国产高精度位置和姿态测量系统

国产高精度位置和姿态测量系统LDPOS的发展与应用周落根 邓晓光 洪 勇*周落根，立得空间信息技术股份有限公司副总经理；邓晓光、洪勇，立得空间信息技术股份有限公司。 摘要：本文详细介绍了高精度位置和姿态测量系统的发展，我国具有完全自主知识产权的移动测量和实景三维技术和产品的研究、应用和服务情况，以及地面无控航测系统，并对其未来的发展进行展望。关键词：高精度位置和姿态测量系统 LDPOS 地面无控航测系统一 引言高精度位置和姿态测量系统（Position and Orientation System，POS）集全球导航卫星系统、惯性测量单元、导航处理计算机技术于一体，可以实时获取运动物体的高精度空间位置和三维姿态信息，广泛应用于飞机、轮船和陆地载体的导航定位。POS通过全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System ，GNSS）接收定位数据，利用高精度光学陀螺捷联惯性测量单元（Inertial Measurement Unit，IMU）提供设备瞬间的速度、加速度和方向信息，然后通过数据处理与融合软件对所接收的定位定姿信息进行数据处理，获得载体设备的高精度位置及姿态信息，同时给载荷传感器提供高精度同步信息，直接解算观测成果的高精度外方位元素，输出具有直接地理参考的影像数据。POS解决了GNSS动态可靠性差，会出现信号遮挡、丢失，同时数据输出的频率低等问题。POS系统将GNSS长期、低动态定位精度高的特性与惯性导航系统（INS）的短期、高动态定位精度高的性能有机地结合起来，不但提高了系统的精度，加强了系统的抗干扰能力，同时解决了GNSS动态应用采样频率低的问题。POS 系统可为载体或航空传感器提供高精度、高频率（200HZ）的实时位置与姿态（X,Y,Z,）数据，应用于各种不同类型的传感器：如航空胶片或数字相机、线阵扫描仪、激光扫描仪、合成孔径雷达、成像光谱仪等。在崇山峻岭、戈壁荒漠等难以通行的地区，如国界、沼泽滩涂等作业员根本无法到达的地区，采用 POS系统和航空摄影系统集成进行直接空间对地定位，可迅速、及时地获取多频段、多时相、高精度、高分辨率的位置与图像信息，快速高效地编绘基础地理图件，大大提高了作业效率和成功率。采用POS系统可以快速建立数字高程模型，生产数字正射影像图、数字地形图及可量测实景影像，搭建智慧城市的数据基础数字城市地理空间框架，具有如下优点：l 不依赖空中三角测量和一个完整的地面控制测量；l 简化、自动化数据处理和质量控制的过程；l 单个的立体模型制图、单幅影像的正射校正可以使用已有的数字高程模型（DEM）；l 在传统的航空测绘应用方面提高了工作效率，从而减少了操作时间，节约了成本，进而提高了精度；l 易与数码相机、摄影机、LIDAR系统、SAR系统、数字扫描仪等传感器结合；l 适用于应急测绘快速响应。二 高精度位置和姿态测量系统的发展情况国际上在遥感载荷发展的牵引下，定位定姿技术得到了快速发展。美国、加拿大、德国等发达国家都已形成了定位定姿产品，广泛应用于航空遥感领域，具有代表性且在我国对地观测领域应用较多的有美国天宝公司下属的Applanix（Trimble）公司生产的POS AV 510/610、德国IMAR公司的iNAV-RQH-0018、IGI公司的AEROControl、加拿大NovAtel公司的SPAN-FSAS等系统，就精度水平而言，各家产品均已达到较高的相对定位精度、航向精度以及姿态精度。由于POS可用于导弹制导、军事测绘和侦察等军事领域，故西方国家长期以来一直对中国严格禁运高精度POS。对于非军事用途的普通POS，也需要经过数月的申请许可审查才能进口。由于对POS的限制出口，国外厂商的产品不但数据格式保密，不利于二次开发，而且限制了其产品在高动态条件下的应用。另外，国外产品供货及维护周期较长，批量供应更受国际关系影响，这些都在一定程度上限制了我国高分辨率对地观测技术和应用的发展。目前，国内众多的航测服务厂家如陕西煤航、广西桂能、四维航空遥感、中飞航空遥感等，都是采购国外价格昂贵、购买受限制的产品，数据处理软件均与其硬件设备捆绑销售，在使用、售后服务、产品升级等方面受到很大的制约，同时也存在购买周期、技术和经济等风险。立得公司LDPOS系列产品具有自主知识产权，核心器件均为国产，与国外同类产品比较，产品具有购买周期短、价格合理、服务到位、技术更新速度快等优势。无数历史经验证明，对于关系国计民生的核心关键技术必须立足于自主研发，摆脱对高技术进口产品的依赖。只有突破高精度定位定姿技术，成功研制POS系统，才能掌握获取和更新海量地理信息资源的关键手段，才可建立我国全天时、全方位、高动态的陆、海、空基移动测量自主技术体系，才能打造及时、高效地获取多频段、多时相、高分辨率的可量测影像获取能力，实现海量地理信息的快速获取和更新，对于我国现代信息测绘、地理信息产业的发展以及智慧（数字）城市建设方面都有着巨大的推动作用。三 立得LDPOS作为我国移动测量和实景三维技术的领军企业，立得空间信息技术股份有限公司自1999年创立以来，一直致力于具有完全自主知识产权的移动测量和实景三维技术和产品的研究、应用和服务。经过十多年的自主创新，成功开发出可完全替代国外产品的高性能POS产品，填补了国内空白。立得的POS产品经过各种复杂条件的飞行测试，性能可靠，适应无人机和有人机等各种飞行载体，满足低空、中空和高空摄影的测量需求。立得的POS产品分为陆基（LDPOS-L）和空基（LDPOS-A）两大系列。（一）陆基定位定姿产品（LDPOS-L） LDPOS-L系列产品是专为地面移动测量开发的高精度位置和姿态测量装置，它可与CCD相机、激光Lidar等设备集成应用，构成高精度、高分辨率的移动测量系统。LDPOS-L采用紧组合算法，实时解算载体的位置和姿态，即使在GPS信号失锁或多路径干扰条件下，也能在高速移动中完成高精度地面测量。1、产品构成产品包括导航处理计算机（PCS）、惯性测量单元（IMU）、里程计（DMI）、数据链（DATA Link，可选配）（如图1和图2所示）、导航信息综合显示软件和LIONET导航数据紧密集成软件。图1. PCS、DMI、DATA Link外观图图2. 各型号IMU外观图国外POS厂家为避免其产品用于军事用途，将原始数据进行了封装，只输出最终成果数据。如果遇到GPS长时间失锁，而且惯性测量单元（IMU）漂移量过大的情形，用户就不能使用控制点来纠正测量数据，这就导致集成使用不方便。针对这一情况，立得空间自主开发的POS软件支持对原始数据的输出，并允许用户使用控制点纠偏，在实际生产中大大方便客户的使用。2、LDPOS-L系列产品技术规格 LDPOS-L系列产品技术规格主要由表1所示。表1. LDPOS-L系列产品技术规格规 格产 品 型 号LDPOS-L02LDPOS-L03LDPOS-L04角度测量范围(度/秒)100150400加速度测量范围(G)102020里程计0.001m/pulse0.001m/pulse0.0008m/pulse软件配置松散组合紧密组合紧密组合数据输出频率100Hz100Hz200Hz数据输出形式RS232，波特率115200bps温度使用范围-20+60系统功耗50W注：重力加速度值。（二）空基定位定姿产品（LDPOS-A）LDPOS-A系统可与航测相机、激光雷达（LIDAR）、合成孔径雷达（SAR）等各种航测设备配套使用，提供高精度、高频率的实时位置（X,Y,Z）与姿态（,）数据，可完成无控制（或极少量野外控制）的航空摄影测量，大大提高了作业效率，降低了作业成本。产品经过各种复杂条件的飞行测试，性能可靠，适应无人机和有人机等各种飞行载体，满足低空、中空和高空摄影测量需求。1、产品构成包括导航处理计算机（PCS）、惯性测量单元（IMU）、数据链（DATA Link，可选配）、航测管理软件、LIONET导航数据紧密集成软件、检校软件。LIONET（Leador INS/GPS Orientation and Navigation Enhanced. Technology）导航数据紧密集成软件是立得公司自主研发、基于 Windows 环境设计的GPS/IMU 数据事后集成处理软件，具有解算速度快、精度高的特点。软件内置载波相位差分解算模块、动态精密单点解算模块、高精度静态数据处理模块，可处理 GPS 单频、双频测量数据，获得高精度的位置、速度以及方位解算信息。2、LDPOS-A系列产品技术规格 LDPOS-A系列产品技术规格主要由表2所示。表2. LDPOS-A系列产品技术规格规格产品型号LDPOS-A03LDPOS-A04角度测量范围(度/秒)300400加速度测量范围(G)2020软件配置紧密组合紧密组合数据输出RS232，波特率115200bps,200Hz温度使用范围-40+70系统功耗50W四 地面无控航测系统地面无控航测系统利用POS高精度位置姿态信息，在航片上直接通过像片外方位元素进行前方交会测量，无需布设地面控制点，即可满足对目标的测绘需求，该系统机动性强、成图周期短，满足数字化航空测绘对地理空间信息的需求。航测系统应用POS的原理如图3所示。图3. 航测系统应用POS原理（一）系统应用方案地面无控航测系统主要由飞行平台、任务载荷分系统（包括定位定姿设备等）、地面数据处理以及应用分系统等四个分系统组成。各分系统的主要功能如下：1、飞行平台分系统地面无控航测系统搭载设备精密，成本高，宜优先选用承载能力及可靠性较高的飞行平台，平台有效载荷不应低于60kg，在进行勘测时能够按照设定航线进行航飞。2、任务载荷分系统任务载荷分系统主要设备包括：航测传感器、双轴稳定平台、定位定姿设备、存储设备、同步控制单元、飞控系统及任务载荷控制计算机等设备，主要实现各类任务设备的同步控制，影像数据、定位定姿数据等的获取以及存储等功能。飞控系统根据传感器参数和用户需求，规划飞行路线和曝光时刻，并能够准确记录航测传感器的曝光时刻（见图4和图5）。 图4. 航迹规划图5. 航迹生成3、数据处理分系统数据处理分系统利用任务载荷分系统所获取的影像数据和定位定姿数据，通过快速处理得到侦查目标定位数据和测绘信息产品。分系统由定位定姿数据集成处理、直接地理参考的生成、影像成果图制作、设施专题图生成、地形快速更新以及数据管理等模块组成。在摄影测量坐标系下，生成影像的外方位元素，便于后续的内业测图、DEM/DOM生成等测绘需求。4、数据应用分系统数据应用分系统是以数据处理得到的数据产品，如数字线划图、数字栅格图、正射影像图、数字高程模型等数据产品集成应用为出发点，构建的数据管理与应用开发平台。数据应用分系统同时支持多数据源（SAR、近红外、远红外、高光谱等）与已有数据库的融合显示，基于这一平台，可以建立起从平面到空间的三维可视化的管理与决策服务功能，实现几何属性与物理属性的统一，为工程仿真、设计、评估提供数据与功能支持。图6为Glover Zoomer数据应用平台。图6. Glover Zoomer数据应用平台（二）系统特点基于 “POS辅助进行直接地理参考(DGR)”核心技术，正射影像在无需地面控制点条件下达到0.2米（航高400米）的平面位置精度和0.5米的高程精度，降低了航测外业布控工作量；在航片上直接提取密集点云，无需人工干预即可实现全自动三维地形生成和正射影像拼接（图7为全自动三维点云提取结果）；图7. 全自动三维点云提取具有良好的扩展性，可扩建为空地一体的可视化工程仿真设计及评估平台；提高生产效率：减少了地面点测量和空中三角测量的处理过程，大大缩减数据采集和处理的时间；降低作业成本：仅仅需要进行质量检查的很少地面点测量，不再需要进行大量的控制点测量，节省了人力和物力；尤其适用于那些难以取得地面控制数据，且需要快速响应的地区和艰苦测量环境下的航空测量。五 结语在移动平台上集成POS和数字相机、激光LIDAR、测深仪、SAR、环境监测等传感器，开展基于POS的多传感器集成是当今世界测量仪器的一个研究热点。POS提供的高精度位置和姿态参数，实现了测量学者长久以来直接获取影像、激光点云等测绘数据外方位元素的夙愿，可广泛用于立体影像的直接定位、LIDAR系统激光点位置的解求、SAR影像的几何纠正等多个领域，是目前移动测量最理想、高效的作业方式。具有自主知识产权的POS系列产品将为建立我国自主的陆、海、空移动测量体系提供核心关键传感器技术，一举突破一直制约我国测绘地理信息产业发展所面临的高分辨率海量数据采集瓶颈问题。将极大提高我国高分辨率海量地理信息的快速获取能力，获取地理信息数据的精度将从米级、分米级提高到厘米级、毫米级。必将在今后的数字城市、智慧城市，数字中国、智慧中国，数字地球、智慧地球的建设过程中发挥重要的作用，极大促进我国测绘地理信息产业的快速发展，为国民经济建设、社会发展和国防现代化贡献力量。