为什么要在无人飞行器上使用测量级惯性导航系统？

在进行任何形式的飞行时，了解空中平台的方位、运动性质和飞行方向都非常重要。 就无人驾驶飞行器（UAV）而言，飞行员在目视视线范围内飞行时，只需观察无人驾驶飞行器平台的运动轨迹，就能了解这些飞行特性。 为减少人工操作飞行时的人为错误，无人飞行器平台上的一系列传感器可向飞行员的飞行控制器提供反馈。 在其他飞行方法中，与飞行运动相关的信息以及全球导航卫星系统（GNSS 或 GPS）等全球导航传感系统提供的位置信息在自动驾驶操作过程中变得十分必要。

通常用于测量这种运动的系统类型是惯性测量单元（IMU）。惯性测量单元通常由陀螺仪和加速度计组成，通过与飞行器在三个主轴上的线性加速度相关的连续数据流，以及沿三个主轴（俯仰、作用和航向）的旋转参数，惯性测量单元提供的信息可以描述平台运动的动态特性。 许多无人飞行器的飞行控制系统都包括一种 IMU，用于向自动驾驶系统和地面上飞行员的飞行控制软件提供必要的反馈。 不过，在使用无人飞行器收集勘测数据时，来自 IMU 的数据流只能提供部分信息。

说到勘测，了解无人机平台、其上安装的成像传感器的外部几何形状和下方地面之间的关系非常重要。 世界不是平的"，尽管勘测的结果可能是一个二维平面图；景观和对景观的勘测本质上都是三维的。 从最简单的层面来说，需要知道在下方地面上看到的起伏是地形的作用，还是无人机飞行路径的起伏。 为了收集作为勘测一部分的数据，无人机将安装成像传感器，可能是照相机或激光扫描（LiDAR）系统。

就航空摄影而言，需要计算地面高度的影响，以便在正射影像图中将地面上的景象投射到 "平面照片 "上。

当精度公差经常以几米或（通常是）厘米为单位时，计算安装在无人机上的成像传感器在移动和方向上的最小角度偏差就显得尤为重要。 在激光扫描中，数据由脉冲激光传感器收集，该传感器测量脉冲击中地面表面后多久能收到返回信号。 这个回波可能是表面结构的顶部，也可能是地面本身，并沿着传感器的方向返回。 由于激光传感器经常在旋转（基本上是沿着一个平面 "喷射 "激光脉冲），而且传感器所安装的无人机平台也在移动，因此可以在一个区域内收集激光回波。

在以前的技术说明"为什么惯性导航系统 (INS) 对于无人飞行器 (UAV) 测绘应用非常重要？"，描述了被动（仅通过地面控制点（GCP））和直接地理参照技术之间的差异。 直接地理坐标法利用惯性导航系统（INS）为无人机采集的数据分配空间坐标提供更高效、更一致的工作流程。 出于成本考虑和当前最先进的轻型相机；尽管 10-20 年前在载人航空测量中已逐步淘汰，但由于仍在使用消费级相机，被动地理坐标参考在无人机摄影测量作业中仍很普遍。 不过，如果采用类似于今天有人驾驶飞机进行航空摄影测量的方式，即直接地理坐标参照，那么无人机摄影测量就可以减少对 GCP 的需求。 就激光雷达而言，由于每秒通常需要单独计算 100,000 个点的坐标，因此必须使用 INS。

INS 包括类似于 IMU 上的陀螺仪和加速度计，用于计算无人飞行器的运动动态，同时还包括一个计算系统，该系统可将全球导航卫星系统数据作为输入，并应用一系列统计滤波器，根据现有数据计算出最佳位置估计值。 通过使用 INS，无人驾驶飞行器（及其传感器）的位置计算频率高于仅使用 GPS 的频率；考虑到了无人驾驶飞行器的运动，并通过应用统计滤波器，能够在某个输入传感器的信息不理想时提供更好的位置估计。 此外，通过记录平台（以及成像传感器）在整个飞行任务中的轨迹，这意味着位置记录可以进行后处理和完善，为飞行期间收集的数据提供更好的定位数据。 正是这种定位数据的整合说明了为什么在考虑到无人飞行器为调查目的收集数据的移动时，仅从 IMU 或 GNSS 接收器获得信息是不够的。

随着无人机技术的兴起，目前市场上出现了各种各样的无人机平台。 这些平台从消费级系统到专业级系统，价位不一，系统组件的功能也多种多样，包括所采用的自动驾驶仪和飞行操作系统。 由于专业 3D 成像系统（如激光雷达有效载荷）使用的材料和技术类型不同，这也意味着成像传感器的货币价值通常是无人机平台本身价值的 2-6 倍。

任何调查相关方法的原则之一都是一致性。 由于现有平台种类繁多，这意味着任何两个无人机平台的飞行控制系统所用组件的质量和能力都可能大相径庭。 飞行控制系统的导航功能与勘测控制系统的导航功能在设计上的空间容差程度也往往不同。 举例来说，移动地理空间数据采集车（如无人机或移动测绘车）采集的数据通常需要定位在 +/- 5 厘米范围内才能被视为 "测量级 "数据。 专业作业中常用的八旋翼无人机上的自动驾驶系统通常具有 +/- 0.5 米至 1.5 米的悬停定位规格。 勘测级 INS（如 OXTS xNAV550 惯性+全球导航卫星系统可计算无人机平台的空间轨迹，精确度在 +/- 2 厘米以内。

在无人机从业人员需要能够混合和匹配有效载荷的时代，可以理解为什么在勘测应用中携带有效载荷的要求可能不同于在其他用途中使用相同的无人机平台。 不过，在有要求的项目中使用勘测级 INS 意味着从业人员利用技术提高了工作效率，同时还采用了一种经过验证的方法来定位所收集的数据，以满足勘测相关项目所要求的更精细的公差水平。