多傳感器組合地理定位系統(tǒng)及其精度研究.pdf

1、地理定位系統(tǒng)是運(yùn)用GPS(Global Positioning System)、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(InertialNavigation System，INS)、攝影測(cè)量等各種技術(shù)手段，自動(dòng)連續(xù)獲取載體在地球空間的地理位置以及時(shí)間、速度、姿態(tài)等信息，可廣泛應(yīng)用于陸基與航空測(cè)繪、遙感測(cè)量、目標(biāo)瞄準(zhǔn)、運(yùn)載體制導(dǎo)等場(chǎng)合。在現(xiàn)代大地測(cè)量中，由于人們對(duì)地球空間信息的需求越來(lái)越多，傳統(tǒng)的獲取地球空間信息手段不能滿足龐大的數(shù)據(jù)采集需求和日新月異的更新速度，

2、而基于地理定位系統(tǒng)的移動(dòng)測(cè)圖系統(tǒng)(Mobile Mapping System，MMS)通過安裝在移動(dòng)載體上的多傳感器組合，可連續(xù)采集地球空間信息，并由地理定位系統(tǒng)為數(shù)據(jù)提供時(shí)間、位置和姿態(tài)信息，并最終轉(zhuǎn)換為各種空間信息產(chǎn)品所需的數(shù)據(jù)格式。由于其高效率、高精度且較低的費(fèi)用，移動(dòng)測(cè)圖日益成為現(xiàn)代測(cè)繪工作的重要工具。未爆炸彈(Unexplored Ordnance，UXO)的檢測(cè)是一種特殊的移動(dòng)測(cè)圖應(yīng)用，由地理定位系統(tǒng)及UXO探測(cè)傳感器共同生

3、成磁場(chǎng)圖像，并通過一定的算法實(shí)現(xiàn)對(duì)UXO的識(shí)別。
　　 本文以MMS和UXO檢測(cè)等陸基地理定位應(yīng)用為背景，研究基于差分GPS、中高精度IMU(Inertial Measurement Unit)、高精度激光測(cè)距(Ranging)的多傳感器組合地理定位系統(tǒng)，設(shè)計(jì)其硬件平臺(tái)，在對(duì)捷聯(lián)慣性導(dǎo)航、差分載波相位GPS定位、IMU隨機(jī)誤差以及GPS/INS/Ranging組合算法研究的基礎(chǔ)上，開發(fā)其應(yīng)用軟件，并通過大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，詳細(xì)討論GP

4、S/INS/Ranging組合地理定位系統(tǒng)在各種環(huán)境下的精度特性。
　　 本文的主要研究工作和創(chuàng)新點(diǎn)按照在文中出現(xiàn)的順序可以歸納為以下五個(gè)方面：
　　 1.INS捷聯(lián)慣性導(dǎo)航與GPS定位：介紹了捷聯(lián)慣性導(dǎo)航方程的一般形式，在此基礎(chǔ)上詳細(xì)討論了捷聯(lián)INS在地固系和導(dǎo)航系的導(dǎo)航算法，包括四元素法計(jì)算坐標(biāo)變換矩陣、比力的坐標(biāo)系變換以及積分計(jì)算位置，分析了兩種坐標(biāo)系導(dǎo)航計(jì)算的優(yōu)缺點(diǎn)；討論了INS的初始對(duì)準(zhǔn)問題和誤差的可觀測(cè)性問題

5、；GPS方面，介紹了GPS觀測(cè)量，討論了基于碼偽距和載波相位的單點(diǎn)、單差和雙差定位方法，介紹了模糊度問題；針對(duì)MMS和UXO定位對(duì)實(shí)時(shí)性要求不高的特點(diǎn)，使用載波相位雙差模型，并以LAMDA方法作為實(shí)際模糊度動(dòng)態(tài)解算算法(On-The-Fly，OTF)。
　　 2.OPS/INS/Ranging組合算法：從貝葉斯估計(jì)理論出發(fā)，介紹GPS/INS組合系統(tǒng)濾波估計(jì)技術(shù)—離散卡爾曼濾波器，在此基礎(chǔ)上，針對(duì)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的連續(xù)性和非線性，討

6、論了連續(xù)線性動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的離散化以及非線性系統(tǒng)的線性化問題；在地固系和導(dǎo)航系慣性導(dǎo)航原理的基礎(chǔ)上，討論了不同計(jì)算坐標(biāo)系下的INS誤差傳播特性，構(gòu)建了21階卡爾曼濾波器誤差狀態(tài)方程；介紹了GPS/INS四種組合方式，詳細(xì)討論了松組合、碼偽距緊組合和載波相位緊組合，并給出了各組合方式下的卡爾曼濾波器觀測(cè)方程；在激光測(cè)距圖像特征提取與匹配的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)了測(cè)距信息輔助INS的卡爾曼濾波方程，提出了激光掃描儀位置偏差與視軸偏角的校正方法。
　　

7、 3.多傳感器組合地理定位系統(tǒng)硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)及軟件開發(fā)：設(shè)計(jì)GPS/INS/Ranging組合地理定位系統(tǒng)的硬件平臺(tái)，并針對(duì)UXO探測(cè)，特別設(shè)計(jì)了適宜于林地的推車式地理定位系統(tǒng)樣機(jī)；在GPS、INS導(dǎo)航理論和多傳感器組合理論的基礎(chǔ)上，開發(fā)了基于Microsoft visual C++導(dǎo)航定位軟件AIMS-Pro，具有事后GPS獨(dú)立導(dǎo)航和GPS/INS/Ranging等多傳感器組合兩種工作模式；支持Honeywell、Northrop、C

8、rossbow等公司多種IMU型號(hào)；支持地固系和導(dǎo)航系導(dǎo)航定位計(jì)算；支持松組合與緊組合兩種組合方式。
　　 4.IMU誤差理論：討論了IMU的主要誤差源，使用Allan方差方法對(duì)導(dǎo)航級(jí)、戰(zhàn)術(shù)級(jí)和速率級(jí)三種IMU進(jìn)行了隨機(jī)誤差分析，并結(jié)合實(shí)際大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)提出適合卡爾曼濾波器的誤差模型，通過與設(shè)備制造商誤差模型的對(duì)比實(shí)驗(yàn)證明了自定義誤差模型的有效性。
　　 5.GPS/INS/Ranging精度研究：在GPS連續(xù)觀測(cè)條件下，

9、詳細(xì)研究了GPS/INS組合系統(tǒng)及組合濾波器，在不同級(jí)別IMU、計(jì)算坐標(biāo)系以及組合方式下的定位精度，并在GPS連續(xù)觀測(cè)條件下人為引入GPS全失鎖與部分失鎖，考察INS獨(dú)立導(dǎo)航及不完全GPS約束條件下的誤差特性；詳細(xì)研究了在具有大量GPS短時(shí)中斷環(huán)境中，INS輔助的GPS模糊度解算能力和組合定位精度。最后引入地面激光掃描儀(Terrestrial Laser Scanning，TLS)作為激光測(cè)距傳感器，通過實(shí)驗(yàn)研究GPS中斷條件下激光測(cè)