Robust UAV Position and Attitude Estimation using Multiple GNSS Receivers for Laser-based 3D Mapping

要約

小型無人航空機 (UAV) は、リモート センシングや航空測量などのさまざまな用途での使用が広く研究されています。
レーザー スキャナーを備えた小型 UAV を使用した直接 3 次元 (3D) マッピングは、多くのリモート センシング アプリケーションに必要です。
ダイレクト 3D マッピングでは、3D マップを構築するために UAV の位置と姿勢に関する正確な情報が必要です。
本研究では、複数の低コスト・軽量の全地球航法衛星システム（GNSS）アンテナ/受信機を利用して、小型UAVの位置と姿勢を推定するための新規かつ堅牢な手法を提案する。
複数の GNSS 受信機の「冗長性」を利用して、単一周波数 GNSS 受信機を採用することで、リアルタイム キネマティック (RTK)-GNSS のパフォーマンスを向上させます。
この方法は、ハイブリッド GNSS 修正ソリューションと GNSS 信号強度の一貫性検査の 2 つのアプローチで構成されます。
単一周波数 GNSS 受信機を使用した RTK-GNSS の修正レートは、複数の RTK-GNSS を組み合わせて複数のアンテナで解決策を修正するために大幅に強化できます。
さらに、複数の GNSS アンテナを使用してマルチパス信号を検出することで、測位精度と測位速度をさらに向上させることができます。
この研究では、6 つの GNSS アンテナ/受信機を搭載したプロトタイプ UAV を開発しました。
静的テストの結果から、提案手法はマルチパス環境における位置および姿勢推定の精度を向上できると結論付けました。
飛行テストから、提案されたシステムは 5 cm の精度で 3D マップを生成できました。

要約(オリジナル)

Small-sized unmanned aerial vehicles (UAVs) have been widely investigated for use in a variety of applications such as remote sensing and aerial surveying. Direct three-dimensional (3D) mapping using a small-sized UAV equipped with a laser scanner is required for numerous remote sensing applications. In direct 3D mapping, the precise information about the position and attitude of the UAV is necessary for constructing 3D maps. In this study, we propose a novel and robust technique for estimating the position and attitude of small-sized UAVs by employing multiple low-cost and light-weight global navigation satellite system (GNSS) antennas/receivers. Using the ‘redundancy’ of multiple GNSS receivers, we enhance the performance of real-time kinematic (RTK)-GNSS by employing single-frequency GNSS receivers. This method consists of two approaches: hybrid GNSS fix solutions and consistency examination of the GNSS signal strength. The fix rate of RTK-GNSS using single-frequency GNSS receivers can be highly enhanced to combine multiple RTK-GNSS to fix solutions in the multiple antennas. In addition, positioning accuracy and fix rate can be further enhanced to detect multipath signals by using multiple GNSS antennas. In this study, we developed a prototype UAV that is equipped with six GNSS antennas/receivers. From the static test results, we conclude that the proposed technique can enhance the accuracy of the position and attitude estimation in multipath environments. From the flight test, the proposed system could generate a 3D map with an accuracy of 5 cm.

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