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惯性导航与卫星导航紧耦合技术发展现状


惯性导航与卫星导航紧耦合技术发展现状
陈   ,王可东 偲
( 北京航空航天大学 宇航学院 ,北京 100083)

1  组合技术简介

1. 1   进行组合的必要性

为了获得移动载体的实时位置和姿态信息 ,已 经提出和采用了多种导航方式 , 其中 , 以惯性导航 系统 ( Inertial Navigatio n System , IN S ) 和全球卫 星导航系统 ( 以 Glo bal Po sitio ning System , GPS 为典型代表) 应用最为广泛 。 IN S 不仅能够提供载体位置速度参数 ,还能提 供载体的三维姿态参数 , 是完全自主的导航方式 , 在航空 、 、 航天 航海和陆地等几乎所有领域中都得 到了广泛应用 。但是 ,IN S 难以克服的缺点是其导 航定位误差随时间累加 ,难以长时间独立工作 。 20 世纪末发展起来的全球卫星定位系统具有 定位和测速精度高的优势 , 且基本上不受时间 、 地 区的限制 , 已经得到了广泛应用 。但是 , 在卫星信 号受到屏蔽或遮挡时 , 接收机就无法定位 。因而 , 对导航定位可靠性要求较高的情况下 GPS 很难单 独应用 。 所以 , GPS 和 IN S 都存在着自身难以克服的 缺点 。但是 , GPS 和 IN S 又具有很强的互补性 ,两 者的组合不仅可以充分发挥各自的优势 ,而且随着 组合程度的加深 , IN S/ GPS 组合系统的总体性能 要远远优于各自独立系统 ,被认为是目前导航领域 较为理想的组合方式 。按照信息交换或组合程度 的不同 ,又分为松散组合和紧耦合 。下面简单介绍 一下松散组合和紧耦合的各自特点 。 1. 2   松散组合特点

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     : 对紧耦合方案 、 摘 要 最优估计滤波算法和硬件开发等几方面进行了总结分析 。分析了 传统的 IN S/ GPS 松组合系统和 IN S/ GPS 紧耦合系统的区别 ; 给出了 IN S/ GPS 紧耦合系统 国内外的发展状况 ; 指出 IN S/ GPS 紧耦合系统所涉及的关键技术 。 关键词 : GPS ; IN S ; 组合导航 ; 紧耦合 ; Kalman 滤波 中图分类号 : P228    文献标识码 :A    文献标识码 :100829268 ( 2007) 03 - 0021 - 06
图1  松散组合原理示意图

图 1 是比较典型的松散组合的原理示意图 ,其

中 ,以 IN S 为主 ,在 GPS 可工作时 , GPS 信号用于 导航信息的最优估计 ,并用最优估计结果反馈修正
IN S ,使其保持高精度 ; 在 GPS 不可工作期间 , IN S

单独工作 ,输出惯性导航解 。

这种组合方案目前已经在实际中得到了应用 ,

结果表明在 GPS 工作良好区域和短时间不可工作 时 , 该组合系统的输出精度都较好 , 一般不低于
GPS 精度 。另外 ,该组合方案具有结构简单 、 实现 GPS 接收机受环境干扰影响而长时间不能工作

3

较容易等优点 。但是 , 当载体进行高动态机动或 时 ,该系统的精度将随运行时间增加而急剧下降 , 可靠性和抗干扰能力较差 。
1. 3   紧耦合特点

ρρ 图 2 是紧耦合原理示意图 ,其中 , I 、G 分别是 IN S 和 GPS 算出的伪距 ρ 、G 分别是 IN S 和 GPS , Iρ

算出的伪距率 。与松散组合相比 ,该组合方案是双 方向信息传输的 , 即一方面 GPS 信号用于 修正

收稿日期 :2007202202

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提高组合系统的抗干扰能力和保密性 。 正因为 紧 耦 合 具 有 如 上 优 越 的 特 点 , 早 在 1990 年左右国外就已经进行了紧耦合系统的实验 研究 ,并在 1997 年左右实现了在实际中的应用 ,从 2001 年开始 ,美国绝大部分主战飞机上已经采用 紧耦合技术的 E GI ( Embedded - GPS IN S) 逐步取 代单 GPS 接收机 ,并最终淘汰单 GPS 接收机 [ 9 ] 。

2  国内外紧耦合发展现状
图2  紧耦合原理示意图

2. 1   方案研究 2. 1. 1   国外

INS; 另一方面 , INS 信号在卫星星历的辅助下 , 也

用于计算载体相对于 GPS 卫星的伪距和伪距率 , 并用该信息辅助 GPS 信号的接收和锁相过程 , 以 提高 GPS 的接收精度和动态性能 。 相比较于松散组合 ,紧耦合有如下优点 : ( 1) 精度更高 由于 IN S 在一定时间范围内具有较高的定位 精度和速度测量精度 , 利用这些信息辅助 GPS 信 号接收和跟踪过程 , 可以大幅度提高 GPS 的定位 精度 、 动态性能和工作可靠性 ,在 GPS 导航卫星可 观测数目少于 4 颗时仍然能输出有用信号 ,而此时 在松散组合中的 GPS 的输出信号是不可用的 。提 高精度的 GPS 信息反过来可以修正 IN S 精度 , 使 得组合后 的系 统精 度要 高于 单个 系统 ( GPS 或 IN S) 精度 ,而松散组合最好情况下也只能取得与 GPS 相当的精度 。 ( 2) 抗干扰能力更强 当卫星信号信噪比恶化以至于对 GPS 信号的 跟踪成为不可能时 ,或当 GPS 接收机出现故障时 , IN S 可以独立进行导航定位 。当 GPS 信号状况显 著改善到允许跟踪时 , IN S 向 GPS 接收机提供当 前载体的初始位置和速度等信息 , 用来辅助 GPS 接收机搜索 GPS 卫星信号 , 从而大大加快对 GPS 卫星信号的重新捕获过程 。另外 ,IN S 信息还可以 修改跟踪回路参数 ,改变信号动态特性和接收信号 的信噪比 ,改进跟踪回路的能力 , 保证捕获并锁定
GPS 卫星信号 ,提高了对 GPS 卫星信号的跟踪能

国外采用的紧耦合方案比较典型的有 5 种[ 1 ] , 下面进行简单列举说明 。 ( 1) 常规模式 图 2 所示是常规模式的原理图 。常规紧耦合 的特点是根据 IN S 信息和 GPS 卫星星历计算载体 相对 GPS 卫星的伪距和伪距变化率 , 并作为 Kal2 man 滤波器的测量信息 , 与 GPS 接收机输出的伪 距和伪距率进行滤波估计 , 以提高 GPS 接收机的 输出精度 ; 同时 , 还用于辅助 GPS 码环锁相过程 , 增强了 GPS 接收机的快速捕获 GPS 卫星信号和 抗干扰能力 。 该方案原理简单 , 较容易实施 。不过 , 其中存 在一个正反馈过程 , 容易导致系统不稳定 。 GPS 接收机码环处于窄带状态 , 时间常数较大 , 使跟踪 误差与时间相关 , 与 IN S 的状态也是相关的 ; 而 且 , Kalman 滤波器的量测噪声是有色噪声 , 如果 需要提高 IN S/ GPS 组合系统导航性能 , 则必需精 确建模 。 ( 2) 对码环跟踪误差建模 该模式是在解决常规模式所存在的问题基础 上提出的 ,即对有色噪声精确建模 , 并消除正反馈 作用 ,相应于 GPS 接收机一阶或二阶码跟踪环 ,可 建立一阶或二阶跟踪误差模型 。 该模式的优点是提高了 Kalman 滤波器量测 模型的精度 ,有可能改善 IN S/ GPS 组合系统的不 稳定性 ,但没有消除问题的根源 , 且增大了其计算 量。 ( 3) 解相关伪距法
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力 。如果将 IN S 和 GPS 的解算电路集成在一起 , 可以省去相互之间的数据传输线 ,从而可以进一步

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图3  解相关伪距法原理图

ρ    3 是该模式的原理图 ,其中δ T 是跟踪误差 图 估计器估计出的误差 。该模式改变了 GPS 码环编 排方式 ,添加了跟踪误差估计器 , 获得具有白噪声 特征的量测残差 ,使得 Kalman 滤波器的估计结果 最优 ,消除了跟踪误差相关问题 , 去除了 Kalman 滤波器不稳定的根源 。 其缺点是对 GPS 码环进行了重新编排 , 实施 难度较大 。 ( 4) 滤波跟踪法

该模式是在解相关伪距法基础上进行改进的 , 即取消解相关伪距法中的比例控制环节 K p , 让 Kalman 滤波器在估计 IN S 与 GPS 误差的同时 , 参与码环滤波 ,并将 Kalman 滤波器的最优估计结 果作为初值提供给码环 C/ A 码发生器 。 该模式的优点是在获得理想量测输入的同时 , 增强了大回路的抗干扰能力 。但因取消了比例控 制 ,动态跟踪性能较解相关伪距法稍差 。 ( 5) 码误差跟踪法

图4  码误差跟踪法原理图

   4 是该模式的原理图 。该模式用相关器控 图 制回路取 代码环 , Kalman 滤 波器 直接 跟踪 码误 差 , IN S 的伪距和伪距率分别加入 C/ A 码发生器 和驱动码数控振荡器 NCO , Kalman 滤波器的量测 残差直接来自 GPS 接收机相关检测网络 。 该模式的优点是 Kalman 滤波器的量测输入 取自伪距残差 ,消除了误差根源 , 根据量测残差的 大小控制相关器的过零点 , 因而 , 大大提高了系统 对 IN S 误差的容限 , 同时 , Kalman 滤波器被包在
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跟踪环路之中 ,带宽很窄 , 提高了系统对干扰的容 限。 上述国外流行的五种紧耦合模式中 ,第一种模 式是传统的做法 , 存在一定的缺陷 ; 第二种至第五 种模式都不同程度地涉及到 GPS 接收机内部的编 排 ,甚至重新设计 ,要求对 GPS 接收原理和内部结 构有较深入的掌握 ,并要求有可以进行内部编排的 接收机 ,实施难度较大 , 这也是我国在相关领域只 停留在原理仿真层面上的主要原因 。不过 ,目前有
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关厂商已经提供了可以进行内部码环编排的接收 机 ,所以这方面的障碍将会得到解决 。 2. 1. 2   国内

受接收机研制能力的限制 ,国内在方案研究上 较少 ,基本停留在仿真设计阶段 。其中如下两种方 案具有一定的新颖性 。

图5  自适应滤波紧耦合方案原理图

   栗瑞江等[ 2 ] 进行了如图 5 所示的紧耦合方案 研究 ,其中 , RF 是 GPS 信号产生前端 ,NCO 是码 δ TR 数控振荡器 ,IMU 是惯导单元 , ρ h 是自适应码跟 踪估计器估计出的误差 。这个方案的特点是 : ( 1 ) 组合 Kalman 滤波器除完成 IN S 误差及 GPS 接收 机时钟误差的估计外 ,还参与了 GPS 码跟踪 ,即完

成传统码跟踪环中环路滤波器的功能 ; ( 2 ) 采用自 适应技术可在系统及环境变化的不确定条件下使 码跟踪误差估计器保持优良的性能 ,使组合滤波器 获得白化的伪距量测残差 。从原理上看 ,该方案与 解相关伪距法相似 ,不同的是该方案中采用了自适 应滤波技术 ,因而滤波稳定性更好 。

图6  开环或闭环反馈修正紧耦合方案

   孙道省等[ 3 ] 研究了如图 6 所示的具有开环和 闭环反馈修正选择的紧耦合方案 , 其中由 IN S 信 息和 GPS 卫星星历计算的载体相对 GPS 卫星的 伪距和 伪 距 率 作 为 被 测 量 , GPS 接 收 机 输 出 的
GPS 天线相对 GPS 卫星的伪距和伪距率作为基准

IN S 输出的开环校正或反馈给 GPS 和 IN S 进行闭

环修正 。从原理上看 ,该方案实际上与上述常规模 式相似 。 2. 2   滤波算法及仿真研究 研究紧耦合算法和仿真的人较多 。其中 ,孙道 省等 [ 1 ] 采用了 GPS/ IN S 紧耦合导航系统的联合滤 波方法 ; 赵伟等 [ 4 ] 根据 H ∞ 鲁棒滤波理论 , 提出基
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量 ,并考虑了 GPS 的跟踪误差 ,将这些量输入 Kal2 man 滤波器进行最优估计 , 估计结果可直接用于
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于 H ∞滤波技术的 GPS/ IN S 深组合滤波算法 , 仿 真结果表明 ,该系统结构简单 ,状态估计精度高 ,系 统鲁棒性好 ;J an Wendel 等 [ 5 ] 比较了扩展 Kalman 滤波和 Sigma2Point Kalman 滤波 , 结果表明后者 更适合于紧耦合系统 ; 安东等
[6 ]

况 ,自主研制 IN S/ GPS 紧耦合组合导航系统有如 下几个方面的工作需要突破 : ( 1) 紧耦合方案研究 。采用不同的组合方案 , 实现的难易程度和组合效果是不一样的 ,目前虽然 国外已经实现了有关方案 , 但没有相关详细报道 , 而国内只是停留在仿真阶段 。所以 ,可参考的资料 不多 ,有必要对这部分进行详细研究 ; ( 2) 硬件实现 。由于目前的绝大部分 GPS 接 收机都是黑匣子状态 ,无法对其内部解算过程进行 控制 ,因此 ,有必要花精力对有关市场进行调研 ,甚 至与有关厂商进行联系 , 并对 GPS 接收机内部结 构进行详细了解 ; ( 3) 信息融合技术 。在紧耦合系统中 , 有 IN S 辅助信息和 GPS 输出信息 , 对其采用不同的融合 方案 ,得到的效果也是不一样的 , 在硬件确定的条 件下 ,软件算法是决定组合效果的关键因素 ; ( 4) 试验验证 。由于实际应用环境比较复杂 , 往往很难达到理论分析或实验室所得到的效果 ,进 行各种复杂环境下的试验验证是改进设计和提高 性能的保证 。 参考文献
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对 GPS 码跟踪误

差检测器进行设计 ,并提出了扩大范围检测器的延 迟锁相环的设计方法 ,在紧耦合系统中设计了自适 应检测器 , 大大提高对码跟踪误差的容限 ; 袁信 等 [ 7 ] 对伪距解除相关法的原理进行了研究 ,设计了 一种加权平均跟踪误差估计器 , 用以估计 GPS 接 收机码环跟踪误差 , 仿真结果表明 , 与未对伪距测 量值进行修正时相比 ,应用伪距解除相关技术可以 减小紧耦合系统的导航误差 。 这些滤波算法研究的仿真结果都证明了紧耦 合的优越性 ,但基本都是对常规模式方案进行仿真 算法研究 ,并没有得到工程实验验证 。
2. 3   工程样机开发

IN S/ GPS 组合系统的 IN S 一般都是中 、 低精

度产品 , GPS 接收机是中 、 低动态的 , 要实现紧耦 合方案 ,首要条件是从 GPS 接收机内部引出伪距 、 伪距率和星历等信号 。市场调研发现目前已经有 相关的 O EM 板通过二次开发 ,可以实现对这些信 号的获取 ,如 CMC 公司生产的 super star O EM 板 和 MO TO ROL A 公司生产的 O EM 板 。嵌入式紧 耦合系统主要是将 GPS - O EM 接收板嵌入到二 次开发板上 ,二次开发板通过数据总线 , 连接到导 航计算机内部 ,从而实现 IN S 、 GPS 接收机和导航 计算机组成一体化 。 这方面国内的研究工作做得较少 ,孙道省等 [ 1 ] 进行了硬件及软件的设计 , 并突破了 Q 、 阵的设 R 置、 时序同步问题和低动态 GPS 接收机高动态的 应用等几个关键的技术难点 ,但遗憾的是并没有样 机开发的结果报道 。 国外紧耦合研究得较早 ,实际产品早已批量生 产 ,是目前美国和其它北约国家军用飞机改装计划 中的重点 ,其工作结果也较为理想 。 美国 McDo nnell Do uglas 导弹系统部为其空 对地导弹 SL AM 研制的紧耦合制导系统从 1989 年 6 月开始成功地进行了三次实弹飞行试验 ,系统 采用 Rockwell - Collins 提供的单通道序贯 P 码接 收机 ,并应用了 SIN S 辅助 GPS 接收机技术 [ 8 ] 。

西安 : 西北工业大学 , 2003
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航系统研究 [J ] . 中国空间科学技术 , 2002 , 4 ( 2) : 9
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[7 ]   陈家斌 , 袁信 . 伪距解除相关法在 GPS/ SINS 紧组

合系统中的应用研究 [J ] . 航空学报 , 1995 , 16 ( 6 ) :
707 - 710

[ 8 ]   Hyslop G , Gert h D. GPS/ INS Integration on t he

3  关键技术

根据我国目前有关的技术发展水平和实际情

[9 ]   刘凯 , 刘慧 . GPS/ INS 组合制导技术在现代战争中

2007. 3/ 全球定位系统

25

的应用及发展趋势 [J ] . 全球定位系统 , 2005 , 29

( 4) : 42 - 44

Trends of the Tightly Coupled INS/ GPS Integrated Navigation System
( S chool of A st ronautics , B ei han g U ni versit y , B ei j i n g 100083 , Chi na)

Abstract : Based o n t he related articles in t he tightly co upled IN S/ GPS integrated navigatio n system p ublished in recent year s , t rends in t he field were summarized in a few aspect s including schemes , opti2 mal estimatio n algorit hms , and hardware develop ment . The differences of t he t raditio nal loo se IN S/ GPS IN S/ GPS was co ncluded bot h in China and ot her co unt ries. Finally , t he key techniques in t he tightly Key words : GPS ; IN S ;integrated navigatio n system ;tightly co upled ; Kalman filter ) 作者简介 : 陈    ( 1983 — ,女 ,北京人 ,硕士研究生 ,主要研究方向为惯性与卫星组合导航 。 偲 and t he tightly co upled IN S/ GPS were analyzed fir st . Then , t he develop ment of t he tightly co upled co upled IN S/ GPS were p rovided , which wo uld be helpf ul for o ur research in t he field. ) 王可东  ( 1975 — ,wangkd @buaa. edu. cn ,男 ,安徽人 ,北京航空航天大学副教授 ,博士 ,主要从事地 形匹配和组合导航技术研究 。
( 上接第 4 页) [3]   宋淑丽 . 地基 GPS 网对水汽三维分布的监测及其在

气象学中的应用 [ D ] . 中国科学院研究生院博士论 文 , 2004 年 .

[ 4 ]  Lowry , A. R. , C. Rocken , S. V. Sokolovskiy , et
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[5]   盛裴轩 , 毛节泰 , 李建国 , 等 . 大气物理学 [ M ] . 北

京 : 北京大学出版社 ,2003 年 . 社 ,2000 年 .

[6]   熊皓 , 等 . 无线电波传播 [ M ] . 北京 : 电子工业出版 [ 7 ]  江长荫 , 张明高 , 焦培南 , 等 . GJB/ Z 87 - 97 : 雷达电

波传播折射与衰减手册 [ S ] . 北京 : 国防科工委军标 出版发行部 ,1997 年 .

Abstract : The zenit h wet delay ( ZWD) is o btained by simulating f ro m radio so nde data in Qingdao .

Based upo n t he ZWD and t he statistical relatio nship bet ween ZWD and at mo sp heric ref ractivit y p rofiles , t he model for at mo sp heric ref ractivit y p rofiles is p ropo sed herein , and t he parameter s are regressed. The simulated result s show t hat t his model is bet ter t han t he general at mo sp heric model s , and it can tolerate so me measurement ’ error s. s Key words : Zenit h wet delay ( ZWD) ; ref ractivit y p rofile ; GPS ; ret rieving

26

f ro m gro und2based GPS [ J ] , Radio Sci. , 2002 , 37 (3) :13. 1 - 13. 10.

Study on Retrieving Atmosphere Refractivity Prof iles Using Zenith Wet Delay ( ZWD) of GPS

L IN Le2ke1 , 2 , ZHANG Ye2rong1 , ZHAO Zhen2 wei2 , WANG Xiao2bin2 ,L IU Kun2
( 1 . Col lege of Com m unication an d I n f orm ation En gi neeri n g , N an j i n g U ni versit y of Posts an d Telecom m unications , N an j i n g 210003 , Chi na ;

2 . Chi na Research I nstit ute of R a dio W ave Prop a gation , Qi n g dao 266107 , Chi na)

CHEN Si , WANG Ke2dong

作者简介 : 林乐科  ( 1972 - ) ,男 ,南京邮电大

学博士生 ,中国电波传播研究所高级工程师 , 主要 研究方向为对流层大气遥感 。 张业荣 ( 1963 - ) , 男 , 博士 , 南京邮电大学教 授 ,博导 ,主要研究方向为移动通信系统与设计 、 电 波传播 、 电磁场的数值计算等 。 赵振维  ( 1965 - ) ,男 ,博士 ,中国电波传播研 究所副总工程师 、 研究员 , 主要研究方向为电波传 播和电波环境特性等 。

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