IMU、INS、DGPS和POS
INS（慣性導航系統）與 IMU（慣性測量裝置）有什麽區別?
定位（GPS)就是告訴你，你現在在哪。導航就是告訴你，如何到你想要到的位置。慣性導航你可以簡單的理解成依靠慣性器件（陀螺、加速度計等）的原始數據加上固定的算法（很深奧的東西..)來輸出你先要的信息，如位置，載體姿態，實時運動速度等。IMU就是慣性測量單元，它主要由慣性器件組成（陀螺、加速度計等），輸出最原始的數據，如加速度、角速度等等，但是無法給出位置、姿態等信息。所以INS實際上可以簡單的理解成由算法和IMU共同構成的。
什麽是航空定位定向系統（POS）？
導航定位定向系統（簡稱：POS系統）是通過全球導航衛星系統（GNSS）獲取位置數據作為初始值，通過慣導系統（IMU）獲取姿態變化增量，應用卡爾曼濾波器、反饋誤差控制叠代運算，生成實時導航數據。
應用POS系統可以得到移動平臺位置和姿態的軌跡數據。
能夠實現直接地學定位，可以減少或省略空中三角測量的地面控制點。可以與任何類型的量測類型的傳感器（航攝像機、機載激光雷達（LIDAR）、高光譜成像儀、機載合成孔徑雷達（SAR）和機載幹涉雷達（InSAR）等）直接連接使用。
POS系統發展綜述
本文通過以下四個方面簡單介紹POS系統：
一、POS系統；
二、POS系統發展歷程；
三、組合導航關鍵技術；
四、POS系統發展方向；
一、POS系統
1．POS系統的定義：
POS系統集慣性導航與衛星導航技術於一體，記錄飛機飛行時空間位置及姿態信息，並采用多信息融合技術分別對 POS 系統進行實時與事後處理，獲得高精度定位定向信息。
2. POS系統的組成：
POS系統包括慣導（INS）部分和差分GPS（DGPS）部分還有POS計算機處理器件和事後處理軟件構成，整體見下圖：
①慣性導航技術是以牛頓力學定律為基礎，利用一組加速度計測量載體的加速度，利用一組陀螺儀測量載體的角運動，經過積分運算求解載體位置、速度和姿態信息的技術。根據慣性導航原理在物理平臺中的實現，稱為慣性導航系統；
②衛星導航系統，即 GPS 是美國國防部聯合海陸空三軍研制的導航系統，由空間導航衛星部分、地面監控部分和用戶接收機三部分組成。它具有全天候、高精度、自動化、高效益、性能好、應用廣等顯著特點，能夠實時地提供三維的位置、速度和 GPS 時間等信息。
3.輸出：
POS系統是根據慣導系統（INS）和差分GPS獲得飛機飛行的空間位置及姿態信息，為後續航空數據處理提供所需的外方位元素。
4.典型產品：
現階段國內POS發展還處於初級階段主要是一些高校和研究所進行相關試驗研究，並沒有實現什麽產業化；國外POS技術比較成熟且航空業對其需求量很大，有很多公司在從事相關方面，例如：加拿大的Applanix公司，美國Z/I Imaging 公司和德國的IGI公司，典型的產品包括Applanix公司的POS AV510系統；IGI公司的AeroControl系統。
5． POS系統誤差
慣性導航系統誤差
初始對準誤差
IMU儀表誤差
計算誤差與運動幹擾誤差
衛星導航系統誤差
GPS衛星有關的誤差；
GPS信號傳播有關的誤差
接收機設備的誤差
航空攝影過程中POS系統內部不同信息源的時間同步誤差
POS系統線性內插所帶來的誤差（時間同步誤差）
二、POS系統發展歷程
1．組合導航系統
早期的導航方法主要依靠磁羅盤、地標、速度表和時鐘等單一功能的導航儀表來大致提供載體的路徑和速度；20世紀30年代，無線電導航系統出現；20世紀40年代，德國研制成功帶慣性穩定裝置的V-2火箭實現第一代慣性導航系統（Inertial Navigation System，INS），20世紀60~70年代，具有自主性的慣性導航系統開始裝備在航空、航天、航海的運載體上；20世紀70年代後，GPS由其全天候、精度高、性能好等特點，獲得了廣泛的應用；20世紀90年代以後，由於卡爾曼濾波理論的發展，將導航系統進行適當的組合，可以克服各自缺點，取長補短，大大提高精度；到現在目前廣泛使用的導航方法包括：慣性導航、GPS導航、航跡推算、天文導航、無線電導航、多普勒導航、組合導航等。所有導航系統都有各自的獨特優點，但單獨使用又都存在一定的缺陷。下面以慣性導航系統和GPS導航為例說明
慣性導航是以牛頓力學理論為基礎，利用加速度計測量載體的加速度，利用陀螺儀測量載體的角運動，經過積分運算求解載體的姿態角、載體速度和載體位置等導航參數。慣性導航系統可以僅依靠慣性傳感器，而不需要與外界發生任何信息聯系，就能實現全天候、全球性的3維定位、測姿和測速。因此，慣性導航系統是一種完全自主的導航系統。這一獨特的優點，使其成為航空、航天和航海等領域中一種廣泛使用的主要導航設備，在導航領域占有突出的地位。但是慣性導航系統也存在不足之處，其中導航誤差隨時間積累是其主要缺點。雖然提高慣性器件的精度可以延緩誤差增長，但其誤差隨時間積累無法避免，這是由慣性導航原理決定的。
衛星導航系統是美國20世紀70年代聯合陸海空三軍共同研制的新一代空間衛星與導航定位系統，也稱為GPS導航系統。其主要目的是其基本原理是測量出已知位置的衛星到用戶接收機之間的距離，然後綜合多顆衛星（4顆以上）的數據就可知道接收機的具體位置，可以為陸、海、空三大領域提供實時全方位、全天候和全球性的導航服務。而且，GPS導航精度較高，具有較好的長期穩定性，目前已經成為世界上應用最廣泛的定位系統，但是GPS也存在著易受幹擾、載體大機動下易失鎖造成GPS信號丟失等缺陷。
2.POS國內外發展：
①機載 POS 系統輔助航空攝影測量方法是20 世紀 90 年代初，由加拿大卡爾加裏大學和美國俄亥俄州立大學在慣性導航技術和 GPS 技術的基礎上提出的，即利用高精度差分 GPS 和慣性導航系統在航空攝影的同時獲得差分 GPS 數據和姿態數據，同時數據事後處理，獲取航攝像片的外方位元素。但由於當時 IMU 發展處於初期階段，其體積大、噪聲大，難以滿足攝影測量的精度要求。隨著軍事上小型化、高精度的慣性導航系統發展，機載 POS 系統逐漸證明了其輔助航空攝影的可行性。
國外許多公司已經研制了多種型號的產品，目前生產 POS 系統的廠家主要有加拿大的 Applanix 公司（目前被 Trimble 公司收購）美國 Z/I Imaging 公司和德國 IGI 公司等。目前國內多所測繪研究機構都是采用 Applanix 的 POS AV510 系統。
②我國慣性導航與 GPS 組合技術的研究雖然起步較晚，但發展比較迅速，目前組合導航系統應用比較成熟。從上世紀 90 年代開始，航空、航天兩大總公司、西北工業大學、北京航空航天大學、東南大學和南京航空航天大學等有關研究所和高校相繼成立了組合導航技術研究組並做了許多研究工作。南京航空航天大學研制的基於偽距、偽距率的 GPS/INS 組合導航系統1992 年已通過省部級鑒。
機載 POS 系統的研究目前尚處於起步階段，主要集中在一些高校和研究所，目前已經開展了相應的研究工作，並取得了一定的進展。中科院電子所聯合北京航空航天大學在十五“863”的支持下，采用國內成熟的撓性 IMU 和高精度 GPS 接收機進行了機載 SAR 實時成像運動補償用 POS 的研究，在國內首次實現亞米級（0.5m）實時成像。該系統采用基於撓性陀螺（陀螺漂移為 0.1°/h）的 IMU 與載波相位差分 GPS 組合，系統體積和質量較大。
三、組合導航關鍵技術；
1.實施融合：
1960 年，美國學者 R. E.Kalman 首次提出了卡爾曼濾波理論（Kalman Fliter，KF）。該理論的提出極大地推動了 GPS/INS 組合導航系統的發展。卡爾曼濾波具有簡單、易於實施和實時性好等優點，對於具有高斯分布噪聲的線性系統，可以得到系統狀態的最小方差估計，目前是工程中應用較廣的濾波方法。
根據上圖可以看出卡爾曼濾波器是整個 POS系統獲得位置、速度、姿態等運動參數的關鍵。其中 IMU 數據進入導航計算機進行捷聯解算，得到導航運動參數與 DGPS 數據進行融合卡爾曼濾波，濾波估計誤差可以對導航參數進行校正，反過來也可以對卡爾曼濾波進行修正，針對航空攝影中的應用背景，對卡爾曼濾波進行了量測優化，提高了卡爾曼的濾波精度。
2.事後處理：
POS系統事後處理技術方案圖
POS 系統輔助航空攝影，考慮到測繪沒有導航的實時性要求，我們可以對 POS 系統進行導航數據的離線處理。上圖算法流程可以看出：首先利用 INS/GPS 數據信息進行前向卡爾曼濾波，繼而在卡爾曼濾波的基礎上，再進行最優固定區間平滑濾波的算法，最後得到最優平滑位置、速度、姿態信息。
3關鍵技術比較：
四、POS系統發展方向
1. POS發展要求：
定位定向的實時性要求；
定位定向的高精度要求；
2. POS系統發展依托：
計算技術的發展；
GNSS技術的發展——抗幹擾能力、定位精度；
POS應用的關鍵技術——POS系統高精度定位定向技術；
3. POS發展：
低成本；
高精度POS系統；
小型化（無人機載荷限制和INS系統小型化限制）；
GNSS系統組合導航；
IMU、INS、DGPS和POS