POS系统分析及其应用

摄影测量原理POS 系统及其应用分析罗胜POS 系统及其应用分析扌商要:本文主要介绍POS系统的技术原理以及其进一步应用分析。首先对POS系统的系统构 成进行详细的分析，然后结合目前的POS系统应用分析其精度特点，最后对POS系统在军事 测绘中的进一步研究方向提出了展望。关键词: POS GPS/IMUPOS系统，全称定位定向系统，由GPS和IMU惯性导航设备构成，它作为一种 能实时提供所在平台位置和姿态的一种定位定向系统，目前已经在导航制导、目 标侦查、航空航天遥感等各个领域得到了广泛的应用。随着计算机技术及IMU制 造技术的不断进步，其实时数据处理的速度大大提高，且定位定向的精度也在不 断提高，这将极大地拓展POS系统的应用范围，从而在传统的传统测绘领域中带 来革命性的变革，因此必将成为人们研究的一个热点。一、POS 系统介绍1、系统组成POS系统集DGPS技术(Differential GPS)和惯性导航(Inertial Navigation Sys tem)技术于一体，主要组成部分有GPS接收机和I MU设备。其中GPS接收机接收 定位数据，IMU提供设备瞬间的速度、加速度和方向信息，然后通过POS处理软件 对所接收的定位定向信息进行数据处理，获得载体设备的定位定向数据。2、技术分析IMU是一种既不依赖于外部信息、又不发射能量的自主式导航设备，在应用 时不怕外界的干扰，且隐蔽性好。同时它又具有数据更新率高、短期精度和稳定 性好的优点，因此在军事及民用导航定位领域发挥着越来越大的作用。然而它自 身也存在着缺点，其单独使用时存在着定位误差随时间积累的缺点，因此对于要 求有快速反应能力的应用或者执行时间较长的任务来说这无疑是致命的弱点。 GPS是一种星基无线电导航和定位系统，能全天候、全天时、连续地提供接收站 所在的高精度地理位置信息。但是GPS也存在着动态响应能力较差、易受电子干 扰的影响等缺点。POS系统是一种将GPS技术的长期高精度性能特性与惯性导航技术的短期高 精度相结合的组合导航定位系统，能很好地弥补两种技术的缺陷，形成性能互补： 当要求的输出频率高于GPS的数据输出频率时，可使用惯导数据在GPS相继两次更 新之间进行内插；GPS数据对惯导的辅助，可是惯导在运动过程中进行初始对准, 提高了惯导设备的快速反应能力；由于GPS信号易受到干扰或遮挡从而造成卫星 失锁，惯导可以对GPS辅助帮助接收机快捷地重新捕获GPS信号。POS系统在进行数据处理的时候，需要对卫星导航系统和惯导的位置和速度 信息进行融合。目前通常采用一种组合滤波器(卡尔曼滤波器)的综合方式，以卫 星导航系统和惯导系统的位置和(或)速度信息的差值作为量测信息，用上一时刻 的估计以及实时得到的测量进行实时估计，也即以线递推的方式实现最小方差估 计，估算POS系统的状态。3、POS产品目前POS商业化产品主要有加拿大APPLANIX公司生产的POS相关产品，德国 IGI公司的AeroControl系列以及Leica公司为自己的产品开发的POS数据处理 iPAS系统等。随着计算机技术及设备制造水平的不断发展，目前的POS产品无论 其定位定向精度及实时数据获取能力都得到了质的提高，在导航定位及相关测绘 生产和保障任务中发挥越来越重要的作用。二、POS 系统应用情况目前POS系统已经在各个领域里得到了广泛的应用，包括对飞机、轮船、车 辆和导弹的导航定位，以及进行辅助航天航空测量和侦查任务等方面。下面重点 介绍一下POS系统在移动测图系统、航空摄影测量以及航天航空侦查等方面的应 用情况。1、POS系统应用于城市移动测图系统随着导航、遥感与传感器技术的发展, 基于地面、水域或航空航天运动载体， 集成多种传感器的导航定位和移动测图技术受到愈来愈多地关注。作为制图新技 术的典型代表，移动测图技术(MMT ,Mobile Mapping Technology)或移动测图 系统(MMS ,Mobile Mapping System)是指在移动载体平台上集成多种传感器， 当载体在测区移动时, 由各传感器自动采集载体的运动位置、姿态及周围物体 (地物、地貌) 形状、色彩及影像等各种三维连续地理空间数据, 而后按一定的 数据转换方法和融合算法, 对这些数据进行处理和加工, 生成各种空间信息应 用系统所需的图形和数据信息, 由此进行三维建模,最终可重建测区真实场景。 MMS 中的运动载体可以是陆地车辆、舰船或航空飞行器, 而各种传感器通常分为 GPS/INS等组合而成的导航定位传感器和线/面阵CCD、激光扫描仪、雷达等影像 传感器两大类。对于城市的道路测量或者城市三维场景重建，通常采用GPS辅助测量存在着 缺陷，因为城市区域存在高大建筑物的原因，卫星信号收到遮挡，从而造成一些 区域无法进行GPS定位。此时如果把GPS作为MMS系统的唯一观测源，则整个测量 将无法开展。而POS系统的引入则能很好的解决这个问题，在遇到GPS卫星信号丢 失的情况下，短时间内采用IMU惯性导航数据并通过数据后处理能得到相对精确 的定位数据，减少无GPS信号造成的定位误差。另外在GPS信号中断的情况下，通 过IMU数据的辅助可以提高恢复GPS定位的速度。目前在有IMU辅助时通常在GPS 完全中断的情况下恢复定位只需3-4秒，部分中断的情况下(有2-3颗卫星可见) 只需1秒。因此，随着POS系统的发展，其已成为MMS中确定载体轨迹和平台姿态 的重要工具。2、POS系统应用航空摄影测量 传统航空摄影测量都需要使用野外控制点并通过空三加密求解外方位元素,而野外控制点的测量历来是一项工作量大、作业成本高的测量过程，特别是在荒 漠、森林、高山等困难地区更是如此。因此，尽量减少野外控制点数量，甚至实 现无野外控制点定位一直是摄影测量的重要研究方向之一。为此,人们一直试图 在航空摄影飞行过程中记录或确定航摄仪的位置和方向，并利用这些定向数据实 现航摄像片的绝对定向。随着计算机技术的迅速发展以及POS组合导航定位系统 的出现，为无地面控制的航空摄影测量与遥感的实现提供了可能。通过POS系统 测得的传感器位置数据和姿态数据，经过校验和预处理之后，可以直接给出曝光 瞬间的传感器外方位元素,从而部分乃至全部摆脱传统摄影测量对地面控制点的 依赖。因此可以说POS系统的出现，将从根本上改变传统摄影测量的技术和方法， 进而引起摄影测量理论和技术的重大飞跃。目前POS应用于航空摄影测量基本上有两种情况：当POS系统提供的数据精度 足够高或用于小比例尺测图时,原始导航定位数据经过检校和数据后处理后,可 直接用于求出像片的外方位元素,从而完全不需要提供野外控制点；当POS数据精 度较低或用于大比例尺测图时,可以把POS系统提供的定位定向数据作为辅助，进 行空中三角测量区域网的联合平差,可以提高数据计算的速度和可靠性，大大减 少测图所需要的地面控制点数量。3、POS系统应用于航天航空侦查对于航天航空侦查来说，考虑到侦查任务的隐蔽性及侦查目标可能为诸如境 外目标等无法获得地面控制数据的情况，通常传统的摄影测量手段则无法完成任 务要求。同时对于侦查来说，通常要求很高的时效性及快速的数据处理，传统的 摄影测量因其复杂的数据处理过程，很难保证数据的实时性。目前的侦查手段多 种多样，例如采用无人机方式或者侦查卫星获取境外目标，在飞行平台上集成POS 系统，可以获得目标影像的定位定向数据，从而能够快速、准确的获得目标区域 的地理信息。一般情况下对于侦查目标来说，其定位精度要求较低，即使在缺少 控制点的情况下，通过POS系统获得的影像目标精度依然能很好的满足要求。三、POS 系统误差分析POS系统的误差来源有诸多因素，除了作为POS系统的主要组成部分GPS和IMU 的定位及定姿测量误差之外，还有很多其它方面的因素，诸如各器件之间的坐标 平移误差、时间同步误差、数据处理误差等等。1、GPS和IMU误差GPS作为一种目前比较成熟的定位仪器，利用架设参考站进行差分GPS计算实 现实时动态定位，其精度可以达到厘米级。但是随着POS系统与基准站之间距离 的增加其定位精度将下降，误差逐渐增大。因此不同精度要求及数据传输系统传 输能力不同将决定基准站的有效作用范围。对于IMU来说，不管是平台式还是捷 联式惯导系统，其误差源通常包括惯性仪器的部件结构误差（陀螺飘移及加速度 计零偏和刻度系数误差）、安装误差、初始校准误差、载体的角运动和加速度引 起的动态误差等等。2、各器件间的空间偏移误差对于POS系统来说，根据不同部件其空间位置特性通常涉及到以下坐标系:地 心坐标系、摄测系、惯导平台坐标系GPS天线坐标系等。对于POS进行定位定向时， 需要将所获得的数据进行相关坐标系之间的转换。因为不同部件之间是控件分离 的，因此其空间偏移误差必然会对最终定位定向结果产生影响。3、时间同步误差考虑到GPS、IMU以及载体之间是独立工作的，其中涉及到三个不同的时间系 统，因此必然存在时间同步误差。对于高速运动例如卫星或飞机等平台来说，时 间同步误差引起的定位定向误差尤为突出。另外IMU般其工作频率较高，可以 达到200HZ，但是GPS的历元时刻间隔较长（1秒），因此对于载体的数据记录时刻 来说，必须通过相邻两个GPS历元时刻进行位置和姿态数据的内插获得，这样也 会带来误差。4、数据后处理误差目前的POS系统大多数采用卡尔曼滤波方法进行组合数据处理，但由于卡尔 曼滤波方法本身是个不断迭代过程,其数据处理的质量很大程度上取决于技术人 员的经验,同时不同的数据处理数学模型和算法对定位精度也有显著的影响。四、POS 系统的发展及进一步应用分析目前，POS组合导航定位系统已经获得了广泛的应用，尤其在军事及测绘领 域。随着计算机技术、GPS技术、惯导的仪表及系统设计等技术的不断提高，POS 系统无论其硬件还是软件都将得到飞速的发展，因此必将有着更为广泛的用途。1、POS硬件发展POS系统中的GPS技术目前已经相对较成熟，但是其核心部件IMU国内目前的 制造水平依然较低，尤其是陀螺仪生产技术相对比较落后。国内目前对于POS系 统的应用多采用引进国外相关商业化产品的方式。国产化惯导设备制造现在的状 况是在满足高精度要求的同时，存在着初始对准时间长，系统可靠性低，且使用 寿命不长、维护复杂等情况，不适合快速定位定向，尤其对于部队的快速反应需 求来说，很难满足设计要求。同时国内研制的惯导设备小型化技术落后，提高了 设备硬件的设计难度。此外，目前国内研制的系统的造价太高，从而带动整个应 用设备的生产费用，制约了其进一步的应用。因此进行高精度、高可靠性、小型 化的惯导设备研究应该是我们重点研究的一个方向。2、POS数据后处理软件的发展POS系统的接收数据主要有GPS定位数据和惯导数据，且数据的传输速率高数 据量大，为了能实时获得载体设备的定位定向数据，需要很高的数据运算速率来 解算POS系统中的各种误差参数。一方面，随着计算机硬件技术的不断发展，大 容量的存储空间以及更高运算速度的计算机出现可以很大程度地提高数据后处 理能力，但是开发更加合理的数据融合处理算法，减少数据运算中产生的各种误 差，进一步提高运算速度也非常关键。目前国内引进的POS系统通常都是商家自 带数据处理软件，对于其核心处理算法国内的研究基本上是空白，因此开发具有 自主产权的快速、高精度POS数据融合处理算法非常的迫切。3、POS系统在军事任务中的进一步应用对于军事任务来说，集成惯导设备早已得到广泛的应用。但是装备高精度的 POS系统，提咼定位定向精度仍然是军事导航定位任务中的一个研究重点。另外 随着军事任务的不断发展，侦查与打击将进一步结合，从而需要更加快速准确的 定位定向数据，数据快速处理技术显得更加重要。因此对于需要提供导航定位信 息的军事任务来说，根据载体的装备特性研究POS系统的集成技术、建立合理的 数据处理模型改进数据处理算法从而加快数据处理速度显得尤为重要。4、POS应用于快速应急测绘任务对于一些突发事件的应急响应，例如地震灾害后的抗震救灾测绘保障任务， 集成POS系统具有相当大的优势。因为对于突发事件，情况紧急通常都无法事先 获得目标区域的精确地面控制数据，如果要快速、高精度的获得目标区域的地面 数据，传统的测量手段无法满足任务需求。对于精度要求不高的测量目标，利用 POS系统数据可直接进行目标的地理定位。因此进一步研究应急测绘任务中POS 系统的数据处理与辅助测量技术十分的必要。5、POS系统与我国自主导航系统相结合GPS定位接收机系统是POS系统中的一个重要组成部分，但是对于我国POS用 户尤其是部队来说，完全依赖于GPS定位技术势必造成受制于人的局面。尤其是在 战时或发生冲突区域，美国必然会封锁其对我国的GPS定位服务，因此开发我国 自主产权的导航定位系统非常的重要。目前我国已经开始研制属于自己的卫星导 航系统北斗，现阶段已经发展到第二代，预计到2010年北斗卫星导航系统即将可 满足我国及周边地区的军民两方的导航定位需求。因此研究结合北斗导航定位系 统的新型组合POS系统非常迫切，其中的硬件及软件技术研究将是一个重要的研 究方向。