GNSS失鎖狀態(tài)下車(chē)載移動(dòng)掃描系統(tǒng)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)精度分析

段龍飛，戴華陽(yáng)，廖孟光，徐衛(wèi)東

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)，北京100083;2.拓普康(北京)科技發(fā)展有限公司，北京100176)

一、引 言

移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)作為快速、高效和高集成度的海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)的采集手段，已經(jīng)成功應(yīng)用于我國(guó)數(shù)字化信息城市建設(shè)中，它代表著未來(lái)測(cè)繪與地理信息技術(shù)的一個(gè)重要發(fā)展方向［1］。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷革新，車(chē)載移動(dòng)測(cè)量設(shè)備的硬件配置在不斷提高，從早期使用的機(jī)械陀螺發(fā)展為當(dāng)今的光纖和激光陀螺，相機(jī)的像素從百萬(wàn)級(jí)別提高到了千萬(wàn)級(jí)［2］，數(shù)據(jù)采集精度也有了很大的提高［3］。

盡管移動(dòng)測(cè)量設(shè)備集成了高精度的IMU和車(chē)輪編碼器［4］，但是其采集數(shù)據(jù)的精度主要依賴(lài)于GNSS設(shè)備。當(dāng)在城市采集數(shù)據(jù)時(shí)，遇到高壓電線、高樓或強(qiáng)磁場(chǎng)等環(huán)境則可能會(huì)導(dǎo)致GNSS失鎖，此時(shí)移動(dòng)測(cè)量設(shè)備的數(shù)據(jù)精度主要由IMU和車(chē)輪編碼器來(lái)維持［5］。隨著失鎖時(shí)間延長(zhǎng)，數(shù)據(jù)的精度變得越來(lái)越差。

目前，針對(duì)移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)的研究已經(jīng)有了很多。如張卡等根據(jù)誤差傳播定律，推導(dǎo)了X、Y、Z 3個(gè)方向上的影像坐標(biāo)誤差公式及點(diǎn)位誤差公式［6］;Yang等分析了移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)點(diǎn)云數(shù)據(jù)在歷史文化遺產(chǎn)中的應(yīng)用［7］;劉梅余等針對(duì)車(chē)載移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)的精度和利用控制點(diǎn)提高點(diǎn)云數(shù)據(jù)精度進(jìn)行了相關(guān)分析［8-9］。但是，對(duì)于移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)在GNSS失鎖狀態(tài)下的精度分析，暫未進(jìn)行相關(guān)的試驗(yàn)。本文旨在通過(guò)一系列的試驗(yàn)，獲得移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)失鎖狀態(tài)下的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，分析和研究點(diǎn)云數(shù)據(jù)精度隨時(shí)間的變化規(guī)律。

二、點(diǎn)云精度分析

分析車(chē)載移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)在GNSS失鎖狀態(tài)下的點(diǎn)位精度，必須建立一個(gè)理想的失鎖環(huán)境，本文通過(guò)人為操作拔掉GNSS天線來(lái)模擬車(chē)載失鎖狀態(tài)下的數(shù)據(jù)采集環(huán)境。

1.路線設(shè)計(jì)

選擇視野良好場(chǎng)所分別進(jìn)行人為1 km失鎖和2 km失鎖試驗(yàn)。失鎖狀態(tài)下，在不同長(zhǎng)度距離上，對(duì)正常情況下和失鎖狀態(tài)下參考控制點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算，比較計(jì)算的結(jié)果。

(1)行走路線

選擇一條近似直線的道路，每隔50 m做一個(gè)標(biāo)記點(diǎn)，如圖1所示。

圖1

(2)實(shí)地采集路線圖

本次設(shè)計(jì)路線長(zhǎng)1.6 km，車(chē)速保持在30 km/h，標(biāo)記點(diǎn)個(gè)數(shù)為3，當(dāng)行駛至標(biāo)記點(diǎn)位置時(shí)，降低車(chē)速至5 km/h。如圖2所示。

(3)試驗(yàn)設(shè)計(jì)

①試驗(yàn)1

試驗(yàn)1如圖3所示。

圖2 實(shí)地采集路線

圖3

當(dāng)車(chē)載系統(tǒng)失鎖1 km的路程時(shí)，對(duì)比兩次采集的標(biāo)記點(diǎn)的坐標(biāo)值，并求解誤差值。

②試驗(yàn)2

試驗(yàn)2如圖4所示。

圖4

當(dāng)車(chē)載系統(tǒng)失鎖2 km的路程時(shí)，對(duì)比兩次采集的標(biāo)記點(diǎn)的坐標(biāo)值，并求解誤差值。

2.誤差分析

通過(guò)對(duì)試驗(yàn)1和試驗(yàn)2采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，獲得車(chē)載系統(tǒng)在不同試驗(yàn)下的3個(gè)標(biāo)記點(diǎn)的坐標(biāo)，求解獲得標(biāo)記點(diǎn)在X、Y、Z、2D和3D上的誤差值，結(jié)果見(jiàn)表1。

以橫軸作為失鎖時(shí)長(zhǎng)，縱軸作為標(biāo)記點(diǎn)的坐標(biāo)值與真值的差值，繪制線畫(huà)圖，如圖5所示。

分析以上圖表，可以獲得如下結(jié)論:

1)0 s outage失鎖狀況下，車(chē)載系統(tǒng)IMU幾乎沒(méi)有漂移，數(shù)據(jù)采集誤差分別為:X方向最大偏差為-0.023 m，Y 方向最大偏差為-0.021 m，Z 方向最大偏差為0.020 m，觀測(cè)結(jié)果較好。

表1 控制點(diǎn)的誤差值 m

2)15 s outage失鎖狀態(tài)下，標(biāo)記點(diǎn)的坐標(biāo)值誤差增大，IMU漂移值增大，數(shù)據(jù)采集誤差分別為:X方向最大偏差為0.120 m，Y方向最大偏差為0.126 m，Z 方向最大偏差為-0.028 m。

3)30 s outage失鎖狀態(tài)下，IMU漂移值進(jìn)一步增大，標(biāo)記點(diǎn)的坐標(biāo)值誤差在X方向有所減低，Y方向和Z方向增大，數(shù)據(jù)誤差分別為:X方向最大偏差0.090 m，Y 方向最大偏差 0.187 m，Z 方向-0.086 m。

4)60 s outage失鎖狀態(tài)下，IMU漂移值繼續(xù)增大，且中誤差EMS值大于2.0，標(biāo)記點(diǎn)的坐標(biāo)值誤差在X方向上增減不一，(t_1)點(diǎn)誤差增大，(t_2)和(t_3)點(diǎn)的誤差值減小，最大誤差達(dá)到0.092 m;Y方向和Z方向的誤差值進(jìn)一步急速增大，Y方向最大誤差為 0.284 m，Z 方向最大誤差為-0.345 m。

5)從平面(2D)誤差值表得出，(t_1)標(biāo)記點(diǎn)的誤差值在失鎖30 s時(shí)有所減低，但是整體上誤差值在增大;(t_2)和(t_3)標(biāo)記點(diǎn)的誤差值隨著失鎖時(shí)長(zhǎng)的增加，誤差值急速增大。平面最大誤差為0.288 m。

6)從三維(3D)誤差值表得出，隨著失鎖時(shí)長(zhǎng)的增加，標(biāo)記點(diǎn)的誤差值逐漸增大。三維最大誤差達(dá) 0.443 m。

當(dāng)失鎖 60 s時(shí)，數(shù)據(jù)的 3D最大誤差高達(dá)0.443 m。當(dāng)遇到此類(lèi)情況時(shí)，盡量快速通過(guò)失鎖區(qū)域，以保證數(shù)據(jù)整體的精度。

車(chē)載移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)的失鎖時(shí)長(zhǎng)大于30 s后的精度將無(wú)法保證，失鎖時(shí)長(zhǎng)大于60 s后的精度將無(wú)法應(yīng)用于工程領(lǐng)域中。

3.假設(shè)驗(yàn)證

再次采集一段失鎖50 s的數(shù)據(jù)作進(jìn)一步驗(yàn)證，如圖6所示。

增加控制點(diǎn)個(gè)數(shù)至25個(gè)，監(jiān)測(cè)車(chē)載移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)在失鎖50 s時(shí)，25個(gè)標(biāo)記點(diǎn)的X、Y、Z和2D坐標(biāo)的平均值、最大值及中誤差的變化量，見(jiàn)表2。

表2 標(biāo)記點(diǎn)的誤差值 m

當(dāng)失鎖50 s時(shí)，25個(gè)標(biāo)記點(diǎn)的平均值、最大值和中誤差值成倍增加，其中平面(2D)誤差值最大達(dá)到0.861 m，已經(jīng)無(wú)法制作1∶5000的地形圖，更無(wú)法滿(mǎn)足一般使用用戶(hù)的精度要求。因此當(dāng)移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)失鎖時(shí)間達(dá)到50 s后，數(shù)據(jù)成果無(wú)法正常使用。

三、結(jié) 論

通過(guò)試驗(yàn)得出，車(chē)載移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)在1 min內(nèi)的GNSS失鎖狀態(tài)下，數(shù)據(jù)精度的變化量呈現(xiàn)近似線性的變化規(guī)律。當(dāng)失鎖時(shí)長(zhǎng)達(dá)到50 s時(shí)，數(shù)據(jù)精度將無(wú)法達(dá)到工程項(xiàng)目的精度要求。根據(jù)IMU配置的不同，其斜率的變化量也不同。當(dāng)采用機(jī)械陀螺集成的IMU，斜率變化量相對(duì)較大，而采用光纖陀螺或激光陀螺集成的IMU，斜率值變化較小。因此，當(dāng)遇到GNSS失鎖狀態(tài)時(shí)，應(yīng)盡量保證失鎖的時(shí)長(zhǎng)小于50 s。

本文分析了在GNSS失鎖狀態(tài)下，由于IMU漂移導(dǎo)致定位誤差的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和基本規(guī)律。關(guān)于在GNSS失鎖狀態(tài)下，如何從算法上加以改正，從而獲得高精度的定位結(jié)果是下一步的研究?jī)?nèi)容。

針對(duì)數(shù)據(jù)的采集，給出如下建議:

1)選擇視野良好的場(chǎng)所啟動(dòng)車(chē)載系統(tǒng)，等待數(shù)據(jù)接收穩(wěn)定后，啟動(dòng)車(chē)輛。

2)快速通過(guò)失鎖區(qū)域，保證失鎖時(shí)間在50 s以?xún)?nèi)。

3)車(chē)輛穩(wěn)步啟動(dòng)、緩慢剎車(chē)避免車(chē)身抖動(dòng)過(guò)大，尤其在失鎖的臨界位置，要保證車(chē)輛在行駛過(guò)程中的連貫性。

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