POS MV惯导在水道测量应用中的安装

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与大多数租赁船一样,Noortruck船是第一次安装新的Applanix POS MV OceanMaster惯性导航系统,因此租赁该船的公司A-2-Sea Solutions需要认真考虑传感器的位置。GNSS 天线、IMU 和声呐设备的放置会直接影响系统的性能。

精确而全面的尺寸控制测量、传感器校准和设备验证对于获得高质量的水道数据至关重要。由于Applanix POS MV OceanMaster 系统精度高,支持更长的GNSS杠杆臂,因此非常适合 Noortruck 这类大小的船只。

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A-2-Sea Solutions公司
A-2-Sea Solutions是一家为全球海底领域提供电缆工程、接头、浅水系统安装和电缆维护服务等海底电缆解决方案的公司,拥有强大的勘察能力,25年来一直以按时、按预算交付优质项目而享有盛誉。

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安装惯导系统

为了保证冗余,A-2-Sea 在船上确定了两个IMU 位置。主IMU安装在安全的位置,即高于甲板并靠近船舶的中心线和旋转中心位置。A-2-Sea 设计工程师测量并设计了用于支撑、固定和保护IMU的铝板和铝盒,然后将Applanix 底板固定在铝板上并装入盒内。

A-2-Sea是在德国为Noortruck安装的Applanix POS MV OceanMaster,此后该船可进行海上勘测。第二个IMU确定置于隔离舱(驾驶室下方)中,该位置安全、受保护且靠近中心线和重心。该位置定位在靠近隔离舱入口,为尺寸控制测量提供了清晰的视线通道。同样,A-2-Sea 工程师设计了一块铝板作为隔离舱甲板和IMU底板之间的中间安装板。如果主IMU位置存在问题,则冗余的第二个位置可以代替工作。

Applanix安装板是定制设计的,能够适应各类型的 IMU。测量员可以在安装板上灵活地更换 IMU,无需重新测量偏角或偏移量。Noortruck拥有两个IMU位置和两个安装板,具有极大的灵活性。

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Applanix IMU 安装位置,带有保护盒和电缆布线方案。
安装 GNSS 天线

Applanix POS MV OceanMaster 使用GAMS(GNSS方位角测量子系统)来帮助 IMU 计算艏向。这一独特的功能使用两根GNSS天线来确定基于GNSS的艏向,当与惯性导航结合时,艏向可精确到0.01度。

为了优化天线位置,A-2-Sea工程师需要精心设计,以确保安装位置安全、牢固,不受外部干扰。天线安装点设计了多个,从而提供更多的选择和冗余。

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A-2-Sea 设计了一个天线安装架,为 GNSS 数据接收提供最佳的位置。
尺寸控制测量

Noortruck是在干船坞进行安装的,需要确保平台稳定从而进行精确的全站仪尺寸控制测量。测量员首先定义了船舶参考框架(VRF),然后相对于该参考框架建立传感器的位置和旋转。IMU外壳中心定义为公共参考点,所有传感器的偏移都相对于该位置进行测量。除传感器偏移外,还定义了船舶旋转中心 (COR),这是优化涌浪测量的关键。

全站仪测得的所有坐标值在各自坐标轴上的精度优于0.5mm,这些坐标值都是通过全站仪的多站点测量,平均之后获得,平均的标准偏差为0.5mm。

测量过程中,船体上定义一些永久且可恢复的控制点,这些控制点在X、Y、Z方向上的限差优于0.01m(95%置信度)。同样,所有传感器建立在船体参考框架中,且在船体X、Y、Z方向上的限差优于0.02m(95%置信度)

最后一步是相对船体框架确定IMU框架。通过延长IMU安装板的基线长度,可以确定IMU的安装偏差角。IMU的安装板在X和Y方向上精确加工了凹槽边,沿着凹槽边缘可以放置长条来增加基线长度,通过测量长条可以测得IMU的安装角。基线长度越长,通过船体三维坐标值中计算得到的角度分量越精确。

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测量员正在进行 Noortruck的尺寸控制测量。
设备验证
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GAMS

在尺寸控制测量期间,工作人员精确测量了主次天线位置,并确定了 X、Y、Z 基线矢量分量。为了验证尺寸控制测量结果,在海上完成了动态 GAMS校准。GAMS 参数设置从零开始,完成了一系列动态操作,POS MV自动计算 GAMS 参数。动态校准的结果与尺寸控制中测量的结果非常一致:由于尺寸控制测量中的值被认为更精确,故继续使用该测量值。动态GAMS校准取决于高质量的GNSS测量和充足的船体运动,这通常很难在较大的船舶上实现。因此,GAMS 校准过程可用于验证,用来检查尺寸控制测量中的重大错误。

基线向量
尺寸控制测量
GAMS校准
C-O
X分量(m)
0.070
0.079
-0.009
Y分量(m)
3.995
3.998
-0.003
Z分量(m)
-0.007
-0.017
0.010
尺寸控制测量与动态GAMS校准的基线向量对比。残差很小,验证了尺寸控制测量的准确性。
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位置检查

同时,使用支持 RTK 的Leica GNSS接收器检查位置。GNSS天线置于先前测量的控制点上并记录位置数据。这些控制点也被定义为QPS QINSy 软件中的节点,POS MV数据输入到该软件中。

POS MV能通过L波段提供的实时Trimble RTX®校正服务数据实现厘米级精度。Trimble RTX 能在全球范围内提供厘米级精度数据,它利用来自全球跟踪基站网络的实时卫星测量,以及高精度的大气模型和算法来生成 Trimble RTX 校正,并通过一组地球同步卫星或互联网发送到接收器。

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Trimble RTX, 覆盖全球的网络,可以通过L波段卫星和网络提供厘米级校正。
7 e  c% d; ~3 A& Z" G/ y1 J

RTK GNSS 数据和 POS MV GNSS 惯导数据(转换为QINSy内的节点)的比较显示出数据非常接近,符合项目规范。

安装、校准和验证 POS MV 后,针对该项目进行了进一步的传感器校准。

Leica RTK GNSS 和SmartNet 系统
对比
QPS QINSy 和Trimble RTX系统
系统
平均东坐标(1δ,m)
平均北坐标(1δ,m)
平均高度(1δ,m)
QPS QINSy 和Trimble RTX
414440.833
±0.016
5814458.731
±0.015
50.084
±0.034
Leica RTK GNSS 和SmartNet
41440.807
±0.009
5814458.689
±0.018
50.086
±0.032
平均差值
∆东坐标
∆北坐标
∆高度

/ ]' [6 ?. R8 N2 C% Z0 P; Y_
0.025
±0.019
0.043
±0.025
-0.001
±0.045
RTK GNSS 与 POS MV定位验证结果的比较。

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正在进行的工作

Noortruck 目前正在为英国东海岸的民用水文项目进行海图绘制工作。根据合作方案,Trimble RTX 通过 POSView(POS MV OceanMaster 的控制软件)在 L 波段上激活并提供校正服务。

凭借快速的收敛时间,该系统在激活的几分钟内即可达到厘米级精度。Trimble RTX能够帮助A-2-Sea完成校准和验证,并在测量操作期间提供准确的实时解决方案。

A-2-Sea正在测量的部分工作要求在严格的 24 小时内报告海底未知的特征。带有Trimble RTX 校正服务的 POS MV 系统能够帮助他们轻松完成任务。

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多波束数据显示出明显的海底特征。POS MV OceanMaster 和Trimble RTX 相结合,可以提供强大而准确的解决方案,可以轻松验证和识别现有和新的海底特征。

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结  论

A-2-Sea 在 Noortruck 上成功完成了 Applanix POS MV OceanMaster 的安装,过程中仔细考虑了传感器的位置,进行了精确而全面的尺寸控制测量、传感器校准和设备验证,从而确保获得高质量的水道数据。

Applanix、Trimble 和 A-2-Sea 之间的成功合作使得 Trimble RTX 校正服务得以进行测试,随着解决方案开始更多地应用于海洋市场,这将提供非常有价值的数据。

有关 Applanix POS MV 硬件、POSPac 处理软件和Trimble RTX 校正服务的更多信息,请联系sales@haiyingmarine.com或拨打4001588510。

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海底特征同样可以有效的用于校准和验证。上图显示了多个多波束条带在同一个海底特征上的对齐状态,以此可以确认角度偏差值是否在多波束校准中得到了正确的应用。
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POS MV系统
POS MV是Applanix公司推出的一款人性化完整系统,专为您的海洋船舶和遥感设备而设计和建造,旨在提供准确的位置、船艏向、姿态、起伏和速度数据。POS MV结合了GNSS数据、来自IMU的角速率数据和来自GNSS方位角测量系统(GAMS)的船艏向数据,构成强大、准确而完整的六度自由定位与定向解决方案。
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冯建
活跃在2022-11-8
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