楊 成，白 石

(西安中飛航空遙感技術(shù)有限公司，西安 710089)

1 研究背景

航空攝影測量從模擬攝影測量到解析攝影測量再到現(xiàn)在的數(shù)字?jǐn)z影測量來獲取數(shù)據(jù)，已經(jīng)走過了一個(gè)半世紀(jì)的時(shí)間，傳統(tǒng)的航空攝影獲取數(shù)據(jù)需要大量的地面控制點(diǎn)，通過空三解求航片的內(nèi)外方位元素，然后完成數(shù)據(jù)獲取。隨著新技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，這種傳統(tǒng)的測圖方式，正逐漸吸收新技術(shù)，獲得了全面的發(fā)展和提高，隨著它們結(jié)合優(yōu)越性的體現(xiàn)，已經(jīng)逐漸成熟和完善起來。

攝影測量中的基本問題是航片的定向問題，只有知道了航片的內(nèi)、外方位元素才能進(jìn)行量測工作。長期以來內(nèi)方位元素通過實(shí)驗(yàn)室采用物理方法檢定得到，外方位元素(Xs，Ys，Zs，φ，ω，κ)則主要依靠空中三角測量和大量地面控制點(diǎn)來間接解求，這樣就要耗費(fèi)大量的時(shí)間和工作量，應(yīng)其所求，POS系統(tǒng)被逐漸應(yīng)用到這個(gè)領(lǐng)域，并且逐漸解決了體積、精度的問題。結(jié)合了光學(xué)相機(jī)獲取影象、POS系統(tǒng)提供航片曝光時(shí)刻的外方位元素，這種結(jié)合方式正逐漸改變了傳統(tǒng)攝影測量的作業(yè)方式，取得了很大的成功。

本文中我們分析討論一下傳統(tǒng)的航空相機(jī)(RC－30)加POS系統(tǒng)獲取數(shù)據(jù)的運(yùn)行原理和誤差的產(chǎn)生，及我們航攝飛行操作中避免誤差的有效措施。在這套系統(tǒng)獲取數(shù)據(jù)過程中，以RC－30相機(jī)獲取地物影像，而POS系統(tǒng)獲取點(diǎn)位數(shù)據(jù)和角度數(shù)據(jù)。

2 POS系統(tǒng)系統(tǒng)描述及運(yùn)行原理

2.1 POS系統(tǒng)描述

POS(Position and Orientation System)測姿定位系統(tǒng)，為航空攝影提供地理參考的位置及方位系統(tǒng)，測量每個(gè)航片的6個(gè)外方位元素即絕對位置(X，Y，Z)和姿態(tài)參數(shù)(φ，ω，κ)。這個(gè)系統(tǒng)集合了高精度的慣性感應(yīng)器，GPS測量處理技術(shù)和數(shù)據(jù)處理軟件。

POS系統(tǒng)由4部分組成:慣性測量單元(IMU)、雙頻GPS接受機(jī)、數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)(PCS)和處理軟件(POSPAC)。系統(tǒng)核心是積分慣性導(dǎo)航軟件，在飛行過程中實(shí)時(shí)處理搜集的GPS和慣性測量數(shù)據(jù)，給出慣性導(dǎo)航解及GPS位置坐標(biāo)。然后飛行完成后通過POSPAC獲取每張航片的外方位元素。

2.1.1 慣性測量單元(IMU)

IMU擁有3組加速度計(jì)和陀螺儀，數(shù)字電路和一個(gè)CPU(見圖1)，加速度和陀螺儀的補(bǔ)償值作為線加速度和角速度提供給 PCS，PCS積分計(jì)算出加速度和角速度，最后得出IMU的位置、速度、姿態(tài)。

圖1 慣性測量單元示意圖Fig.1 Schematic of inertia measurement unit(IMU)

2.1.2 GPS 接收機(jī)

POS在飛行過程中提供高精度的實(shí)時(shí)定位數(shù)據(jù)，它的原始觀測值由GPS接收機(jī)來提供，本文使用高動(dòng)態(tài)GPS信號接受機(jī)，接受C/A碼來進(jìn)行解算。

GPS信號接收機(jī)接受信號用來測量，一般有2種觀測量:偽距觀測量和載波相位觀測量。GPS接收機(jī)接到衛(wèi)星發(fā)射的時(shí)鐘信號，比較信號，測出本機(jī)信號延遲量，得出衛(wèi)星到接收機(jī)相位中心的距離，由于傳播介質(zhì)和時(shí)鐘的延遲，此距離并非衛(wèi)星和接收機(jī)的準(zhǔn)確距離，這種觀測量為偽距觀測量，通過偽距觀測量差分處理獲得POS空中動(dòng)態(tài)定位數(shù)據(jù)，這種動(dòng)態(tài)定位差分?jǐn)?shù)據(jù)可獲得7 m的精度。另一種為載波相位觀測量，這種觀測量用于飛行事后處理，在POSPAC軟件中使用。

由于測量中要得到更好精度的定位數(shù)據(jù)用來實(shí)際測量，載波相位差分處理就被發(fā)現(xiàn)和使用起來。載波相位觀測量是通過對載波信號的恢復(fù)以及對載波相位的跟蹤觀察和測量而得到的。它實(shí)際上是由GPS衛(wèi)星信號和GPS接收機(jī)信號的相位比較而獲得的相位差值。當(dāng)GPS接收機(jī)捕獲衛(wèi)星信號之后，只要跟蹤不中斷，接收機(jī)便會(huì)自動(dòng)給出跟蹤期間載波相位整周數(shù)的變化量和所測相位不足一周的小數(shù)部分。也就是說，在載波相位測量中，觀測得到的相位差是連續(xù)記數(shù)的，從第一個(gè)歷元開始，在后繼的觀察中，其觀測量不僅包括相位差的小數(shù)部分，而且包括累計(jì)的整周數(shù)，第一個(gè)歷元的整周相位數(shù)未知，當(dāng)我們采取措施獲得這個(gè)整周相位數(shù)，就可以通過處理這些關(guān)于位置函數(shù)的相位信息，校正信號延遲和電離層延遲，獲取定位和衛(wèi)星定軌的數(shù)據(jù)。研究表明，利用載波相位可以獲得厘米級精度差分動(dòng)態(tài)定位結(jié)果。

2.2 運(yùn)行原理

PCS是POS系統(tǒng)集成的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，它用來在空中實(shí)時(shí)處理IMU傳感器和GPS搜集的數(shù)據(jù)，記錄數(shù)據(jù)以用于后處理的軟件系統(tǒng)。IMU和GPS的初始數(shù)據(jù)經(jīng)PCS處理，可以得到帶有POS系統(tǒng)(天線相位中心)剛體的絕對位置，傳感器姿態(tài)(IMU的俯仰(roll)、翻滾(pitch)、旋轉(zhuǎn)(heading))。

在飛行器運(yùn)行過程中，定位問題一直很難解決，這個(gè)隨著GPS的應(yīng)用得到了很好完成，但是姿態(tài)的測量就又成了新的難題。POS的出現(xiàn)結(jié)合GPS和IMU2個(gè)硬件，內(nèi)置PCS軟件運(yùn)用獲取的GPS數(shù)據(jù)和IMU數(shù)據(jù)相互校正，使這個(gè)問題得以很好解決，并且得到很好的精度效果。

PCS軟件包括捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航器(SIN)，Kalman濾波器(KF)、閉環(huán)錯(cuò)誤控制器(CLEC)、平滑器(SM)、前向錯(cuò)誤控制器(FEC)、飛行中實(shí)時(shí)定向(IFA)。

PCS收集GPS位置和速度來初始化SIN，并根據(jù)垂直方向和地理北極進(jìn)行定向;以垂直參考為水準(zhǔn)定向，以北向參考為偏航角定向，SIN積分出角速度從而計(jì)算出IMU的方向變化。然后利用已知方向解出IMU在該坐標(biāo)系的線速度，最后積分得到IMU的位置變化。這也意味著任何方向值的誤差均造成位置錯(cuò)誤。SIN得到的值相對而言是很精確的了，但是用的是積分過程，加速度和陀螺儀的誤差累計(jì)到逐漸增長的位置、速度和方向誤差。

Kalman濾波器用來利用GPS估計(jì)SIN中的誤差。Kalman濾波主要解求一組模擬IMU儀器誤差和其影響的SIN誤差的線性離散方程。用GPS的位置與SIN中的位置差別來估計(jì)SIN中逐漸增長的誤差。

閉環(huán)錯(cuò)誤控制算法利用Kalman參數(shù)重新設(shè)置SIN。同樣，慣性錯(cuò)誤差值用于IMU對角加速度和線加速度的積分，以及對傳感器的幾何校正。最后的積分慣性導(dǎo)航提高了GPS位置和速度的精度，對慣性誤差的校正提高了方向精度。

POS系統(tǒng)最重要的作用是來空中實(shí)時(shí)定向，這樣通過后續(xù)處理，內(nèi)差每個(gè)航片的時(shí)間點(diǎn)，利用POS系統(tǒng)的實(shí)時(shí)定向，精確地求出航片的絕對位置和姿態(tài)參數(shù)。POS系統(tǒng)空中定向分3步走:粗水平定向、粗偏航角定向、精偏航角定向。

粗水平定向?qū)铀俣戎颠M(jìn)行一次低通濾波得到每個(gè)加速度的平均重力信號來估計(jì)IMU的翻滾和俯仰角，誤差1°～2°之間。粗偏航向角定向用KF誤差模型來描述航偏角的不確定性。導(dǎo)航坐標(biāo)系中的偏航角誤差會(huì)造成積分過程中從陀螺儀誤差減去的地球自傳值的誤差。該誤差又會(huì)累積到速度和位置誤差。如果陀螺儀誤差夠小，地球自轉(zhuǎn)誤差造成的位置和方向可利用GPS發(fā)現(xiàn)，因?yàn)槠浇钦`差最多只能降低到幾度之內(nèi)。幸運(yùn)的是偏航角誤差造成的IMU加速度變化會(huì)產(chǎn)生極大的位置和速度誤差，該誤差能被GPS值觀測出來。這就使KF估計(jì)偏航角誤差精度達(dá)到1°以內(nèi)。粗偏航角定向中KF估計(jì)偏航角誤差10°內(nèi)?？罩酗w行中偏航角精度要求較高(heading＜0.3°)航偏角誤差主要通過加速度觀測。在垂直或水平無加速度(直線飛行)飛行中，航偏角誤差增加比率由陀螺儀噪聲和殘差來決定，一旦有加速度，航偏角會(huì)被發(fā)現(xiàn)和重置，平滑器會(huì)差值運(yùn)算，這樣將減小整個(gè)航線的航偏角誤差。飛行策略是一條航線飛行要控制在30 min之內(nèi)，然后轉(zhuǎn)彎進(jìn)入航線，航偏角重置，精度提高。

3 POS系統(tǒng)在航空攝影中應(yīng)用的注意事項(xiàng)

POS應(yīng)用來獲得航攝過程中每張航片的盡量精確姿態(tài)參數(shù)和航片像主點(diǎn)精確坐標(biāo)，以求來省略傳統(tǒng)航空攝影復(fù)雜的地面點(diǎn)控制測量等煩雜的工程，以最佳效果直接定向，進(jìn)行適宜比例尺的地圖量測。除了POS系統(tǒng)固有的誤差，需要在飛行時(shí)采取有效措施，以求獲取更好的精度效果。POS系統(tǒng)連接圖見圖2。

圖2 POS系統(tǒng)連接圖Fig.2 Connection of POS system

3.1 偏心分量量測

航攝中、天線、POS系統(tǒng)，相機(jī)(和IMU剛性連接)如上圖，在工作過程中，POS系統(tǒng)反映天線相位中心的位置及IMU姿態(tài)參數(shù)，我們要獲得相機(jī)焦平面所拍攝的航片的像主點(diǎn)位置和姿態(tài)，這樣就要量測天線相位中心到相機(jī)焦平面中心的偏心分量，和IUM中心到焦平面的中心的偏心分量，在航攝前，安裝好相機(jī)和天線，固定好IMU和相機(jī)的剛體后，使用平板玻璃測量法可以獲得厘米級精度，和差分GPS定位精度匹配。當(dāng)固定好IUM和相機(jī)的剛體后，IUM的記錄姿態(tài)正好反映相機(jī)的姿態(tài)，通過第一個(gè)架次的檢校場飛行，就可確定航片和IMU各軸夾角，從而確定航片的姿態(tài)參數(shù)，從這之后不要破壞IMU和相機(jī)的剛體連接，它們之間有有變動(dòng)時(shí)，重飛檢校場，獲取新的夾角參數(shù)。IMU的姿態(tài)參數(shù)是后期的數(shù)據(jù)處理的基礎(chǔ)，為了確保精度，在實(shí)際的生產(chǎn)中需要在項(xiàng)目前后各進(jìn)行一次檢校飛行。

3.2 初始化POS及GPS

GPS差分運(yùn)算獲取位置信息進(jìn)行相位差分需要得到第一個(gè)歷元整周相位數(shù)(模糊度)這個(gè)相位數(shù)通過飛行前后地面至少4 min的靜態(tài)觀測獲得，如果靜態(tài)觀測的時(shí)間長，可以有利于解算和相位差分精度的提高，同時(shí)POS收集加速度信息，進(jìn)行粗水平導(dǎo)航。由于是使用載波相位差分處理獲取高精度定位，在整個(gè)架次飛行中要求GPS盡量信號不要失鎖，避免信號失鎖的辦法是:天線安裝在飛機(jī)上盡量遮擋少，飛行時(shí)飛機(jī)姿態(tài)變化盡量小，同時(shí)要牢固，不破壞飛機(jī)氣動(dòng)性能。

如果由于特殊原因在起飛前沒能有足夠靜態(tài)觀測時(shí)間，在空中正常飛行時(shí)要盡量避免信號失鎖，落地時(shí)要在一直保持飛機(jī)供電情況下，做夠時(shí)間靜態(tài)觀測時(shí)間。

3.3 飛行中POS姿態(tài)觀察及情況處理

飛行過程中注意觀察POS顯示姿態(tài)數(shù)據(jù)(可以通過電腦運(yùn)行POSAV軟件來觀察)，其中由于進(jìn)入航線平穩(wěn)飛行，IMU加速度變化很小，這樣IMU的噪聲等會(huì)使POS精偏航角定向精度變低(heading值增大)，當(dāng)精偏航角定向精度增大到一定程度(已經(jīng)不能滿足測圖要求，比如超過0.3°)就要斷開航線，轉(zhuǎn)彎以增加IMU中加速度計(jì)的方向加速度，這時(shí)航偏角會(huì)被重置，就會(huì)增加精度。

在POS的 IMU2.0版本的最佳定位精度是0.03°，如果在 POSAV 設(shè)置提示里輸入0.05的話，POSAV 很快就會(huì)變紅報(bào)警，從0.03°到0.091變化大概就4 min左右，這時(shí)航線剛剛進(jìn)入或者還沒有飛完成，轉(zhuǎn)彎增加定向精度，都這樣操作就會(huì)造成極大浪費(fèi)，航攝效率非常低。

為減少浪費(fèi)，提高航攝效率，可采取下面的有效措施以提高POS系統(tǒng)精度，減少非必要斷開航線轉(zhuǎn)彎:

(1)在現(xiàn)實(shí)情況下，由于在后期數(shù)據(jù)處理中，航攝比例尺對外方位角度(ξα，ξω，ξκ)的精度要求都在0.517°上，我們可以適當(dāng)選取報(bào)警的域值，取0.6°(最大誤差)的一半，即0.3°來表示填入 POSAV，作為報(bào)警域值，當(dāng)接近或到這個(gè)數(shù)值時(shí)，報(bào)警燈變紅，我們再采取措施，從 heading 的0.03°到0.3°變化時(shí)間大概是30 min，這樣可以極大放大飛行航線時(shí)間。

(2)在每架次飛行首條航線前，應(yīng)進(jìn)行“8”飛行，改善POS精度。

(3)如果是平行航線，可采取對向飛行，使得鄰接的2條航線改變飛行方向，可有效提高定位精度。

(4)如果航線不是特別長，同時(shí)為增加飛行效率，可在進(jìn)入航線的預(yù)備航線時(shí)，適當(dāng)在航線左右變化飛行方向，飛“S”型曲線，進(jìn)入改平點(diǎn)后，再正常平飛，這樣對精度的維持與改善會(huì)有很好的效果。

3.4 基站布設(shè)

POS解算數(shù)據(jù)差分定位需要地面基站同步記錄數(shù)據(jù)以在數(shù)據(jù)處理時(shí)進(jìn)行差分定位，基站的距離位置對差分定位的精度有很大的影響，所以一般基站架設(shè)在測區(qū)內(nèi)，距離實(shí)際飛行測線不超過200 km距離。如果測區(qū)跨度很大，飛行設(shè)計(jì)方案可以考慮多基站設(shè)置。

4 結(jié)語

POS系統(tǒng)結(jié)合航空相機(jī)獲取地面數(shù)據(jù)已經(jīng)歷經(jīng)多次實(shí)踐、應(yīng)用與檢驗(yàn)。經(jīng)過處理和校驗(yàn)，數(shù)據(jù)完全能滿足直接定向要求，可大大節(jié)省整個(gè)航空攝影加密測圖流暢的工作時(shí)間。在航攝過程中，如果在操作中產(chǎn)生和加大了誤差，就要通過地面控制點(diǎn)空三加密來提高精度，這樣反而會(huì)給整個(gè)測量過程就增加額外的工作量，延長作業(yè)周期，降低作業(yè)效率。因此在航攝生產(chǎn)中，采取適當(dāng)措施來提高POS系統(tǒng)的精確性，就可縮短航空攝影的作業(yè)時(shí)間，減少作業(yè)開支，提高作業(yè)效率，讓新技術(shù)更好地為測繪生產(chǎn)服務(wù)。

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