Table 2.  Influence of Different Errors on Targets' Mounting Parameters/mm

      位置 参数值 精度/mm 姿态 参数值 精度
      纬度 34°49′5.307″ 2 横滚角 1°22′16″ 0.02°
      经度 113°33′51.352″ 2 俯仰角 -1°32′06″ 0.02°
      高程 87.783 m 4 航向角 353°35′46″ 0.025°

      表 3  测量合作目标在WGS-84坐标系下的坐标/m

      Table 3.  Coordinates of Cooperative Targets in WGS-84 Coordinate System/m

      编号 X Y Z
      PA -2 095 651.337 7 4 804 922.662 6 3 621 371.604 9
      PB -2 095 651.677 1 4 804 922.404 8 3 621 371.295 6
      PC -2 095 651.976 8 4 804 922.773 9 3 621 370.346 7
      PD -2 095 651.632 9 4 804 922.851 2 3 621 370.033 6
      PE -2 095 651.285 8 4 804 923.164 9 3 621 370.260 2
      PF -2 095 650.970 4 4 804 922.781 0 3 621 371.226 5

      代入式(3),解算出测量合作目标在POS坐标系下的安置位置见表 4

      表 4  测量合作目标在POS坐标系下坐标/m

      Table 4.  Coordinates of Cooperative Targets in POS Coordinate System/m

      编号 X Y Z
      PA -0.592 0 0.039 8 0.014 1
      PB -0.826 5 0.436 0 0.269 7
      PC -1.869 8 0.450 2 0.464 1
      PD -2.041 9 0.087 9 0.712 0
      PE -1.898 5 -0.348 0 0.467 6
      PF -0.828 6 -0.367 6 0.278 9

      将实测数据代入式(4) 误差模型中,可得测量合作目标安置参数的误差估计值,见表 5

      表 5  测量合作目标精度估计/mm

      Table 5.  Accuracy Estimation of Cooperative Targets/mm

      编号 Δx Δy Δz Δs
      PA 2.03 2.07 4.03 4.96
      PB 2.05 2.06 4.04 4.97
      PC 2.07 2.05 4.01 4.96
      PD 2.11 2.18 4.05 5.06
      PE 2.12 2.16 4.07 5.07
      PF 2.05 2.13 4.03 4.99

      表 4表 5数据可知,采用本文所述方法,可获取毫米级精度的测量合作目标安置参数。代入本文推导误差模型,实验时获取的安置参数精度在水平方向为2.1 mm,垂直方向为4.1 mm。

    • 1) 本文提出了一种采用高精度全站仪进行测量合作目标相对与POS中心高精度安置参数解算的方案,详细分析了全站仪的测距、测角误差,POS定位定姿误差,尺度因子误差等主要误差因子对合作目标安置参数解算的影响,并建立相应误差模型。

      2) 通过误差模型推导可知,采用本文所述的方法,能高精度地确定测量合作目标相对于POS中心的位置关系。安置参数解算精度可达到毫米级,主要受静态情况下POS系统输出位置误差的影响。

      3) 本文提出的测量合作目标室外安置参数标定方案,可满足大部分用户的测量需求。相比较传统的室内标定方案,该方法对测量设备要求低,环境依赖性更小,具有更强的可操作性和实用性。

      4) 本文所使用POS系统的杆臂值事先精确已知,因此,在讨论时忽略了杆臂值精度对合作目标安置参数解算的影响。下一步将结合国产POS系统,开展高精度GNSS和惯导杆臂值标定方法研究,完善测量合作目标安置参数解算模型,为组合导航设备国产化以及高精度新型测绘任务提供服务。

参考文献 (15)

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