郑权
天津水运工程勘察设计院天津300456
摘要：为解决GPS设备海上动态定位精度检测的问题，提出了利用高精度全站仪对GPS设备动态跟踪进行动态定位精度评定。
关键词：GPS设备；海上动态定位；精度检测；
1动态检测基本原理
系统主要有动态检定场、高精度全站仪、动态检测平台和计算机等组成。动态检定场主要有坐标已知的检测基准点和检测基准方向点组成，主要用于提供动态检测的已知条件。动态检测平台上有360℃棱镜、惯性测量设备和4个待检测的GPS接收机天线。360℃棱镜和4个天线的相对位置固定，通过惯性测量设备测量的平台姿态参数，可以实现360℃棱镜坐标到4个天线坐标的转换。实验前利用GPS授时型接收机对计算机进行时间同步，使计算机时间化为GPS时间。实验时将高精度全站仪架设在已知点上，动态跟踪动态检测平台上的360℃棱镜；利用全站仪的测角测距数据解算出360℃棱镜各个时刻在局部坐标系内的坐标；利用360℃棱镜与待检测GPS接收机的固定关系将360℃棱镜的坐标传递到各个待检测GPS接收机的位置。以传递来的全站仪测量的坐标作为比对标准，将由GPS接收机测量数据解算得到的坐标与比对标准进行比较，从而完成对GPS接收机的动态定位精度检测。
1.1动态检测基准数据采集与处理
检测基准数据主要是由高精度全站仪采集。实验选用瑞士LeicaTDA5005型工业全站仪。该型号的全站仪具有自动目标识别功能ATR（AutomaticTargetRecognition）。它通过仪器内置的马达和CCD相机来实现自动寻找合作目标、自动精确瞄准合作目标、自动锁定合作目标和自动跟踪合作目标。在跟踪模式下，其测距精度为5mm+2mm*K，K为观测距离，单位为Km；测角精度为0.5″。使用授时型GPS接收机对便携式计算机的内部时间进行时间同步。通过采集GPS时间信号，同时提取计算机的内部时间信号，计算二者之间的时钟参数以实现时间同步，为全站仪观测数据标记准确的测量时刻。实验时建立计算机与全站仪的通讯联系，通过数据采集软件记录下全站仪测量的测角测距数据。将全站仪架设到坐标已知的检测基准点上，瞄准方位角已知的检测基准方向，这样就建立了一个局部坐标系。利用计算机控制全站仪自动跟踪动态检测平台上的360℃棱镜。
1.2棱镜与待检测
GPS接收机天线间坐标转换动态检测平台用于摆放待检测的GPS接收机天线和作为全站仪跟踪目标的360℃棱镜。GPS接收机天线和360℃棱镜的相对关系是固定的。通过相应的坐标转换，可以将全站仪测得的棱镜坐标传递到GPS接收机天线所在的位置。
2设计高程面桩中心三维船固坐标的计算
采用不同的定位模式，其设计面桩中心的船固三维坐标的计算也不同。定位的模式可以概略分为以下两种：①粗略定位模式：该模式的特点是认为桩的位置与船体是固定不动的。粗略定位模式定位时采用的设备也有所不同，有的采用3台GPS接收机来测定船体的位置和姿态，也可以采用2台GPS接收机和1台双轴数字倾斜仪测定船体的位置和姿态，也可采用3台GPS接收机加1个双轴数字倾斜仪，这样数据间有一定的相互校核，有利于避免错误和提高观测的精度；②精密定位模式：该模式的特点是认为桩的位置与船体之间有一定的相互移动，因此是在粗略定位模式的基础上（一般）再布设2台免棱镜测距仪，以测定在打桩过程中桩中心位置的变化。
2.1粗略定位模式下桩中心船固坐标的计算
在粗略定位模式下，由于假设了桩的位置与船体是固定不动的，因此可以首先计算其桩中心位置的船固三维坐标。XOZ属于船固坐标系统，旋转支架的旋转轴中心的船固坐标设为（XR，O，HR），设船体的纵倾为α，桩的倾斜为γ，支架旋转中心距抱桩器中心的距离为（XZ-XR），XZ为在船体直桩状态下的桩中船固坐标，XZ，XR，HR在设备坐标测定时同时测定。桩身中心与OX轴交点在船固坐标系的X坐标为
X=XR+（XZ-XR）/sin（γ-α）+HR/tan（γ-α）（5）
该点在工程坐标系中的高程为：h=h0-X°tanα，式中：h0为船固坐标系原点的高程。根据任一GPS天线在船固坐标系中的高程、实时测量获得的高程以及船体的纵横倾斜可以计算出船固坐标系原点O的高程h0。
h0=hi-Xiα-Yiβ-Hi（6）
计算时可采用几台仪器同时计算并取平均值作为计算结果。设计高程面上的桩中心三维船固坐标为
XD=X-hD-hsinγcos（γ-α），
YD=0，
HD=hD-hsinγsin（γ-α）（7）
2.2精密定位模式下桩中心船固坐标的计算
在打桩过程中桩的位置与船体有相对的移动，为测定其移动量需要安装2台测距仪，测距仪安装在旋转支架上的某个与桩架垂直的平面内（图中的测距面），这样测距仪与桩架是固连的，它随着桩架的转动而转动。以旋转支架中心轴与XOZ平面的交点o为原点建立桩架三维坐标系统o-rst，or垂直于桩架，os在与桩架垂直的平面内并与or垂直，ot垂直向上。测距平面在ros平面上的投影，D1，D2为2台测距仪的位置，虚线圆为理想状态下桩的位置，实线圆为桩的实际位置，在o-rst坐标系下测距仪的坐标以及其视线的方位已在设备坐标测定时测定，利用测距仪测得的距离便可计算出o-rst坐标系下桩体表面上左右p1，p2两个点的坐标，再根据桩的半径利用测边交会推算中心点c的坐标（rc，sc，tc），其中tc在设备坐标测定时计算出来。桩架三维坐标需要转换到船固坐标，转换计算
如下：
式中：
在计算过程中需要用到支架旋转中心的船固坐标。设计高程面上桩中心的船固坐标的计算与粗略定位模式类同。
3结论
1）利用高精度全站仪动态跟踪的方法，解决了GPS设备海上动态定位精度检测的问题。实验结果表明，该方法能够有效地反映其动态定位的精度。2）动态检测系统的误差主要表现在3方面：动态检定场误差、全站仪测量误差和惯性测量误差。惯性测量误差可以忽略；动态检定场误差变化较大，为弱其误差应提高所有已知点的精度，增加构成已知方向的两个点之间的距离，并减小动态检测时的观测距离。全站仪误差主要由折光差等外部环境造成，为削弱误差应尽可能选择有利的观测条件。
参考文献：
[1]李军正.动态GPS定位检定方法及误差分析[D].郑州：信息工程大学，2004.
[2]蒋利龙，易又庆.高精度垂直角的观测时间[J].桂林工学院学报.2007.
[3]宋超，郝金明，肖振坤.基于轨迹偏差的动态定位精度评定方法[J].测绘科学技术学报，2011，28（6）.