車載移動測量系統方位角對比與分析

錢瑾斐，姚連璧,2

(1. 同濟大學測繪與地理信息學院，上海 200092； 2. 同濟大學現代工程測量國家測繪地理信息局重點實驗室，上海 200092)

車載移動測量系統方位角對比與分析

錢瑾斐1，姚連璧1,2

(1. 同濟大學測繪與地理信息學院，上海 200092； 2. 同濟大學現代工程測量國家測繪地理信息局重點實驗室，上海 200092)

方位計算對移動測量計算具有重要的意義，本文通過移動測量系統的實測數據，分別在靜態環境與動態環境下比較車載移動測量系統的慣性測量單元(IMU)、雙天線及軌跡擬合方位角。結果表明：在靜態環境下，雙天線方位角精度高于IMU方位角的精度；在動態環境下，IMU方位角與擬合方位角在直線段處的表現較好，而在轉彎處，雙天線方位角的絕對精度更高。

移動測量系統；方位角；慣性測量單元；雙天線GNSS；軌跡擬合

車載移動測量系統是一種信息采集與處理系統[1]，通過所集成的多傳感器平臺，能夠快速準確地收集數據，有著廣泛的應用領域[2-3]。

在移動測量系統中，方位角作為一種十分重要的數據，直接參與系統中位置與姿態的計算。同濟大學集成衛星接收機、慣性導航單元、激光斷面儀、全景相機等搭建了移動測量系統，實現了數據采集、處理與應用，取得了一定的成果[4-5]。在該系統中，主要的姿態測量傳感器為慣性測量單元，該慣性測量單元由3個單軸50型環形激光陀螺儀、3個高精度石英撓性加速度計、減振器及安裝機械構件組成，是一款高性能的慣性測量設備，可用于導航、控制和動態測量，并通過多項補償保證測量精度，密封設計及嚴格工藝保證產品在惡劣的環境下仍能精密地測量載體的角運動和線運動參數，橫滾角和俯仰角測角精度為0.05°，運動的方位角精度為0.1°。

車載移動測量系統中所使用的GNSS傳感器為雙天線GNSS定位定姿儀。該儀器為雙頻GNSS接收機，能夠接收GPS和GLONASS兩個系統的衛星信號，通過NMEA-0183協議，能夠直接輸出方位角數據。同時為了盡可能地提高移動測量系統定位定姿的精度和可靠性，定位模式采用RTK模式，接入上海測繪院CORS系統，在整周模糊度固定即固定解的情況下，平面上定位精度能達到±0.8 cm+1×10-6D，高程點位精度達到±1.5 cm+1×10-6D，在2 m短基線的條件下，標稱定向精度為0.09°。通過全站儀精確測量兩個天線中心，本移動測量系統雙天線基線的精確長度為2.228 m。

此外，當移動測量系統只有一個GNSS接收機，無法直接獲取方位角信息時，可以通過軌跡點擬合得到道路線性[6]，進而求得方位角。樣條(函數)是一種分段多項式，各相鄰段上的多項式之間又具有某種連接性質，因此既保持了多項式的簡單性和逼近的可行性，又在各段之間保持了相對獨立的局部性質，因此樣條是一類特別有效的逼近工具[7]。三次樣條函數的一階導數連續，因此可以通過三次樣條擬合軌跡來推算方位角。

對于雙天線GNSS的方位角，顏國軍與趙文曄等研究了基于雙天線的GPS姿態測定技術，指出雙天線測向技術能夠滿足二維常規姿態的要求且具有較高的解算精度[7-8]。鄒曉亮將雙天線方位角應用到組合導航緊組合算法中，提高了組合導航的定位精度[9]。龐春雷等研究了將雙天線GPS應用于低精度IMU的初始對準中的算法，提高了IMU航向角的精度[10]。

目前為止，盡管對于雙天線方位角測向技術及IMU與雙天線方位角在組合導航中的應用方面已經有了不少的研究，但通常利用一種數據提高另一種數據的精度或通過卡爾曼濾波器等融合兩種數據計算來提高定位精度，而對于原始數據對比與分析的研究仍比較少。因此，本文基于筆者所在學院的車載移動測量系統，在靜態與動態環境下分別進行測試，對幾種方位角的精度與特性進行比較與分析。

1 測試簡介

對移動測量系統慣性測量單元與雙天線GNSS方位角的測試主要分為靜態測試與動態測試。靜態測試是將移動測量車停放在同濟大學內一個開闊、無信號干擾等GNSS觀測條件良好的空曠場地，使移動測量車保持在靜止的狀態下，同時采集GNSS方位角與IMU姿態角數據，得到靜態環境下IMU姿態角和雙天線GNSS方位角。

動態測試即實際在道路上行駛的測試。為了盡量保證GNSS信號的接受質量，動態測試選擇在上海逸仙路高架曲陽路至軍工路段，來回全長約20 km，測試分別于2014年11月14日與2015年5月19日各進行了一次，測試行駛路線如圖1所示。

2 測試結果與分析

2.1 測試結果分析

通過計算靜態測試數據，得到IMU姿態角和雙天線GNSS方位角的平均值與標準差，見表1。

圖1 動態測試行駛路線

表1 IMU及GNSS雙天線姿態角靜態測試結果 (°)

從測試結果來看，在靜態條件下，IMU的橫滾角、俯仰角的標準差分別為0.017°和0.008°，小于標稱精度，而方位角的標準差為0.108°，略大于所標稱的運動方位角的精度；雙天線GNSS方位角的標準差為0.051°，符合標稱精度，并且高于IMU方位角的精度?？梢钥闯?，IMU的姿態角和雙天線方位角的精度基本滿足標稱精度；但是在長時間靜態觀測時，由于IMU內部的陀螺儀的漂移現象導致IMU方位角的精度比雙天線的方位角差。此外，可以看到，IMU與GNSS雙天線的方位角存在著0.323°的夾角，這是因為IMU與雙天線的軸向因安裝誤差等原因沒有完全對準造成的，因此在使用兩種方位角時要考慮這個差值。

2.2 動態測試結果分析

動態測試時，在高架上，由于周邊高樓遮擋等影響，GNSS的解算狀態存在浮點、差分甚至單點解的情況。因此，為了保證雙天線GNSS方位角的精度，從上述的實測數據中再挑選出GNSS解算狀態為固定解的路段且連續的GNSS觀測數據，如圖2所示。

圖2 固定解行駛軌跡

圖2中，(a)中軌跡1總長約3842 m，測量于2014年11月14日，車輛的行駛方向為從南向北；(b)中軌跡2的總長約1517 m，測量于2014年11月14日，車的行駛方向為從北向南；(c)中軌跡3的總長約3892 m，測量于2015年5月19日，車的行駛方向為從南向北；(d)中軌跡4的總長約6109 m，測量于2015年5月19日，車的行駛方向為從北向南。由此分別獲得4段IMU方位角、雙天線GNSS方位角及樣條擬合方位角的數據，如圖3所示。

圖3 IMU與雙天線GNSS方位角數據

2.2.1 方位角在直線段的對比與分析

為了更好地分析動態測試情況下各種方法計算方位角的差異，本文以行駛路線的形狀來區分出兩種行駛情況：①直線段；②曲線段。直線段是指移動測量車的行駛軌跡為直線或接近于直線；曲線段是指移動測量車的行駛軌跡為曲線，即車輛正在轉彎。

在直線段，對比IMU方位角、雙天線方位角與擬合方位角，如圖4所示。圖中為2014年11月14日的部分數據，可以看出，在直線段運動過程中，IMU方位角與擬合方位角的時間序列的波動幅度比GNSS雙天線方位角的時間序列小，IMU方位角、雙天線方位角與擬合方位角相互之間都明顯地存在著一個夾角。

以IMU方位角為基準，分別計算圖3中4段軌跡直線段IMU方位角與雙天線GNSS方位角、IMU方位角與擬合方位角及GNSS方位角與擬合方位角的差值平均值及其標準差，見表2。

圖4 直線段方位角對比

在表2中，從三者的精度方面來看，雙天線GNSS方位角與IMU方位角的差值平均值的標準差分別為0.183 9°、0.254 8°、0.162 2°及0.139 4°，標準差的平均值為0.18°，因此，在設IMU方位角為基準參照的條件下，雙天線方位角的標準差最大達到了0.254 8°,達到了標稱精度的2倍多，說明雙天線輸出方位角在實際行駛過程時精度較差，相比較而言，擬合方位角的精度表現比較好，標準差為0.1°左右。

從三者相互夾角來看，與靜態測試中的相同，因為安裝誤差的關系，IMU方位角與雙天線方位角之間存在著一個約0.3°～0.4°的夾角。此外，表2中，對于直線段，坐標樣條擬合得到的方位角也同樣與IMU方位角和雙天線GNSS方位角存在著夾角，分別約為0.7°與0.35°，可以認為直線段軌跡擬合得到的方位角等于車輛行進的方位角方向，則當前移動測量車IMU與雙天線的軸線相較車體坐標系的行進方向偏右，其偏差可以通過上述擬合方位角的結果進行標定，進而提高航位推算結果的精度。

表2 直線段IMU方位角、雙天線GNSS方位角與擬合方位角差值的平均值及其標準差 (°)

2.2.2 方位角在轉彎處的對比與分析

在轉彎處，IMU方位角與GNSS雙天線方位角的差異，如圖5所示。

圖5 轉彎處不同方位角的差異

在圖5中，左側為3種方位角的互差，分別是IMU方位角減雙天線方位角、IMU方位角減擬合方位角、雙天線方位角減擬合方位角；右圖為左圖數據相應的平面軌跡，(a)與(c)中，車輛向北行駛，(b)與(d)中，車輛向南行駛?？梢钥闯?，除了由安裝誤差導致的偏角外，在轉彎處，IMU與GNSS方位角兩者差值的時間序列在數值上都產生了增大的現象，大小從1°～2.5°不等，對于轉彎處雙天線與擬合方位角差值的時間序列，則存在著兩者差值減小的現象。由于雙天線方位角是由兩個天線空間位置定位得到的，相比IMU不存在漂移等現象，絕對精度更高，因此在轉彎處雙天線方位角的方向更能反映出車體方向。

而對于軌跡擬合方位角，在直線處，如圖4所示，除安裝誤差外，在數值上與IMU和雙天線方位角差別不大，但在轉彎處，如圖5所示，車輛運動軌跡的切線即擬合方位角與車身的軸線方向實際上是不相同的。當轉彎半徑比較大時，對擬合方位角與雙天線的差值在0.5°左右。當轉彎半徑比較小時，如圖6所示，此時軌跡的切線與車身的軸線方向相差較大，則軌跡擬合的方位角無法真實地反映出移動測量系統的當前方向。

圖6 大拐彎處雙天線GNSS方向與軌跡切線對比

3 結束語

本文分別在靜態環境與動態環境下對IMU和GNSS方位角數據的差異進行了比較與分析。相比其他已有研究成果，本文著重對兩者原始未經處理的數據進行比較與分析，得出了以下結論：①由于存在安裝誤差，各方位角的軸線方向往往存在小的夾角，因此對方位角進行標定是不可或缺的；②在靜止狀態下，由于陀螺儀漂移等的影響，長時間下IMU方位角的精度比雙天線方位角的精度要差；③在移動測量系統直線行駛或接近直線行駛的狀態下，除安裝誤差外，3種方位角中準確度方面差別不大，IMU方位角與軌跡擬合方位角的精度較高；④在移動測量系統轉彎時，宜采用雙天線的方位角結果為準，在轉彎半徑比較大且只有單天線軌跡數據時，可

采用擬合方位角替代，在其余情況下，則使用IMU方位角作為移動測量系統的方位角參考。對于本文中的移動測量系統在轉彎處IMU與雙天線方位角的數值相差較大具體原因，以及這種現象對該移動測量系統的影響，則需要作進一步深入的研究與分析。

[1] 李德仁.移動測量技術及其應用[J].地理空間信息, 2006, 4(4):1-4.

[2] 張智勇.全景移動測量系統及其應用前景展望[J].測繪通報, 2014(3):79-81.

[3] 侯亞娟, 葛中華.車載移動測量系統在大比例尺地形圖質檢工作中的應用研究[J].測繪通報, 2015(11):60-63.

[4] 周冰.移動測量系統的實現及數據采集[D].上海:同濟大學, 2013.

[5] 徐恒立.移動測量系統的定位與定姿[D].上海:同濟大學, 2015.

[6] 張玲.基于三次樣條曲線擬合公路平面線形方法研究[D].武漢:武漢理工大學, 2007.

[7] 顏國軍.基于雙天線的GPS姿態測定研究與實現[D].南京:南京航空航天大學, 2005.

[8] 趙文曄.基于雙天線的GPS測姿系統研究[D].蘇州:蘇州大學, 2009.

[9] 鄒曉亮.車載測量系統數據處理若干關鍵技術研究[D].鄭州:信息工程大學, 2011.

[10] 龐春雷, 趙修斌, 余永林,等.低精度初始對準雙天線測向互輔算法[J].西安電子科技大學學報(自然科學版), 2014, 41(6):167-173.

Comparison and Analysis of Azimuth of Mobile Mapping System

QIAN Jinfei1，YAO Lianbi1,2

(1. College of Surveying and Geo-informatics, Tongji University, Shanghai 200092, China; 2. Key Laboratory of Modern Engineering Surveying, NASMG, Shanghai 200092, China)

Orientation is of great importance for mobile mapping survey. The azimuths of inertial measure unit(IMU), dual antenna GNSS and trajectory fitting in static and dynamic environment are analyzed by measured data from a mobile mapping system. The result shows that azimuth of dual antenna GNSS is more precise than azimuth of IMU in static environment. While azimuths of IMU and trajectory fitting have better performance in dynamic environment, azimuth of dual antenna GNSS has higher absolute precision in the curve sections.

mobile mapping system; azimuth; inertial measure unit; dual antenna GNSS; trajectory fitting

錢瑾斐，姚連璧.車載移動測量系統方位角對比與分析[J].測繪通報，2017(2)：49-53.

10.13474/j.cnki.11-2246.2017.0047.

2016-03-11

國家863計劃(2013AA12A206);上海市自然科學基金(15ZR1443700)；“十三五”國家重點研發計劃(2016YFB1200602-02)

錢瑾斐(1990—)，男，碩士生，研究方向為移動測量系統多傳感器集成與組合導航。E-mail：lqianjf@#edu.cn

P237

A

0494-0911(2017)02-0049-05