雷射雷達平臺上高精度定位、定姿的裝置和方法

2023-05-14 06:51:16

專利名稱：雷射雷達平臺上高精度定位、定姿的裝置和方法
技術領域：
本發明涉及空間測量領域，尤其涉及一種雷射雷達平臺上高精度定位、 定姿的裝置和方法。
背景技術：
高精度位置與姿態測量系統在Lidar (雷射雷達)工程測量中高精度地記 錄雷射雷達平臺的姿態和位置的變化。利用高精度姿態和位置測量系統，能 夠使Lidar (雷射雷達)既保證測量精度，又能大大地提高測量效率。由於Lidar在工程測量中的測繪工作的特點決定了其數據處理的實時性要 求不高，利用高精度姿態和位置測量系統，Lidar系統進行數據採集和處理的 處理流程如圖1所示，該處理流程包括兩個階段導航原始數據的實時記錄 和導航數據結果的事後處理。機載的Lidar進行數位化三維地圖的繪製的過程主要分為以下三個步驟1、 數據採集進行實時的數字攝像機的圖片數據、雷射雷達的數據、慣 性測量單元數據、高精度GPS ( Global Positioning System,全球定位系 統)或RTK ( Real - time kinematic)數據等數據的採集。2、 事後數據處理利用上述採集到的慣性測量單元數據和高精度GPS 數據進行高精度組合導航計算，獲得雷射雷達平臺測繪過程中地理坐標系以 及當地坐標系下的高精度位置和姿態(橫滾、俯仰、航向)等高精度導航信 息。3、解算地理信息主要是對上述獲得的高精度導航信息和數字攝像機的 圖片數據進行整合處理，獲得二維地理信息，然後利用Lidar的高度信息處 理，獲得雷射雷達平臺的高精度的三維地理信息。現有技術中的高精度位置及姿態測量系統主要包括高精度IMU (慣性測 量單元)、差分GPS接收機、導航計算機(包含實時導航軟體)和一套後處 理軟體包。採用捷聯安裝的三軸陀螺儀/三軸加速度計組成的高精度IMU進行 慣性測量，採用差分GPS進行高精度定位，通過IMU和差分GPS數據進行組 合導航計算，實現長時間高精度的定位定向。現有技術中的 一 種高精度位置及姿態測量系統中的空基定位和導航系統 對慣導測量姿態數據進行修正的原理示意圖如圖2所示。具體實現過程主要 為數據後處理軟體利用高精度GPS數據，檢測慣導測量姿態數據的精度， 當慣導測量姿態數據的漂移超過了 GPS檢測到的範圍時，就對慣導測量姿態 數據進行修正。通過不斷的修正和濾波實現高精度導航和Lidar系統的高精度 姿態數的獲取，實現組合導航和Lidar系統高精度定姿的要求。上述現有技術中的高精度位置及姿態測量系統的缺點為整個高精度位 置及姿態測量系統特別是高精度IMU的價格非常昂貴，從而使Lidar系統的整 體成本很高，普通用戶難以承受。發明內容本發明的目的是提供一種雷射雷達平臺上高精度定姿的裝置和方法。從 而可以降低高精度位置與姿態測量系統的成本，提高高精度位置與姿態測量 系統的精度。本發明的目的是通過以下技術方案實現的一種雷射雷達平臺上高精度定位、定姿裝置，在雷射雷達系統中設置可 量測照相單元，慣性測量單元、高精度位置、姿態測量及解算單元，其中各單元組成和功能如下，可量測照相單元用於在雷射雷達平臺的飛行航線上通過攝影獲得航空 數碼影像，對獲得的航空數碼影像進行相對定向計算，獲得雷射雷達平臺在 工作航線上的低頻高精度姿態參數值，將該相對定向獲得的低頻高精度姿態參數值傳輸給高精度位置、姿態測量及解算單元；慣性測量單元用於獲得雷射雷達平臺在工作航線上的高頻低精度姿態 參數值，將該高頻低精度姿態參數傳輸給高精度位置、姿態測量及解算單 元；高精度位置、姿態測量及解算單元用於將可量測照相單元傳輸過來的平臺低頻高精度姿態參數值作為平臺在軌姿態約東邊界，對慣性測量單元傳 輸過來的平臺高頻低精度姿態參數進行修正處理，獲得雷射雷達平臺的高精 度位置和姿態參數。一種雷射雷達平臺上高精度定位、定姿的方法，包括在雷射雷達平臺的飛行軌跡上通過可量測照相獲得航空數碼影像，對獲 得的航空數碼影像進行相對定向計算，獲得雷射雷達平臺在工作航線上的低 頻高精度姿態參數值；通過慣性測量單元獲得雷射雷達平臺的高頻低精度姿 態參數；利用所述相對定向獲得的低頻高精度姿態參數值對所述高頻低精度姿態 參數進行修正處理，獲得雷射雷達平臺的高精度姿態參數信息。由上述本發明提供的技術方案可以看出，本發明利用可量測照相機獲得 航空數碼影像，並對航空數碼影像進行相對定向計算，利用相對定向結果對 低精度慣導輸出的低精度姿態參數信息進行修正，獲得雷射雷達平臺的高精 度姿態參數信息。從而可以降低高精度位置與姿態測量系統的成本，提高高 精度位置與姿態測量系統的精度。滿足Lidar系統高精度測量的要求。本發明成果利用於雷射雷達平臺不僅降低了整個系統的使用成本，而且，為機載激 光雷達系統國產化，推廣該技術在國民經濟各個領域的應用發揮作用。


圖1為現有技術中利用高精度姿態和位置測量系統，Lidar系統進行數據 採集和處理的流程圖；圖2為現有技術中的 一種高精度位置及姿態測量系統中對慣導測量姿態 數據進行修正的原理示意圖；圖3為本發明所述裝置的實施例的結構圖；圖4為應用了本發明所述裝置的Lidar系統的設計原理圖；圖5為本發明所述方法的實施例的處理流程圖；圖6為相對定向運算的原理示意圖；圖7為通過高精度GPS測量姿態變化範圍信息和相對定向獲得的低頻高 精度姿態信息分別對高頻低精度姿態參數進行修正處理的原理示意圖。
具體實施方式
本發明提供了 一種雷射雷達平臺上高精度定位、定姿的裝置和方法。下面結合附圖來詳細描述本發明，本發明所述裝置的實施例的結構圖如 圖3所示，包括可量測照相單元、慣性測量單元、空中位置測量單元、高 精度位置、姿態測量及解算單元、雷射掃描單元和三維坐標信息獲取單元。 下面分別介紹各個單元的功能。可量測照相單元用於根據預先設定的時間間隔在雷射雷達平臺的飛行軌跡上，通過可量測照相機獲得航空數碼影像，用攝影測量理論對獲得的相 鄰航空數碼影像進行相對定向計算，獲得雷射雷達平臺在工作航線上的低頻 高精度姿態參數值。將獲得的低頻高精度姿態參數信息傳輸給高精度位置、 姿態測量及解算單元。慣性測量單元用於獲得雷射雷達平臺在工作航線上的高頻低精度姿態 參數，將該高頻低精度姿態參數傳輸給高精度位置、姿態測量及解算單元。慣性測量單元可以為低精度IMU，通過低精度的IMU獲得雷射雷達平臺的高 頻低精度姿態採樣信息，將獲得的低精度姿態參數信息傳輸給高精度位置、 姿態測量及解算單元。空中位置測量單元用於獲取雷射雷達平臺的高精度空間運動軌跡數 據，並將該高精度空間運動軌跡數據傳輸給高精度位置、姿態測量及解算單 元。空中位置測量單元可以為GPS位置測量單元、伽利略定位系統位置測 量單元、北鬥位置測量單元等衛星定位系統。如差分GPS位置測量單元可以 通過高精度GPS系統獲得雷射雷達平臺的高平面精度運動軌跡數據，該GPS 數據包括雷射雷達平臺的位置信息。將獲得的高精度GPS數據傳輸給高精度 位置、姿態測量及解算單元和三維坐標信息獲取單元。高精度GPS能提供平面距離量測精度優於十萬分之一 、採樣頻率高達 20Hz以上的飛行軌跡數據。利用這些高精度平面位置數據可以約束慣導漂移 和為影像的相對定向提供初值。高精度位置、姿態測量及解算單元用於根據可量測照相單元傳輸過來 的利用影像相對定向技術獲得的攝影時刻的低頻高精度姿態參數值和空中位 置測量單元傳輸過來的雷射雷達平臺的高平面精度的空間位置數據，對慣性 測量單元傳輸過來的雷射雷達平臺的高頻低精度姿態參數進行修正處理，獲 得雷射雷達平臺的高精度姿態參數信息。將獲得的高精度姿態參數信息傳輸給三維坐標信息獲取單元。雷射掃描單元用於通過雷射掃描獲得雷射雷達平臺和地面之間的距離信息，將獲得的距離信息傳輸給三維坐標信息獲取單元。雷射掃描系統能提 供高精度的距離測量數據，該數據有利於提供高精度姿態解算的自動化程度 和雷射雷達的高精度三維點雲產品的形成。三維坐標信息獲取單元用於利用空中位置測量單元傳輸過來的GPS數 據信息，對雷射掃描單元傳輸過來的雷射雷達平臺和地面之間的距離信息和 高精度位置、姿態測量及解算單元傳輸過來的雷射雷達平臺的高精度姿態參 數信息進行聯合處理，獲得雷射雷達平臺的高精度地面三維坐標信息。上述雷射雷達平臺包括飛機和飛艇等。本發明所迷裝置可以設置在 Lidar系統中，應用了本發明所述裝置的Lidar系統的設計原理圖如圖4所示。本發明所述方法的實施例的處理流程如圖5所示，包括如下步驟步驟5-1:通過可量測照相機獲得航空數碼影像，對影像進行相對定向計 算，獲得雷射雷達平臺在攝影曝光時刻的姿態參數信息。本發明首先需要在雷射雷達平臺上加載可量測的航空數位相機，該航空 數位相機可以根據預先設定的時間間隔(比如4秒)在雷射雷達平臺的飛行 軌跡上獲得航空數碼影像。該航空數位相機在進行航空照相時，需要確保同 航線相鄰數碼影像的覆蓋地面重疊度大於53。/。，相鄰航線影像重疊度大於 15%並利用整體匹配的思想自動尋找重疊區域內同名影像點，在獲得標準點 位附近的多對同名象點(不少於9對)之後就可以依據攝影測量理論對獲得的相 鄰航空數碼影像進行相對定向計算，從而獲得雷射雷達平臺在攝影曝光時刻 的姿態信息。相對定向運算的原理示意圖如圖6所示，基本原理如下在攝影測量中， 一般情況下利用單幅影像是不能確定影像上的點(簡稱 象點)在物方空間的位置，即象點對應的地物點(簡稱物點)的空間位置， 只能通過攝影中心和象點確定物點所在的空間方向。要獲得物點的空間位置 須利用兩幅相互重疊的影像構成立體像對，立體像對是立體攝影測量的基本 單元，由立體像對構成的立體模型是立體攝影測量的基礎。對立體像對進行相對定向就是要恢復攝影時相鄰兩影像攝影光束的相互 關係，從而使同名光線對對相交。相對定向的方法有兩種 一種是單獨像對相對定向，它採用兩幅影像的角元素運動實現相對定向，其定向元素為(cp1, k1, cp2， u)2, k2);另一種是連續像對相對定向，它以左影像為基準，採用右 影像的直線運動和角運動實現相對定向，其定向元素為(BY, BZ, cp2, w2, k2)。在多個連續模型的處理中多採用連續法相對定向。步驟5-2、通過高精度GPS數據和雷射雷達平臺的相對定向獲得的低頻 高精度姿態參數信息分別對低精度姿態參數進行修正處理，獲得雷射雷達平 臺的高精度姿態參數信息。本發明無需採用高精度的IMU,通過低精度的IMU獲得雷射雷達平臺的 低精度姿態參數信息。通過高精度GPS系統獲得雷射雷達平臺的高精度GPS 數據，該GPS數據包括雷射雷達平臺的位置信息(X， 丫)。通過上述獲得的高精度GPS數據確定雷射雷達平臺的工作軌跡以及航行 和俯仰姿態參數的變化範圍，利用該姿態測量信息和上述相對定向獲得的激 光雷達平臺在工作航線上的低頻高精度姿態參數信息分別對慣性測量單元提 供的高頻低精度姿態參數進行修正處理，獲得雷射雷達平臺的高精度姿態參 數信息。利用高精度GPS測量數據和相對定向獲得的低頻高精度雷射雷達平臺姿 態參數信息對慣性測量單元獲得的平臺高頻低精度姿態參數進行修正處理的原理示意圖如圖7所示，具體處理過程如下由於低精度的IM U測量的姿態平臺數據漂移速度較快，輸出的雷射雷達 平臺的姿態數據精度低。而對上述相互重疊53。/。以上航空數碼影像進行相對 定向獲得的攝影曝光時刻的位置精度優於0.01 mm ，姿態角精度優於0.001 度，因此，通過相對定向計算獲得的曝光時刻的高精度姿態數據，可以直接 用於對低精度慣導輸出的姿態數據進行修正。在通過相對定向獲得低頻高精度姿態參數並對對慣性測量單元輸出的高 頻低精度姿態數據進行修正的同時，還可以通過上述高精度GPS輸出的位置 數據進行組合導航計算，從而獲得高精度的平臺姿態數據。步驟5-3、將雷射雷達平臺的高精度位置和姿態參數信息和雷射測距信息 相結合，獲得雷射雷達平臺的高精度地面三維坐標信息。綜上所述，本發明設計一種裝置和方法，利用航攝數位相機、相對低精 度慣性測量單元，高精度GPS組成的位置和姿態測量(POS)系統替代由高 精度IMU、高精度GPS組成的高精度POS系統，為高精度雷射雷達平臺的位 置和姿態測量服務。本發明所述裝置主要利用了在飛機飛行航線和相鄰航線上彼此重疊的影 像進行相對定向，能高精度確定攝影時刻相機姿態這一特點。利用低精度慣 導輸出的姿態數據，影像相對定向姿態數據，高平面精度的GPS數據以及高 距離量測精度的雷射掃描系統數據進行聯合解算，獲得機載雷射雷達高精 度、高頻率位置和姿態數據。以上所述，僅為本發明較佳的具體實施方式
，但本發明的保護範圍並不 局限於此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術範圍內，可 輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護範圍之內。因此，本發明 的保護範圍應該以權利要求的保護範圍為準。
權利要求
1. 一種雷射雷達平臺上高精度定位、定姿裝置，其特徵在於，在雷射雷達系統中設置可量測照相單元，慣性測量單元、高精度位置、姿態測量及解算單元，其中各單元組成和功能如下，可量測照相單元用於在雷射雷達平臺的飛行航線上通過攝影獲得航空數碼影像，對獲得的航空數碼影像進行相對定向計算，獲得雷射雷達平臺在工作航線上的低頻高精度姿態參數值，將該相對定向獲得的低頻高精度姿態參數值傳輸給高精度位置、姿態測量及解算單元；慣性測量單元用於獲得雷射雷達平臺在工作航線上的高頻低精度姿態參數值，將該高頻低精度姿態參數傳輸給高精度位置、姿態測量及解算單元；高精度位置、姿態測量及解算單元用於將可量測照相單元傳輸過來的平臺低頻高精度姿態參數值作為平臺在軌姿態約束邊界，對慣性測量單元傳輸過來的平臺高頻低精度姿態參數進行修正處理，獲得雷射雷達平臺的高精度位置和姿態參數。
2、 根據權利要求1所述的裝置，其特徵在於，所述裝置還包括空中位置測量單元用於獲取雷射雷達平臺的高精度空間運動軌跡數 據，並將該高精度空間運動軌跡數據傳輸給高精度位置、姿態測量及解算單元。
3、 根據權利要求2所述的裝置，其特徵在於，所述空中位置測量單元包 括GPS全球定位系統或伽利略定位系統或北鬥定位系統。
4、 根據權利要求1所述的裝置，其特徵在於，所述慣性測量單元包括 低精度慣導單元IMU。
5、 根據權利要求2所述的裝置，其特徵在於所述高精度位置、姿態測量及解算單元還用於根據空中位置測量單元 輸出的高精度空間運動軌跡數據，高精度確定平臺的航向、俯仰姿態變化範 圍；利用所述高精度航向、俯仰姿態變化範圍和相對定向獲得的低頻高精度 姿態參數分別對所述高頻低精度姿態參數進行修正處理，獲得雷射雷達平臺 的高精度姿態參數信息。
6、 根據權利要求2或3或4或5所述的裝置，其特徵在於，所述裝置還包括雷射掃描單元用於通過雷射掃描獲得雷射雷達平臺和地面之間的距離 信息，將獲得的距離信息傳輸給三維坐標信息獲取單元；三維坐標信息獲取單元用於利用雷射掃描單元傳輸過來的所述距離信 息和高精度位置、姿態測量及解算單元獲得的所述雷射雷達平臺的高精度姿 態參數信息進行聯合處理，獲得雷射雷達平臺的高精度地面三維坐標信息。
7、 一種雷射雷達平臺上高精度定位、定姿的方法，其特徵在於，包括在雷射雷達平臺的飛行軌跡上通過可量測照相獲得航空數碼影像，對獲 得的航空數碼影像進行相對定向計算，獲得雷射雷達平臺在工作航線上的低 頻高精度姿態參數值；通過慣性測量單元獲得雷射雷達平臺的高頻低精度姿 態參數；利用所述相對定向獲得的低頻高精度姿態參數值對所述高頻低精度姿態 參數進行修正處理，獲得雷射雷達平臺的高精度姿態參數信息。
8、 根據權利要求7所述的方法，其特徵在於，所述方法還包括通過空中位置測量單元獲得雷射雷達平臺的高精度空間位置數據；根據 該高精度空間位置數據，確定雷射雷達平臺的高精度位置和姿態變化範圍；利用所述高精度位置和姿態變化範圍和相對定向獲得的低頻高精度姿態 參數對所述高頻低精度姿態參數進行修正處理，獲得雷射雷達平臺的高精度 位置和姿態參數信息。
9、根據權利要求8所述的方法，其特徵在於，所述方法還包括通過雷射掃描獲得雷射雷達平臺和地面之間的距離信息，利用所述位置 測量單元的數據信息，對所述距離信息和所述雷射雷達平臺的高精度姿態參 數信息進行聯合處理，獲得雷射雷達平臺的高精度地面三維坐標信息。
全文摘要
本發明提供了一種雷射雷達平臺上高精度定位、定姿的裝置和方法，該裝置主要包括可量測照相單元，慣性測量單元和高精度位置、姿態測量及解算單元。該方法主要包括在雷射雷達平臺的飛行軌跡上通過可量測照相獲得航空數碼影像，對獲得的航空數碼影像進行相對定向計算，獲得雷射雷達平臺在工作航線上的低頻高精度姿態參數值；通過慣性測量單元獲得雷射雷達平臺的高頻低精度姿態參數；利用所述相對定向獲得的低頻高精度姿態參數值對所述高頻低精度姿態參數進行修正處理，獲得雷射雷達平臺的高精度姿態參數信息。利用本發明，可以降低高精度位置與姿態測量系統的成本，提高高精度位置與姿態測量系統的精度。
文檔編號G01S5/00GK101241011SQ20071006411
公開日2008年8月13日 申請日期2007年2月28日 優先權日2007年2月28日
發明者張珂殊, 林宗堅, 蘇國中 申請人:北京北科天繪科技有限公司