緊耦合直接地理定位技術(shù)精度分析與應(yīng)用

陳 潔，李 京，杜 磊，韓亞超

(1. 中國國土資源航空物探遙感中心，北京 100083; 2. 中國科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所，北京 100101)

緊耦合直接地理定位技術(shù)精度分析與應(yīng)用

陳 潔1，2，李 京1，杜 磊1，韓亞超1

(1. 中國國土資源航空物探遙感中心，北京 100083; 2. 中國科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所，北京 100101)

基于機(jī)載POS輔助的直接地理定位系統(tǒng)，可得到平面與高程分別優(yōu)于10和15 cm的中誤差成果。但這一過程的實(shí)現(xiàn)對飛行環(huán)境和地面基站的依賴度較高，在實(shí)際工作中，不僅降低了生產(chǎn)效率，還增加了工作成本?；谔摂M參考基站理論和慣導(dǎo)輔助動態(tài)模糊度解算技術(shù)的緊耦合直接地理定位技術(shù)，擺脫了對飛行條件和基站距離的限制，在衛(wèi)星失鎖、地面基站距離超過70 km和無基站的情況下，仍能獲取滿足精度的解算結(jié)果。本文采用該技術(shù)對遼寧沈陽城區(qū)進(jìn)行了高分辨率的數(shù)字航空遙感工作，通過對其數(shù)據(jù)的解算結(jié)果顯示，采用機(jī)載POS緊耦合方案得到的數(shù)據(jù)精度要明顯優(yōu)于松散組合，在無基站的情況下采用的緊耦合單點(diǎn)精密解算所得到的成果也能滿足相應(yīng)的成果規(guī)范。

機(jī)載POS；緊耦合；慣導(dǎo)輔助動態(tài)模糊度解算；虛擬參考站

機(jī)載POS系統(tǒng)可同時獲取移動目標(biāo)三維位置和三軸姿態(tài)信息[1-2]，它一方面克服了GPS因信號屏蔽或遮擋無法定位的問題，另一方面也修正了INS因時間累計(jì)而產(chǎn)生的漂移誤差，其集成性能優(yōu)于各自獨(dú)立系統(tǒng)[3]。按照信息交換或組合程度的差異，機(jī)載POS可分為緊耦合和松散組合兩種基本組合模式。

松散組合是利用Kalman濾波技術(shù)對GPS信號求最優(yōu)解，再以此最優(yōu)解修正INS的漂移誤差，其優(yōu)點(diǎn)在于實(shí)施方案簡單，易于實(shí)現(xiàn)，通常可獲得厘米級的定位精度。但在測量過程中，飛行器與衛(wèi)星參考站之間必須保持不間斷的通信連接，相互間的基線距離越大，對大氣延遲效應(yīng)的糾正精度越低。因此機(jī)載POS的松散組合方式受飛行器運(yùn)動速度、環(huán)境遮擋和運(yùn)行時間等因素影響較大，可靠性和抗干擾能力有待進(jìn)一步提高。為了克服松散組合的上述不足，國內(nèi)外學(xué)者從20世紀(jì)90年代開始進(jìn)行緊耦合模式的研究，Casper等[4]系統(tǒng)地介紹了緊耦合的概念和構(gòu)建方式；Jan W等[5]闡明了緊耦合相比于松散組合的系統(tǒng)優(yōu)勢；周坤芳等[6]介紹了緊耦合POS系統(tǒng)的特性及其關(guān)鍵技術(shù)；羅大成等[7]對該技術(shù)進(jìn)行了仿真研究和成果分析。上述文獻(xiàn)均表明，緊耦合直接地理定位技術(shù)具有受環(huán)境干擾小、測量精度高和導(dǎo)航定位能力強(qiáng)的特點(diǎn)。本文基于該技術(shù)，運(yùn)用虛擬參考基站(virtual reference station，VRS)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)和慣導(dǎo)輔助實(shí)時動態(tài)測量(inertially-aided real time kinematic，IARTK)方法，完成了對沈陽城區(qū)機(jī)載POS數(shù)據(jù)的解算，對其結(jié)果的分析可以得出，緊耦合組合模式的成果精度即使在地面基站較少、相距較遠(yuǎn)的情況下，仍能得到很好的精度；在無基站情況下使用單點(diǎn)定位解算，精度也能符合規(guī)范要求。

1 關(guān)鍵技術(shù)

1.1 VRS理論

GPS的定位精度是機(jī)載POS成果優(yōu)劣的重要指標(biāo)，其定位精度主要受限于系統(tǒng)誤差，此誤差效果不能通過差分計(jì)算完全消除，其理論值尺度表現(xiàn)為目標(biāo)與參考站兩者間基線長度的百萬分之一。如需得到厘米級的解算精度，目標(biāo)與參考站之間的距離不得超過30 km?；€長度的限制使得航空遙感測量的機(jī)載數(shù)據(jù)載波相位差分的精度往往不高，在進(jìn)行大范圍的航空遙感時這種不足體現(xiàn)得尤為顯著。

為了在擺脫短基線限制的同時保證獲取數(shù)據(jù)的可靠性和高精度，增強(qiáng)機(jī)載POS系統(tǒng)的實(shí)用性，緊耦合引入了虛擬參考站——VRS理論[8]。其主要思想是：利用現(xiàn)有的地面參考站建立一個專屬的網(wǎng)絡(luò)，通過對網(wǎng)絡(luò)中所有參考站觀測值的聯(lián)合解算得到系統(tǒng)誤差的糾正參數(shù)，通過內(nèi)插算法產(chǎn)生一套全新的更準(zhǔn)確的觀測數(shù)據(jù)，一旦有待觀測目標(biāo)進(jìn)入該VRS網(wǎng)絡(luò)范圍，即用修正后的觀測值對目標(biāo)的機(jī)載POS數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差糾正。建立VRS的主要優(yōu)勢在于：①基線長度可以大于30 km；②求解固定整周模糊度的時間大幅度縮減，可靠性增強(qiáng)；③減少甚至避免了地面基站的架設(shè)。

圖1所示是由4個GNSS參考基站組成的VRS網(wǎng)。淺灰色區(qū)域(區(qū)域1)表示當(dāng)觀測目標(biāo)位于該范圍內(nèi)時，相當(dāng)于有一個無形的虛擬基站位于其中，其系統(tǒng)誤差不隨它與參考站之間的距離增大而增加，而是穩(wěn)定在相當(dāng)于30 km基線長度的百萬分之一尺度范圍內(nèi)(近似于RMS=3～10 cm)。區(qū)域1內(nèi)的誤差值大小，只取決于組成VRS網(wǎng)的參考基站密度、聯(lián)合解算精度、各參考站觀測值質(zhì)量和獲取數(shù)據(jù)時的大氣活躍度。當(dāng)利用VRS技術(shù)獲取的數(shù)據(jù)精度與30 km基線長度時相當(dāng)時，飛行器與最近一個參考站的距離可延伸至70 km。在某些不需要很高精度的航空遙感測量中，即使基線距離超過70 km，仍可以獲得整周模糊度的解，但前提條件是需在70 km基線范圍內(nèi)保持一段時間的觀測以進(jìn)行模糊度糾正的初始化工作，之后當(dāng)最短基線長度為100 km時，其均方差精度約為10～15 cm。當(dāng)最短基線超過100 km時，解算精度將大幅度下降。

圖1 虛擬參考站理論示意圖

對于同樣一組機(jī)載POS數(shù)據(jù)，首先使用由4個參考基站組成的VRS，飛行器與參考站間的基線長度為77～95 km；再利用傳統(tǒng)的解算方案，基線平均長度為25 km，最大距離不超過45 km。兩種解算方案的結(jié)果對比如圖2所示，實(shí)踐證明采用VRS理論的解算結(jié)果與傳統(tǒng)手段的結(jié)果有較好的一致性。但需要強(qiáng)調(diào)的是，在使用前者時其基線長度是后者的3～4倍。

圖2 采用VRS理論與傳統(tǒng)解算方案結(jié)果對比

1.2 慣導(dǎo)輔助動態(tài)模糊度解算(IAKAR)

INS的原理是通過整合在慣性測量單元中的加速度計(jì)數(shù)器和陀螺儀，以非常高的頻率記錄速度和方位角度變化，進(jìn)行位置、速度和角度信息的計(jì)算，其精度主要受時間累計(jì)誤差的影響。因此人們提出了GPS輔助INS的測量方法，其中的GPS+INS松散組合原理結(jié)構(gòu)如圖3(a)所示。它的關(guān)鍵組成部分在于Kalman濾波對GPS觀測值的糾正，運(yùn)用最小二乘回歸算法來估計(jì)INS的測量誤差并進(jìn)行修正，并輸出結(jié)果，其精度通?？蛇_(dá)1～10 cm。松散組合形式對GPS信號的依賴程度很高，當(dāng)GPS信號失鎖時，將嚴(yán)重影響其成果精度。由于地球自轉(zhuǎn)率矢量的水平投影實(shí)際上是隨緯度的升高而減小的，這也對INS的解算結(jié)果(特別是北方向的)產(chǎn)生了影響。上述不足嚴(yán)重制約了GPS+INS松散組合方式作為高精度遙感手段在實(shí)踐中的應(yīng)用。

緊耦合組合通過更深層次的GPS+INS集成和誤差控制手段，較好地克服了松散組合的種種缺陷，為獲取穩(wěn)定而又高精度的定位定向數(shù)據(jù)提供了新的技術(shù)解決方案。圖3(b)顯示了緊耦合的結(jié)構(gòu)框架，它與松散組合的最大不同之處在于擁有一個處理初始觀測數(shù)據(jù)的Kalman濾波單元。松散組合的Kalman濾波是處理機(jī)載GPS的定位結(jié)果，當(dāng)衛(wèi)星失鎖時無GPS定位信息輸出，Kalman濾波器不工作；而緊耦合則直接處理接收機(jī)所獲取的偽距和相位信息，當(dāng)GPS失鎖或可見衛(wèi)星數(shù)目少于4顆時，Kalman濾波器仍對機(jī)載接收機(jī)輸出的偽距和載波相位信號進(jìn)行處理。緊耦合的另一關(guān)鍵技術(shù)是有一個與Kalman濾波器相連的模糊度評價和解算單元，它利用INS數(shù)據(jù)來輔助計(jì)算初始模糊度的解，并當(dāng)GPS信號失鎖時，確保該解仍處于穩(wěn)定狀態(tài)。這種技術(shù)在對機(jī)載POS觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理時稱之為IAKAR，該方法在衛(wèi)星失鎖條件下可保持厘米級的定位精度，在有足夠可見衛(wèi)星時能在數(shù)秒內(nèi)恢復(fù)整周模糊度的解，從而使定位精度迅速提升至1～2 cm的級別，后處理運(yùn)算時會對數(shù)據(jù)進(jìn)行前向和后向兩次解算過程，以確保因衛(wèi)星失鎖時相位信息丟失而造成的模糊度解誤差得到更好的重建和糾正。此外，緊耦合還集成了GPS方位角測量系統(tǒng)修正北方向的地球自轉(zhuǎn)率問題，距離測量指示系統(tǒng)作為輔助信息源抑制INS系統(tǒng)誤差。上述理論和技術(shù)的成功集成，使機(jī)載POS緊耦合在惡劣環(huán)境下仍可獲得較好的定位效果。

圖3 松散組合和緊耦合原理結(jié)構(gòu)框架示意圖

2 應(yīng)用與分析

2.1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

工作區(qū)位于遼寧省沈陽市四環(huán)及周邊地區(qū)，利用UCXP航空數(shù)碼相機(jī)獲取了19個架次的航空遙感數(shù)據(jù)，影像地面分辨率優(yōu)于5 cm，機(jī)載POS使用Applanix公司的POS AV510，后處理軟件為POSPac MMS V6.2版本。地面由5個CORS站構(gòu)建VRS網(wǎng)，為保證數(shù)據(jù)完整性，在沈陽市區(qū)內(nèi)還人工架設(shè)了一臺地面基站，編號SYJZ，采樣間隔1 s。5個CORS站有3個位于測區(qū)范圍外，距離工作區(qū)最近距離6 km，最遠(yuǎn)距離95 km。

2.2 技術(shù)方案

對采集的機(jī)載POS數(shù)據(jù)，采用緊耦合方式進(jìn)行處理，得到每張影像的像主點(diǎn)外方位元素，利用該成果對精度驗(yàn)證樣區(qū)進(jìn)行空中三角測量，通過立體測量得到驗(yàn)證區(qū)內(nèi)30個檢查點(diǎn)的三維坐標(biāo)信息，將該測量值與地面實(shí)測值進(jìn)行對比分析，評價總體誤差精度。同時，為了體現(xiàn)緊耦合技術(shù)的優(yōu)勢，同時運(yùn)用松散組合和精密單點(diǎn)定位技術(shù)解算精度驗(yàn)證樣區(qū)的影像外方位元素，與緊耦合結(jié)果進(jìn)行對比，并參照相關(guān)的規(guī)范分析成果能滿足的最大成圖比例尺精度。

2.3 結(jié)果分析

運(yùn)用緊耦合方法對工作區(qū)所有架次的機(jī)載POS、地面基站數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)合解算，經(jīng)檢校后的位置和速度差分結(jié)果如圖4所示(列舉第20140501架次)。

圖4 第20140501架次位置和速度差分解算精度

從圖4中可以看出，平面位置中誤差小于0.05 m，高程中誤差小于0.1 m，速度中誤差小于0.03 m/s，滿足規(guī)范[9]中1∶500比例尺成圖精度要求，可以進(jìn)行定位定向成果輸出。

在工作區(qū)西南角選取由4條相鄰航線、每條航線上10個像對組成精度驗(yàn)證樣區(qū)，樣區(qū)內(nèi)均勻分布30個檢查點(diǎn)，將由緊耦合方式解算出的成果引入空三工程，進(jìn)行基于POS成果的光束法空三嚴(yán)密平差，將平差計(jì)算后在立體模型下量測外業(yè)檢查點(diǎn)的三維坐標(biāo)與驗(yàn)證區(qū)實(shí)測坐標(biāo)進(jìn)行對比，得到平面中誤差為0.61 m，高程中誤差為0.3 m。

根據(jù)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)[10]中的精度指標(biāo)，平面中誤差基本滿足1∶500比例尺0.6 m的規(guī)范要求，高程中誤差符合丘陵地區(qū)1∶500比例尺0.4 m的成圖要求。工作區(qū)西南角的精度驗(yàn)證區(qū)，以農(nóng)耕用地和鄉(xiāng)鎮(zhèn)為主，利用緊耦合直接地理定位技術(shù)得到的外方位元素，平面精度基本滿足相應(yīng)地形的規(guī)范要求，但高程精度不滿足。值得注意的是，在進(jìn)行精度驗(yàn)證樣區(qū)的空三加密工作中，未引入任何的地面控制點(diǎn)參與。因此將30個檢查點(diǎn)中4個分布在樣區(qū)四角點(diǎn)和1個位于樣區(qū)中間的點(diǎn)，作為已知點(diǎn)再次進(jìn)行空三解算并與剩余檢查點(diǎn)進(jìn)行對比分析，其結(jié)果為平面中誤差0.4 m，高程中誤差0.18 m。該結(jié)果說明，在緊耦合直接地理定位定向結(jié)果的基礎(chǔ)上，只需少量的地面控制點(diǎn)參與即可滿足大比例尺成圖的精度要求。

同時，筆者利用相同的數(shù)據(jù)，進(jìn)行了緊耦合、松散組合和精密單點(diǎn)定位(precise point positioning，PPP)3種解算方式的機(jī)載POS數(shù)據(jù)預(yù)處理計(jì)算，其對比情況見表1。

表1 3種機(jī)載POS數(shù)據(jù)預(yù)處理方式解算結(jié)果對比

由表1數(shù)據(jù)可見，在平面、高程和速度方向上，緊耦合方式的解算精度要明顯優(yōu)于其他兩種解算方案，采用精密單點(diǎn)定位的結(jié)果在尺度上比緊耦合方式低2～3倍，但其精度仍符合1∶10 000比例尺的相關(guān)指標(biāo)要求[9]，在對成果精度要求不高、工作區(qū)無法進(jìn)行基站布設(shè)時，可采用該種方式進(jìn)行快速影像圖制作。

3 結(jié) 論

(1) 通過對比分析，緊耦合組合方式擺脫了松散組合的各種條件限制，具有受環(huán)境影響小、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)系統(tǒng)檢校后的成果可直接進(jìn)行大比例尺成圖作業(yè)，若能在工作區(qū)周邊布設(shè)少量地面控制點(diǎn)，則可進(jìn)一步提高成圖精度。為大范圍高效率獲取優(yōu)質(zhì)機(jī)載POS成果奠定了技術(shù)基礎(chǔ)，是今后GPS+INS組合的主要研究和發(fā)展方向。

(2) POS數(shù)據(jù)擁多種數(shù)據(jù)解算方式，成果精度方面，緊耦合方式最佳，松散組合次之，精密單點(diǎn)定位方式最弱。

(3) 國內(nèi)緊耦合技術(shù)的推廣主要受限于地面參考基站的數(shù)據(jù)共享問題，各地方的數(shù)據(jù)不能直接通過網(wǎng)絡(luò)下載，獲取程序較為繁瑣，故人工架設(shè)地面基站還是目前最普遍的方式，人工地面基站受其數(shù)目和觀測時間的影響，在一定程度上降低了最終成果的精度指標(biāo)。

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ApplicationandPrecisionAnalysisofTightCouplingDirectGeoreferencingMethod

CHEN Jie1，2, LI Jing1, DU Lei1, HAN Yachao1

(1. China Aero Geophysical Survey and Remote Sensing Center for Land and Resources, Beijing 100083, China; 2. Institute of Remote Sensing and Digital Earth,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100101, China)

The direct georeferencing method， based on airborne POS-supported system, provides mean square errors with the plane and elevation less than 10 and 15 cm respectively. However, to achieve such precision, the airborne data acquiring process has to meet a series of relatively strict standards. The tight coupling direct georeferencing method that based on virtual reference station and inertially-aided real time kinematic overcomes the restrictions on the flight conditions and the base station distance. Even in the case of satellite unlock, ground base station distance over 70 km and no base station, it can still obtain the results met the accuracy.This paper adopts the tight coupling direct georeferencing method to carry out the high-precision digital aerial remote sensing application in urban Shenyang city, Liaoning Province, China. Results show that the accuracy of the data obtained by the airborne POS based on tight coupling scheme is better than that of the loose combination.And the results obtained by the tight coupling precise point positioning solution can also meet the relevant standards.

airborne POS; tight coupling; INS-aided kinematic ambiguity resolution; virtual reference station

P228

A

0494-0911(2017)01-0093-04

陳潔，李京，杜磊,等.緊耦合直接地理定位技術(shù)精度分析與應(yīng)用[J].測繪通報(bào)，2017(1)：93-96.

10.13474/j.cnki.11-2246.2017.0020.

2016-03-02；

2016-05-28

中國地質(zhì)調(diào)查局航遙中心項(xiàng)目 (121201003000150020；2002031443130)

陳 潔(1980—)，男,碩士,高級工程師,主要從事航空攝影、數(shù)據(jù)處理及遙感地質(zhì)應(yīng)用研究。E-mail：6592296@qq.com