定位定向系統詳細介紹

楊惠晨　傅林華　萬文韜

摘 要：定位定向系統（POS）主要由慣性導航系統和DGPS技術組成，在輪船、飛機和導彈的定位導航中得到廣泛的應用，其主要用途就是獲取移動物體的三軸姿態信息和位置。介紹了兩種POS，并分析了POS的主要誤差來源及誤差控制方法。

關鍵詞：POS；數據處理；傳感器；系統校正

中圖分類號：TN967.1 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.13.117

在數字遙感技術飛速發展、遙感對定位技術的要求不斷提高的背景下，由DGPS/IMU集成的定位定向技術得到了人們的重視。

POS相比于慣性系統和普通的GPS導航系統具有很強的導航定位能力這一優勢。普通的GPS不能直接獲得傳感器的姿態信息，且單位時間內輸出的數據比較少，因而在高動態環境中的可靠性較差，而慣性測量裝置雖然能夠測得位置、姿態、速度、角速度和加速度等導航參數，但是隨著時間推移，其誤差也會逐漸增大，因此，POS組合定位系統彌補了兩者的缺陷，實現了遙感影像的直接地理定位。

1 POS介紹

目前廣泛運用的兩種POS是加拿大的POS/AV系統和德國的AEROcontrol系統。

POS/AV系統由4部分組成；①慣性測量系統（IMU）。慣性測量系統主要包括加速計（3個）、陀螺儀（3個）、數字化電路和一個中央處理器。通過陀螺儀和加速計就可以測得速度和角度的增率，再在計算機系統的輔助下，就能夠獲取相對于地球的位置、速度和方向。②GPS。GPS是由衛星和GPS接收機組成，在POS/AV中主要是為相關軟件提供波段和距離信息。③計算機系統。計算機系統負責處理各種導航數據和管理導航信息。④數據后處理軟件POSPac。通過處理POS/AV系統在運行中獲得的慣性量測數據、GPS原始數據和基準站的數據，該軟件就能夠得到最優化的組合導航解。如果運用到攝影測量當中，還需要軟件在POSEO模塊解算出每幅影像的外方位元素。

AEROcontrol系統主要由以下3部分組成：①慣性測量裝置。慣性測量裝置主要由加速度計（3個）、陀螺儀（3個）和信號預處理器組成，在轉角和加速度的測量中具有較高的精度。②GPS。GPS主要用來接收GPS數據。③計算機系統。主要功能是采集未經任何處理的IMU和GPS數據，并將它們保存在PC卡上用于后處理；協同GPS、IMU和所用的航空傳感器的時間同步；將計算機裝置實施組合導航計算的結果作為CCNS4的輸入信息。

CCNS4主要是對AEROcontrol進行控制管理，通過CCNS4，可以控制AEROcontrol系統記錄數據，同時，CCNS能夠監控數據的記錄，檢測GPS接收機運行情況和實時組合導航計算的結果。

后處理軟件AEROoffice提供了處理和評定所采集數據所需的全部功能，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轉化到本地繪圖坐標系的工具。

2 POS誤差來源

利用POS進行傳感器對地定位時，誤差來源主要包括以下幾個方面。

2.1 傳感器位置

傳感器的安放是一項非常重要的工作，會影響到整個系統的性能。對于傳感器的安放位置，要符合下面兩個條件：①檢校誤差對傳感器間偏移改正的影響最小；②傳感器之間不能有任何微小的位移。為此，可以通過縮小傳感器之間的距離來改善第一個條件的影像，但是后者相對來說更難克服。

2.2 時間同步

因為POS是GPS和慣性測量系統集成應用，所以GPS可以不斷接收外部數據，以此就能在運動過程中修正慣性測量裝置，這樣就能夠控制隨時間積累的誤差。但同時GPS在動態環境中會遇到周跳和信號失鎖的問題，這可以通過短時間內高精度的慣性量測信息得到解決，并且還能夠幫助GPS接收機提高抗干擾的能力，使得其跟蹤和捕獲衛星信號的能力增強。但是，正常情況下要做到GPS與慣性測量系統之間時間同步的難度是很大的，首要問題就是對GPS數據和慣性裝置量測數據的同步使用，兩個系統之間的時間同步性要求會伴隨著精度要求的提高而提高，如果不能恰當地處理這個問題，它將成為一個嚴重的誤差源，因為它直接影響著載體的運行軌跡，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量之前完成，是將慣性系統通過旋轉矩陣把自身體系轉換到地面水平體系的過程，通常包括粗校正和精確校正兩個階段。粗校正是通過傳感器的原始輸出數據和單一地考慮地球旋轉及重力場假設模型來近似估計姿態參數。由于低精度的慣性系統不能在靜態環境中校正，因此可以通過飛機運動來獲得更優化的對準精度。飛機的運動如果能夠帶來足夠大的水平加速度，那么未對準誤差的不確定性將可以通過速度誤差迅速觀測出來，并且能夠根據DGPS的速度更新利用Kalman濾波估計出其大小。

2.4 系統檢校

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

參考文獻

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〔編輯：王霞〕