GPS_INS组合高精度定位定向

GPS/INS组合高精度定位定向孙红星武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室2010，6，8主要内容1遥感平台定位定向方法概述2GPS/INS组合航空遥感平台定位定向原理与方法3GPS/INS/其他传感器组合陆地遥感平台定位定向方法4现有商用POS系统及其应用1遥感平台定位定向方法概述•传统航空摄影测量航空三角（AT）•GPS辅助航空三角（GPSAT）•直接地理参考（POS）1.1传统航空摄影测量航空三角（AT）ZYX地面控制点任务繁重耗时、花费较多Position(x,y,z)Attitude(,,k)▲▲▲▲▲▲▲▲1.2GPS辅助航空三角（GPSAT）TimePosition(x,y,z)Attitude(,,k)ZYX地面控制点任务大幅减轻但对测区图形和控制点仍存在要求GPS基站GPS流动站▲▲▲▲▲1.3直接地理参考（POS）ZYX地面控制点只需GPS参考站对测区图形不再要求GPS基站解算简单，效率高应用领域广阔GPS流动站IMUTimePosition(x,y,z)Attitude(,,k)▲1.3直接地理参考（POS）组成差分GPS（基站、流动站）惯性测量单元IMU处理软件GPS基站zSxSSensorIMUGPS天线zBxByByS2GPS/INS组合航空遥感平台定位定向原理与方法•GPS定位测速技术•INS导航定位技术•GPS/INS组合导航定位原理•航空遥感中GPS/INS组合定位定向2.1GPS定位测速技术（系统）高度:22,000km周期:12hrs轨道面倾角:55degrees轨道面个数:6轨道卫星数:4全部卫星数:24（31）2.1GPS定位测速技术（组成）•卫星部分•地面控制部分•用户终端2.1GPS定位测速技术（卫星）•功能:•发射导航信号•其他目的，通讯、监控等•设备:•原子钟（2铯钟，2铷钟）•信号发生器和发射器•类型:•实验卫星:BlockⅠ•工作卫星:BlockⅡ–BlockⅡ–BlockⅡA–BlockⅡR（R-M）–BlockⅡF(GPSmodernization)2.1GPS定位测速技术（地面监控）组成:1主控站5监测站3注入站功能:监控卫星编辑星历保持时间系统2.1GPS定位测速技术（用户终端）功能:接收和量测信号导航、定位、测速、授时等设备:石英钟锁相环2.1GPS定位测速技术（信号）•载波相位（L1，L2，L5）/多普勒频移•伪距（C/A，P1，P2，C2，M1，M2）•导航信息（轨道，卫星钟差，电离层，卫星健康状况）2.1GPS定位测速技术（测量方程）CjijijijijiTIdtdt~jijijijijijiTIdtdt（1）（2）jijijiN（2.1）222)()()(jijijijiZZYYXX（2.2）SAopenSAclose24.00.07.02.07.02.02.32.3ErrorresourceIonosphereTroposphereOrbiterrorNoise0.60.6Multi-path1.51.5Total25.07.5HDOP1.51.52.1GPS定位测速技术（单点定位）2.1GPS定位测速技术（差分定位）2.1GPS定位测速技术（差分定位）Cjiji~jijijiN（3）（4）BdrNjijiji0（5）2.1GPS定位测速技术（差分定位）Cjiji~jijijiN（3）（4）BdrNjijiji0（5）厘米级厘米级米级米级2.1GPS定位测速技术（差分测速）（7）BdVjiji0jijijijijijiTItdtd（6）2.1GPS定位测速技术（差分测速）（7）BdVjiji0jijijijijijiTItdtd（6）厘米/秒级厘米/秒级2.2INS导航定位技术2.2INS导航定位技术（器件）2.2INS导航定位技术（器件）陀螺加速度计XYZ2.2INS导航定位技术（数据）2.2INS导航定位技术（原理）babababRRiiiGfr)2(ccicciccciccciccicirrrrRr（8）（9）TiiiiZYXr)(ifiG为位置矢量为比力矢量为地球引力加速度矢量i,a,b,c分别表示惯性系和其它坐标系（10）R为旋转矩阵为角速度矢量2.2INS导航定位技术（原理）（11）ViG为e系的重力矢量为速度矢量为地球引力加速度矢量e,b分别表示地固系和载体坐标系)(2bibbeiebebeeeiebebeeeRRgVfRVVreg2.2INS导航定位技术（原理）陀螺仪加速度计旋转矩阵计算姿态角旋转矩阵导航计算位置、速度2.2INS导航定位技术（原理）2.3GPS/INS组合导航定位原理基于无线电距离定位定位精度不积累容易受外界干扰无姿态输出基于物理积分定位定位精度积累快不受外界干扰位置姿态同时输出强互补性高精度时间/位置/速度/姿态2.3GPS/INS组合导航定位原理INS导航方程：（11）)(2bibbeiebebeeeiebebeeeRRgVfRVVrINS误差方程：eeVrbRFVrNVebeeeieeee2dRebeiedwddbwbb（“航空遥感中基于高阶INS误差模型的GPS/INS组合定位定向方法”《测绘学报》2010年第1期）（12）2.3GPS/INS组合导航定位原理紧密组合（12）)()()()()(tWtGtxtFtxBdrNjijiji0（5）（7）BdVjiji0rdrr（5’）（7’）VdVV松散组合观测方程状态方程观测方程’2.3GPS/INS组合导航定位原理紧密组合（12）)()()()()(tWtGtxtFtxBdrNjijiji0（5）（7）BdVjiji0rdrr（5’）（7’）VdVV松散组合观测方程状态方程观测方程’2.3GPS/INS组合导航定位原理kkkkkkxxˆˆ,11TkkkTkkkkkkkkQPP,1,1111111111)(kTkkkkTkkkkRHPHHPK)ˆ(ˆˆ111111kkkkkkkkxHZKxxTkkkTkkkkkkkkKRKHKIPHKIP1111111111)()(卡尔曼滤波2.3GPS/INS组合导航定位原理否是误差反馈校正加速度计数据陀螺数据导航计算GPS差分数据模糊度解算独立定位测速建立方程（5,7）INS误差方程滤波计算定位定姿结果卫星数足够？建立方程（5’,7’）紧密组合流程图2.4航空遥感中GPS/INS组合定位定向2.4航空遥感中GPS/INS组合定位定向精度高，GPS观测条件良好2.4航空遥感中GPS/INS组合定位定向GPS基站GPS差分基线较长2.4航空遥感中GPS/INS组合定位定向GPS-IMU偏置可变2.4航空遥感中GPS/INS组合定位定向zSxSSensorIMUGPS天线zBxByBySIMU和遥感传感器轴系不一致2.4航空遥感中GPS/INS组合定位定向航空遥感中GPS/INS数据处理模型与策略：•差分GPS数据处理模型•松散组合具有优势•在精度达到要求的情况下，谋求精密单点定位（PPP）•记录稳定平台实时偏斜角，用于补偿GPS-IMU偏置•必须检校IMU-遥感传感器轴系偏斜2.4航空遥感中GPS/INS组合定位定向精密单点GPS/INS数据处理：IFZjjjIFTMdt~IFjIFZjjjIFTMdt（13）（14）2.4航空遥感中GPS/INS组合定位定向精密单点GPS/INS数据处理：含伪距/不含伪距模糊度收敛情况2.4航空遥感中GPS/INS组合定位定向精密单点GPS/INS数据处理：PPP/差分GPS定位结果互差2.4航空遥感中GPS/INS组合定位定向精密单点GPS/INS数据处理的优点：完全脱离地面点任务安排更容易精度更均匀2.4航空遥感中GPS/INS组合定位定向IMU-相机轴系偏斜检校：bLsbsLRRRLbsLsbRRRzSxSSensorIMUzBxByByS2.4航空遥感中GPS/INS组合定位定向IMU-相机轴系偏斜检校：检校控制点/飞行行带分布3GPS/INS/其他传感器组合陆地遥感平台定位定向方法3GPS/INS/其他传感器组合陆地遥感平台定位定向方法紧密组合（12）)()()()()(tWtGtxtFtxBdrNjijiji0（5）rdrr（5’）松散组合VdVV（7’）3GPS/INS/其他传感器组合陆地遥感平台定位定向方法4商用POS系统及其应用•航空POS主要产品•陆地POS主要产品4.1目前航空POS主要产品ApplanixPOSAV系列AV510AV6104.1目前航空POS主要产品ApplanixPOSAV系列精度指标4.1目前航空POS主要产品ApplanixPOSAV后处理软件POSPac4.24.1目前航空POS主要产品ApplanixPOSAV后处理软件POSPac5.34.1目前航空POS主要产品IGIAERO4.1目前航空POS主要产品IGIAEROControl的安装4.1目前航空POS主要产品IGIAERO处理软件AEROOffice4.1目前航空POS主要产品武汉大学Throstle系统4.1目前航空POS主要产品（检校）线偏移角偏移（Applanix）4条航带16个控制点24幅像片钢尺测量误差小于5厘米即可4.1目前航空POS主要产品（应用）数字面阵相机LeicaRC30ZeissRMKTop154.1目前航空POS主要产品（应用）激光雷达（LIDAR）4.1目前航空POS主要产品（应用）合成孔径雷达（SAR/InSAR）4.2目前陆地POS主要产品Applanix公司POSLV系统4.2目前陆地POS主要产品立得公司移动测图系统