Método de análisis de fuentes de error de datos LIDAR aéreos
1. Error de medición
1. Error de alcance del láser
El telémetro láser es el equipo central más importante del sistema lidar. Los telémetros láser se ven afectados por muchos factores, incluidos tres tipos principales: ① Errores de observación causados por los telémetros. Cada proceso de trabajo de alcance láser traerá ciertos errores, pero la función principal es el error causado por el procesamiento, estimación y medición del tiempo de señales de eco láser irregulares por el circuito óptico electrónico después de la reflexión en el suelo y la propagación espacial, que se dividen en retrasos de tiempo. Hay dos categorías principales: error de estimación y error de medición del tiempo. ②Error de refracción atmosférica. Cuando el láser penetra en la atmósfera, se verá afectado por el error de refracción atmosférica (troposférica) al igual que la señal del GPS. El grado de influencia depende de la longitud de onda del pulso del láser. ③ Error causado por objetos terrestres. Cuando la señal del pulso láser se emite al suelo, se producirán diferentes reflejos debido a las diferentes propiedades físicas del suelo. Cuando la señal se refleja de forma difusa, se recibe una gran cantidad de señales reflejadas, lo que formará un gran ruido de recepción cuando la señal se transmite a la superficie de un objeto liso, se formará una reflexión especular, lo que puede provocar la señal de alcance del láser; estar "perdido";
2.Error de posicionamiento DGPS
El error de posicionamiento DGPS es el factor principal que afecta la precisión de los pasos del láser. Los errores de posicionamiento dinámico GPS incluyen principalmente errores de órbita de satélites, errores de reloj de satélite, errores de reloj de receptor, efectos de trayectorias múltiples e inestabilidad del centro de fase de la antena, así como si las soluciones a las constelaciones de satélites, el ruido de observación y las ambigüedades de números enteros son correctas. Aunque los errores de posicionamiento GPS son obvios, continúan cambiando con los cambios en el entorno de observación y son difíciles de eliminar o modelar. Para debilitar la influencia de los errores de posicionamiento GPS, un método común es establecer varias estaciones de referencia distribuidas uniformemente en el área de medición para garantizar que el cálculo del posicionamiento dinámico GPS no esté demasiado lejos de las estaciones de referencia.
3. Error de medición de actitud
El error de medición de actitud es uno de los factores que afectan la precisión de posicionamiento del sistema lidar aéreo. En el sistema lidar aéreo, la IMU rígida está conectada al escáner láser y se puede decir que sus posturas son completamente consistentes. La precisión de la medición de la actitud de la IMU se verá afectada por el error proporcional del acelerómetro, el error constante del velocímetro, la deriva aleatoria, la deriva del sistema giroscópico y otros factores. La precisión de la medición de la actitud afectará inevitablemente los resultados del posicionamiento directo. En la actualidad, el nivel de precisión del sistema INS civil de mi país es: guiñada 0,1, balanceo y cabeceo 0,05, y el nivel de precisión combinado GPS/INS es 0,03. El nivel de precisión combinado avanzado GPS/INS extranjero es: guiñada 0,01, balanceo y cabeceo; 0,005.
4. Error del ángulo de escaneo
El error del ángulo de escaneo significa que debido a la instalación, el diseño y otras razones, la dirección del eje de rotación del sistema de escaneo se desvía del estado ideal, lo que provoca que El ángulo inicial del ángulo de escaneo debe ser distinto de cero, este ángulo es fijo y se puede medir al salir de fábrica. La rotación desigual del motor de escaneo y la vibración del espejo de escaneo también generarán errores en el ángulo de escaneo. Además, la existencia de un error de torque también hace que el ángulo de escaneo real sea diferente del ángulo de escaneo esperado; Esto traerá errores a los resultados del cálculo.
En segundo lugar, errores de ubicación del hardware
1. Error de excentricidad
El error de excentricidad es el error de traducción entre varios sistemas de coordenadas de instrumentos. Dado que el centro de coordenadas de cada dispositivo es diferente, es necesario determinar con precisión la relación posicional de cada dispositivo después de su colocación, y los valores de observación tendrán ciertos errores. En términos generales, este error se ha eliminado en el cálculo de los datos y tiene poco impacto. El error de excentricidad es principalmente el error de medición de la distancia desde el centro de la antena del receptor GPS hasta el punto de emisión del rayo láser en el espejo de escaneo.
2. Error de ángulo de colocación
El error causado durante el proceso de instalación del instrumento se refiere principalmente al error sistemático y la desviación del rayo láser que se desvía del punto bajo de la máquina debido a a la instalación en el estado sin escaneo. Imágenes de error, error de inclinación y error de balanceo. En el sistema lidar aéreo, la unidad de medición inercial está estrechamente conectada al escáner láser. Durante el proceso de instalación, se debe garantizar que el eje de la IMU esté completamente paralelo al eje del sistema de escaneo láser.
Pero, de hecho, existe una ligera diferencia de ángulo entre el eje de la IMU y el eje del escáner láser después de la instalación, que es el ángulo de excentricidad, también llamado ángulo de colocación. En la producción real, las vibraciones severas cuando la aeronave aterriza pueden provocar el desplazamiento de los instrumentos e interferir con los datos. Por tanto, es necesario estudiar su mecanismo de formación, influir en las reglas y realizar una compensación precisa. En aplicaciones prácticas, el ángulo de excentricidad debe calibrarse y medirse con precisión. Este valor debe considerarse en varias transformaciones, de modo que los datos de actitud registrados por la IMU puedan convertirse en elementos de orientación externos precisos, que puedan usarse para la producción de fotogrametría. Láseres aerotransportados. El radar es una aplicación de alta precisión que localiza directamente el suelo.
3. Error de paso de ángulo
El error de paso de ángulo es el error causado por el dispositivo de grabación de ángulos cuando registra los cambios de ángulo y generalmente se corrige en fábrica.
4. Error de torsión
Si el espejo de escaneo se considera un cuerpo rígido, debido a la inercia durante la rotación y el giro, el ángulo de rotación real será inevitablemente diferente del ángulo esperado. (registrado por el dispositivo de grabación) Diferente, este es el error de torsión. Está relacionado con la elasticidad y las propiedades mecánicas del eje del espejo de escaneo. En el borde de la franja de exploración, la posición real del espejo de exploración difiere ligeramente de la posición calculada del codificador con aceleración máxima. En el centro de la correa no hay error de torsión porque la aceleración es cero.
En tercer lugar, error de procesamiento de datos
1, error de sincronización horaria
El sistema lidar aéreo consta de POS y un sistema de escaneo láser, los cuales son equipos del sistema independientes. , con diferentes dispositivos de registro de tiempos, estos tiempos son independientes entre sí. Para determinar las coordenadas tridimensionales del punto láser, es necesario asegurarse de que la posición, la actitud y los valores de alcance de la emisión del láser sean valores de observación al mismo tiempo. Si hay una desviación de tiempo, o esta desviación no se puede determinar con precisión, se producirá un error en este punto. Además, este error es variable y aumenta con la tasa de cambio de la medición asociada. Por ejemplo, cuando la aeronave vuela suavemente, la desviación de tiempo entre la medición del alcance y la actitud tiene poco impacto. En este momento, el ángulo de actitud generalmente permanece sin cambios o cambia muy poco cuando el vuelo es inestable, la desviación de tiempo afectará la medición; del punto láser. Los errores tienen un gran impacto.
2. Error de interpolación
El error de interpolación es causado por las diferentes frecuencias de registro (muestreo) de datos entre el sistema de rango de escaneo láser y el sistema POS. En términos generales, el sistema de alcance de escaneo láser tiene la frecuencia más alta, que puede alcanzar los 150 khz; le sigue el IMU, aproximadamente 200 Hz; el DGPS tiene la frecuencia más baja, solo alrededor de 20 Hz. Por lo tanto, para obtener la posición y actitud de cada punto del pie del láser, es necesario interpolar los datos de POS. Obviamente, esto provocará errores de interpolación.
3. Error de conversión de coordenadas
Los datos obtenidos por el sistema lidar aerotransportado se basan en el sistema de coordenadas WGS-84. El propósito de la medición generalmente es servir a la ingeniería, que requiere convertir las coordenadas de los puntos del pie del láser al sistema de coordenadas local. Sin embargo, debido a la influencia de una elevación anormal, se producirán errores en este proceso, que es el error de conversión de coordenadas.