[发明专利]一种提高机载激光雷达定姿精度的方法

说明书

技术领域

本发明涉及遥感及对地观测领域，主要为一种提高机载激光雷达定姿精度的方法。

背景技术

机载激光雷达以其可全天候工作、作业灵活、成本低、操作方便、作业效率高、成图周期短等优点，广泛应用于地形测绘、海洋测深、大气环境监测、生态系统测量、军事国防等领域。

随着全球定位系统(Global Position System，GPS)、惯性导航系统(Inertial Navigation System，INS)、激光测距技术等的发展，机载激光雷达的定位精度和成像精度得到很大提高。尤其是差分GPS技术的应用，使GPS的定位精度由米级提高到厘米级。但由于姿态角误差对机载激光雷达的定位精度影响很大，高精度遥感及对地观测对INS的定姿精度要求很高。而具有足够精度的INS价格非常昂贵，需要较长的初始化和校准时间，这不仅增加了系统的成本，还降低了系统的运行效率。再者，INS利用安装在载体上的惯性测量装置(加速度计和陀螺仪)敏感载体的运动，通过积分输出载体的姿态数据，该姿态数据存在误差随时间迅速累积的问题。

姿态角的测量误差是造成像质退化的一个重要原因，选用高精度的INS设备又将使系统成本大大增加。因此，在降低系统成本的前提下提高机载激光雷达的定姿精度具有重要的现实意义。“一种激光雷达平台上高精度定位、定姿的装置和方法”在中国专利200710064115.7中公开，该方法采用对获得的多幅航空数码影像进行相对定向计算，获得激光雷达平台在工作航线上的低频高精度姿态参数值，用该低频高精度姿态参数值对INS获得的高频低精度参数进行修正处理，获得平台的高精度姿态参数信息。但该方法对地面激光脚点三维坐标进行高精度修正的区域范围受航拍周期的限制，其专利中说明航拍周期为4秒左右，即以4s的频率修正定姿误差，适用于载机平台姿态角变化较缓慢的情况。随着轻小型飞机在航空遥感中的推广应用，上述应用情况发生较大变化。一方面，由于飞机尺寸及重量的减小，导致载机平台的姿态变化更加频繁，需要航摄图像的航拍周期尽量小。另一方面，轻小型飞机载重量的限制也限制了存储设备的存储能力，这就使得航摄图像的航拍周期不能太小。同时过小的航拍周期会导致数据处理量迅速增加，不仅增大了数据处理的难度，也不利于激光雷达遥感图像的及时获取。

因此，在选用低成本、低精度INS设备的条件下，研究一种提高机载激光雷达定姿精度的方法是非常必要的。本发明公开一种从激光脚点的地面坐标误差解算姿态角测量误差，从而提高机载激光雷达定姿精度的方法。该方法能以较高频率修正姿态角的测量误差，适用于轻小型航空遥感应用中平台姿态频繁变化的情况。本发明在遥感及对地观测领域具有广阔的应用前景。

发明内容

本发明是一种在只需选用低成本、低精度INS设备的条件下，由特征点在大地坐标系中的二维坐标误差求解三个姿态角误差，从而提高机载激光雷达定姿精度的方法。

本发明提出的一种提高机载激光雷达定姿精度的方法采用以下技术方案：

在机载激光雷达遥感系统选用低成本、低精度INS设备的条件下，通过特征点在大地坐标系上的二维坐标误差求解三个姿态角误差，从而提高机载激光雷达定姿精度的方法。其特征在于，结合GPS定位数据、低精度INS姿态数据、激光测距数据、扫描角数据等求得特征点在大地坐标系上的三维初步纠正坐标；根据所述激光脚点在大地坐标系上的坐标误差与三个姿态角误差之间的映射关系，由特征点在大地坐标系X方向和Y方向的初步纠正坐标与真实坐标之间的差值求解三个姿态角误差；利用所求得的姿态角误差修正低精度INS姿态数据，从而提高机载激光雷达的定姿精度。其中，所述激光重复频率远高于载机平台姿态大幅度变化的频率，可认为沿着飞行方向、在一定范围的扫描区域内载机平台的姿态角保持不变；在所述每一个姿态角保持不变的扫描区域内选择两个特征点；通过所述特征点在航摄图像上的位置求得其在大地坐标系X方向和Y方向的真实坐标。本发明可以大大降低系统成本，并且能以较高频率修正姿态角的测量误差，适用于轻小型航空遥感应用中平台姿态频繁变化的情况。

其中，所述激光重复频率远高于载机平台姿态大幅度变化的频率，可认为沿着飞行方向、在一定范围的扫描区域内载机平台的姿态角保持不变；在一定范围的、可认为姿态角保持不变的扫描区域内选择两个特征点。

其中，根据特征点在航摄图像上的位置，求其在大地坐标系X方向和Y方向的真实坐标。