楊惠晨　傅林華　萬文韜

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：TN967.1 文獻標(biāo)識碼：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)具有很強的導(dǎo)航定位能力這一優(yōu)勢。普通的GPS不能直接獲得傳感器的姿態(tài)信息，且單位時間內(nèi)輸出的數(shù)據(jù)比較少，因而在高動態(tài)環(huán)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(tài)、速度、角速度和加速度等導(dǎo)航參數(shù)，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(tǒng)彌補了兩者的缺陷，實現(xiàn)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(tǒng)和德國的AEROcontrol系統(tǒng)。

POS/AV系統(tǒng)由4部分組成；①慣性測量系統(tǒng)（IMU）。慣性測量系統(tǒng)主要包括加速計（3個）、陀螺儀（3個）、數(shù)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(tǒng)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(wèi)星和GPS接收機組成，在POS/AV中主要是為相關(guān)軟件提供波段和距離信息。③計算機系統(tǒng)。計算機系統(tǒng)負責(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。通過處理POS/AV系統(tǒng)在運行中獲得的慣性量測數(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。如果運用到攝影測量當(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(yù)處理器組成，在轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)。③計算機系統(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間同步；將計算機裝置實施組合導(dǎo)航計算的結(jié)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(tǒng)記錄數(shù)據(jù)，同時，CCNS能夠監(jiān)控數(shù)據(jù)的記錄，檢測GPS接收機運行情況和實時組合導(dǎo)航計算的結(jié)果。

后處理軟件AEROoffice提供了處理和評定所采集數(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(tǒng)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?。虎趥鞲衅髦g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(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(tài)環(huán)境中會遇到周跳和信號失鎖的問題，這可以通過短時間內(nèi)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(wèi)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(tǒng)之間時間同步的難度是很大的，首要問題就是對GPS數(shù)據(jù)和慣性裝置量測數(shù)據(jù)的同步使用，兩個系統(tǒng)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(dāng)?shù)靥幚磉@個問題，它將成為一個嚴(yán)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(tǒng)通過旋轉(zhuǎn)矩陣把自身體系轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)和單一地考慮地球旋轉(zhuǎn)及重力場假設(shè)模型來近似估計姿態(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，因此可以通過飛機運動來獲得更優(yōu)化的對準(zhǔn)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(zhǔn)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(jù)DGPS的速度更新利用Kalman濾波估計出其大小。

2.4 系統(tǒng)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(biāo)，所以校正系統(tǒng)是不可缺少的一項工作。得到的地面點坐標(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。

參考文獻

[1]許驥.POS數(shù)據(jù)輔助立體影像自動量測[D].武漢：武漢大學(xué)，2005.

[2]陳春華.基于POS觀測值的立體匹配[D].北京：中國地質(zhì)大學(xué)，2006.

[3]張恒.國產(chǎn)POS與SWDC-4A集成檢校的研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2013.

[4]馬紅濤，顧行發(fā)，余濤，等.一種航空遙感影像快速鑲嵌方法初探[J].微計算機信息，2009（25）：201-203.

[5]方紅衛(wèi)，張耀.POS系統(tǒng)輔助航空攝影應(yīng)用初探[J].科技信息（學(xué)術(shù)研究），2008（26）：252-254.

〔編輯：王霞〕