UWB脉冲技术在水准测量中的开发应用

梁佐振

摘要：为了提高水准测量的效率，研发一种快速实时测量前后视距的水准测量等距仪，突破传统水准测量测距方法的瓶颈，使水准测量人员在移站的同时完成测距任务，实现前后视距大致相等一次性完成。减少水准仪i角误差、调焦误差、地球曲率等因素的影响，使水准测量像平时漫步走路一样轻松顺利。

关键词：UWB；水准测量；开发；应用

0  引言

水准测量是为国土勘测、工程地形图测量、地质勘测、工程施工、竣工验收、建筑形变监测等提供基础资料的高程测量中精度较高、比较常用的方法。然而水准仪的I角误差、对焦误差、地球曲率等因素都会对水准测量造成一定的影响，为了消除上述因素对测量精确度的影响，测量中需要保持大致相等的前后视距。目前常用的测距方法有上下丝读数法、电子水准仪测距法、拉尺测距法、测量轮车测距法以及手持测距仪法等五种方法，但这些传统测距方法要不断地移尺、立尺、测距，工作量大，工作效率低。

1  设计思路

（1）保证前后视距大致相等，减少仪器i角误差对高差观测的影响，是保证测量精度的关键技术要求。

（2）研发一种快速实时测量前后视距的水准测量等距仪，使测量人员在移站的同时完成测距任务，实现前后视距大致相等一次性完成。

（3）将本款水准测量等距仪分别选择山地、平原、市政道路项目进行测试，对测试过程中存在的问题进一步优化。

2  关键技术

2.1  UWB脉冲技术

超宽带（Ultra Wide Band，UWB）技术是一种利用纳秒级的非正弦波窄脉冲传输数据的无线载波通信技术。脉冲无线电技术是利用占空比极低的冲激脉冲(宽度为纳秒级的窄脉冲)作为信息载体的无线电技术，在不需要调制正弦载波的情况下，通过天线直接传输窄脉冲序列携带信息，此时发射的讯号可以视为基带信号(以常规无线电而言)，也可以视为射频信号(考虑到发射信号的频谱分量)。信号的带宽主要是由脉冲波形决定的，数个到数百个这样的脉冲可以映射出一个信息符号。这种传输方式在中低速应用时具有系统简单、成本低、功耗小、抗多径能力强、空间/时间解析度高等优点。

    此外，产生的脉冲要有一个基本条件：没有直流分量，才能有效辐射。在满足这个条件的前提下，可以考虑的脉冲波形也是多种多样的。满足以上条件的是高斯函数各阶导引函数所表示的波形。实际上，最普遍采用的 UWB 脉冲为高斯二阶导脉冲，其时域表达式 f(t)为：

其中σ为变量 t 的方差。其时域波形见图1所示（幅度经过了归一化，脉宽2ns，脉冲形成因子为 0.714ns）。高斯脉冲的各阶导函数有时也被用于UWB系统中。

图1 高斯二阶导的时域脉冲

2.2  SDS-TWR测距算法

脉冲雷达常用TOF（Time of Flight）测距方法，即一种计算信号在空中飞行时间的测距方法。为避免TWR(双路)测距方法中晶体频率误差造成的计时误差，该方法通过优化两节点间UWB信号飞行时间，采用SDS-TWR(“对称双边两路”)测距方法，利用两节点双边各进行一次TWR测距过程，达到消除节点间晶体频率误差造成的计时误差的目的，达到实时测距、一次性确定前后视等距、提高水准测量作业效率的目的。

在TOF测距方法中，测量设备A在Tas瞬间发出脉冲测量信号，设备B在Tbr瞬间接收到信号，经过一定时间后，设备B在Tbs瞬间发出应答信号，设备A最终在Tar瞬间接收到应答信号。则A设备从发送到接收的时间为：

设备B从接收到发送的时间为：

信号的总体飞行时间为：

图2  TOF测量流程

该飞行时间T对应飞行距离为去程、回程之和，因此能够得出单程信号飞行时间为，考虑信号传播速度为光速F，因此实测距离为 。

本设备使用双向TOF测距方法，即基于SDS-TWR的双边双向测距方法，将两个上述的TOF过程组合起来，第一个TOF由A设备发起，第二个TOF由B设备发起，最终数据汇集到A或者B的一方。其测量过程详见图3：

图3 SDS-TWR测距流程

2.3  最优测量通道选择

在天线切换方法上，按照顺序对每个天线通道进行监测，在设定的时间片内，对天线通道的信号强度、脉冲延迟时间和测距值分别建立超定方程组，分析方程系数的最优估算值，求其有效值，最后利用加权法分别求得信号强度、脉冲延迟时间和测距值的最小值，评选出最优的天线通道，并在每个时间片的初始时间灵活进行天线切换，以获得最优的测量路径，即UWB信号最稳定、测距精度最高的测量路径。

3  水准测量等距仪设计

3.1  设计方法

    （1）首先确立等距仪的设计目标，规划设计环境，综合考虑设备的功能需求，开展等距仪核心电路板的概念层、逻辑层和物理层设计；

    （2）分析研究TOF测距方法，本论文采用SDS-TWR(“对称双边两路”)测距方法，提高测距精度，以消除多径和晶振漂移产生的测距误差；

    （3）对测量通道的选择进行分析研究，写入天线自动切换算法，选择信号最稳定、测距最短的测量通道，提高测距效率，降低设备功耗；

（4）设计小巧灵活的外部结构，实现同电子水准仪和前后视塔尺完美适配。

    3.2  水准测量等距仪装置设计

    针对现有技术中存在的水准测量前后视距误差大、测距仪器用时长、耗电高等问题，本发明提供了一种用于高等级水准测量实时测距装置、系统及方法，装置包括上壳和下壳，上壳和下壳中设置有电路板，电路板上安装有天线，电路板还包括人机模块、控制模块、传感模块、监测模块和供电模块，装置在测距时，通过天线切换算法计算出信号最优的天线，避免单一天线信号不佳时测距时间长，实现更精准、快捷地得出测距结果，同时减少装置耗电量，并且安装便捷，可安装在水准仪上共同移动。

图4  产品模块化单元

    3.3  外壳技术参数

测距精度	0.3m	充电时长	4h	工作温度	-20～65℃
等距精度	0.3m	持续工作时间	12～24h	防护等级	IP65
测距范围	0～200m	工作电压	3.7V/3200mAh	设备尺寸	93×65×26mm

图5  水准测量等距仪

3.4  水准测量等距仪应用设计

基于UWB脉冲信号的水准测量等距仪主要通过声音快速确定等距位置，因测量人员声音感官需求各不相同，故研发配套APP，通过APP实现更换声音种类、调节音量大小、设置等距仪报警距离阈值、设置报警持续蜂鸣时间等设置目标。测距仪每套3个，分别固定在水准仪、前后视塔尺侧面。测量过程中，屏幕实时显示距离，但无需观看屏幕，无需操作设备，仅凭设备蜂鸣声音的频率确定等距，使用方法简单。同时，测距仪具备实时测距、声音种类切换、音量大小调节、剩余电量查看、使用时间统计等功能，可用手机APP软件进行参数设置，管理方便。

图6  测量安装效果图

4  结语

该水准测量等距仪在蒲烟高速、集通铁路、温州S1线、南京地铁等项目进行了测试，测试环境涵盖山地、平原、城市道路等多个地形、地貌。测试结果显示：采用水平测量等距仪，使水平测量工作效率大大提高，测量人员工作强度降低，人员工资成本降低，工程建设进度提高，在保证测量精度的前提下，使用效果良好。本水准测量等距仪已经投入生产并在多个工程项目的建设中得到广泛应用，具有较高的推广应用价值和市场前景。

参考文献：

[1]  国家测绘局测绘标准化研究所. 国家一、二等水准测量规范：GB/T 12897-2006. 北京：国家质量监督检验检疫总局、国家标准化管理委员会发布，2006.

[2]  中国有色金属工业协会. 工程测量规范：GB50026-2007. 北京：中华人民共和国建设部，2008.