基于激光點云數據的衛星導航定位研究

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，隨著有關激光點云研究的不斷深入，其在衛星導航定位中的應用也越來越受到人們的重視。但是若想充分發揮出激光點云數據的優勢，提高衛星導航定位的準確度，就要深入研究其應用方法。尤其是要深入研究如何控制其定位誤差，提升激光點云數據的可行性。

1 激光點云數據分析

所謂點云是指通過應用測量儀器得到的有關產品外觀表面的點數據集合。激光點云是指用激光照射物體表面，得到發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。

獲取激光點云數據的主要方法是：先分析掃描對象的實際情況，而后再確定所需測站數及位置、控制標靶數及位置。接下來，再連接計算機、掃描儀，并借助相關軟件進行目標拍照，選擇目標區域。最后，設置參數，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據。

激光點云數據的應用途徑非常廣泛。如在部件制造、三維制圖、多元化視覺等方面都有應用。而之所以能在衛星導航定位中應用激光點云數據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據集合。若是能繼續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 基于激光點云數據的衛星導航定位方法

2.1 提取激光點云數據

在標識激光雷達點云數據時，可采用{（xi， yi， zi）; i=1， 2…， n}的形式。在該表達式中，n 表示點云數據總數，i 表示數據點索引。點云數據的平面坐標表達可采用平面坐標表達式。可表示為，B 表示平面域。另外，為了方便建立三維模型，可重新整合點云數據表達式，以方便后期的統計、分析。

接下來，還可應用標識點方法構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。假設其隨機點為，其中j為正整數。那么依據相關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。如果假設這些重心是均勻分布，那么就可得到其概率密度函數公式。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的節點集合。這時就可以對該節點集合進行標識。若與幾何重心相對應的多邊形定點是平均分布在平面域中的，就可求出節點集合概率密度函數公式。接下來，可繼續根據此方法及其他理論知識，得到隨機變量概率密度公式、節點集合概率公式等。最后再依據貝葉斯定理，就能確定激光點云數據的提取模型。

2.2 衛星導航定位

可將相對差分技術作為衛星導航定位的關鍵技術。因為通過利用差分處理方法，可充分發揮出分析、差分組合的優勢，精準測量數據，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、衛星中差的調整。最重要的是能夠對獲取的激光點云數據進行整理，得到激光點云數據集合的陣列方程。完成上述操作之后，就可以進行激光點云數據的相對定位、相對速度結算，從而實現精確、高效的目標定位。

2.3 實驗分析

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

結果顯示：應用所述方法，其誤差值在0.22-0.73之間，應用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。而我國有關規定指出進行衛星導航定位時，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范要求。另外，在激光點云數據基礎之上，還采用文章所述方法對不同的距離進行了五次導航定位。結果表明：運用所述方法進行定位，其誤差值不會超過0.2%。并且結合誤差理論分析發現，對導航定位置進平均，可進一步提高導航定位結果的精確度。如果繼續運用MATLAB 軟件對各種定位數據進行匯總、擬合，還能發現其實際定位數據與理論數據是相同的。最重要的是通過橫向對比還能夠發現，在三種導航定位方法中文章所述方法的用戶容量更大、數據共享性更強、覆蓋范圍更廣。也就是說，基于激光點云數據的衛星導航定位方法不僅精準，而且方法性能強。

綜上所述，通過應用激光點云數據方法可以進行高精度的衛星導航定位。所以，應繼續加大激光點云數據的研究力度，提高激光點云數據的應用水平，從而推動我國衛星導航定位技術的創新與發展。尤其是要深化其應用方式，不斷降低定位誤差，真正實現高精度定位。