精密单点定位在机载激光雷达测量中的应用
0 引言
机载激光雷达测量技术（LIDAR，Light Detection and Ranging）是激光技术、计算机技术、高动态载体姿态测量技术和高精度动态GPS定位技术迅速发展的产物，以飞机作为观测平台，以激光扫描测距系统为传感器，能实时获取地球表面的三维空间信息，是获取地球空间信息的高新技术手段之一。目前，机载激光雷达技术主要用于快速获取大面积的三维地形数据，快速高效的生成DEM、DOM、DSM等数字产品，在森林覆盖区域和地形复杂的山区、电力和公路铁路等带状工程、数字城市等领域相比传统的航空摄影测量有明显的优势。
机载激光雷达系统由机载GPS、惯性导航系统（IMU）和激光测距仪三大部分构成。其中机载GPS用于确定激光雷达信号发射参考点的空间位置，即飞行轨迹（Trajectory），它的精度直接影响到地面激光脚点的精度。为了提高轨迹的精度和可靠性，需要在地面上布设一定密度（30～50km）的GPS基准站（如图1），这将大大增加人力、物力和财力的投入，对于一些难以到达的区域，根本无法保证足够密度的基准站，甚至找不到近距离的基准站，此时动态基线长度可达几百到上千公里，传统的基于OTF解算模糊度的方法不再适用，必须寻求新的解决方法，精密单点定位技术（PPP， Precise Point Position）为我们进行长距离、高精度事后动态定位提供解决方案。因此，探索和研究精密单点定位技术在机载激光雷达测量中的应用具有重要意义。本文结合实际的项目，通过对比分析差分GPS和精密单点定位两种方法求解轨迹的精度来分析精密单点定位技术在机载LIDAR测量中的应用。
1 精密单点定位技术
随着高精度的精密卫星轨道和时钟的出现，一种新的精密定位技术，精密单点定位技术PPP（Precise Point Positioning）， 已越来越受到关注. PPP利用精密轨道和时钟来消除卫星轨道和时钟误差，利用双频观测值来消除电离层的影响.通过相位观测值来估计对流层延迟.由于上述误差都可以削弱到厘米级左右，PPP利用单站GPS就可以达到几个厘米的精度，即传统RTK的精度.这无疑大大提高了高精度定位作业的灵活性，降低了作业成本.而且PPP可以精确地估计对流层的延迟和接收机钟差，这些信息广泛用于气象和授时守时服务.这些优点都是差分定位技术无可比拟的。
目前国际GPS服务组织IGS（International GNSS Service）提供的精密星历轨道精度能够达到2～3cm，卫星钟差精度优于0.02ns[3]，随着GPS接收机性能的不断完善，载波相位精度不断提高，以及大气改正模型不断改进和完善，为精密单点定位技术应用在机载激光LIDAR测量中提供了可能性。
2 轨迹解算与分析
为了研究精密单点定位技术在机载激光雷达测量中的应用，本实验采用Applanix公司的POSPac软件对采集到三个区域的数据（POS和机载GPS）分别用DGPS和PPP两种方法进行处理，得出两种不同的轨迹，并进行统计分析。
2.1 数据预处理
首先，从POS（Position and Orientation System）数据中提取机载GPS、IMU等数据，对数据质量进行初步检查。
然后，对机载GPS数据进行格式转换。POSPac软件包接受GPB（Group Parameter Block）格式，因此需要将GPS数据转换成GPB文件，并对GPS数据进行质量检查（L1/L2 Cycle Slip、Doppler、卫星高度角等）
2.2 GPS解算及IMU融合
POSPac软件包内置GrafNav/net，具备DGPS和PPP两种处理模式。对于DGPS，需要有与机载GPS同步观测的地面基站数据、基站坐标等；对于PPP，无需地面基站，但需要精密星历等辅助资料。
DGPS：添加地面基准站GPS数据和站点坐标，设置采样率、卫星截至角，根据基线长短设置KAR（Kinematic Ambiguity Resolution）解算参数、周跳修复等参数；
PPP：下载精密星历文件（SP3）、精密钟差文件（CLK）、电离层IONEX（yyi）文件，设置KAR、Cycle slip等参数。
GPS解算之后，采用kalman滤波方法与IMU数据融合，生成最终的轨迹，并按一定的采样率输出（NEU）。
2.3 结果分析
由于真实的轨迹无法精确得到，因此采用和DGPS对比的方法来评定用PPP求解轨迹的精度。具体做法如下：
对两种方法解算出的轨迹按1秒的采样间隔分别输出，得出两套坐标（NEU）及姿态角（Roll、Pitch、Heading）并做差，用该坐标和姿态角差值来分析PPP求解轨迹的精度。图2给出了三个测区用PPP和DGPS分别求的轨迹的差值时间序列，图3则是对差值按区间统计的频率直方图。
因飞机在起飞、降落或是在拐弯角度很小的情况下，极易引起机载GPS失锁、产生多路径效应等影响GPS解算质量，因此用作业区域时间段内的轨迹精度来评价PPP求解轨迹的精度。所以表一在统计均值、标准偏差时将忽略飞机起飞及降落时段的数据。
从图2的时间序列图上可以看出，PPP和DGPS较差存在系统性，这种系统偏差在每个架次都存在且各不相同，可能是由GrafNav软件的精密单点定位模型和差分GPS模型之间的差异造成的，也可能是由对流层延迟、多路径效应等因素造成的。这种系统偏差在飞机起飞至作业区和从作业区返航这段时间尤为大，可能是由于对流层的延迟突变、GPS信号失锁等因素造成的。 从整体来看，三个架次在作业区域内的PPP和DGPS较差在平面上（NE）都要明显优于高程方向（H），系统偏差在NE方向的都在10cm内，H方向则在10～40cm不等。
对于不同测区，Wenjiang作业区内系统偏差约为N方向5cm、E方向7cm、H方向15cm，Xichang约为NE方向8cm、H方向10～15cm，Mianyang约为E方向（-10～+10）cm、N方向5cm、H方向约35cm； NE系统偏差呈周期性振荡，这种周期性跳变在Wenjiang、Mianyang架次中尤为显著，可能是由于飞机按航带飞行转弯时GPS信号失锁导致整周跳变。
从差值频率直方图上也有类似的结论：PPP和DGPS的较差在NE方向都集中分布在（-0.1，0.1）区间，H方向都是负的，除Mianyang在（-0.4，-0.3）外其余两个测区都集中分布在（-0.2，-0.1）区间上。表一给出了坐标和姿态角标准偏差的统计情况，结果显示在N方向的系统偏差的标准差最小，H方向次之，E方向最大，说明系统偏差在N方向波动最小、E方向波动最大；对于姿态角，Roll、Pitch都要优于Heading方向。
表1 标准偏差统计表
3 结论及建议
本文结合三个架次的机载GPS数据，分别采用了DGPS和PPP两种方法对轨迹进行解算，并分析比较两种轨迹的差别，得出以下结论：
1）PPP和DGPS轨迹较差存在系统性，这种系统偏差存在每个架次且各不相同，可能是由PPP和DGPS不同解算方法产生的模型误差、对流层和电离层误差、多路径效应等因素引起的；
2）轨迹的系统偏差在平面方向（NE）要优于高程方向（H）：NE方向都在10cm内，H方向的系统偏差都是负的，大小在10～40cm；
3）系统偏差按航带呈周期性振荡，NE方向尤为明显，原因可能是飞机在转弯时GPS信号失锁引起整周跳变；
4）姿态角Roll、Pitch都要优于Heading方向。
为了提高精密单点定位解算轨迹精度，除改进解算模型外，在数据采集时应尽量避免飞机转弯过急而引起GPS信号失锁、多路径效应等不利因素，内插精密星历、钟差也是有必要的。
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