李 彬，范 琳

（1.青海省基礎(chǔ)地理信息中心，青海 西寧 810001；2.青海省地理空間信息技術(shù)與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，青海 西寧 810001；3.青海省第二測(cè)繪院，青海 西寧 810001）

隨著測(cè)繪與地理信息系統(tǒng)（GIS）對(duì)地理空間信息數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性和及時(shí)性要求不斷提高，為滿足以較低的成本，獲取比傳統(tǒng)測(cè)繪更多、更全的空間地理信息數(shù)據(jù)，而又保證測(cè)量精度要求，移動(dòng)測(cè)量技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。自1990年第一臺(tái)車載移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)GPSVan問世至今，車載移動(dòng)測(cè)量技術(shù)已歷經(jīng)20多年發(fā)展。2006年李德仁院士指出:“車載移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)是當(dāng)今測(cè)繪界最為前沿的科學(xué)技術(shù)之一，代表著未來(lái)道路電子地圖測(cè)繪領(lǐng)域的發(fā)展主流”[1]。因車載移動(dòng)測(cè)量能高效、高精度地快速獲取行進(jìn)軌跡兩側(cè)三維地理信息數(shù)據(jù)，目前已廣泛應(yīng)用于城市三維建模、大比例尺測(cè)圖、城市部件普查、公路建模、竣工測(cè)量、礦山測(cè)量等項(xiàng)目[2-4]，系統(tǒng)定姿定位精度引起生產(chǎn)單位的重視。如何保證車載移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)在城市峽谷、GNSS信號(hào)干擾等復(fù)雜環(huán)境下POS精度，有效減少數(shù)據(jù)重復(fù)采集獲取工作量，成為各生產(chǎn)單位必須解決的問題。

1 車載移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)

車載移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)（MMS）將多個(gè)傳感器集成于車載移動(dòng)平臺(tái)，在基于時(shí)間同步的條件下，以實(shí)時(shí)導(dǎo)航或后處理方式提供連續(xù)導(dǎo)航定位信息，內(nèi)業(yè)多傳感器數(shù)據(jù)融合處理后獲取三維地理空間數(shù)據(jù)的測(cè)量系統(tǒng)。系統(tǒng)所配載的定位定姿傳感器主要包括GNSS全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)、INS慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、GAMS方位測(cè)量子系統(tǒng)和DMI距離測(cè)量指示器等設(shè)備，其核心部件是GNSS系統(tǒng)和INS慣導(dǎo)系統(tǒng)。慣導(dǎo)系統(tǒng)是利用加速度計(jì)、陀螺儀等慣性元件測(cè)定載體運(yùn)動(dòng)期間慣性坐標(biāo)系下加速度、角速度信息，通過積分計(jì)算獲得運(yùn)動(dòng)載體位置和速度等數(shù)據(jù)。IMU慣性測(cè)量單元反映INS慣性導(dǎo)航系統(tǒng)狀態(tài)，包含3個(gè)加速度計(jì)和3個(gè)陀螺儀。加速度計(jì)測(cè)定運(yùn)動(dòng)載體在慣性空間坐標(biāo)系中的線性加速度，陀螺儀測(cè)定慣性導(dǎo)航設(shè)備運(yùn)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)角度。慣導(dǎo)系統(tǒng)有平臺(tái)式慣導(dǎo)系統(tǒng)和捷聯(lián)式慣導(dǎo)系統(tǒng)[5]。平臺(tái)式慣導(dǎo)系統(tǒng)將慣性測(cè)量設(shè)備安裝于慣性平臺(tái)，系統(tǒng)精度高，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積龐大、使用壽命短等缺點(diǎn)使其很難在民用領(lǐng)域應(yīng)用。捷聯(lián)式慣導(dǎo)系統(tǒng)將慣性測(cè)量設(shè)備直接安裝在移動(dòng)載體上，以數(shù)字計(jì)算代替平臺(tái)模擬跟蹤，有效提升系統(tǒng)精度、性能和可靠性，目前已廣泛應(yīng)用于民用領(lǐng)域[6]。

2 定姿定位基本原理

定姿定位系統(tǒng)(position and orientation system)以GNSS/INS技術(shù)為核心，通過卡爾曼濾波對(duì)獲取的原始導(dǎo)航定位數(shù)據(jù)建立誤差方程進(jìn)行誤差估計(jì)和修正，以實(shí)時(shí)解算或者后期處理方式來(lái)計(jì)算運(yùn)動(dòng)載體空間位置與姿態(tài)。GNSS系統(tǒng)連續(xù)、全天候提供高精度的時(shí)間、空間和速度信息；INS慣導(dǎo)系統(tǒng)通過慣性傳感元件獲取運(yùn)動(dòng)載體的位置、速度和姿態(tài)信息，抗干擾能力強(qiáng)，數(shù)據(jù)采樣率高，短期精度和穩(wěn)定性好。結(jié)合GNSS和INS技術(shù)，利用高精度GNSS定位信息來(lái)修正INS的系統(tǒng)漂移，通過INS采樣數(shù)據(jù)來(lái)彌補(bǔ)GNSS系統(tǒng)采樣率不足，最終獲得高精度和高采樣率運(yùn)動(dòng)軌跡。定姿定位系統(tǒng)傳感器測(cè)量值包含隨機(jī)誤差部分狀態(tài)和系統(tǒng)部分狀態(tài)的線性組合（濾波中物理量稱為狀態(tài)），需對(duì)觀測(cè)量進(jìn)行最優(yōu)估計(jì)[7]。卡爾曼濾波是遞推線性最小方差估計(jì)，通過建立空間狀態(tài)數(shù)學(xué)模型，將GNSS誤差、加速度計(jì)零偏和陀螺儀漂移等作為狀態(tài)矢量，以INS觀測(cè)量和GNSS觀測(cè)量作為量測(cè)修正信息，組成GNSS/INS組合導(dǎo)航的狀態(tài)方程，通過解算誤差狀態(tài)不斷校準(zhǔn)修正系統(tǒng)，獲得高精度組合導(dǎo)航解?？柭鼮V波算法不需要存儲(chǔ)所有觀測(cè)數(shù)據(jù)，僅根據(jù)前一次估計(jì)和新的觀測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算更新估計(jì)獲取精確軌跡導(dǎo)航解，較傳統(tǒng)導(dǎo)航定位算法有更高效、快捷的優(yōu)勢(shì)。

3 車載定姿定位系統(tǒng)組合導(dǎo)航策略及In-Fusion技術(shù)

車載定姿定位系統(tǒng)（POS LV）組合導(dǎo)航是通過高性能計(jì)算機(jī)對(duì)GNSS系統(tǒng)觀測(cè)數(shù)據(jù)和INS系統(tǒng)傳感器獲取的高采樣率位置、速度、姿態(tài)數(shù)據(jù)，通過不同的組合策略進(jìn)行實(shí)時(shí)解算，獲取不同精度的實(shí)時(shí)導(dǎo)航解。

3.1 車載定姿定位系統(tǒng)組合策略

車載定姿定位系統(tǒng)（POS LV）根據(jù)不同傳感器數(shù)據(jù)組合解算方式分為如下三類組合策略：非耦合組合方式、松組合方式和緊組合方式[8]。

1）非耦合組合方式：將獲取的GNSS全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)、INS慣性導(dǎo)航系統(tǒng)原始觀測(cè)數(shù)據(jù)分別輸入卡爾曼濾波器，獲取單一、低精度導(dǎo)航解，GNSS系統(tǒng)和INS系統(tǒng)數(shù)據(jù)間無(wú)反饋。非耦合組合方式雖然算法簡(jiǎn)單、易實(shí)現(xiàn)，但由于定位精度低，不適合在車載定姿定位系統(tǒng)中使用。

2）松組合方式：將GNSS全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)獲取的觀測(cè)數(shù)據(jù)處理成位置、速度信息輸入卡爾曼濾波器，通過最小二乘估計(jì)改正INS慣性導(dǎo)航數(shù)據(jù)，并將GNSS和INS參數(shù)值輸入組合處理器中，獲取單一組合導(dǎo)航解。

3）緊組合方式：GNSS給INS提供精確的位置和速度信息，以修正INS系統(tǒng)漂移，控制誤差累積；INS給GNSS提供實(shí)時(shí)位置和速度信息來(lái)估計(jì)模糊度，構(gòu)建觀測(cè)誤差方程，輸入卡爾曼濾波器，通過組合處理獲取精確的導(dǎo)航解。緊組合方式組合導(dǎo)航策略廣泛應(yīng)用于車載定姿定位系統(tǒng)。

3.2 In-Fusion 緊組合技術(shù)

IN-Fusion技術(shù)采用GNSS輔助INS緊組合處理解算方式，通過建立深度傳感器組合和誤差模型，顯著減少或消除標(biāo)準(zhǔn)組合的限制，獲取更優(yōu)定位精度和更高可靠性的導(dǎo)航定位。其實(shí)時(shí)處理解算稱為慣性輔助實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位（IARTK），后處理解算稱為輔助動(dòng)態(tài)整周模糊度解算(IAKAR)[9]。

慣性輔助實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位（IARTK）技術(shù)中卡爾曼濾波不直接處理GNSS接收機(jī)偽距和載波相位觀測(cè)值，而是通過導(dǎo)航濾波器[10]。在只能接收到3顆及以下GNSS數(shù)據(jù)下，即使不能獲取導(dǎo)航定位解，也持續(xù)接收GNSS觀測(cè)值，與INS慣導(dǎo)數(shù)據(jù)進(jìn)行組合解算。GNSS信號(hào)中斷期間，集中式卡爾曼濾波器進(jìn)行模糊度的估計(jì)和解算，通過INS慣導(dǎo)數(shù)據(jù)來(lái)解算最初的整周未知數(shù)，并保持“記憶”整周未知數(shù)， GNSS導(dǎo)航定位數(shù)據(jù)恢復(fù)后IARTK技術(shù)幾秒鐘內(nèi)將導(dǎo)航定位精度恢復(fù)都1～2 cm。IARTK技術(shù)有效保證數(shù)據(jù)中斷期間導(dǎo)航定位的連續(xù)性和準(zhǔn)確性，將導(dǎo)航定位精度控制在一個(gè)很小的漂移率上，具有單GNSS接收機(jī)的車載測(cè)量系統(tǒng)不可比擬的精度和可靠性。

輔助動(dòng)態(tài)整周模糊度解算(IAKAR)算法類似于慣性輔助實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位（IARTK），在數(shù)據(jù)后處理階段執(zhí)行向前組合差分、向后組合差分、動(dòng)態(tài)模糊度合并、精密向前組合差分、平滑處理，結(jié)合GAMS數(shù)據(jù)和DMI數(shù)據(jù)，能快速計(jì)算正確的模糊度，最終輸出軌跡最優(yōu)平滑估計(jì)（SBET）。In-Fusion GNSS輔助INS體系框架，如圖1。

圖1 In-Fusion GNSS輔助INS體系框架

4 實(shí)驗(yàn)與分析

為了準(zhǔn)確分析車載移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)定姿定位精度，本文選取2016年西寧市城北區(qū)（XNCB）和西寧市城西區(qū)(XNCX)2個(gè)任務(wù)區(qū)測(cè)試數(shù)據(jù)，測(cè)試段POS數(shù)據(jù)通過與單基站GNSS數(shù)據(jù)進(jìn)行緊組合差分后處理，分析測(cè)試段數(shù)據(jù)GPS衛(wèi)星失鎖情況、衛(wèi)星幾何分布情況、多路么效應(yīng)等情況下后處理軌跡精度。同時(shí)選取西寧市城西區(qū)（XNCX）測(cè)試段數(shù)據(jù)加入GAMS和DMI觀測(cè)值進(jìn)行POS解算，評(píng)定數(shù)據(jù)對(duì)車載移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)定姿定位精度和穩(wěn)定性的影響。

4.1 XNCB和XNCX測(cè)試分析

西寧市城北區(qū)（XNCB）測(cè)試段數(shù)據(jù)位于城北區(qū)海湖大道，道路視野開闊，基站選址位于園區(qū)廣場(chǎng)，GNSS接收機(jī)測(cè)試段可接收有效衛(wèi)星數(shù)目10顆以上，單基線長(zhǎng)度小于10 km，滿足Single Base基線解算要求。海湖大道上車輛較少，行車平均時(shí)速小于50 km/h。為保證數(shù)據(jù)質(zhì)量，嚴(yán)格按照要求進(jìn)行系統(tǒng)作業(yè)前后對(duì)齊、收斂。后處理POS數(shù)據(jù)定位中誤差如圖2，北方向位置中誤差0.88 cm；東方向位置中誤差0.89 cm；高程位置中誤差1.55 cm。在整個(gè)測(cè)試路段，POS數(shù)據(jù)無(wú)GNSS衛(wèi)星數(shù)據(jù)失鎖、無(wú)明顯多路么效應(yīng)影響，衛(wèi)星空間位置精度（PDOP）小于3，XNCB測(cè)試段數(shù)據(jù)衛(wèi)星數(shù)及位置精度因子見圖3。平面精度小于1 cm，高程精度小于2 cm，滿足工程測(cè)量對(duì)POS精度的要求。

圖2 XNCB-定位中誤差

圖3 XNCB-衛(wèi)星數(shù)及位置精度因子

西寧市城西區(qū)（XNCX）測(cè)試段數(shù)據(jù)位于城西海湖新區(qū)，測(cè)試路段多為城市峽谷。GNSS接收機(jī)可接收有效衛(wèi)星數(shù)目10顆以下，部分路段衛(wèi)星顆數(shù)僅為4顆。基站位于海湖體育場(chǎng)附近，基線長(zhǎng)度小于10 km，任務(wù)區(qū)內(nèi)車輛較多，行車平均時(shí)速小于40 km/h。數(shù)據(jù)后處理POS數(shù)據(jù)定位中誤差如圖4，北方向位置中誤差1.01 cm，東方向位置中誤差0.98 cm，高程位置中誤差3.12 cm。測(cè)試路段POS數(shù)據(jù)多次出現(xiàn)GNSS衛(wèi)星數(shù)據(jù)失鎖情況，定位精度出現(xiàn)一定程度下降，XNCX測(cè)試段數(shù)據(jù)衛(wèi)星數(shù)及位置精度因子具體見圖5。在445500-445800歷元期間，因接收衛(wèi)星數(shù)量少、空間位置精度差，PDOP值超過5，平面定位中誤差短暫增大，高程方向定位中誤差上升到10 cm以上，但幾分鐘后GNSS信號(hào)恢復(fù)，定位精度恢復(fù)很高的水平。XNCX測(cè)試段POS精度基本滿足工作測(cè)量精度要求，但對(duì)衛(wèi)星嚴(yán)重失鎖超過5 min以上的測(cè)試段，需對(duì)POS數(shù)據(jù)進(jìn)行糾偏處理等手段以滿足工程測(cè)量需要。

圖4 XNCX-定位中誤差

圖5 XNCX-衛(wèi)星數(shù)及位置精度因子

4.2 GAMS和DMI分析

1）GAMS精度分析。GAMS方位測(cè)量子系統(tǒng)通過配置雙頻主副天線測(cè)量航向，將航向角和慣導(dǎo)數(shù)據(jù)輸入卡爾曼濾波器參與解算，降低GNSS載波相位數(shù)據(jù)噪聲，減小高緯度地區(qū)航向降低對(duì)定位精度的影響。因GNSS信號(hào)中斷，INS在幾秒鐘內(nèi)重新啟動(dòng)GAMS精確計(jì)算航向，有效提高慣導(dǎo)系統(tǒng)航向精度。當(dāng)車載移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)通過城市峽谷、建筑信號(hào)堵塞或多路么反射嚴(yán)重區(qū)域，GAMS航向數(shù)據(jù)參與計(jì)算得到低位置漂移的最優(yōu)軌跡估計(jì)。XNCX測(cè)試段位于城市峽谷地帶，通過選取GAMS數(shù)據(jù)參與POS解算和禁止GAMS數(shù)據(jù)參與POS解算軌跡歷元精度見表1。

表1 XNCX-精度評(píng)定表

XNCX測(cè)試段POS數(shù)據(jù)加入GAMS數(shù)據(jù)參與計(jì)算后，精度無(wú)明顯提升。GAMS方位子系統(tǒng)能夠?yàn)榭柭鼮V波器提供準(zhǔn)確航向觀測(cè)值，但不能直接提高后處理軌跡定位精度[11]。

2）DMI精度分析。車載移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)（MMS）配備的距離測(cè)量指示器（DMI），測(cè)量車輛行進(jìn)期間旋轉(zhuǎn)車輪的距離增量，測(cè)得加速度控制因GNSS數(shù)據(jù)失鎖造成的INS漂移的位置誤差，對(duì)定姿定位系統(tǒng)精度有一定提升。XNCX測(cè)試段加入DMI數(shù)據(jù)參與解算，能有效提高POS定位精度，特別是在GNSS衛(wèi)星信號(hào)差或失鎖路段POS精度有明顯提升。不同作業(yè)環(huán)境、溫度會(huì)造成DMI里程刻度因子與實(shí)驗(yàn)場(chǎng)測(cè)定初值有一定不同，必須在系統(tǒng)低速運(yùn)動(dòng)下對(duì)DMI里程刻度因子誤差進(jìn)行校正，提高車載移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)定位精度[12]。圖6為XNCX測(cè)試段DMI里程刻度因子。

圖6 XNCX-DMI 尺度因子

5 結(jié)論與展望

本文通過分析車載移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)定姿定位基本原理、實(shí)時(shí)導(dǎo)航策略和后處理技術(shù)，選取位于西寧市區(qū)2個(gè)不同作業(yè)環(huán)境測(cè)試路段數(shù)據(jù)進(jìn)行POS解算、精度評(píng)定，測(cè)試段移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)定位精度中誤差小于5 cm，滿足工程測(cè)量精度要求。但由于車載移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)多傳感器集成的復(fù)雜性和作業(yè)要求的特殊性，為保證定姿定位精度，需加強(qiáng)系統(tǒng)傳感器檢校、標(biāo)定和采集作業(yè)流程等方面的質(zhì)量控制。

1）車載移動(dòng)系統(tǒng)系統(tǒng)時(shí)空同步性是定姿定位系統(tǒng)核心技術(shù)之一，必須保證各傳感器獲取數(shù)據(jù)的時(shí)空一致，以便GNSS、INS、GAMS和DMI等單傳感器檢校、標(biāo)定和車載移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)綜合檢校；

2）工程采集前定姿定位系統(tǒng)必須進(jìn)行靜態(tài)對(duì)齊，保證POS系統(tǒng)初始化和航向角收斂，工程采集結(jié)束后定姿定位系統(tǒng)對(duì)齊收斂；隨工程采集時(shí)間增加慣導(dǎo)系統(tǒng)漂移增加，為達(dá)到工程測(cè)量要求，必須將工程采集時(shí)間控制在1 h以內(nèi)；

3）車載移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)在城市峽谷區(qū)等短暫GNSS信號(hào)失鎖路段通過后處理能達(dá)到精度要求，但長(zhǎng)時(shí)間失鎖也很難保證POS精度，需采取POS糾偏等手段提高精度以滿足工程測(cè)量要求。