利用徠卡GS18儀器進行高精度RTK定位試驗與分析

伍吉倉，李玉婷

(同濟大學測繪與地理信息學院，上海 200092)

在RTK測量中，GNSS接收機測量的并不是地面目標點的位置，而是天線相位中心的位置[1]。因此在傳統的RTK測量中為了保證測量結果的精度，在對中桿上會設置一個水準氣泡。在測量之前，必須使水準氣泡居中來保持對中桿的中心和目標中心重合，考慮PCO(相位中心偏差)和對中桿的長度就能夠使相位中心位置歸算到對中桿末端的目標中心位置。然而使氣泡居中需要花費一定時間，而且受人為因素的影響較大，在房角一般的隱蔽區域更是難以實現，給高精度RTK測量帶來了效率和精度上的限制。

隨著GNSS、INS和微傳感器融合導航系統的快速發展，出現了帶有傾斜補償的RTK接收機[2]。帶有傾斜補償技術的RTK測量能夠應用在環境更加惡劣的測量區域，比傳統測量靈活且效率更高。然而傳統帶有傾斜補償的RTK技術使用電子羅盤的磁北方向來定位對中桿傾斜的方向，這種基于磁力計的方法受磁場的影響較大并通常需要現場校準。為了彌補這些缺點，徠卡GS18傾斜機使用基于工業級別微電子機械傳感器(MEMS)的IMU測量對中桿的傾斜。MEMS慣性測量單元由加速度計、陀螺儀和慣性傳感器3部分組成，用來測定角度加速度，進而推算相對于初始位置的姿態等信息[3]。徠卡GS18傾斜機具有抗電磁干擾、不需要現場校準的優點，同時它具有GNSS信號追蹤功能，只要能夠觀測到足夠多的衛星，傾斜的角度可以不受限制。

本文共設計了3個試驗來檢驗徠卡GS18儀器在不同傾斜角度和不同環境下的定位精度。最終得到的定位結果為：在不同傾斜角度情況下，3D均方根誤差(X、Y、H方向上)均小于4 cm，2D均方根誤差(平面方向上)約為2 cm，滿足常規RTK測量定位精度要求。GS18傾斜機在房角、屋檐等存在遮擋物下的平面測量精度滿足常規RTK定位測量要求，增加了RTK測量的實用性，節省了測量的時間，提高了測量效率。

1 試驗和結果

1.1 試驗1

本次試驗主要檢驗在觀測環境良好的條件下，對中桿在不同傾斜角度情況下的定位結果相對于對中桿直立情況下定位結果的差別。試驗場地為較開闊的籃球場(如圖1(a)所示)。首先在測量點上以垂直狀態，保持對中桿水準氣泡居中，測量10 min(10次1 min的持續觀測)，再在該點上分別做兩組傾斜泡居中，角為10°～20°、20°～40°的觀測，每組觀測都傾斜了4個方向，方向之間約90°，不同傾角平面位置相對于垂直位置的散點如圖1(b)所示。每一組測量持續的時間、采樣個數和三維坐標(平面X、Y和高度H)平均值見表1。

圖1 開闊地帶試驗情況

由圖1(b)可以看出，傾斜10°～40°時數據都比較集中，X方向上最大值與最小值偏差小于Y方向上的偏差。其中傾斜10°～20°的觀測值基本以垂直測量的觀測值為中心分布，而傾斜20°～40°的觀測值中心略有偏移。以垂直測量的坐標平均值為標準值，每組試驗的三維坐標的偏差見圖2所示。

表1 不同傾角試驗相對于垂直位置的平均值之差

圖2 各組觀測的平均值與垂直觀測平均值之差

從表1和圖2中可以看到，隨著持續觀測的時間增加，定位精度沒有明顯改善。在圖2中以垂直觀測的平均值為基準，可以看到在傾斜小于40°時，3個方向的坐標偏差均小于3 cm。其中，X方向偏差最大為1.3 cm，Y方向偏差最大為1.4 cm，H方向偏差最大為2.1 cm。

表2列出了每組重復觀測數據子樣均方差，其中3D、2D和1D分別表示三維空間點位、二維平面點位和一維高度定位分量，對應觀測結果在不同傾斜角度和觀測時長情況下的內符合精度。從中可以看到傾斜角度與觀測時長對內符合精度影響不大。

表2 不同傾斜情況下的定位結果的子樣均方差

假設垂直10 min觀測的平均值為真值，根據每組重復觀測數據計算得到的定位位置中誤差見表3，結果表明定位位置中誤差與傾斜關系不大。在傾斜10°～40°觀測的2D中誤差仍然在3 cm以內。

表3 不同觀測條件下的定位位置中誤差(假設垂直10 min觀測的平均值為真值)

不同傾角觀測時長/s3D/m2D/m1D/m10°～20°10.0260.0100.02450.0290.0240.016100.0290.0250.01520°～40°10.0260.0200.01750.0370.0220.029100.0450.0250.038

1.2 試驗2

試驗2檢驗不同觀測環境下的定位精度。分別選擇在飛機下、汽車下、樹下和屋檐下進行傾斜測量試驗，每一組連續觀測1 min(約60個觀測結果)，如圖3所示。

圖3 不同環境下的觀測試驗

表4列出了4種不同環境下重復觀測的子樣均方差，結果表明平面(2D)的均方差都在3 cm以內，高程方向上(1D)，在屋檐下遮擋物比較高大的情況下，均方差達到7.8 cm，其余3種情況高度均方差小于5 cm。

表4 不同場景下觀測值均方差 m

1.3 試驗3

為了檢驗徠卡GS18傾斜機的測圖精度，筆者在校園內觀測一座房屋的4個角點(傳統觀測和傾斜觀測都能夠接收到信號)來檢驗相對定位精度，試驗場景如圖4所示。每個測量點觀測10 s,歷元間隔為1 s。

圖4 在房角分別進行傳統觀測和傾斜觀測

表5列出了兩種觀測得到的4個房角坐標。從表5可以看出兩種方法得到的結果在X、Y方向上的偏差比H方向上的偏差要小。根據表5中的點位坐標可以計算房屋的邊長。此外，筆者還用皮尺丈量了房屋的長度和寬度，見表6。從表6中可以看出，傾斜觀測解算的結果更加接近于皮尺測得的結果，相差最大在邊長4-1的結果上，傾斜測得的結果與皮尺測得的結果相差4.9 cm。

2 結 語

本文使用徠卡智能天線徠卡GS18傾斜機進行了大角度傾斜和遮擋環境下的RTK定位試驗。結果表明徠卡GS18傾斜機能較好實現傾斜補償，在有信號遮擋等困難場景下仍能獲得厘米級定位精度。在觀測條件比較困難的區域使用徠卡GS18傾斜機能夠提高作業效率和改善定位性能。

表5 根據觀測值求出來的平均值 m

表6 房屋的四邊長度 m