全站仪/INS组合确定FAST馈源舱位姿

张志峰，陈楚湘，詹婉婵，詹银虎

(1.信息工程大学 理学院，郑州 450001；2.75711部队，广州 510515；3.信息工程大学 导航与空天目标工程学院，郑州 450001)

全站仪/INS组合确定FAST馈源舱位姿

张志峰1，陈楚湘1，詹婉婵2，詹银虎3

(1.信息工程大学 理学院，郑州 450001；2.75711部队，广州 510515；3.信息工程大学 导航与空天目标工程学院，郑州 450001)

针对目前FAST馈源舱精调机构的测量主要依赖全站仪测量系统，存在测量频率较低、无法满足实时动态要求的问题，提出一种全站仪/INS组合位姿确定方法：采用全站仪位姿测量结果修正INS的累积漂移误差，实现测量结果的实时动态更新。仿真计算结果表明，组合定位方法能够满足FAST总体运行对馈源舱位姿精度的要求。

FAST；馈源舱；全站仪；惯性导航系统；组合定位

0 引言

中国最大的500 m口径球面射电望远镜(five hundred meter aperture spherical radio telescope，FSAT)正在贵州省筹建，也是世界上最大的单口径射电望远镜[1]。馈源舱是FAST工程的核心部件之一，在天文观测运行中，馈源舱由6根钢索概略拖动至反射面焦点，再通过精调机构微调，实现馈源高精度的定位和指向跟踪[2]。馈源测量系统的任务分为2部分：一是在500 m跨度的钢索结构上，通过一次索驱动测量实现馈源舱的概略定位，精度仅要求为cm级，目前倾向于通过基于全球定位系统(global positioning system，GPS)的实时动态差分法(real-time kinematic，RTK)实现[3-4]；二是对馈源舱精调机构的实时动态定位精度达到4 mm，定姿精度达到1°，位姿输出频率10 Hz，并将测量结果实时反馈给控制系统，实现闭环控制[5]。由于摄影测量易受外界环境干扰且动态识别实时处理困难，激光跟踪仪测程有限，而GPS动态测量精度无法达到要求；目前提出的精调机构位姿测量方案中，主要考虑全站仪测量系统[6-8]。但全站仪测量频率无法达到10 Hz的要求。

本文提出将全站仪/INS组合定位方法应用于馈源舱精调机构的测量，旨在满足测量精度的同时，提高系统的位姿输出频率。

1 系统组成及测量方案

精调机构位姿测量系统由全站仪和惯性测量单元(inertial measurement unit，IMU)组成。其中全站仪共9台，分布JD-13、JD-14、JD-15、JD-17、JD-18、JD-19、JD-21、JD-22和JD-23共9个基墩，如图1所示，用于获得采样率为5 Hz、均方根(root mean square，RMS)为5 mm的测量点位坐标。IMU用于获得10 Hz的精调机构位姿变化测量结果，并通过与全站仪测量数据的融合处理获得采样率为10 Hz、精度为5 mm的精调机构位姿信息。测量基准网的绝对定向拟采用天文大地测量的方法得到，精度最高可达0.3"[9-10]。

精调机构的全站仪测量系统由位于反射面内测量基准点上的全站仪、位于精调机构下平台边缘的目标棱镜、测量控制及数据处理系统、供电通讯线路等组成(如图2所示)。

在测量实施时，由测量控制系统控制全站仪照准对应的目标棱镜进行测量，获得动态测量数据，并由数据传输线传给数据处理系统，通过全站仪动态测量数据处理软件实时处理获得棱镜的点位坐标。用于精调机构位姿测量的IMU设备由2台惯性测量单元构成，安置于精调机构的下平台上。在测量实施时，由测量控制系统控制2台IMU同时工作，实时获得精调机构下平台的动态测量数据，并由数据传输线传给数据处理系统。

测量系统工作流程：

1)由测量控制系统向全站仪发送各种工作指令；

2)全站仪按照动态测量模式运行，一台全站仪跟踪一个事先确定的棱镜，进行距离和角度测量，连续获得棱镜中心的距离和水平角、垂直角观测量，并发送给数据处理系统；

3)数据处理系统对每台全站仪的测量数据进行实时处理，获得每个棱镜的瞬时位置，进而由9个棱镜的位置计算出精调机构的瞬时位置、姿态和对应的时间等信息，并发送给全站仪测量控制系统；

4)全站仪测量控制系统将数据处理结果发送给测量总控系统。

2 全站仪定位精度分析

拟采用9台徕卡公司生产的TS30全站仪，采用极坐标法仿真测量精调机构下平台9个棱镜。前期测量实验结果显示，低动态条件下TS30在500 m尺度上的测角精度约为4"(1σ)，测距精度约为2 mm+1×10-6D。 故将仿真观测条件设为

(1)

式中：mα、mβ为全站仪测角中误差；md+为测距固定误差；md×为测距比例误差。馈源舱精调机构的物理半径按2 m计算，9个棱镜均匀分布在圆周上。FAST在对天体进行跟踪观测时，需要在反射面内形成300 m口径的瞬时抛物面，馈源的中心需要调整到抛物面的焦点上，以此可以计算馈源在水平方向上的移动范围约为±100 m，如图3所示。

经过统计，图4给出了全站仪仿真测量位置和姿态的精度(RMS)，X、Y轴表示馈源在水平方向偏离中心的距离，灰度表示馈源在相应位置的定位和定姿精度。

由图4可知，9个测站的定位精度优于2.5 mm，定姿精度优于360″，均达到精调机构对位姿测量的要求。图5进一步给出了3个坐标分量的精度。

由图5可知，测量系统在水平方向的平均定位精度大约为1.3 mm，垂直方向的平均定位精度大约为1.5 mm。垂直方向的定位精度略低，这与测站的分布及馈源的空间定位结构有关。

为了检验测量系统的可靠性，下面采用6个测站跟踪观测6个棱镜，仿真观测条件不变，结果如图6所示。

由图可知，6个测站的定位精度优于3 mm，定姿精度优于430″，均达到精调机构对位姿测量的要求，说明测量系统在保证测量精度的同时，至少有3个测站可作为备份，系统具有较强的冗余性。

3 IMU测量系统

为分析IMU系统的位置测量精度，利用德国SAS-EI-SN型IMU在静止状态下进行实验，该设备的零偏为0.75(°)/h，随机游走为0.1(°)/h；采样率为200 Hz。获得的2 s连续400个采样的系统纬度、经度和高度测量结果相对于均值的差如图7所示。

实验结果表明，IMU的位置测量误差主要表现为测量结果存在系统性的漂移，从图7中可以看出，2 s的测量数据，经、纬度测量结果的漂移达到2～3 mm，高度结果的漂移达到23 mm。

图8为滤掉1 s测量结果的线性项和二次项漂移后的残差图。

从图中可以看出，滤掉线性项和二次项漂移后，经、纬度和高度测量值的残差变化离散度都小于0.03 mm。

图9为在静止状态下进行实验获得的2 s连续400个采样的系统姿态测量结果相对于均值的变化，包括俯仰、横滚和航向3个分量。从图中可以看出，俯仰和横滚方向的漂移在10″以内，而航向角的漂移达到80″。

图10是滤掉1 s姿态测量结果的线性项和二次项漂移后的残差图。

从图中可以看出，滤掉线性项和二次项漂移后，俯仰、横滚和航向3个分量的残差变化离散度都小于3″。

4 测量数据融合处理

单台TS30全站仪动态测量频率一般为5 Hz，考虑到全站仪测量系统需要时间同步；因此系统的测量频率也为5 Hz。对于精调机构点位精度(RMS)5 mm、姿态精度1°、测量频率10 Hz的指标要求，需融合全站仪系统和IMU系统的测量数据才能实现。全站仪测量系统定位精度优于3 mm、定姿精度优于430"的测量结果可用于修正IMU随时间漂移产生的定位和定姿累积误差。在全站仪测量系统连续2次输出测量结果的中间时刻，利用IMU数据推估馈源舱精调机构的位置和姿态。

下面利用实测IMU数据和仿真的全站仪数据对数据融合处理结果的精度进行分析。其中，全站仪采样率取5 Hz，纬度、经度和高度3个坐标分量的测量精度都取1.5 mm。应用数据融合处理方案可获得精调机构下平台10 Hz位置测量结果的残差分布，如图11所示。

分析图中结果可得，纬度、经度和高度3个坐标分量的标准差分别为1.6、1.7、1.7 mm，下平台位置精度为2.9 mm。将位置精度按照2 m尺度换算为姿态精度，则优于0.1°。位置和姿态精度均满足FAST总体运行要求。

5 结束语

本文提出将全站仪/INS组合应用于FAST馈源舱精调机构的位姿测量，仿真计算结果表明，二者组合后的定位精度为2.9 mm，定姿精度优于0.1°，位姿输出频率为10 Hz，完全满足FAST总体运行对馈源舱位姿精度的要求。研究结果可以为FAST馈源舱测量系统的优化提供参考。

[1] NAN R D.Five hundred meter aperture spherical radio telescope (FAST)[J].Science in China Series G：Physics Mechanics and Astronomy，2006，49(2)：129-148.

[2] 朱丽春.500米口径球面射电望远镜(FAST)测量与控制研究[D].北京：中国科学院国家天文台，2006：1-10.

[3] 王文利，段宝岩.载波相位差分技术在馈源舱动态定位中的应用[J].测绘学报，2000，29(1)：89-92.

[4] 詹银虎，郑勇，张超，等.GNSS-RTK技术在FAST馈源舱测量中的可行性研究[J].测绘通报，2013(10)：29-33.

[5] 詹银虎，郑勇，张超，等.FAST馈源舱精调机构位姿测量系统性能分析[J].测绘通报，2015(2)：23-28.

[6] 骆亚波.测量机器人在FAST馈源动态跟踪测量中的应用[D].郑州：信息工程大学，2003：23-30.

[7] 骆亚波，郑勇，夏治国，等.测量机器人动态测量技术及应用研究[J].测绘通报，2006(9)：14-18.

[8] 骆亚波，纪文亮，何峰.大射电望远镜馈源系统精调平台位置基准标定[J].测绘科学技术学报，2007，24(6)：402-405.

[9] 詹银虎，郑勇，张超，等．一种亮星识别算法及其在天文定向中的应用[J].测绘学报，2015，44(3)：257-263.

[10]詹银虎，郑勇，张超，等．超大视场太阳敏感器图像质心提取算法[J].测绘学报，2015，44(10)：1078-1084.

Total stations/INS integrated method for measurement of FAST feed cabin

ZHANGZhifeng1，CHENChuxiang1，ZHANWanchan2，ZHANYinhu3

(1.College of Science，Information Engineering University，Zhengzhou 450001，China；2.Troops75711，Guangzhou 510515，China；3.College of Navigation and Aerospace Engineering，Information Engineering University，Zhengzhou 450001，China)

Aiming at the problem that the measurement of FAST feed cabin mainly uses total stations with low surveying frequency，which can not satisfy the needs of real-time conduction，the paper proposed an integrated measure method of total stations and INS：the positioning and attitude determination results of total station was used to correct the accumulative drift error of INS，in order to realize the real-time update of the surveying.Simulative calculations indicated that the integrated method could meet the accuracy requirement of the position and attitude determination of FAST feed cabin.

FAST；feed cabin；total station；INS；integrated positioning

2016-10-28

张志峰(1989—)，男，河南焦作人，硕士，助教，研究方向为工程测量、运筹学。

张志峰，陈楚湘，詹婉婵，等.全站仪/INS组合确定FAST馈源舱位姿[J].导航定位学报，2017，5(3)：105-110.(ZHANG Zhifeng，CHEN Chuxiang，ZHAN Wanchan，et al.Total stations/INS integrated method for the measurement of FAST’s feed cabin[J].Journal of Navigation and Positioning，2017，5(3)：105-110.)

10.16547/j.cnki.10-1096.20170321.

P228

A

2095-4999(2016)03-0105-05