● 摘要
机载对地观测系统是以飞机为观测平台，利用成像载荷获取地球表面与表层大范围、高精度、多层次空间信息的技术。高精度运动成像要求载机作理想运动——匀速直线运动，但载机在气流扰动和飞行控制误差等因素的影响下，总是偏离理想运动而产生运动误差。这些运动误差会使成像出现偏移、散焦、变形、像素混叠等现象，严重降低了成像质量。因此，要实现高精度运动成像必须对载机的运动误差进行补偿，而运动误差补偿的前提是载机运动参数的测量。随着成像分辨率的提高，运动误差对像质的影响越突出，从而对运动参数测量精度的要求就越高。POS（Position and Orientation System，POS）是精确测量载机运动参数的有效手段。本论文针对机载高精度运动成像的需求，开展了机载对地观测用POS组合估计方法及试验研究，并完成了POS离线处理软件的工程化和试验测试。论文的主要工作如下：首先，针对常规的惯性导航系统误差模型不够精确的问题，进行惯性测量单元（Inertial Measurement Unit，IMU）标定残差对机载对地观测成像用POS精度的影响分析。分析结果表明陀螺安装误差、陀螺和加速度计一阶马尔柯夫过程噪声对滤波和平滑估计的姿态精度的影响最大，因此这三种误差源不容忽视。并在此分析结果的基础上完成了基于角误差模型的POS高阶非线性误差模型的建立。其次，针对机载对地观测成像对运动参数精度的高要求，提出将基于Unscented卡尔曼滤波（Unscented Kalman Filter，UKF）的R-T-S固定区间平滑方法应用于POS的数据离线处理中。并采用建立的高阶非线性模型对该组合估计算法进行验证。仿真分析和飞行试验数据处理结果表明，该方法能够获得优于扩展R-T-S平滑算法（Extended Rauch-Tung-Striebel Smoother，ERTSS）的估计精度。最后，为实现POS导航算法的模块化管理，并为用户提供方便快捷的数据处理工具，开发了一套机载对地观测用工程化POS离线处理软件。该软件采用基于菜单形式的界面用户接口设计，实现了数据输入、预处理、导航解算、观测载荷数据转换和结果输出等功能。利用飞行成像试验数据完成了该POS离线处理软件的精度测试。