【摘要】在測繪領(lǐng)域里，使用RTK設(shè)備進(jìn)行高精度測量時(shí)，需要確保儀器的整平和對中。即保持儀器的水平和使儀器的中心與測量點(diǎn)在同一鉛垂線上。目前較多地使用水平氣泡協(xié)助進(jìn)行整平對中，而本論文討論一種整合重力傳感器用以輔助RTK測量的方法——電子氣泡，儀器的傾斜角作為軟件算法的參數(shù)之一，將提供傳統(tǒng)氣泡無法提供的新的特性。

【關(guān)鍵詞】電子氣泡;GPS接收機(jī);RTK測量;整平

1.引言

使用實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分法（RTK：Real-time kinematic）進(jìn)行GPS測量，可以使用戶在野外實(shí)時(shí)獲得厘米級定位精度的測量結(jié)果，在這樣高精度的測量應(yīng)用里，如果儀器沒有很好的整平對中，將使測量結(jié)果出現(xiàn)較大的偏移。然而，即使在這樣對精度要求苛刻的場景里，儀器的架設(shè)，依然依靠的是傳統(tǒng)的水平氣泡，需要用戶自行閱讀傾斜角度，并評估誤差范圍。

利用重力傳感器進(jìn)行角度測量的方法由來已久，將它和其他傳感器一起整合到RTK設(shè)備中，提供更加智能和人性化的使用體驗(yàn)已經(jīng)成為各大設(shè)備商新的一個(gè)著力點(diǎn)。

2.電子氣泡設(shè)計(jì)

2.1 方案設(shè)計(jì)

一套最小的RTK測量設(shè)備包括RTK主機(jī)，控制手簿，支架。一般支架上都帶有水平氣泡做測量輔助?，F(xiàn)在我們可以在RTK主機(jī)中集成重力傳感器，采集數(shù)據(jù)處理后發(fā)送到控制手簿，顯示與測量相關(guān)的關(guān)鍵變量，如傾斜方向，傾斜角和誤差等。

圖1 集成方案

從主機(jī)獲取到傾斜角度后，可以通過簡單的計(jì)算，提示用戶保持當(dāng)前姿態(tài)進(jìn)行測量，數(shù)據(jù)會(huì)產(chǎn)生多大的誤差，以適應(yīng)不用的測量精度要求。根據(jù)圖示，可計(jì)算誤差：

圖2 誤差提示

2.2 數(shù)據(jù)處理

重力傳感器的數(shù)據(jù)處理相對簡單，讀取原始數(shù)據(jù)后，對數(shù)據(jù)進(jìn)行簡單地濾波處理，濾除噪聲。然后將數(shù)據(jù)從傳感器自身的坐標(biāo)系轉(zhuǎn)移到水平坐標(biāo)系，這是因?yàn)橛捎诤附雍脱b配的關(guān)系，傳感器的姿態(tài)不能夠保證是水平的。轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)，可以用于角度計(jì)算，然后傳給控制手簿。

圖3 處理流程

2.2.1 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

圖4 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

假設(shè)坐標(biāo)系x'y'z'表示重力傳感器芯片的真實(shí)姿態(tài)（裝配在RTK主機(jī)中），xyz是目標(biāo)坐標(biāo)系（水平坐標(biāo)系）。正常情況下，傳感器獲得的數(shù)據(jù)都是基于坐標(biāo)系x'y'z'的，現(xiàn)在要將它們轉(zhuǎn)換到xyz坐標(biāo)系。設(shè)向量[x'，y'，z']為參考向量，[x，y，z]為修正后的向量。分解一下，可知，向量[x’，y’，z’]先繞y軸傾斜θx，再繞x軸傾斜θy，可以轉(zhuǎn)換到xyz坐標(biāo)系。于是有下列公式：

代入實(shí)際傳感器數(shù)據(jù)后，可以計(jì)算出當(dāng)前的姿態(tài)與目標(biāo)坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系和參數(shù)。利用這些參數(shù)，可以換算出可用于計(jì)算角度的有效數(shù)據(jù)。

2.2.2 角度計(jì)算

2.2.2.1 單軸傾斜測量

圖5 單軸傾斜測量

重力傳感器的一個(gè)軸測量的是重力g在該軸上的分量，在獲取了該軸的數(shù)據(jù)x之后，可以依此算出該軸與水平面的夾角。

2.2.2.2 "三軸傾斜測量

單軸的傳感器只能測量一個(gè)方向的傾角，要測量平面的傾角，至少需要兩軸的重力傳感器。下面以三軸重力傳感器為例。

設(shè)θtilt為平面傾斜角，則有：

只要測量得到x，y軸與水平的夾角，就可以換算出θtilt3平面傾斜。該公式同樣適用于兩軸的重力傳感器。實(shí)際上，對于三軸傳感器，θtilt=θz，直接利用單軸的計(jì)算公式，便能輕松獲得平面傾斜。三軸傳感器的優(yōu)勢在于利用z軸的極性，能夠測量出平面是否上下翻轉(zhuǎn)。

圖6 三軸傾斜測量

3.與物理氣泡對比

3.1 多級靈敏度選擇

依托于軟件，采用重力傳感器做成的電子氣泡可以設(shè)置多級的靈敏度，用戶根據(jù)測量場合的不同，可以有多種選擇。

3.2 直觀的誤差顯示

當(dāng)手簿軟件獲取到傾斜數(shù)據(jù)后，可以在后臺立刻換算出當(dāng)前姿態(tài)導(dǎo)致的誤差大小，給予用戶最直觀的數(shù)據(jù)輔助調(diào)節(jié)儀器姿態(tài)。

3.3 智能采集

用戶可以設(shè)置當(dāng)誤差降低到某個(gè)范圍的時(shí)候，自動(dòng)開始采集數(shù)據(jù)，減少人工干預(yù)，提高工作效率。

4.方案優(yōu)化——電子羅盤

如果單一使用重力傳感器進(jìn)行傾斜測量，用戶在調(diào)節(jié)儀器的時(shí)候，必須要面向儀器正面，才能比較好地把握儀器傾斜的方向。為了解決這個(gè)問題，可以為儀器再集成一片三軸磁力計(jì)芯片，與重力傳感器的數(shù)據(jù)融合后，做成電子羅盤，同時(shí)提供傾斜和儀器的航向角信息。

這樣做的好處是：（1）提供儀器具體傾斜的方向;（2）利用傾角和航向角信息，忽略傾斜誤差，數(shù)據(jù)可以自動(dòng)修正。

5.總結(jié)

現(xiàn)有的RTK在工作的時(shí)候，使用傳統(tǒng)的物理氣泡進(jìn)行整平。當(dāng)一端傾斜的時(shí)候，氣泡向升高的方向移動(dòng)，氣泡表面的玻璃上印有刻度，用戶通過讀取氣泡上偏移多少刻度得知當(dāng)前的傾斜程度。而電子氣泡的傳感器是基于MEMS（微機(jī)電系統(tǒng)）制作的，通過測量兩兩垂直的三個(gè)方向上的重力的分量，再將測量值以數(shù)字的方式回傳給應(yīng)用程序，用戶得以通過屏幕直觀地獲取當(dāng)前傾斜的精確角度，減少主觀錯(cuò)誤的幾率。與物理氣泡相比，應(yīng)用程序在電子氣泡的反饋下，實(shí)現(xiàn)了RTK設(shè)備與水平氣泡之間的聯(lián)動(dòng)，得以更多地參與到測量作業(yè)中來，提供更加靈活的輔助功能。

參考文獻(xiàn)

[1]郭敏，尹光洪，田曦，唐修俊.基于三軸加速度計(jì)的傾斜角傳感器的研究與設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2010，8（319）： 177.

[2]Christopher J.Fisher.Using an Accelerometer for Inclination Sensing[M/OL].