后处理POS

激光雷达应用

(一)

在激光雷达应用中，激光雷达作业系统通常有两个核心组件，一个是激光雷达传感器，一个是POS。激光雷达的作用无须赘述，而POS的作用，因其设备的隐秘性，和数据结果的不直观，通常大家对该设备缺乏了解。但在激光雷达作业系统中，POS的作用却是至关重要，一定意义上甚至比激光雷达更重要。

01 什么是POS？为什么需要POS？

POS的英文全称是Position and Orientation System——定位定向系统，主要作用是提供高精度的位置和姿态基准。那什么叫位置和姿态基准呢？众所周知，激光雷达在作业过程中是始终保持运动状态，它的位置和姿态是一直在变的，在这种情况下，激光雷达的扫描信息却是以激光雷达平台为准的。仅仅利用激光雷达数据，完全无法得到真实的三维点云，这时就需要外部提供激光雷达每一时刻的高精度位置和姿态信息，才能够将点云投影转换到真实三维空间中，而POS就是提供高精度位置和姿态信息的基准平台。

02 POS为什么这么重要？

高精度三维点云的意义在于能够反映真实空间中的实物信息，包括实物的外形、位置、姿态。三维点云中各实物的外形、位置、姿态完全取决于激光雷达的扫描精度和POS的位置、姿态、精度。其中，激光雷达的扫描精度因产品生产工艺成熟，非常稳定，各产品差别极小，不是主要矛盾。这样，一定意义上，其实决定点云精度的核心要素是POS精度，这也就是POS如此重要的原因。

03 后处理POS与传统实时IMU/GPS组合导航的区别及对点云的影响

后处理POS的本质是一种特殊的IMU/GPS组合测量系统。提到IMU/GPS组合，想必大家都知道，毕竟IMU/GPS组合已经出现了超过50年，早在上世纪60年代起，就已经开始在军事领域广泛应用，飞机、导弹，甚至炮弹上都广泛采用IMU/GPS组合导航系统进行导航。

?问：既然已经这么成熟，那能否直接将IMU/GPS组合导航系统用于激光雷达运动补偿呢？

?答：当然是否定的。因为二者虽然相似，却是完全不同的两个系统。最突出的是，从对激光雷达的补偿效果来看，IMU/GPS实时组合导航的精度全方位低于POS，这也是为什么虽然IMU/GPS组合导航已出现半个世纪，但POS的真正成熟却是最近十年的事情。

?问：如果为了图省事，把IMU/GPS实时组合导航信息直接用于激光雷达数据补偿，带来的结果是什么呢？

?答：看点云你就会发现：好好的一栋建筑怎么偏了？直线的道路怎么断了？两条航带怎么就是匹配不上？一会这里歪了，一会那里变形了！这些都让我们非常崩溃。试想，这样的点云，精度一会是几厘米，一会是几米，忽高忽低，忽好忽差。对于只要稍有些点云绝对精度要求的场合，都是完全没用的。

?问：既然实时组合导航精度这么差，那后处理POS精度如何呢？

?答：后处理POS最突出的优势就是位置和姿态信息几乎能全程(>95%)保持高精度，而应用后处理POS的点云，是对于三维实物的高精度还原，位置误差在10厘米左右。

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(二)

01 后处理POS对比传统IMU/GPS实时组合导航的显著优势

后处理POS对比传统IMU/GPS实时组合导航，位置和姿态精度有非常显著地提升，主要基于以下原因：

1.定位精度

实时组合导航：因为受通讯、实时状态、基站信息简化程度等因素影响极大，定位精度较难达到厘米级，工程实践表明，实时中厘米级定位精度在50%左右，甚至更低。其余精度在亚米到米级。

后处理POS：厘米级定位精度>95%。能达到如此高精度定位的原因在于：后处理POS不受通讯影响，整组数据都作为先验信息；后处理可利用整组数据解算整周模糊度，准确率远远高于实时；后处理差分所用基站数据是完整原始数据，量测信息和星历信息完整、充分；诸多核心算法技术的应用，保证了能有效规避低精度GPS定位结果对POS结果的影响。

工程实践表明，后处理POS中，厘米级定位精度的结果占结果总数的比例>95%。

2.姿态精度

实时组合导航：姿态误差一致性差，受实时状态影响巨大。表现为：在组合导航对准期间姿态精度较差；在导航期间，每时刻姿态精度只是基于当前时刻以前的滤波估计，通常精度远达不到理论最高值；另外，还受失锁、野值等因素影响严重，姿态精度起伏大。

后处理POS：姿态精度接近系统标称精度的比例>95%。能达到如此高精度定姿的原因在于：后处理POS采用了前向处理、后向处理、平滑处理、双向融合处理等诸多提升精度和数据平滑度的手段，能够利用整组数据对每个时间点姿态进行多维度、多模式、多次的全局最优评估，使得几乎每一时刻的定位定姿结果都能达到整组数据的最高水平。因此基本不存在精度低和精度起伏的问题。

3. 整组数据一致性

实时组合导航：由于滤波估计收敛过程是按照时序从前往后，因此，精度会逐渐升高，在整架次作业末时各误差估计精度才会达到最高，导致整架次精度并不统一，呈现精度渐变的形态。

后处理POS：所得结果的精度一致性>95%，且均接近整组数据所能达到的精度最高值。精度一致性能达到如此高的原因在于：后处理POS采用了前向处理、后向处理、平滑处理、双向融合处理等诸多提升精度和数据平滑度的手段，能够利用整组数据对每个时间点姿态进行多维度、多模式、多次的全局最优评估，使得几乎每一时刻的定位定姿结果都能达到整组数据的最高水平。因此完全不存在对准期间精度低的问题，也不存在各误差收敛导致数据精度不统一的问题。

4. 数据平滑度

实时组合导航：存在大量毛刺，原因在于：实时卡尔曼滤波会在GPS量测更新处(通常1Hz)的滤波处对位置姿态进行校正，而校正意味着跳变，所以存在固定频率(通常1Hz)的普遍性跳变，跳变幅度受当时滤波状态大小不等。当GPS信号由失锁到锁定，或者由SINGLE、DGPS恢复到RTK FIX时，会产生剧烈跳变，位置跳变幅度能达到>1米，姿态跳变幅度能达到>1度。

后处理POS：所得结果的平滑度>99%，也就意味着，其结果中几乎不存在大于标称精度的位置姿态跳变，换句话说，在点云中，基本感受不到跳变的存在。数据平滑度如此高的原因在于：后处理POS采用了多向滤波平滑融合，即使在GNSS失锁情况下，也能保证数据平滑，基本不存在跳变现象。

5. 数据精度的可验证、可回溯、可检查、可重算

实时组合导航：判定指标单一、不准确，处理结果不可更改，不可重算，也无法使用可靠指标进行复核。

后处理POS：有丰富的判定指标对数据精度进行复核，最重要指标包括STD、DOP、SEP、Q等等，经指标判定合格数据，其真实合格率>99%。由于后处理使用的是原始数据，因此可任意重算。

02 后处理POS与实时POS精度对比

03 结论

1. 精度是点云核心指标，POS是决定点云精度的核心因素。

2. 对后处理POS精度和实时组合导航精度进行综合评判打分，后处理POS精度得分>95分，实时组合导航精度得分50分，甚至更低。

3. 使用后处理POS得到的点云，完全满足支持各类依赖高精度点云的应用，比如精细巡检、无人机自动驾驶等。

4. 实时组合导航得到的点云，精度低、不稳定、不统一，完全无法满足依赖高精度点云的应用，只适合用于点云精度要求低或无点云精度要求的场合。

(三)

关于POS的常见问题

?问：每次为什么要起飞绕8字和S机动，能不能取消这个环节，或者直线加速代替？

?答：这个问题很好，是之前pos研究中的重点问题之一。对于惯导，机动(直线加速、8字机动、S机动)的目的是：通过运动激发，使得惯导各项误差特征(几十种误差)体现出来，从而得到正确估计并剔除。机动过程中，对于误差的激发越明显，估计效果越好，得到的pos精度也就越高。对比直线加速、8字机动、S机动三种机动方式，直线加速只能够激发大概3种误差(y轴加速度计标度因数以及x、z轴非正交误差投影)，而8字机动和S机动却能够激发20多种误差(所有陀螺、加计的零偏、标度因数、非正交误差，以及航向、姿态等误差)，孰优孰劣，显而易见。

?问：对于市场上不具备后差分解算核心模块的某些点云产品，为什么还需要架设基站，并且用RTK打基站点坐标?

?答：POS是点云解算的必备模块，虽然有些产品不具备后差分解算模块，但仍然需要使用实时IMU/GPS组合导航结果作为POS。而实时IMU/GPS组合导航结果虽然解算精度远低于后差分解算，但工程中仍然需要采用实时RTK手段来得到位置信息，实时RTK在执行中需要与基站通讯，且需要高精度的基站位置信息，才能得到正确的位置。

?问：使用千寻基站后差分解算数据，为什么马上飞行完后，就能下载到最新的基站数据，还能保证如此的高精度点云解算?

?答：千寻通过覆盖全国的若干常驻基站(CORS站)，代替了用户自行架设的基站，二者的原理、手段是基本相同的，本质上，千寻是一种类似共享单车的共享服务，而不是一种全新的技术。所以，使用千寻基站与使用用户自行架设基站是等效的。

编辑：孙千惠

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中国科学院植物研究所植被与环境变化国家重点实验室数字生态课题组，主要围绕以激光雷达为核心传感器的软硬件研发，融合多源遥感信息开展林业、农业、城市等领域的研究。更多资讯请访问：http://www.3decology.org/

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