基于激光点云数据的卫星导航定位研究

黄伟贤，刘嵩鹤，齐 宇

（解放军95072 部队信息保障处，南宁 530022）

近年来，随着有关激光点云研究的不断深入，其在卫星导航定位中的应用也越来越受到人们的重视。但是若想充分发挥出激光点云数据的优势，提高卫星导航定位的准确度，就要深入研究其应用方法。尤其是要深入研究如何控制其定位误差，提升激光点云数据的可行性。

1 激光点云数据分析

所谓点云是指通过应用测量仪器得到的有关产品外观表面的点数据集合。激光点云是指用激光照射物体表面，得到发射的激光能够反映出方位、距离等信息，而后再按照某种轨迹用激光束进行扫描，就会得到大量的激光点。这些激光点的集合就称为激光点云。

获取激光点云数据的主要方法是：先分析扫描对象的实际情况，而后再确定所需测站数及位置、控制标靶数及位置。接下来，再连接计算机、扫描仪，并借助相关软件进行目标拍照，选择目标区域。最后，设置参数，并扫描。这样完成所有测站的扫描后，再对靶标进行扫描就能得到激光点云数据。

激光点云数据的应用途径非常广泛。如在部件制造、三维制图、多元化视觉等方面都有应用。而之所以能在卫星导航定位中应用激光点云数据是因为用激光对地球表面进行扫描，可得到比较精确的三维x、y、z 等测量值。并且还能得到可用GIS 管理、显示、分析的离散多点云数据集合。若是能继续对激光点云进行处理，并对激光遇到特定表面要素进行分类，就能区分开建筑物、地面、高速公路等。最重要的是它还能精准分辨空间、时间信息，穿越部门树林等遮挡物，获得更加精准的物体三维信息。

2 基于激光点云数据的卫星导航定位方法

2.1 提取激光点云数据

在标识激光雷达点云数据时，可采用{（xi， yi， zi）; i=1， 2…， n}的形式。在该表达式中，n 表示点云数据总数，i 表示数据点索引。点云数据的平面坐标表达可采用平面坐标表达式。可表示为，B 表示平面域。另外，为了方便建立三维模型，可重新整合点云数据表达式，以方便后期的统计、分析。

接下来，还可应用标识点方法构建目标地面投影几何形状。然后运用几何重心方法得到平面域节点集合、随机变量、目标投影点高程、地面投影点高程等的概率密度函数。假设其随机点为，其中j为正整数。那么依据相关理论可得到其几何重心平面坐标为。此时，可认定集合F 为几何重心集合。如果假设这些重心是均匀分布，那么就可得到其概率密度函数公式。又知在平面域B 中，任何一个几何重心都存在一个与其相对应的节点集合。这时就可以对该节点集合进行标识。若与几何重心相对应的多边形定点是平均分布在平面域中的，就可求出节点集合概率密度函数公式。接下来，可继续根据此方法及其他理论知识，得到随机变量概率密度公式、节点集合概率公式等。最后再依据贝叶斯定理，就能确定激光点云数据的提取模型。

2.2 卫星导航定位

可将相对差分技术作为卫星导航定位的关键技术。因为通过利用差分处理方法，可充分发挥出分析、差分组合的优势，精准测量数据，从而有效降低定位误差。并且还可将差分为单差、双差，并利用单差进行大气延时、卫星中差的调整。最重要的是能够对获取的激光点云数据进行整理，得到激光点云数据集合的阵列方程。完成上述操作之后，就可以进行激光点云数据的相对定位、相对速度结算，从而实现精确、高效的目标定位。

2.3 实验分析

为了确定基于激光点云数据的卫星导航定位方法是否具有较高的精准度，文章设计了对比实验。具体实验方法是设置对照组。一组为文章描述的导航定位方法，具体是在MATLAB 仿真平台上进行实验，先利用卫星接收装置先完成激光点云数据图片，对其中20个频点进行五次水平方向上的导航定位。第二组是OTSU 多阈值方法。第三组是虚拟特征方法。

结果显示：应用所述方法，其误差值在0.22-0.73之间，应用OTSU 多阈值、虚拟特征定位方法，其误差值在0.40-1.22之间。显然，所述方法的导航定位精准度更高。同时，为了保证实验的有效性，还分别运用两种方法进行了高程导航定位对比。前者的误差值在0.05-0.34之间。OTSU 多阈值、虚拟特征定位方法的误差值在0.20-0.53之间。而我国有关规定指出进行卫星导航定位时，需保证平面误差、高程误差在1.2米、0.5米以下。显然，所述方法比较符合国家规范要求。另外，在激光点云数据基础之上，还采用文章所述方法对不同的距离进行了五次导航定位。结果表明：运用所述方法进行定位，其误差值不会超过0.2%。并且结合误差理论分析发现，对导航定位置进平均，可进一步提高导航定位结果的精确度。如果继续运用MATLAB 软件对各种定位数据进行汇总、拟合，还能发现其实际定位数据与理论数据是相同的。最重要的是通过横向对比还能够发现，在三种导航定位方法中文章所述方法的用户容量更大、数据共享性更强、覆盖范围更广。也就是说，基于激光点云数据的卫星导航定位方法不仅精准，而且方法性能强。

综上所述，通过应用激光点云数据方法可以进行高精度的卫星导航定位。所以，应继续加大激光点云数据的研究力度，提高激光点云数据的应用水平，从而推动我国卫星导航定位技术的创新与发展。尤其是要深化其应用方式，不断降低定位误差，真正实现高精度定位。