基于激光點云數(shù)據(jù)的衛(wèi)星導(dǎo)航定位研究

黃偉賢，劉嵩鶴，齊 宇

（解放軍95072 部隊信息保障處，南寧 530022）

近年來，隨著有關(guān)激光點云研究的不斷深入，其在衛(wèi)星導(dǎo)航定位中的應(yīng)用也越來越受到人們的重視。但是若想充分發(fā)揮出激光點云數(shù)據(jù)的優(yōu)勢，提高衛(wèi)星導(dǎo)航定位的準確度，就要深入研究其應(yīng)用方法。尤其是要深入研究如何控制其定位誤差，提升激光點云數(shù)據(jù)的可行性。

1 激光點云數(shù)據(jù)分析

所謂點云是指通過應(yīng)用測量儀器得到的有關(guān)產(chǎn)品外觀表面的點數(shù)據(jù)集合。激光點云是指用激光照射物體表面，得到發(fā)射的激光能夠反映出方位、距離等信息，而后再按照某種軌跡用激光束進行掃描，就會得到大量的激光點。這些激光點的集合就稱為激光點云。

獲取激光點云數(shù)據(jù)的主要方法是：先分析掃描對象的實際情況，而后再確定所需測站數(shù)及位置、控制標靶數(shù)及位置。接下來，再連接計算機、掃描儀，并借助相關(guān)軟件進行目標拍照，選擇目標區(qū)域。最后，設(shè)置參數(shù)，并掃描。這樣完成所有測站的掃描后，再對靶標進行掃描就能得到激光點云數(shù)據(jù)。

激光點云數(shù)據(jù)的應(yīng)用途徑非常廣泛。如在部件制造、三維制圖、多元化視覺等方面都有應(yīng)用。而之所以能在衛(wèi)星導(dǎo)航定位中應(yīng)用激光點云數(shù)據(jù)是因為用激光對地球表面進行掃描，可得到比較精確的三維x、y、z 等測量值。并且還能得到可用GIS 管理、顯示、分析的離散多點云數(shù)據(jù)集合。若是能繼續(xù)對激光點云進行處理，并對激光遇到特定表面要素進行分類，就能區(qū)分開建筑物、地面、高速公路等。最重要的是它還能精準分辨空間、時間信息，穿越部門樹林等遮擋物，獲得更加精準的物體三維信息。

2 基于激光點云數(shù)據(jù)的衛(wèi)星導(dǎo)航定位方法

2.1 提取激光點云數(shù)據(jù)

在標識激光雷達點云數(shù)據(jù)時，可采用{（xi， yi， zi）; i=1， 2…， n}的形式。在該表達式中，n 表示點云數(shù)據(jù)總數(shù)，i 表示數(shù)據(jù)點索引。點云數(shù)據(jù)的平面坐標表達可采用平面坐標表達式?？杀硎緸椋珺 表示平面域。另外，為了方便建立三維模型，可重新整合點云數(shù)據(jù)表達式，以方便后期的統(tǒng)計、分析。

接下來，還可應(yīng)用標識點方法構(gòu)建目標地面投影幾何形狀。然后運用幾何重心方法得到平面域節(jié)點集合、隨機變量、目標投影點高程、地面投影點高程等的概率密度函數(shù)。假設(shè)其隨機點為，其中j為正整數(shù)。那么依據(jù)相關(guān)理論可得到其幾何重心平面坐標為。此時，可認定集合F 為幾何重心集合。如果假設(shè)這些重心是均勻分布，那么就可得到其概率密度函數(shù)公式。又知在平面域B 中，任何一個幾何重心都存在一個與其相對應(yīng)的節(jié)點集合。這時就可以對該節(jié)點集合進行標識。若與幾何重心相對應(yīng)的多邊形定點是平均分布在平面域中的，就可求出節(jié)點集合概率密度函數(shù)公式。接下來，可繼續(xù)根據(jù)此方法及其他理論知識，得到隨機變量概率密度公式、節(jié)點集合概率公式等。最后再依據(jù)貝葉斯定理，就能確定激光點云數(shù)據(jù)的提取模型。

2.2 衛(wèi)星導(dǎo)航定位

可將相對差分技術(shù)作為衛(wèi)星導(dǎo)航定位的關(guān)鍵技術(shù)。因為通過利用差分處理方法，可充分發(fā)揮出分析、差分組合的優(yōu)勢，精準測量數(shù)據(jù)，從而有效降低定位誤差。并且還可將差分為單差、雙差，并利用單差進行大氣延時、衛(wèi)星中差的調(diào)整。最重要的是能夠?qū)Λ@取的激光點云數(shù)據(jù)進行整理，得到激光點云數(shù)據(jù)集合的陣列方程。完成上述操作之后，就可以進行激光點云數(shù)據(jù)的相對定位、相對速度結(jié)算，從而實現(xiàn)精確、高效的目標定位。

2.3 實驗分析

為了確定基于激光點云數(shù)據(jù)的衛(wèi)星導(dǎo)航定位方法是否具有較高的精準度，文章設(shè)計了對比實驗。具體實驗方法是設(shè)置對照組。一組為文章描述的導(dǎo)航定位方法，具體是在MATLAB 仿真平臺上進行實驗，先利用衛(wèi)星接收裝置先完成激光點云數(shù)據(jù)圖片，對其中20個頻點進行五次水平方向上的導(dǎo)航定位。第二組是OTSU 多閾值方法。第三組是虛擬特征方法。

結(jié)果顯示：應(yīng)用所述方法，其誤差值在0.22-0.73之間，應(yīng)用OTSU 多閾值、虛擬特征定位方法，其誤差值在0.40-1.22之間。顯然，所述方法的導(dǎo)航定位精準度更高。同時，為了保證實驗的有效性，還分別運用兩種方法進行了高程導(dǎo)航定位對比。前者的誤差值在0.05-0.34之間。OTSU 多閾值、虛擬特征定位方法的誤差值在0.20-0.53之間。而我國有關(guān)規(guī)定指出進行衛(wèi)星導(dǎo)航定位時，需保證平面誤差、高程誤差在1.2米、0.5米以下。顯然，所述方法比較符合國家規(guī)范要求。另外，在激光點云數(shù)據(jù)基礎(chǔ)之上，還采用文章所述方法對不同的距離進行了五次導(dǎo)航定位。結(jié)果表明：運用所述方法進行定位，其誤差值不會超過0.2%。并且結(jié)合誤差理論分析發(fā)現(xiàn)，對導(dǎo)航定位置進平均，可進一步提高導(dǎo)航定位結(jié)果的精確度。如果繼續(xù)運用MATLAB 軟件對各種定位數(shù)據(jù)進行匯總、擬合，還能發(fā)現(xiàn)其實際定位數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)是相同的。最重要的是通過橫向?qū)Ρ冗€能夠發(fā)現(xiàn)，在三種導(dǎo)航定位方法中文章所述方法的用戶容量更大、數(shù)據(jù)共享性更強、覆蓋范圍更廣。也就是說，基于激光點云數(shù)據(jù)的衛(wèi)星導(dǎo)航定位方法不僅精準，而且方法性能強。

綜上所述，通過應(yīng)用激光點云數(shù)據(jù)方法可以進行高精度的衛(wèi)星導(dǎo)航定位。所以，應(yīng)繼續(xù)加大激光點云數(shù)據(jù)的研究力度，提高激光點云數(shù)據(jù)的應(yīng)用水平，從而推動我國衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)的創(chuàng)新與發(fā)展。尤其是要深化其應(yīng)用方式，不斷降低定位誤差，真正實現(xiàn)高精度定位。