POS系統(tǒng)及其在航空攝影中的應(yīng)用

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)走過了一個半世紀(jì)的時間，傳統(tǒng)的航空攝影獲取數(shù)據(jù)需要大量的地面控制點，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)方位元素通過實驗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來間接解求，這樣就要耗費大量的時間和工作量，應(yīng)其所求，POS系統(tǒng)被逐漸應(yīng)用到這個領(lǐng)域，并且逐漸解決了體積、精度的問題。結(jié)合了光學(xué)相機獲取影象、POS系統(tǒng)提供航片曝光時刻的外方位元素，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(RC－30)加POS系統(tǒng)獲取數(shù)據(jù)的運行原理和誤差的產(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相機獲取地物影像，而POS系統(tǒng)獲取點位數(shù)據(jù)和角度數(shù)據(jù)。

2 POS系統(tǒng)系統(tǒng)描述及運行原理

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)，測量每個航片的6個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、數(shù)據(jù)處理計算機系統(tǒng)(PCS)和處理軟件(POSPAC)。系統(tǒng)核心是積分慣性導(dǎo)航軟件，在飛行過程中實時處理搜集的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組加速度計和陀螺儀，數(shù)字電路和一個CPU(見圖1)，加速度和陀螺儀的補償值作為線加速度和角速度提供給 PCS，PCS積分計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

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

GPS信號接收機接受信號用來測量，一般有2種觀測量:偽距觀測量和載波相位觀測量。GPS接收機接到衛(wèi)星發(fā)射的時鐘信號，比較信號，測出本機信號延遲量，得出衛(wèi)星到接收機相位中心的距離，由于傳播介質(zhì)和時鐘的延遲，此距離并非衛(wèi)星和接收機的準(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空中動態(tài)定位數(shù)據(jù)，這種動態(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。它實際上是由GPS衛(wèi)星信號和GPS接收機信號的相位比較而獲得的相位差值。當(dāng)GPS接收機捕獲衛(wèi)星信號之后，只要跟蹤不中斷，接收機便會自動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，而且包括累計的整周數(shù)，第一個歷元的整周相位數(shù)未知，當(dāng)我們采取措施獲得這個整周相位數(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態(tài)定位結(jié)果。

2.2 運行原理

PCS是POS系統(tǒng)集成的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，它用來在空中實時處理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))。

在飛行器運行過程中，定位問題一直很難解決，這個隨著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個硬件，內(nèi)置PCS軟件運用獲取的GPS數(shù)據(jù)和IMU數(shù)據(jù)相互校正，使這個問題得以很好解決，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)錯誤控制器(CLEC)、平滑器(SM)、前向錯誤控制器(FEC)、飛行中實時定向(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SIN中逐漸增長的誤差。

閉環(huán)錯誤控制算法利用Kalman參數(shù)重新設(shè)置SIN。同樣，慣性錯誤差值用于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時定向，這樣通過后續(xù)處理，內(nèi)差每個航片的時間點，利用POS系統(tǒng)的實時定向，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加速度的平均重力信號來估計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)，因為偏航角誤差最多只能降低到幾度之內(nèi)。幸運的是偏航角誤差造成的IMU加速度變化會產(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估計偏航角誤差精度達(dá)到1°以內(nèi)。粗偏航角定向中KF估計偏航角誤差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，航偏角會被發(fā)現(xiàn)和重置，平滑器會差值運算，這樣將減小整個航線的航偏角誤差。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

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)和航片像主點精確坐標(biāo)，以求來省略傳統(tǒng)航空攝影復(fù)雜的地面點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(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)，我們要獲得相機焦平面所拍攝的航片的像主點位置和姿態(tài)，這樣就要量測天線相位中心到相機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，安裝好相機和天線，固定好IMU和相機的剛體后，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和相機的剛體后，IUM的記錄姿態(tài)正好反映相機的姿態(tài)，通過第一個架次的檢校場飛行，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和相機的剛體連接，它們之間有有變動時，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，在實際的生產(chǎn)中需要在項目前后各進(jìn)行一次檢校飛行。

3.2 初始化POS及GPS

GPS差分運算獲取位置信息進(jìn)行相位差分需要得到第一個歷元整周相位數(shù)(模糊度)這個相位數(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)觀測的時間長，可以有利于解算和相位差分精度的提高，同時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:天線安裝在飛機上盡量遮擋少，飛行時飛機姿態(tài)變化盡量小，同時要牢固，不破壞飛機氣動性能。

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

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中加速度計的方向加速度，這時航偏角會被重置，就會增加精度。

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 很快就會變紅報警，從0.03°到0.091變化大概就4 min左右，這時航線剛剛進(jìn)入或者還沒有飛完成，轉(zhuǎn)彎增加定向精度，都這樣操作就會造成極大浪費，航攝效率非常低。

為減少浪費，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，作為報警域值，當(dāng)接近或到這個數(shù)值時，報警燈變紅，我們再采取措施，從 heading 的0.03°到0.3°變化時間大概是30 min，這樣可以極大放大飛行航線時間。

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

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)合航空相機獲取地面數(shù)據(jù)已經(jīng)歷經(jīng)多次實踐、應(yīng)用與檢驗。經(jīng)過處理和校驗，數(shù)據(jù)完全能滿足直接定向要求，可大大節(jié)省整個航空攝影加密測圖流暢的工作時間。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空三加密來提高精度，這樣反而會給整個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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