利用徕卡GS18仪器进行高精度RTK定位试验与分析

伍吉仓，李玉婷

(同济大学测绘与地理信息学院，上海 200092)

在RTK测量中，GNSS接收机测量的并不是地面目标点的位置，而是天线相位中心的位置[1]。因此在传统的RTK测量中为了保证测量结果的精度，在对中杆上会设置一个水准气泡。在测量之前，必须使水准气泡居中来保持对中杆的中心和目标中心重合，考虑PCO(相位中心偏差)和对中杆的长度就能够使相位中心位置归算到对中杆末端的目标中心位置。然而使气泡居中需要花费一定时间，而且受人为因素的影响较大，在房角一般的隐蔽区域更是难以实现，给高精度RTK测量带来了效率和精度上的限制。

随着GNSS、INS和微传感器融合导航系统的快速发展，出现了带有倾斜补偿的RTK接收机[2]。带有倾斜补偿技术的RTK测量能够应用在环境更加恶劣的测量区域，比传统测量灵活且效率更高。然而传统带有倾斜补偿的RTK技术使用电子罗盘的磁北方向来定位对中杆倾斜的方向，这种基于磁力计的方法受磁场的影响较大并通常需要现场校准。为了弥补这些缺点，徕卡GS18倾斜机使用基于工业级别微电子机械传感器(MEMS)的IMU测量对中杆的倾斜。MEMS惯性测量单元由加速度计、陀螺仪和惯性传感器3部分组成，用来测定角度加速度，进而推算相对于初始位置的姿态等信息[3]。徕卡GS18倾斜机具有抗电磁干扰、不需要现场校准的优点，同时它具有GNSS信号追踪功能，只要能够观测到足够多的卫星，倾斜的角度可以不受限制。

本文共设计了3个试验来检验徕卡GS18仪器在不同倾斜角度和不同环境下的定位精度。最终得到的定位结果为：在不同倾斜角度情况下，3D均方根误差(X、Y、H方向上)均小于4 cm，2D均方根误差(平面方向上)约为2 cm，满足常规RTK测量定位精度要求。GS18倾斜机在房角、屋檐等存在遮挡物下的平面测量精度满足常规RTK定位测量要求，增加了RTK测量的实用性，节省了测量的时间，提高了测量效率。

1 试验和结果

1.1 试验1

本次试验主要检验在观测环境良好的条件下，对中杆在不同倾斜角度情况下的定位结果相对于对中杆直立情况下定位结果的差别。试验场地为较开阔的篮球场(如图1(a)所示)。首先在测量点上以垂直状态，保持对中杆水准气泡居中，测量10 min(10次1 min的持续观测)，再在该点上分别做两组倾斜泡居中，角为10°～20°、20°～40°的观测，每组观测都倾斜了4个方向，方向之间约90°，不同倾角平面位置相对于垂直位置的散点如图1(b)所示。每一组测量持续的时间、采样个数和三维坐标(平面X、Y和高度H)平均值见表1。

图1 开阔地带试验情况

由图1(b)可以看出，倾斜10°～40°时数据都比较集中，X方向上最大值与最小值偏差小于Y方向上的偏差。其中倾斜10°～20°的观测值基本以垂直测量的观测值为中心分布，而倾斜20°～40°的观测值中心略有偏移。以垂直测量的坐标平均值为标准值，每组试验的三维坐标的偏差见图2所示。

表1 不同倾角试验相对于垂直位置的平均值之差

图2 各组观测的平均值与垂直观测平均值之差

从表1和图2中可以看到，随着持续观测的时间增加，定位精度没有明显改善。在图2中以垂直观测的平均值为基准，可以看到在倾斜小于40°时，3个方向的坐标偏差均小于3 cm。其中，X方向偏差最大为1.3 cm，Y方向偏差最大为1.4 cm，H方向偏差最大为2.1 cm。

表2列出了每组重复观测数据子样均方差，其中3D、2D和1D分别表示三维空间点位、二维平面点位和一维高度定位分量，对应观测结果在不同倾斜角度和观测时长情况下的内符合精度。从中可以看到倾斜角度与观测时长对内符合精度影响不大。

表2 不同倾斜情况下的定位结果的子样均方差

假设垂直10 min观测的平均值为真值，根据每组重复观测数据计算得到的定位位置中误差见表3，结果表明定位位置中误差与倾斜关系不大。在倾斜10°～40°观测的2D中误差仍然在3 cm以内。

表3 不同观测条件下的定位位置中误差(假设垂直10 min观测的平均值为真值)

不同倾角观测时长/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 试验2

试验2检验不同观测环境下的定位精度。分别选择在飞机下、汽车下、树下和屋檐下进行倾斜测量试验，每一组连续观测1 min(约60个观测结果)，如图3所示。

图3 不同环境下的观测试验

表4列出了4种不同环境下重复观测的子样均方差，结果表明平面(2D)的均方差都在3 cm以内，高程方向上(1D)，在屋檐下遮挡物比较高大的情况下，均方差达到7.8 cm，其余3种情况高度均方差小于5 cm。

表4 不同场景下观测值均方差 m

1.3 试验3

为了检验徕卡GS18倾斜机的测图精度，笔者在校园内观测一座房屋的4个角点(传统观测和倾斜观测都能够接收到信号)来检验相对定位精度，试验场景如图4所示。每个测量点观测10 s,历元间隔为1 s。

图4 在房角分别进行传统观测和倾斜观测

表5列出了两种观测得到的4个房角坐标。从表5可以看出两种方法得到的结果在X、Y方向上的偏差比H方向上的偏差要小。根据表5中的点位坐标可以计算房屋的边长。此外，笔者还用皮尺丈量了房屋的长度和宽度，见表6。从表6中可以看出，倾斜观测解算的结果更加接近于皮尺测得的结果，相差最大在边长4-1的结果上，倾斜测得的结果与皮尺测得的结果相差4.9 cm。

2 结 语

本文使用徕卡智能天线徕卡GS18倾斜机进行了大角度倾斜和遮挡环境下的RTK定位试验。结果表明徕卡GS18倾斜机能较好实现倾斜补偿，在有信号遮挡等困难场景下仍能获得厘米级定位精度。在观测条件比较困难的区域使用徕卡GS18倾斜机能够提高作业效率和改善定位性能。

表5 根据观测值求出来的平均值 m

表6 房屋的四边长度 m