一種新的船載激光測距儀動態精度檢測方法

田英國， 張 輝， 顧新鋒， 許國偉

(1.中國衛星海上測控部，江蘇 江陰 214431； 2.國防大學聯合作戰學院，河北 石家莊 050001)

激光測距儀因具有指向性好、測量距離遠、精度高、對光源相干性要求較低、可實時測量觀測者相對于目標的距離等優點，在測量船實際應用中發揮了重要作用。

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或震動的特殊環境下，激光發射光軸和接收光軸平行度、電子線路漂移、振蕩頻率和頻率穩定性等容易受到影響，進而影響其測量精度。根據我國的JJF 1324—2011《脈沖激光測距儀校準規范》，激光測距儀的檢定周期一般不超過1年[3]。

近年來，許多研究機構根據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]對光纖基線標定激光測距儀方法進行了研究，建立了激光器與光纖耦合模型，并實現了200 m以內的激光測距儀標定。蔡青梅等[5]通過光路折疊方法實現了2倍光程倍增，建立100 m室內基線場，有效解決了室內基線檢測效率低、可重復性差等技術問題。劉紅光等[6]在50 m高精度導軌上利用3個平面反射鏡進行光路折疊，實現了4倍光程倍增，搭建了室內200 m基線，并對Leica DISTOTMD510型手持式激光測距儀開展了50～200 m測段的檢定實驗，檢測精度可達毫米量級。董洪舟等[7]采用光電延時法設計的距離模擬器實現了50 m～990 km的大量程距離模擬，經測試全量程內距離模擬誤差小于1 m。

上述方法均屬于室內檢測方法，檢測船載激光測距儀精度需要建立激光測距專用標定環境或者拆裝后到指定機構進行激光測距儀精度檢測，且室內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的飛機，按規劃航行路線飛行，被檢測的激光測距儀和作為比較標準的設備同時跟蹤飛機，通過飛行試驗評估激光測距系統的精度。但在實際使用過程中，該方法采用全球衛星導航系統(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，且飛機改裝要求高，組織實施難度大，不能經常實施[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和船載高精度GNSS接收機，通過事后精密單點定位處理獲得測量船至激光合作目標的距離，進而檢測激光測距儀測距精度。該方法無須拆裝激光測距儀，無須建設專用的激光測距檢測設備，不涉及設備改裝等就可實現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測基線比較法，但在具體實現過程中綜合考慮了船舶運動等特點。該方法的基本原理是在碼頭附近標校塔上安裝激光合作目標(已知高精度坐標值)，借助船舶出航時機，利用激光測距儀實時跟蹤激光合作目標，實時測量兩者之間的距離，同時測量船上的高精度GNSS接收機實時記錄原始觀測數據，通過事后精密單點定位處理獲得測量船至激光合作目標的距離，將該距離值作為比對標準進行激光測距儀的精度檢測。

該方法的事后精密處理技術主要采用精密單點定位方法，精密單點定位是利用高精度的GNSS衛星星歷、衛星鐘差和雙頻載波相位觀測值進行高精度定位的方法。該技術無須用戶自己架設地面GNSS基準站，不受作業距離的限制，機動靈活，單機作業，為開展長距離高精度的事后甚至實時動態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行檢測，構建了圖1所示的新的激光測距儀精度檢測系統。該系統主要由3個部分組成：船載動態檢測數據采集子系統、地面激光合作目標和數據處理與精度檢測子系統。其中，船載動態檢測數據采集子系統主要由船載激光測距儀、姿態測量設備和GNSS動態定位設備組成，主要完成激光測距儀動態跟蹤地面激光合作目標，記錄激光測距儀距離測量數據、GNSS原始觀測數據、姿態測量數據以及對激光測距數據進行GNSS時間同步；地面激光合作目標具有360°全向激光反射功能，且激光合作目標點具有高精度的位置信息，供數據處理系統計算測量船至激光合作目標之間的高精度距離；數據處理與精度檢測子系統主要負責對采集到的數據進行綜合處理，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

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

(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[11]中的大氣修正方法對激光測距值進行修正。根據參考文獻[11]的修正方法和實驗結果可知，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

2.1 GNSS動態精密單點定位性能分析

為驗證GNSS動態精密單點定位性能，于2020年10月開展了船載動態精密定位實驗。測試船搭載了GNSS接收機，實驗總時長約150 min，GNSS數據采樣間隔為1 s，基準站采用了Trimble Net R9接收機，架設在固定基準點。根據文獻[12]數據分析結果，Trimble公司新一代數據后處理軟件Trimble Business Center(TBC)動態基線解算精度可達厘米量級。使用TBC軟件以相對定位模式解算得到船載載流動站的運動軌跡，并以此結果作為參考真值，評估船載GNSS動態精密單點定位的性能，動態定位方法采用參考文獻[13]的數據處理方法。圖2給出了船載GNSS動態精密單點定位的位置誤差，表1給出了船載GNSS動態精密單點定位位置誤差統計情況。

圖2 船載GNSS事后動態精密單點定位位置誤差

表1 船載GNSS事后動態精密單點定位位置誤差統計 單位:m

從圖2可知，GNSS動態精密單點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定位模型同雙差模型間的差異，雙差模型中衛星軌道誤差、衛星鐘差、對流層延遲等誤差可通過雙差消除，而精密單點定位誤差無法組差消除上述誤差，因此動態精密單點定位的部分模型需進一步優化。從表1的統計結果可知，GNSS動態精密單點定位精度為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據進行處理分析。此次校飛中，測試船和校飛飛機均搭載了高精度GNSS接收機，實驗總時長約20 min，GNSS數據采樣頻率為5 Hz。因無更高精度位置數據作為動態參考基準，使用兩種高精度GNSS數據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數據后處理軟件GrafNav進行動對動基線解算，并與Gamit Track軟件處理結果[14]進行對比，結果如圖3所示，位置誤差統計情況如表2所示。

表2 船載GNSS與機載GNSS事后動對動相對定位位置誤差統計(傳統校飛方法) 單位：m

圖3 船載GNSS與機載GNSS事后動對動相對定位位置誤差(傳統校飛方法)

對比表1和表2數據處理結果發現，采用本文提出的方法也可獲得與傳統校飛方法相當的效果，且不需要特殊的海域、空域和氣象保障，無須改裝飛機。

2.2 新激光測距儀檢測方法有效性檢驗

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準。其計算公式為

(2)

(3)

式中:N為觀測值總數；Ri,GNSS為根據GNSS和陸地固定站點數據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測值進行了檢測。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果

從圖4中可以看到，激光測距結果與GNSS動態精密單點定位結果相差在厘米至分米量級。總體上，兩者差值的RMS在0.5 m以內。以上結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 結束語

針對激光測距室內檢測方法需建立激光測距標定環境或者拆裝后到指定機構進行測距儀的標定以及校飛方法組織協調困難等問題，提出了一種新的船載激光測距儀動態測距精度檢測方法。該方法在船舶出航時，實時跟蹤陸地固定的激光合作目標，同時利用船載GNSS設備，采用GNSS動態精密單點定位的方法檢測激光測距儀測距精度，實現了激光測距儀的動態精度檢測，有效克服了傳統檢測方法需拆裝、組織困難等問題。最后，利用船載實測數據對該方法的有效性進行驗證，結果表明：即使考慮各種誤差的綜合影響，GNSS動態精密單點定位精度可達到11 cm。下一步將對GNSS動態精密單點定位天向的定位精度進行進一步優化，從而提高激光測距儀動態精度檢測的可靠性。