一種電子氣泡輔助RTK測量方法

【摘要】在測繪領域里，使用RTK設備進行高精度測量時，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在同一鉛垂線上。目前較多地使用水平氣泡協助進行整平對中，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之一，將提供傳統氣泡無法提供的新的特性。

【關鍵詞】電子氣泡;GPS接收機;RTK測量;整平

1.引言

使用實時動態差分法（RTK：Real-time kinematic）進行GPS測量，可以使用戶在野外實時獲得厘米級定位精度的測量結果，在這樣高精度的測量應用里，如果儀器沒有很好的整平對中，將使測量結果出現較大的偏移。然而，即使在這樣對精度要求苛刻的場景里，儀器的架設，依然依靠的是傳統的水平氣泡，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設備中，提供更加智能和人性化的使用體驗已經成為各大設備商新的一個著力點。

2.電子氣泡設計

2.1 方案設計

一套最小的RTK測量設備包括RTK主機，控制手簿，支架。一般支架上都帶有水平氣泡做測量輔助。現在我們可以在RTK主機中集成重力傳感器，采集數據處理后發送到控制手簿，顯示與測量相關的關鍵變量，如傾斜方向，傾斜角和誤差等。

圖1 集成方案

從主機獲取到傾斜角度后，可以通過簡單的計算，提示用戶保持當前姿態進行測量，數據會產生多大的誤差，以適應不用的測量精度要求。根據圖示，可計算誤差：

圖2 誤差提示

2.2 數據處理

重力傳感器的數據處理相對簡單，讀取原始數據后，對數據進行簡單地濾波處理，濾除噪聲。然后將數據從傳感器自身的坐標系轉移到水平坐標系，這是因為由于焊接和裝配的關系，傳感器的姿態不能夠保證是水平的。轉換后的數據，可以用于角度計算，然后傳給控制手簿。

圖3 處理流程

2.2.1 坐標轉換

圖4 坐標轉換

假設坐標系x'y'z'表示重力傳感器芯片的真實姿態（裝配在RTK主機中），xyz是目標坐標系（水平坐標系）。正常情況下，傳感器獲得的數據都是基于坐標系x'y'z'的，現在要將它們轉換到xyz坐標系。設向量[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，可以轉換到xyz坐標系。于是有下列公式：

代入實際傳感器數據后，可以計算出當前的姿態與目標坐標系之間的轉換關系和參數。利用這些參數，可以換算出可用于計算角度的有效數據。

2.2.2 角度計算

2.2.2.1 單軸傾斜測量

圖5 單軸傾斜測量

重力傳感器的一個軸測量的是重力g在該軸上的分量，在獲取了該軸的數據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。實際上，對于三軸傳感器，θtilt=θz，直接利用單軸的計算公式，便能輕松獲得平面傾斜。三軸傳感器的優勢在于利用z軸的極性，能夠測量出平面是否上下翻轉。

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置多級的靈敏度，用戶根據測量場合的不同，可以有多種選擇。

3.2 直觀的誤差顯示

當手簿軟件獲取到傾斜數據后，可以在后臺立刻換算出當前姿態導致的誤差大小，給予用戶最直觀的數據輔助調節儀器姿態。

3.3 智能采集

用戶可以設置當誤差降低到某個范圍的時候，自動開始采集數據，減少人工干預，提高工作效率。

4.方案優化——電子羅盤

如果單一使用重力傳感器進行傾斜測量，用戶在調節儀器的時候，必須要面向儀器正面，才能比較好地把握儀器傾斜的方向。為了解決這個問題，可以為儀器再集成一片三軸磁力計芯片，與重力傳感器的數據融合后，做成電子羅盤，同時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，數據可以自動修正。

5.總結

現有的RTK在工作的時候，使用傳統的物理氣泡進行整平。當一端傾斜的時候，氣泡向升高的方向移動，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前的傾斜程度。而電子氣泡的傳感器是基于MEMS（微機電系統）制作的，通過測量兩兩垂直的三個方向上的重力的分量，再將測量值以數字的方式回傳給應用程序，用戶得以通過屏幕直觀地獲取當前傾斜的精確角度，減少主觀錯誤的幾率。與物理氣泡相比，應用程序在電子氣泡的反饋下，實現了RTK設備與水平氣泡之間的聯動，得以更多地參與到測量作業中來，提供更加靈活的輔助功能。

參考文獻

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

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