杨惠晨 傅林华 万文韬
摘 要：定位定向系统（POS）主要由惯性导航系统和DGPS技术组成，在轮船、飞机和导弹的定位导航中得到广泛的应用，其主要用途就是获取移动物体的三轴姿态信息和位置。介绍了两种POS，并分析了POS的主要误差来源及误差控制方法。
关键词：POS；数据处理；传感器；系统校正
中图分类号：TN967.1 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.13.117
在数字遥感技术飞速发展、遥感对定位技术的要求不断提高的背景下，由DGPS/IMU集成的定位定向技术得到了人们的重视。
POS相比于惯性系统和普通的GPS导航系统具有很强的导航定位能力这一优势。普通的GPS不能直接获得传感器的姿态信息，且单位时间内输出的数据比较少，因而在高动态环境中的可靠性较差，而惯性测量装置虽然能够测得位置、姿态、速度、角速度和加速度等导航参数，但是随着时间推移，其误差也会逐渐增大，因此，POS组合定位系统弥补了两者的缺陷，实现了遥感影像的直接地理定位。
1 POS介绍
目前广泛运用的两种POS是加拿大的POS/AV系统和德国的AEROcontrol系统。
POS/AV系统由4部分组成；①惯性测量系统（IMU）。惯性测量系统主要包括加速计（3个）、陀螺仪（3个）、数字化电路和一个中央处理器。通过陀螺仪和加速计就可以测得速度和角度的增率，再在计算机系统的辅助下，就能够获取相对于地球的位置、速度和方向。②GPS。GPS是由卫星和GPS接收机组成，在POS/AV中主要是为相关软件提供波段和距离信息。③计算机系统。计算机系统负责处理各种导航数据和管理导航信息。④数据后处理软件POSPac。通过处理POS/AV系统在运行中获得的惯性量测数据、GPS原始数据和基准站的数据，该软件就能够得到最优化的组合导航解。如果运用到摄影测量当中，还需要软件在POSEO模块解算出每幅影像的外方位元素。
AEROcontrol系统主要由以下3部分组成：①惯性测量装置。惯性测量装置主要由加速度计（3个）、陀螺仪（3个）和信号预处理器组成，在转角和加速度的测量中具有较高的精度。②GPS。GPS主要用来接收GPS数据。③计算机系统。主要功能是采集未经任何处理的IMU和GPS数据，并将它们保存在PC卡上用于后处理；协同GPS、IMU和所用的航空传感器的时间同步；将计算机装置实施组合导航计算的结果作为CCNS4的输入信息。
CCNS4主要是对AEROcontrol进行控制管理，通过CCNS4，可以控制AEROcontrol系统记录数据，同时，CCNS能够监控数据的记录，检测GPS接收机运行情况和实时组合导航计算的结果。
后处理软件AEROoffice提供了处理和评定所采集数据所需的全部功能，除了提供DGPS/IMU的组合Kalman滤波功能外，还提供用于将外定向参数转化到本地绘图坐标系的工具。
2 POS误差来源
利用POS进行传感器对地定位时，误差来源主要包括以下几个方面。
2.1 传感器位置
传感器的安放是一项非常重要的工作，会影响到整个系统的性能。对于传感器的安放位置，要符合下面两个条件：①检校误差对传感器间偏移改正的影响最小；②传感器之间不能有任何微小的位移。为此，可以通过缩小传感器之间的距离来改善第一个条件的影像，但是后者相对来说更难克服。
2.2 时间同步
因为POS是GPS和惯性测量系统集成应用，所以GPS可以不断接收外部数据，以此就能在运动过程中修正惯性测量装置，这样就能够控制随时间积累的误差。但同时GPS在动态环境中会遇到周跳和信号失锁的问题，这可以通过短时间内高精度的惯性量测信息得到解决，并且还能够帮助GPS接收机提高抗干扰的能力，使得其跟踪和捕获卫星信号的能力增强。但是，正常情况下要做到GPS与惯性测量系统之间时间同步的难度是很大的，首要问题就是对GPS数据和惯性装置量测数据的同步使用，两个系统之间的时间同步性要求会伴随着精度要求的提高而提高，如果不能恰当地处理这个问题，它将成为一个严重的误差源，因为它直接影响着载体的运行轨迹，从而影响外方位元素的确定。
2.3 初始校正
初始校正处理一般在测量之前完成，是将惯性系统通过旋转矩阵把自身体系转换到地面水平体系的过程，通常包括粗校正和精确校正两个阶段。粗校正是通过传感器的原始输出数据和单一地考虑地球旋转及重力场假设模型来近似估计姿态参数。由于低精度的惯性系统不能在静态环境中校正，因此可以通过飞机运动来获得更优化的对准精度。飞机的运动如果能够带来足够大的水平加速度，那么未对准误差的不确定性将可以通过速度误差迅速观测出来，并且能够根据DGPS的速度更新利用Kalman滤波估计出其大小。
2.4 系统检校
由于直接传感器定向没有利用地面控制点，而是借助投影中心外推得到地面点坐标，所以校正系统是不可缺少的一项工作。得到的地面点坐标精度主要取决于系统校正的精确程度。系统校正主要包括单传感器校正和传感器之间的校正。
参考文献
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〔编辑：王霞〕
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