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        一種新的船載激光測距儀動(dòng)態(tài)精度檢測方法

        2023-01-04 11:25:06田英國顧新鋒許國偉
        測控技術(shù) 2022年12期
        關(guān)鍵詞:激光測距儀單點(diǎn)高精度

        田英國, 張 輝, 顧新鋒, 許國偉

        (1.中國衛(wèi)星海上測控部,江蘇 江陰 214431; 2.國防大學(xué)聯(lián)合作戰(zhàn)學(xué)院,河北 石家莊 050001)

        激光測距儀因具有指向性好、測量距離遠(yuǎn)、精度高、對光源相干性要求較低、可實(shí)時(shí)測量觀測者相對于目標(biāo)的距離等優(yōu)點(diǎn),在測量船實(shí)際應(yīng)用中發(fā)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(shí)間寬度、光波傳播速度的測量精度、大氣折射率、時(shí)鐘頻率的誤差、計(jì)時(shí)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(dòng)態(tài)或震動(dòng)的特殊環(huán)境下,激光發(fā)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(wěn)定性等容易受到影響,進(jìn)而影響其測量精度。根據(jù)我國的JJF 1324—2011《脈沖激光測距儀校準(zhǔn)規(guī)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(jī)構(gòu)根據(jù)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(biāo)定激光測距儀方法進(jìn)行了研究,建立了激光器與光纖耦合模型,并實(shí)現(xiàn)了200 m以內(nèi)的激光測距儀標(biāo)定。蔡青梅等[5]通過光路折疊方法實(shí)現(xiàn)了2倍光程倍增,建立100 m室內(nèi)基線場,有效解決了室內(nèi)基線檢測效率低、可重復(fù)性差等技術(shù)問題。劉紅光等[6]在50 m高精度導(dǎo)軌上利用3個(gè)平面反射鏡進(jìn)行光路折疊,實(shí)現(xiàn)了4倍光程倍增,搭建了室內(nèi)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(shí)驗(yàn),檢測精度可達(dá)毫米量級(jí)。董洪舟等[7]采用光電延時(shí)法設(shè)計(jì)的距離模擬器實(shí)現(xiàn)了50 m~990 km的大量程距離模擬,經(jīng)測試全量程內(nèi)距離模擬誤差小于1 m。

        上述方法均屬于室內(nèi)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(biāo)定環(huán)境或者拆裝后到指定機(jī)構(gòu)進(jìn)行激光測距儀精度檢測,且室內(nèi)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(biāo)的飛機(jī),按規(guī)劃航行路線飛行,被檢測的激光測距儀和作為比較標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備同時(shí)跟蹤飛機(jī),通過飛行試驗(yàn)評(píng)估激光測距系統(tǒng)的精度。但在實(shí)際使用過程中,該方法采用全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(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(jī)改裝要求高,組織實(shí)施難度大,不能經(jīng)常實(shí)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(biāo)和船載高精度GNSS接收機(jī),通過事后精密單點(diǎn)定位處理獲得測量船至激光合作目標(biāo)的距離,進(jìn)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(shè)專用的激光測距檢測設(shè)備,不涉及設(shè)備改裝等就可實(shí)現(xiàn)激光測距儀精度檢測,并可隨時(shí)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(shí)測基線比較法,但在具體實(shí)現(xiàn)過程中綜合考慮了船舶運(yùn)動(dòng)等特點(diǎn)。該方法的基本原理是在碼頭附近標(biāo)校塔上安裝激光合作目標(biāo)(已知高精度坐標(biāo)值),借助船舶出航時(shí)機(jī),利用激光測距儀實(shí)時(shí)跟蹤激光合作目標(biāo),實(shí)時(shí)測量兩者之間的距離,同時(shí)測量船上的高精度GNSS接收機(jī)實(shí)時(shí)記錄原始觀測數(shù)據(jù),通過事后精密單點(diǎn)定位處理獲得測量船至激光合作目標(biāo)的距離,將該距離值作為比對標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行激光測距儀的精度檢測。

        該方法的事后精密處理技術(shù)主要采用精密單點(diǎn)定位方法,精密單點(diǎn)定位是利用高精度的GNSS衛(wèi)星星歷、衛(wèi)星鐘差和雙頻載波相位觀測值進(jìn)行高精度定位的方法。該技術(shù)無須用戶自己架設(shè)地面GNSS基準(zhǔn)站,不受作業(yè)距離的限制,機(jī)動(dòng)靈活,單機(jī)作業(yè),為開展長距離高精度的事后甚至實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)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(jìn)行檢測,構(gòu)建了圖1所示的新的激光測距儀精度檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由3個(gè)部分組成:船載動(dòng)態(tài)檢測數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、地面激光合作目標(biāo)和數(shù)據(jù)處理與精度檢測子系統(tǒng)。其中,船載動(dòng)態(tài)檢測數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)主要由船載激光測距儀、姿態(tài)測量設(shè)備和GNSS動(dòng)態(tài)定位設(shè)備組成,主要完成激光測距儀動(dòng)態(tài)跟蹤地面激光合作目標(biāo),記錄激光測距儀距離測量數(shù)據(jù)、GNSS原始觀測數(shù)據(jù)、姿態(tài)測量數(shù)據(jù)以及對激光測距數(shù)據(jù)進(jìn)行GNSS時(shí)間同步;地面激光合作目標(biāo)具有360°全向激光反射功能,且激光合作目標(biāo)點(diǎn)具有高精度的位置信息,供數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)計(jì)算測量船至激光合作目標(biāo)之間的高精度距離;數(shù)據(jù)處理與精度檢測子系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合處理,并對激光測距儀的測量精度做出合理評(píng)估。

        圖1 新的激光測距儀精度檢測系統(tǒng)

        由于激光測距儀中心點(diǎn)與船載GNSS天線相位中心點(diǎn)存在空間距離,因此需進(jìn)行位置偏差修正。位置偏差改正的關(guān)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(shí)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(xiàn)[11]中的大氣修正方法對激光測距值進(jìn)行修正。根據(jù)參考文獻(xiàn)[11]的修正方法和實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知,在仰角為10°時(shí),距離修正計(jì)算誤差小于3 cm。

        2 新激光測距儀檢測方法有效性檢驗(yàn)

        2.1 GNSS動(dòng)態(tài)精密單點(diǎn)定位性能分析

        為驗(yàn)證GNSS動(dòng)態(tài)精密單點(diǎn)定位性能,于2020年10月開展了船載動(dòng)態(tài)精密定位實(shí)驗(yàn)。測試船搭載了GNSS接收機(jī),實(shí)驗(yàn)總時(shí)長約150 min,GNSS數(shù)據(jù)采樣間隔為1 s,基準(zhǔn)站采用了Trimble Net R9接收機(jī),架設(shè)在固定基準(zhǔn)點(diǎn)。根據(jù)文獻(xiàn)[12]數(shù)據(jù)分析結(jié)果,Trimble公司新一代數(shù)據(jù)后處理軟件Trimble Business Center(TBC)動(dòng)態(tài)基線解算精度可達(dá)厘米量級(jí)。使用TBC軟件以相對定位模式解算得到船載載流動(dòng)站的運(yùn)動(dòng)軌跡,并以此結(jié)果作為參考真值,評(píng)估船載GNSS動(dòng)態(tài)精密單點(diǎn)定位的性能,動(dòng)態(tài)定位方法采用參考文獻(xiàn)[13]的數(shù)據(jù)處理方法。圖2給出了船載GNSS動(dòng)態(tài)精密單點(diǎn)定位的位置誤差,表1給出了船載GNSS動(dòng)態(tài)精密單點(diǎn)定位位置誤差統(tǒng)計(jì)情況。

        圖2 船載GNSS事后動(dòng)態(tài)精密單點(diǎn)定位位置誤差

        表1 船載GNSS事后動(dòng)態(tài)精密單點(diǎn)定位位置誤差統(tǒng)計(jì) 單位:m

        從圖2可知,GNSS動(dòng)態(tài)精密單點(diǎn)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(diǎn)定位模型同雙差模型間的差異,雙差模型中衛(wèi)星軌道誤差、衛(wèi)星鐘差、對流層延遲等誤差可通過雙差消除,而精密單點(diǎn)定位誤差無法組差消除上述誤差,因此動(dòng)態(tài)精密單點(diǎn)定位的部分模型需進(jìn)一步優(yōu)化。從表1的統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知,GNSS動(dòng)態(tài)精密單點(diǎn)定位精度為11 cm,能夠滿足船載米級(jí)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(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析。此次校飛中,測試船和校飛飛機(jī)均搭載了高精度GNSS接收機(jī),實(shí)驗(yàn)總時(shí)長約20 min,GNSS數(shù)據(jù)采樣頻率為5 Hz。因無更高精度位置數(shù)據(jù)作為動(dòng)態(tài)參考基準(zhǔn),使用兩種高精度GNSS數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)后處理軟件GrafNav進(jìn)行動(dòng)對動(dòng)基線解算,并與Gamit Track軟件處理結(jié)果[14]進(jìn)行對比,結(jié)果如圖3所示,位置誤差統(tǒng)計(jì)情況如表2所示。

        表2 船載GNSS與機(jī)載GNSS事后動(dòng)對動(dòng)相對定位位置誤差統(tǒng)計(jì)(傳統(tǒng)校飛方法) 單位:m

        圖3 船載GNSS與機(jī)載GNSS事后動(dòng)對動(dòng)相對定位位置誤差(傳統(tǒng)校飛方法)

        對比表1和表2數(shù)據(jù)處理結(jié)果發(fā)現(xiàn),采用本文提出的方法也可獲得與傳統(tǒng)校飛方法相當(dāng)?shù)男Ч?,且不需要特殊的海域、空域和氣象保障,無須改裝飛機(jī)。

        2.2 新激光測距儀檢測方法有效性檢驗(yàn)

        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(biāo)準(zhǔn)。其計(jì)算公式為

        (2)

        (3)

        式中:N為觀測值總數(shù);Ri,GNSS為根據(jù)GNSS和陸地固定站點(diǎn)數(shù)據(jù)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(shí)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(yàn)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(shí)測值進(jìn)行了檢測。激光測距儀測量距離差值隨時(shí)間變化的情況如圖4所示。

        圖4 激光測距儀精度檢測結(jié)果

        從圖4中可以看到,激光測距結(jié)果與GNSS動(dòng)態(tài)精密單點(diǎn)定位結(jié)果相差在厘米至分米量級(jí)??傮w上,兩者差值的RMS在0.5 m以內(nèi)。以上結(jié)果基本反映了米級(jí)精度的激光測距儀的測距能力,證明了方法的正確性。

        3 結(jié)束語

        針對激光測距室內(nèi)檢測方法需建立激光測距標(biāo)定環(huán)境或者拆裝后到指定機(jī)構(gòu)進(jìn)行測距儀的標(biāo)定以及校飛方法組織協(xié)調(diào)困難等問題,提出了一種新的船載激光測距儀動(dòng)態(tài)測距精度檢測方法。該方法在船舶出航時(shí),實(shí)時(shí)跟蹤陸地固定的激光合作目標(biāo),同時(shí)利用船載GNSS設(shè)備,采用GNSS動(dòng)態(tài)精密單點(diǎn)定位的方法檢測激光測距儀測距精度,實(shí)現(xiàn)了激光測距儀的動(dòng)態(tài)精度檢測,有效克服了傳統(tǒng)檢測方法需拆裝、組織困難等問題。最后,利用船載實(shí)測數(shù)據(jù)對該方法的有效性進(jìn)行驗(yàn)證,結(jié)果表明:即使考慮各種誤差的綜合影響,GNSS動(dòng)態(tài)精密單點(diǎn)定位精度可達(dá)到11 cm。下一步將對GNSS動(dòng)態(tài)精密單點(diǎn)定位天向的定位精度進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化,從而提高激光測距儀動(dòng)態(tài)精度檢測的可靠性。

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