定位定向系統(tǒng)詳細(xì)介紹

楊惠晨　傅林華　萬(wàn)文韜

摘 要：定位定向系統(tǒng)（POS）主要由慣性導(dǎo)航系統(tǒng)和DGPS技術(shù)組成，在輪船、飛機(jī)和導(dǎo)彈的定位導(dǎo)航中得到廣泛的應(yīng)用，其主要用途就是獲取移動(dòng)物體的三軸姿態(tài)信息和位置。介紹了兩種POS，并分析了POS的主要誤差來(lái)源及誤差控制方法。

關(guān)鍵詞：POS；數(shù)據(jù)處理；傳感器；系統(tǒng)校正

中圖分類號(hào)：TN967.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.13.117

在數(shù)字遙感技術(shù)飛速發(fā)展、遙感對(duì)定位技術(shù)的要求不斷提高的背景下，由DGPS/IMU集成的定位定向技術(shù)得到了人們的重視。

POS相比于慣性系統(tǒng)和普通的GPS導(dǎo)航系統(tǒng)具有很強(qiáng)的導(dǎo)航定位能力這一優(yōu)勢(shì)。普通的GPS不能直接獲得傳感器的姿態(tài)信息，且單位時(shí)間內(nèi)輸出的數(shù)據(jù)比較少，因而在高動(dòng)態(tài)環(huán)境中的可靠性較差，而慣性測(cè)量裝置雖然能夠測(cè)得位置、姿態(tài)、速度、角速度和加速度等導(dǎo)航參數(shù)，但是隨著時(shí)間推移，其誤差也會(huì)逐漸增大，因此，POS組合定位系統(tǒng)彌補(bǔ)了兩者的缺陷，實(shí)現(xiàn)了遙感影像的直接地理定位。

1 POS介紹

目前廣泛運(yùn)用的兩種POS是加拿大的POS/AV系統(tǒng)和德國(guó)的AEROcontrol系統(tǒng)。

POS/AV系統(tǒng)由4部分組成；①慣性測(cè)量系統(tǒng)（IMU）。慣性測(cè)量系統(tǒng)主要包括加速計(jì)（3個(gè)）、陀螺儀（3個(gè)）、數(shù)字化電路和一個(gè)中央處理器。通過(guò)陀螺儀和加速計(jì)就可以測(cè)得速度和角度的增率，再在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的輔助下，就能夠獲取相對(duì)于地球的位置、速度和方向。②GPS。GPS是由衛(wèi)星和GPS接收機(jī)組成，在POS/AV中主要是為相關(guān)軟件提供波段和距離信息。③計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)負(fù)責(zé)處理各種導(dǎo)航數(shù)據(jù)和管理導(dǎo)航信息。④數(shù)據(jù)后處理軟件POSPac。通過(guò)處理POS/AV系統(tǒng)在運(yùn)行中獲得的慣性量測(cè)數(shù)據(jù)、GPS原始數(shù)據(jù)和基準(zhǔn)站的數(shù)據(jù)，該軟件就能夠得到最優(yōu)化的組合導(dǎo)航解。如果運(yùn)用到攝影測(cè)量當(dāng)中，還需要軟件在POSEO模塊解算出每幅影像的外方位元素。

AEROcontrol系統(tǒng)主要由以下3部分組成：①慣性測(cè)量裝置。慣性測(cè)量裝置主要由加速度計(jì)（3個(gè)）、陀螺儀（3個(gè)）和信號(hào)預(yù)處理器組成，在轉(zhuǎn)角和加速度的測(cè)量中具有較高的精度。②GPS。GPS主要用來(lái)接收GPS數(shù)據(jù)。③計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。主要功能是采集未經(jīng)任何處理的IMU和GPS數(shù)據(jù)，并將它們保存在PC卡上用于后處理；協(xié)同GPS、IMU和所用的航空傳感器的時(shí)間同步；將計(jì)算機(jī)裝置實(shí)施組合導(dǎo)航計(jì)算的結(jié)果作為CCNS4的輸入信息。

CCNS4主要是對(duì)AEROcontrol進(jìn)行控制管理，通過(guò)CCNS4，可以控制AEROcontrol系統(tǒng)記錄數(shù)據(jù)，同時(shí)，CCNS能夠監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的記錄，檢測(cè)GPS接收機(jī)運(yùn)行情況和實(shí)時(shí)組合導(dǎo)航計(jì)算的結(jié)果。

后處理軟件AEROoffice提供了處理和評(píng)定所采集數(shù)據(jù)所需的全部功能，除了提供DGPS/IMU的組合Kalman濾波功能外，還提供用于將外定向參數(shù)轉(zhuǎn)化到本地繪圖坐標(biāo)系的工具。

2 POS誤差來(lái)源

利用POS進(jìn)行傳感器對(duì)地定位時(shí)，誤差來(lái)源主要包括以下幾個(gè)方面。

2.1 傳感器位置

傳感器的安放是一項(xiàng)非常重要的工作，會(huì)影響到整個(gè)系統(tǒng)的性能。對(duì)于傳感器的安放位置，要符合下面兩個(gè)條件：①檢校誤差對(duì)傳感器間偏移改正的影響最??；②傳感器之間不能有任何微小的位移。為此，可以通過(guò)縮小傳感器之間的距離來(lái)改善第一個(gè)條件的影像，但是后者相對(duì)來(lái)說(shuō)更難克服。

2.2 時(shí)間同步

因?yàn)镻OS是GPS和慣性測(cè)量系統(tǒng)集成應(yīng)用，所以GPS可以不斷接收外部數(shù)據(jù)，以此就能在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中修正慣性測(cè)量裝置，這樣就能夠控制隨時(shí)間積累的誤差。但同時(shí)GPS在動(dòng)態(tài)環(huán)境中會(huì)遇到周跳和信號(hào)失鎖的問(wèn)題，這可以通過(guò)短時(shí)間內(nèi)高精度的慣性量測(cè)信息得到解決，并且還能夠幫助GPS接收機(jī)提高抗干擾的能力，使得其跟蹤和捕獲衛(wèi)星信號(hào)的能力增強(qiáng)。但是，正常情況下要做到GPS與慣性測(cè)量系統(tǒng)之間時(shí)間同步的難度是很大的，首要問(wèn)題就是對(duì)GPS數(shù)據(jù)和慣性裝置量測(cè)數(shù)據(jù)的同步使用，兩個(gè)系統(tǒng)之間的時(shí)間同步性要求會(huì)伴隨著精度要求的提高而提高，如果不能恰當(dāng)?shù)靥幚磉@個(gè)問(wèn)題，它將成為一個(gè)嚴(yán)重的誤差源，因?yàn)樗苯佑绊懼d體的運(yùn)行軌跡，從而影響外方位元素的確定。

2.3 初始校正

初始校正處理一般在測(cè)量之前完成，是將慣性系統(tǒng)通過(guò)旋轉(zhuǎn)矩陣把自身體系轉(zhuǎn)換到地面水平體系的過(guò)程，通常包括粗校正和精確校正兩個(gè)階段。粗校正是通過(guò)傳感器的原始輸出數(shù)據(jù)和單一地考慮地球旋轉(zhuǎn)及重力場(chǎng)假設(shè)模型來(lái)近似估計(jì)姿態(tài)參數(shù)。由于低精度的慣性系統(tǒng)不能在靜態(tài)環(huán)境中校正，因此可以通過(guò)飛機(jī)運(yùn)動(dòng)來(lái)獲得更優(yōu)化的對(duì)準(zhǔn)精度。飛機(jī)的運(yùn)動(dòng)如果能夠帶來(lái)足夠大的水平加速度，那么未對(duì)準(zhǔn)誤差的不確定性將可以通過(guò)速度誤差迅速觀測(cè)出來(lái)，并且能夠根據(jù)DGPS的速度更新利用Kalman濾波估計(jì)出其大小。

2.4 系統(tǒng)檢校

由于直接傳感器定向沒(méi)有利用地面控制點(diǎn)，而是借助投影中心外推得到地面點(diǎn)坐標(biāo)，所以校正系統(tǒng)是不可缺少的一項(xiàng)工作。得到的地面點(diǎn)坐標(biāo)精度主要取決于系統(tǒng)校正的精確程度。系統(tǒng)校正主要包括單傳感器校正和傳感器之間的校正。

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〔編輯：王霞〕