李 彬，范 琳

（1.青海省基礎地理信息中心，青海 西寧 810001；2.青海省地理空間信息技術與應用重點實驗室，青海 西寧 810001；3.青海省第二測繪院，青海 西寧 810001）

隨著測繪與地理信息系統(tǒng)（GIS）對地理空間信息數(shù)據(jù)準確性和及時性要求不斷提高，為滿足以較低的成本，獲取比傳統(tǒng)測繪更多、更全的空間地理信息數(shù)據(jù)，而又保證測量精度要求，移動測量技術應運而生。自1990年第一臺車載移動測量系統(tǒng)GPSVan問世至今，車載移動測量技術已歷經(jīng)20多年發(fā)展。2006年李德仁院士指出:“車載移動測量系統(tǒng)是當今測繪界最為前沿的科學技術之一，代表著未來道路電子地圖測繪領域的發(fā)展主流”[1]。因車載移動測量能高效、高精度地快速獲取行進軌跡兩側三維地理信息數(shù)據(jù)，目前已廣泛應用于城市三維建模、大比例尺測圖、城市部件普查、公路建模、竣工測量、礦山測量等項目[2-4]，系統(tǒng)定姿定位精度引起生產(chǎn)單位的重視。如何保證車載移動測量系統(tǒng)在城市峽谷、GNSS信號干擾等復雜環(huán)境下POS精度，有效減少數(shù)據(jù)重復采集獲取工作量，成為各生產(chǎn)單位必須解決的問題。

1 車載移動測量系統(tǒng)

車載移動測量系統(tǒng)（MMS）將多個傳感器集成于車載移動平臺，在基于時間同步的條件下，以實時導航或后處理方式提供連續(xù)導航定位信息，內(nèi)業(yè)多傳感器數(shù)據(jù)融合處理后獲取三維地理空間數(shù)據(jù)的測量系統(tǒng)。系統(tǒng)所配載的定位定姿傳感器主要包括GNSS全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)、INS慣性導航系統(tǒng)、GAMS方位測量子系統(tǒng)和DMI距離測量指示器等設備，其核心部件是GNSS系統(tǒng)和INS慣導系統(tǒng)。慣導系統(tǒng)是利用加速度計、陀螺儀等慣性元件測定載體運動期間慣性坐標系下加速度、角速度信息，通過積分計算獲得運動載體位置和速度等數(shù)據(jù)。IMU慣性測量單元反映INS慣性導航系統(tǒng)狀態(tài)，包含3個加速度計和3個陀螺儀。加速度計測定運動載體在慣性空間坐標系中的線性加速度，陀螺儀測定慣性導航設備運動的旋轉角度。慣導系統(tǒng)有平臺式慣導系統(tǒng)和捷聯(lián)式慣導系統(tǒng)[5]。平臺式慣導系統(tǒng)將慣性測量設備安裝于慣性平臺，系統(tǒng)精度高，但結構復雜、體積龐大、使用壽命短等缺點使其很難在民用領域應用。捷聯(lián)式慣導系統(tǒng)將慣性測量設備直接安裝在移動載體上，以數(shù)字計算代替平臺模擬跟蹤，有效提升系統(tǒng)精度、性能和可靠性，目前已廣泛應用于民用領域[6]。

2 定姿定位基本原理

定姿定位系統(tǒng)(position and orientation system)以GNSS/INS技術為核心，通過卡爾曼濾波對獲取的原始導航定位數(shù)據(jù)建立誤差方程進行誤差估計和修正，以實時解算或者后期處理方式來計算運動載體空間位置與姿態(tài)。GNSS系統(tǒng)連續(xù)、全天候提供高精度的時間、空間和速度信息；INS慣導系統(tǒng)通過慣性傳感元件獲取運動載體的位置、速度和姿態(tài)信息，抗干擾能力強，數(shù)據(jù)采樣率高，短期精度和穩(wěn)定性好。結合GNSS和INS技術，利用高精度GNSS定位信息來修正INS的系統(tǒng)漂移，通過INS采樣數(shù)據(jù)來彌補GNSS系統(tǒng)采樣率不足，最終獲得高精度和高采樣率運動軌跡。定姿定位系統(tǒng)傳感器測量值包含隨機誤差部分狀態(tài)和系統(tǒng)部分狀態(tài)的線性組合（濾波中物理量稱為狀態(tài)），需對觀測量進行最優(yōu)估計[7]?？柭鼮V波是遞推線性最小方差估計，通過建立空間狀態(tài)數(shù)學模型，將GNSS誤差、加速度計零偏和陀螺儀漂移等作為狀態(tài)矢量，以INS觀測量和GNSS觀測量作為量測修正信息，組成GNSS/INS組合導航的狀態(tài)方程，通過解算誤差狀態(tài)不斷校準修正系統(tǒng)，獲得高精度組合導航解。卡爾曼濾波算法不需要存儲所有觀測數(shù)據(jù)，僅根據(jù)前一次估計和新的觀測數(shù)據(jù)計算更新估計獲取精確軌跡導航解，較傳統(tǒng)導航定位算法有更高效、快捷的優(yōu)勢。

3 車載定姿定位系統(tǒng)組合導航策略及In-Fusion技術

車載定姿定位系統(tǒng)（POS LV）組合導航是通過高性能計算機對GNSS系統(tǒng)觀測數(shù)據(jù)和INS系統(tǒng)傳感器獲取的高采樣率位置、速度、姿態(tài)數(shù)據(jù)，通過不同的組合策略進行實時解算，獲取不同精度的實時導航解。

3.1 車載定姿定位系統(tǒng)組合策略

車載定姿定位系統(tǒng)（POS LV）根據(jù)不同傳感器數(shù)據(jù)組合解算方式分為如下三類組合策略：非耦合組合方式、松組合方式和緊組合方式[8]。

1）非耦合組合方式：將獲取的GNSS全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)、INS慣性導航系統(tǒng)原始觀測數(shù)據(jù)分別輸入卡爾曼濾波器，獲取單一、低精度導航解，GNSS系統(tǒng)和INS系統(tǒng)數(shù)據(jù)間無反饋。非耦合組合方式雖然算法簡單、易實現(xiàn)，但由于定位精度低，不適合在車載定姿定位系統(tǒng)中使用。

2）松組合方式：將GNSS全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)獲取的觀測數(shù)據(jù)處理成位置、速度信息輸入卡爾曼濾波器，通過最小二乘估計改正INS慣性導航數(shù)據(jù)，并將GNSS和INS參數(shù)值輸入組合處理器中，獲取單一組合導航解。

3）緊組合方式：GNSS給INS提供精確的位置和速度信息，以修正INS系統(tǒng)漂移，控制誤差累積；INS給GNSS提供實時位置和速度信息來估計模糊度，構建觀測誤差方程，輸入卡爾曼濾波器，通過組合處理獲取精確的導航解。緊組合方式組合導航策略廣泛應用于車載定姿定位系統(tǒng)。

3.2 In-Fusion 緊組合技術

IN-Fusion技術采用GNSS輔助INS緊組合處理解算方式，通過建立深度傳感器組合和誤差模型，顯著減少或消除標準組合的限制，獲取更優(yōu)定位精度和更高可靠性的導航定位。其實時處理解算稱為慣性輔助實時動態(tài)定位（IARTK），后處理解算稱為輔助動態(tài)整周模糊度解算(IAKAR)[9]。

慣性輔助實時動態(tài)定位（IARTK）技術中卡爾曼濾波不直接處理GNSS接收機偽距和載波相位觀測值，而是通過導航濾波器[10]。在只能接收到3顆及以下GNSS數(shù)據(jù)下，即使不能獲取導航定位解，也持續(xù)接收GNSS觀測值，與INS慣導數(shù)據(jù)進行組合解算。GNSS信號中斷期間，集中式卡爾曼濾波器進行模糊度的估計和解算，通過INS慣導數(shù)據(jù)來解算最初的整周未知數(shù)，并保持“記憶”整周未知數(shù)， GNSS導航定位數(shù)據(jù)恢復后IARTK技術幾秒鐘內(nèi)將導航定位精度恢復都1～2 cm。IARTK技術有效保證數(shù)據(jù)中斷期間導航定位的連續(xù)性和準確性，將導航定位精度控制在一個很小的漂移率上，具有單GNSS接收機的車載測量系統(tǒng)不可比擬的精度和可靠性。

輔助動態(tài)整周模糊度解算(IAKAR)算法類似于慣性輔助實時動態(tài)定位（IARTK），在數(shù)據(jù)后處理階段執(zhí)行向前組合差分、向后組合差分、動態(tài)模糊度合并、精密向前組合差分、平滑處理，結合GAMS數(shù)據(jù)和DMI數(shù)據(jù)，能快速計算正確的模糊度，最終輸出軌跡最優(yōu)平滑估計（SBET）。In-Fusion GNSS輔助INS體系框架，如圖1。

圖1 In-Fusion GNSS輔助INS體系框架

4 實驗與分析

為了準確分析車載移動測量系統(tǒng)定姿定位精度，本文選取2016年西寧市城北區(qū)（XNCB）和西寧市城西區(qū)(XNCX)2個任務區(qū)測試數(shù)據(jù)，測試段POS數(shù)據(jù)通過與單基站GNSS數(shù)據(jù)進行緊組合差分后處理，分析測試段數(shù)據(jù)GPS衛(wèi)星失鎖情況、衛(wèi)星幾何分布情況、多路么效應等情況下后處理軌跡精度。同時選取西寧市城西區(qū)（XNCX）測試段數(shù)據(jù)加入GAMS和DMI觀測值進行POS解算，評定數(shù)據(jù)對車載移動測量系統(tǒng)定姿定位精度和穩(wěn)定性的影響。

4.1 XNCB和XNCX測試分析

西寧市城北區(qū)（XNCB）測試段數(shù)據(jù)位于城北區(qū)海湖大道，道路視野開闊，基站選址位于園區(qū)廣場，GNSS接收機測試段可接收有效衛(wèi)星數(shù)目10顆以上，單基線長度小于10 km，滿足Single Base基線解算要求。海湖大道上車輛較少，行車平均時速小于50 km/h。為保證數(shù)據(jù)質(zhì)量，嚴格按照要求進行系統(tǒng)作業(yè)前后對齊、收斂。后處理POS數(shù)據(jù)定位中誤差如圖2，北方向位置中誤差0.88 cm；東方向位置中誤差0.89 cm；高程位置中誤差1.55 cm。在整個測試路段，POS數(shù)據(jù)無GNSS衛(wèi)星數(shù)據(jù)失鎖、無明顯多路么效應影響，衛(wèi)星空間位置精度（PDOP）小于3，XNCB測試段數(shù)據(jù)衛(wèi)星數(shù)及位置精度因子見圖3。平面精度小于1 cm，高程精度小于2 cm，滿足工程測量對POS精度的要求。

圖2 XNCB-定位中誤差

圖3 XNCB-衛(wèi)星數(shù)及位置精度因子

西寧市城西區(qū)（XNCX）測試段數(shù)據(jù)位于城西海湖新區(qū)，測試路段多為城市峽谷。GNSS接收機可接收有效衛(wèi)星數(shù)目10顆以下，部分路段衛(wèi)星顆數(shù)僅為4顆?；疚挥诤：w育場附近，基線長度小于10 km，任務區(qū)內(nèi)車輛較多，行車平均時速小于40 km/h。數(shù)據(jù)后處理POS數(shù)據(jù)定位中誤差如圖4，北方向位置中誤差1.01 cm，東方向位置中誤差0.98 cm，高程位置中誤差3.12 cm。測試路段POS數(shù)據(jù)多次出現(xiàn)GNSS衛(wèi)星數(shù)據(jù)失鎖情況，定位精度出現(xiàn)一定程度下降，XNCX測試段數(shù)據(jù)衛(wèi)星數(shù)及位置精度因子具體見圖5。在445500-445800歷元期間，因接收衛(wèi)星數(shù)量少、空間位置精度差，PDOP值超過5，平面定位中誤差短暫增大，高程方向定位中誤差上升到10 cm以上，但幾分鐘后GNSS信號恢復，定位精度恢復很高的水平。XNCX測試段POS精度基本滿足工作測量精度要求，但對衛(wèi)星嚴重失鎖超過5 min以上的測試段，需對POS數(shù)據(jù)進行糾偏處理等手段以滿足工程測量需要。

圖4 XNCX-定位中誤差

圖5 XNCX-衛(wèi)星數(shù)及位置精度因子

4.2 GAMS和DMI分析

1）GAMS精度分析。GAMS方位測量子系統(tǒng)通過配置雙頻主副天線測量航向，將航向角和慣導數(shù)據(jù)輸入卡爾曼濾波器參與解算，降低GNSS載波相位數(shù)據(jù)噪聲，減小高緯度地區(qū)航向降低對定位精度的影響。因GNSS信號中斷，INS在幾秒鐘內(nèi)重新啟動GAMS精確計算航向，有效提高慣導系統(tǒng)航向精度。當車載移動測量系統(tǒng)通過城市峽谷、建筑信號堵塞或多路么反射嚴重區(qū)域，GAMS航向數(shù)據(jù)參與計算得到低位置漂移的最優(yōu)軌跡估計。XNCX測試段位于城市峽谷地帶，通過選取GAMS數(shù)據(jù)參與POS解算和禁止GAMS數(shù)據(jù)參與POS解算軌跡歷元精度見表1。

表1 XNCX-精度評定表

XNCX測試段POS數(shù)據(jù)加入GAMS數(shù)據(jù)參與計算后，精度無明顯提升。GAMS方位子系統(tǒng)能夠為卡爾曼濾波器提供準確航向觀測值，但不能直接提高后處理軌跡定位精度[11]。

2）DMI精度分析。車載移動測量系統(tǒng)（MMS）配備的距離測量指示器（DMI），測量車輛行進期間旋轉車輪的距離增量，測得加速度控制因GNSS數(shù)據(jù)失鎖造成的INS漂移的位置誤差，對定姿定位系統(tǒng)精度有一定提升。XNCX測試段加入DMI數(shù)據(jù)參與解算，能有效提高POS定位精度，特別是在GNSS衛(wèi)星信號差或失鎖路段POS精度有明顯提升。不同作業(yè)環(huán)境、溫度會造成DMI里程刻度因子與實驗場測定初值有一定不同，必須在系統(tǒng)低速運動下對DMI里程刻度因子誤差進行校正，提高車載移動測量系統(tǒng)定位精度[12]。圖6為XNCX測試段DMI里程刻度因子。

圖6 XNCX-DMI 尺度因子

5 結論與展望

本文通過分析車載移動測量系統(tǒng)定姿定位基本原理、實時導航策略和后處理技術，選取位于西寧市區(qū)2個不同作業(yè)環(huán)境測試路段數(shù)據(jù)進行POS解算、精度評定，測試段移動測量系統(tǒng)定位精度中誤差小于5 cm，滿足工程測量精度要求。但由于車載移動測量系統(tǒng)多傳感器集成的復雜性和作業(yè)要求的特殊性，為保證定姿定位精度，需加強系統(tǒng)傳感器檢校、標定和采集作業(yè)流程等方面的質(zhì)量控制。

1）車載移動系統(tǒng)系統(tǒng)時空同步性是定姿定位系統(tǒng)核心技術之一，必須保證各傳感器獲取數(shù)據(jù)的時空一致，以便GNSS、INS、GAMS和DMI等單傳感器檢校、標定和車載移動測量系統(tǒng)綜合檢校；

2）工程采集前定姿定位系統(tǒng)必須進行靜態(tài)對齊，保證POS系統(tǒng)初始化和航向角收斂，工程采集結束后定姿定位系統(tǒng)對齊收斂；隨工程采集時間增加慣導系統(tǒng)漂移增加，為達到工程測量要求，必須將工程采集時間控制在1 h以內(nèi)；

3）車載移動測量系統(tǒng)在城市峽谷區(qū)等短暫GNSS信號失鎖路段通過后處理能達到精度要求，但長時間失鎖也很難保證POS精度，需采取POS糾偏等手段提高精度以滿足工程測量要求。