精密單點定位在機載激光雷達測量中的應用

　　0 引言 
　　機載激光雷達測量技術（LIDAR，Light Detection and Ranging）是激光技術、計算機技術、高動態載體姿態測量技術和高精度動態GPS定位技術迅速發展的產物，以飛機作為觀測平臺，以激光掃描測距系統為傳感器，能實時獲取地球表面的三維空間信息，是獲取地球空間信息的高新技術手段之一。目前，機載激光雷達技術主要用于快速獲取大面積的三維地形數據，快速高效的生成DEM、DOM、DSM等數字產品，在森林覆蓋區域和地形復雜的山區、電力和公路鐵路等帶狀工程、數字城市等領域相比傳統的航空攝影測量有明顯的優勢。 
　　機載激光雷達系統由機載GPS、慣性導航系統（IMU）和激光測距儀三大部分構成。其中機載GPS用于確定激光雷達信號發射參考點的空間位置，即飛行軌跡（Trajectory），它的精度直接影響到地面激光腳點的精度。為了提高軌跡的精度和可靠性，需要在地面上布設一定密度（30～50km）的GPS基準站（如圖1），這將大大增加人力、物力和財力的投入，對于一些難以到達的區域，根本無法保證足夠密度的基準站，甚至找不到近距離的基準站，此時動態基線長度可達幾百到上千公里，傳統的基于OTF解算模糊度的方法不再適用，必須尋求新的解決方法，精密單點定位技術（PPP， Precise Point Position）為我們進行長距離、高精度事后動態定位提供解決方案。因此，探索和研究精密單點定位技術在機載激光雷達測量中的應用具有重要意義。本文結合實際的項目，通過對比分析差分GPS和精密單點定位兩種方法求解軌跡的精度來分析精密單點定位技術在機載LIDAR測量中的應用。 
　　1 精密單點定位技術 
　　隨著高精度的精密衛星軌道和時鐘的出現，一種新的精密定位技術，精密單點定位技術PPP（Precise Point Positioning）， 已越來越受到關注. PPP利用精密軌道和時鐘來消除衛星軌道和時鐘誤差，利用雙頻觀測值來消除電離層的影響.通過相位觀測值來估計對流層延遲.由于上述誤差都可以削弱到厘米級左右，PPP利用單站GPS就可以達到幾個厘米的精度，即傳統RTK的精度.這無疑大大提高了高精度定位作業的靈活性，降低了作業成本.而且PPP可以精確地估計對流層的延遲和接收機鐘差，這些信息廣泛用于氣象和授時守時服務.這些優點都是差分定位技術無可比擬的。 
　　目前國際GPS服務組織IGS（International GNSS Service）提供的精密星歷軌道精度能夠達到2～3cm，衛星鐘差精度優于0.02ns[3]，隨著GPS接收機性能的不斷完善，載波相位精度不斷提高，以及大氣改正模型不斷改進和完善，為精密單點定位技術應用在機載激光LIDAR測量中提供了可能性。 
　　2 軌跡解算與分析 
　　為了研究精密單點定位技術在機載激光雷達測量中的應用，本實驗采用Applanix公司的POSPac軟件對采集到三個區域的數據（POS和機載GPS）分別用DGPS和PPP兩種方法進行處理，得出兩種不同的軌跡，并進行統計分析。 
　　2.1 數據預處理 
　　首先，從POS（Position and Orientation System）數據中提取機載GPS、IMU等數據，對數據質量進行初步檢查。 
　　然后，對機載GPS數據進行格式轉換。POSPac軟件包接受GPB（Group Parameter Block）格式，因此需要將GPS數據轉換成GPB文件，并對GPS數據進行質量檢查（L1/L2 Cycle Slip、Doppler、衛星高度角等） 
　　2.2 GPS解算及IMU融合 
　　POSPac軟件包內置GrafNav/net，具備DGPS和PPP兩種處理模式。對于DGPS，需要有與機載GPS同步觀測的地面基站數據、基站坐標等；對于PPP，無需地面基站，但需要精密星歷等輔助資料。 
　　DGPS：添加地面基準站GPS數據和站點坐標，設置采樣率、衛星截至角，根據基線長短設置KAR（Kinematic Ambiguity Resolution）解算參數、周跳修復等參數； 
　　PPP：下載精密星歷文件（SP3）、精密鐘差文件（CLK）、電離層IONEX（yyi）文件，設置KAR、Cycle slip等參數。 
　　GPS解算之后，采用kalman濾波方法與IMU數據融合，生成最終的軌跡，并按一定的采樣率輸出（NEU）。 
　　2.3 結果分析 
　　由于真實的軌跡無法精確得到，因此采用和DGPS對比的方法來評定用PPP求解軌跡的精度。具體做法如下： 
　　對兩種方法解算出的軌跡按1秒的采樣間隔分別輸出，得出兩套坐標（NEU）及姿態角（Roll、Pitch、Heading）并做差，用該坐標和姿態角差值來分析PPP求解軌跡的精度。圖2給出了三個測區用PPP和DGPS分別求的軌跡的差值時間序列，圖3則是對差值按區間統計的頻率直方圖。 
　　因飛機在起飛、降落或是在拐彎角度很小的情況下，極易引起機載GPS失鎖、產生多路徑效應等影響GPS解算質量，因此用作業區域時間段內的軌跡精度來評價PPP求解軌跡的精度。所以表一在統計均值、標準偏差時將忽略飛機起飛及降落時段的數據。 
　　從圖2的時間序列圖上可以看出，PPP和DGPS較差存在系統性，這種系統偏差在每個架次都存在且各不相同，可能是由GrafNav軟件的精密單點定位模型和差分GPS模型之間的差異造成的，也可能是由對流層延遲、多路徑效應等因素造成的。這種系統偏差在飛機起飛至作業區和從作業區返航這段時間尤為大，可能是由于對流層的延遲突變、GPS信號失鎖等因素造成的。 　　從整體來看，三個架次在作業區域內的PPP和DGPS較差在平面上（NE）都要明顯優于高程方向（H），系統偏差在NE方向的都在10cm內，H方向則在10～40cm不等。 
　　對于不同測區，Wenjiang作業區內系統偏差約為N方向5cm、E方向7cm、H方向15cm，Xichang約為NE方向8cm、H方向10～15cm，Mianyang約為E方向（-10～+10）cm、N方向5cm、H方向約35cm； NE系統偏差呈周期性振蕩，這種周期性跳變在Wenjiang、Mianyang架次中尤為顯著，可能是由于飛機按航帶飛行轉彎時GPS信號失鎖導致整周跳變。 
　　從差值頻率直方圖上也有類似的結論：PPP和DGPS的較差在NE方向都集中分布在（-0.1，0.1）區間，H方向都是負的，除Mianyang在（-0.4，-0.3）外其余兩個測區都集中分布在（-0.2，-0.1）區間上。表一給出了坐標和姿態角標準偏差的統計情況，結果顯示在N方向的系統偏差的標準差最小，H方向次之，E方向最大，說明系統偏差在N方向波動最小、E方向波動最大；對于姿態角，Roll、Pitch都要優于Heading方向。 
　　表1 標準偏差統計表 
　　3 結論及建議 
　　本文結合三個架次的機載GPS數據，分別采用了DGPS和PPP兩種方法對軌跡進行解算，并分析比較兩種軌跡的差別，得出以下結論： 
　　1）PPP和DGPS軌跡較差存在系統性，這種系統偏差存在每個架次且各不相同，可能是由PPP和DGPS不同解算方法產生的模型誤差、對流層和電離層誤差、多路徑效應等因素引起的； 
　　2）軌跡的系統偏差在平面方向（NE）要優于高程方向（H）：NE方向都在10cm內，H方向的系統偏差都是負的，大小在10～40cm； 
　　3）系統偏差按航帶呈周期性振蕩，NE方向尤為明顯，原因可能是飛機在轉彎時GPS信號失鎖引起整周跳變； 
　　4）姿態角Roll、Pitch都要優于Heading方向。 
　　為了提高精密單點定位解算軌跡精度，除改進解算模型外，在數據采集時應盡量避免飛機轉彎過急而引起GPS信號失鎖、多路徑效應等不利因素，內插精密星歷、鐘差也是有必要的。