一种电子气泡辅助RTK测量方法

【摘要】在测绘领域里，使用RTK设备进行高精度测量时，需要确保仪器的整平和对中。即保持仪器的水平和使仪器的中心与测量点在同一铅垂线上。目前较多地使用水平气泡协助进行整平对中，而本论文讨论一种整合重力传感器用以辅助RTK测量的方法――电子气泡，仪器的倾斜角作为软件算法的参数之一，将提供传统气泡无法提供的新的特性。

【关键词】电子气泡;GPS接收机;RTK测量;整平

1.引言

使用实时动态差分法（RTK：Real-time kinematic）进行GPS测量，可以使用户在野外实时获得厘米级定位精度的测量结果，在这样高精度的测量应用里，如果仪器没有很好的整平对中，将使测量结果出现较大的偏移。然而，即使在这样对精度要求苛刻的场景里，仪器的架设，依然依靠的是传统的水平气泡，需要用户自行阅读倾斜角度，并评估误差范围。

利用重力传感器进行角度测量的方法由来已久，将它和其他传感器一起整合到RTK设备中，提供更加智能和人性化的使用体验已经成为各大设备商新的一个着力点。

2.电子气泡设计

2.1 方案设计

一套最小的RTK测量设备包括RTK主机，控制手簿，支架。一般支架上都带有水平气泡做测量辅助。现在我们可以在RTK主机中集成重力传感器，采集数据处理后发送到控制手簿，显示与测量相关的关键变量，如倾斜方向，倾斜角和误差等。

图1 集成方案

从主机获取到倾斜角度后，可以通过简单的计算，提示用户保持当前姿态进行测量，数据会产生多大的误差，以适应不用的测量精度要求。根据图示，可计算误差：

图2 误差提示

2.2 数据处理

重力传感器的数据处理相对简单，读取原始数据后，对数据进行简单地滤波处理，滤除噪声。然后将数据从传感器自身的坐标系转移到水平坐标系，这是因为由于焊接和装配的关系，传感器的姿态不能够保证是水平的。转换后的数据，可以用于角度计算，然后传给控制手簿。

图3 处理流程

2.2.1 坐标转换

图4 坐标转换

假设坐标系x'y'z'表示重力传感器芯片的真实姿态（装配在RTK主机中），xyz是目标坐标系（水平坐标系）。正常情况下，传感器获得的数据都是基于坐标系x'y'z'的，现在要将它们转换到xyz坐标系。设向量[x'，y'，z']为参考向量，[x，y，z]为修正后的向量。分解一下，可知，向量[x’，y’，z’]先绕y轴倾斜θx，再绕x轴倾斜θy，可以转换到xyz坐标系。于是有下列公式：

代入实际传感器数据后，可以计算出当前的姿态与目标坐标系之间的转换关系和参数。利用这些参数，可以换算出可用于计算角度的有效数据。

2.2.2 角度计算

2.2.2.1 单轴倾斜测量

图5 单轴倾斜测量

重力传感器的一个轴测量的是重力g在该轴上的分量，在获取了该轴的数据x之后，可以依此算出该轴与水平面的夹角。

2.2.2.2 三轴倾斜测量

单轴的传感器只能测量一个方向的倾角，要测量平面的倾角，至少需要两轴的重力传感器。下面以三轴重力传感器为例。

设θtilt为平面倾斜角，则有：

只要测量得到x，y轴与水平的夹角，就可以换算出θtilt3平面倾斜。该公式同样适用于两轴的重力传感器。实际上，对于三轴传感器，θtilt=θz，直接利用单轴的计算公式，便能轻松获得平面倾斜。三轴传感器的优势在于利用z轴的极性，能够测量出平面是否上下翻转。

图6 三轴倾斜测量

3.与物理气泡对比

3.1 多级灵敏度选择

依托于软件，采用重力传感器做成的电子气泡可以设置多级的灵敏度，用户根据测量场合的不同，可以有多种选择。

3.2 直观的误差显示

当手簿软件获取到倾斜数据后，可以在后台立刻换算出当前姿态导致的误差大小，给予用户最直观的数据辅助调节仪器姿态。

3.3 智能采集

用户可以设置当误差降低到某个范围的时候，自动开始采集数据，减少人工干预，提高工作效率。

4.方案优化――电子罗盘

如果单一使用重力传感器进行倾斜测量，用户在调节仪器的时候，必须要面向仪器正面，才能比较好地把握仪器倾斜的方向。为了解决这个问题，可以为仪器再集成一片三轴磁力计芯片，与重力传感器的数据融合后，做成电子罗盘，同时提供倾斜和仪器的航向角信息。

这样做的好处是：（1）提供仪器具体倾斜的方向;（2）利用倾角和航向角信息，忽略倾斜误差，数据可以自动修正。

5.总结

现有的RTK在工作的时候，使用传统的物理气泡进行整平。当一端倾斜的时候，气泡向升高的方向移动，气泡表面的玻璃上印有刻度，用户通过读取气泡上偏移多少刻度得知当前的倾斜程度。而电子气泡的传感器是基于MEMS（微机电系统）制作的，通过测量两两垂直的三个方向上的重力的分量，再将测量值以数字的方式回传给应用程序，用户得以通过屏幕直观地获取当前倾斜的精确角度，减少主观错误的几率。与物理气泡相比，应用程序在电子气泡的反馈下，实现了RTK设备与水平气泡之间的联动，得以更多地参与到测量作业中来，提供更加灵活的辅助功能。

参考文献

[1]郭敏，尹光洪，田曦，唐修俊.基于三轴加速度计的倾斜角传感器的研究与设计[J].现代电子技术，2010，8（319）： 177.

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