國產(chǎn)POS與SWDC集成檢校精度分析

韓曉冬，楊 娜，2，李 峰，劉宗杰

（1.山東科技大學(xué)測繪科學(xué)與工程學(xué)院，山東青島 266590；2.北京四維遠(yuǎn)見信息技術(shù)有限公司，北京 100039；3.中國測繪科學(xué)研究院，北京 100039）

一、引 言

POS是集DGPS定位技術(shù)與慣性導(dǎo)航（INS）技術(shù)于一體的定位定姿系統(tǒng)，其中負(fù)責(zé)姿態(tài)測定的單元稱為慣性測量單元（inertia measurement unit，IMU）。POS直接地理定位（direct georeferencing，DG），是指將GPS接收機(jī)和IMU系統(tǒng)與航攝儀集成在一起，通過GPS載波相位差分定位獲取航攝儀的位置參數(shù)，使用IMU測定航攝儀的姿態(tài)參數(shù)，經(jīng)IMU、DGPS數(shù)據(jù)的聯(lián)合后處理可直接獲得每張像片的6個外方位元素，從而能夠大大減少甚至無需地面控制而直接進(jìn)行航空影像的定向，為影像的處理應(yīng)用提供快速、便捷的技術(shù)手段。

伴隨新一代航空數(shù)字相機(jī)、機(jī)載激光雷達(dá)（LiDAR）、合成孔徑雷達(dá)（SAR）等遙感數(shù)據(jù)獲取新技術(shù)的出現(xiàn)，POS系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛?；赑OS與多傳感器集成的系統(tǒng)進(jìn)行航空遙感對地目標(biāo)精確定位成為國際攝影測量與遙感的研究熱點。國內(nèi)已有基于POS輔助航空攝影測量中直接傳感器定向的研究，即在利用檢校場精確解求POS系統(tǒng)誤差改正參數(shù)的基礎(chǔ)上，將集成系統(tǒng)獲取的POS數(shù)據(jù)進(jìn)行檢校計算，直接獲取影像所需要外方位元素，但所使用集成設(shè)備均是國外POS與航攝儀?；趪a(chǎn)高精度POS系統(tǒng)與相應(yīng)國產(chǎn)航空數(shù)字相機(jī)的集成并應(yīng)用于航空攝影測量成為國內(nèi)攝影測量工作者的期待。

本文依托項目實際，開展基于國產(chǎn)POS與具有自主知識產(chǎn)權(quán)的國產(chǎn)航空數(shù)碼航攝儀SWDC-4A集成系統(tǒng)的直接地理定位試驗研究。

二、集成系統(tǒng)簡介及關(guān)鍵技術(shù)

1.集成系統(tǒng)簡介

試驗采用集成系統(tǒng)為國內(nèi)自主研制的POS+穩(wěn)定平臺+國產(chǎn)SWDC-4A（Siwei digital camera，四維數(shù)碼相機(jī)）。

國產(chǎn)POS的標(biāo)稱精度與國外成熟的POS/AV610相當(dāng)，位置精度為0.05～0.3 m，速度精度為0.005～0.01 m/s，水平姿態(tài)精度為 0.005°，航向角精度為 0.005°。

SWDC基于高檔民用相機(jī)，經(jīng)過加固、精密單機(jī)檢校、平臺拼接、精密平臺檢校而成，并配備測量型雙頻GPS接收機(jī)、GPS航空天線、航空攝影管理計算機(jī)。SWDC-4A數(shù)碼航空攝影儀由4個單面陣數(shù)碼相機(jī)通過固定的幾何關(guān)系，經(jīng)外視場拼接而成，拼接后的CCD面陣大小等效為14 500×10 000。試驗集成系統(tǒng)如圖1所示。在實際試驗中，在飛機(jī)頂端安裝高動態(tài)航空 GPS天線，在航攝儀上固聯(lián)IMU。

2.集成檢校關(guān)鍵技術(shù)

理想情況下，IMU本體坐標(biāo)系與航攝儀本體坐標(biāo)系的相應(yīng)軸應(yīng)該平行，但由于安裝工藝的原因，將IMU安裝在航攝儀上后，兩坐標(biāo)系的相應(yīng)軸實際是不平行的，相應(yīng)軸間的夾角為視準(zhǔn)軸誤差ex、ey、ez，即偏心角。一般，ex、ey、ez均為一個微小量（＜3°）。集成檢校的目的是獲取該系統(tǒng)誤差，從而在實際飛行試驗中針對POS后處理數(shù)據(jù)加入這些參數(shù)（以下稱為檢校參數(shù)，包括兩軸系之間的3個線元素偏差）進(jìn)行系統(tǒng)改正，最終獲取所需影像的外方位元素進(jìn)行無空三直接測圖。

圖1 試驗集成系統(tǒng)圖

高精度組合導(dǎo)航數(shù)據(jù)的獲取和后處理對集成檢校參數(shù)的解算及最終直接地理定位的精度均起到重要作用。本文從POS系統(tǒng)與SWDC硬件集成，影響組合導(dǎo)航數(shù)據(jù)最優(yōu)化獲取及處理的IMU初始化對準(zhǔn)、GPS/IMU時間同步，以及檢校參數(shù)獲取方法和技術(shù)路線3個方面簡述集成檢校關(guān)鍵技術(shù)。

（1）POS系統(tǒng)與SWDC硬件集成

POS與SWDC在硬件上的集成主要是指POS、相機(jī)及GPS天線在載體上的最優(yōu)安置。為了盡可能減小GPS天線與IMU的偏心距及相機(jī)與POS的偏心距，本文采取將GPS天線、IMU、相機(jī)三者在同一垂直方向上安裝的方式，盡量使各傳感器在平面方向的偏心距為零，只存在豎向偏心距。為了避免傳感器之間的相對運動，集成設(shè)備在整體上要實現(xiàn)剛性連接。本研究主要通過減輕IMU重量，IMU的安裝基座、相機(jī)的安裝圓盤與IMU安裝基座之間的連接螺桿均選擇航空鋁材，安裝減震設(shè)備這3種措施來保證IMU與相機(jī)之間的剛性連接。

（2）最優(yōu)化獲取及處理組合導(dǎo)航數(shù)據(jù)

①IMU初始化對準(zhǔn)

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)輸出的載體速度、位置是根據(jù)加速度計及陀螺儀輸出的加速度和角速度經(jīng)積分而來的。要進(jìn)行積分運算，首先必須設(shè)置積分的初始條件，如初始速度、初始位置。另外，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中加速度計的測量基準(zhǔn)（即敏感軸指向）由平臺軸確定，指北方位慣性導(dǎo)航系統(tǒng)在進(jìn)入導(dǎo)航工作狀態(tài)之前，必須使平臺（對于捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)而言，該平臺為數(shù)學(xué)平臺）坐標(biāo)系與地理坐標(biāo)系指向一致，包括水平方向上的一致和方位指向上的一致，否則平臺誤差會引起加速度的測量誤差。因此，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)在進(jìn)入導(dǎo)航工作狀態(tài)之前，必須確定并向系統(tǒng)輸入載體的初始速度、初始位置，并將慣性導(dǎo)航系統(tǒng)平臺3個軸的指向調(diào)整成與當(dāng)?shù)氐乩碜鴺?biāo)系3個軸向一致。這些工作稱為慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的初始對準(zhǔn)。在組合導(dǎo)航系統(tǒng)中，引入運動階段GPS的位置和速度信息，并利用卡爾曼濾波進(jìn)一步確定初始對準(zhǔn)過程中的不符值，其精度取決于所提供的機(jī)動性。

初始化對準(zhǔn)誤差由陀螺儀零漂和加速度零漂引起。由于陀螺儀存在角隨即游走誤差，因此初始化對準(zhǔn)精度取決于對準(zhǔn)時間，尤其是航向角受其影響較大。航向角對準(zhǔn)誤差與角隨機(jī)游走及對準(zhǔn)時間的平方根成正比。因此，為獲得最優(yōu)化的POS數(shù)據(jù)，在實際航飛試驗時，可使用可充電的蓄電池為飛機(jī)供電以延長對準(zhǔn)時間和機(jī)動飛行，即在正式進(jìn)入攝區(qū)前及飛離攝區(qū)進(jìn)行S形飛行，并要求在航線內(nèi)飛行時間較長時重復(fù)以上機(jī)動飛行。

②時間同步

精確的時間同步對高精度的集成系統(tǒng)很重要，POS與數(shù)字航空相機(jī)集成系統(tǒng)涉及兩種時間同步:GPS與IMU的時間同步、GPS與相機(jī)的時間同步。目前，GPS所提供的高精度時間系統(tǒng)被大多數(shù)集成系統(tǒng)用于提供時間基準(zhǔn)。本集成系統(tǒng)中，GPS與IMU之間的時間同步是通過Trimble 5700接收機(jī)串口提供的1PPS（pluse-per-second）實現(xiàn)的，GPS與相機(jī)之間的時間同步是依靠Trimble 5700接收機(jī)接收曝光所產(chǎn)生的曝光脈沖實現(xiàn)的，從而實現(xiàn)了GPS、IMU、相機(jī)三者之間的時間同步。

（3）集成檢校技術(shù)路線及檢校參數(shù)獲取方法

為了檢校由于安裝原因造成的POS與相機(jī)相應(yīng)軸系之間不能完全平行的角度偏差，采用具體方法為通過建立檢校場，布設(shè)數(shù)量充足的控制點，以航空攝影測量獲取精確的外方位元素作為真值，通過嚴(yán)密的POS系統(tǒng)與攝影測量坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，將檢校參數(shù)作為未知數(shù)，POS數(shù)據(jù)作為觀測值建立誤差方程，解求檢校參數(shù)。在保證儀器安裝相對位置不變的前提下，將后續(xù)實際航攝獲取的POS數(shù)據(jù)直接加入該參數(shù)進(jìn)行修正，獲取所需的影像外方位元素。最后利用JX4-G數(shù)字?jǐn)z影測量工作站，采集檢查點與野外檢查點進(jìn)行比較驗證DG精度。集成檢校技術(shù)路線如圖2所示。

圖2 集成檢校技術(shù)路線圖

三、試驗及分析

1.試驗資料

本文使用2011年7月與8月獲取的河南平頂山區(qū)域的一組1∶9000航攝影像進(jìn)行直接對地目標(biāo)定位試驗。組合導(dǎo)航數(shù)據(jù)為利用國產(chǎn)POS獲取并經(jīng)過高精度后處理得到的，相片為集成系統(tǒng)中SWDC-4A獲取的經(jīng)過高精度后續(xù)處理的四拼數(shù)字影像。SWDC及試驗相關(guān)參數(shù)見表1。

試驗場為相距30 km的兩個平坦區(qū)域，可交互用作檢校場和驗證場，按地理位置分別稱為魯山區(qū)和學(xué)校區(qū)。魯山區(qū)覆蓋有正常重疊度的4條航線，共60張影像；學(xué)校區(qū)覆蓋有正常重疊度的5條（最多9條）航線，共130張影像（最多234張影像）。試驗時，在飛機(jī)頂部安裝Trimble 5700雙頻航空GPS天線，保證GPS天線、IMU、相機(jī)虛擬中心在同一垂線方向上。國產(chǎn)POS內(nèi)置Trimble 5700 GPS接收機(jī)，基站安置一臺Trimble 5700雙頻GPS接收機(jī)。GPS采樣頻率為10 Hz，IMU采樣頻率為100 Hz。飛機(jī)S形盤旋上升和下降，并在進(jìn)入測區(qū)前和離開測區(qū)后對POS均在地面進(jìn)行5 min靜態(tài)初始化。相機(jī)采用定點曝光模式，由飛行員在進(jìn)入航線時操作。

表1SWDC及試驗相關(guān)參數(shù)

試驗獲取數(shù)據(jù)分為POS數(shù)據(jù)和影像。POS數(shù)據(jù)由相關(guān)組合導(dǎo)航軟件進(jìn)行處理，影像數(shù)據(jù)采用國產(chǎn)SWDC-4A數(shù)碼航攝系統(tǒng)相應(yīng)軟件進(jìn)行處理，并利用國產(chǎn)Geolord-AT自動數(shù)字空中三角測量軟件進(jìn)行空三加密。POS與相機(jī)之間的檢校參數(shù)及通過POS數(shù)據(jù)直接解算的影像外方位元素均通過自主開發(fā)軟件進(jìn)行解求。最終利用JX-4G數(shù)字?jǐn)z影測量工作站單模型和數(shù)字測圖模塊進(jìn)行檢查點的采集和精度驗證。

2.集成檢校參數(shù)結(jié)果及分析

檢校參數(shù)的解算精度依賴于高精度的POS后處理數(shù)據(jù)及所用的檢校算法，為此進(jìn)行多次不同試驗，對獲取的POS數(shù)據(jù)分別進(jìn)行檢校，并對檢校參數(shù)進(jìn)行對比分析。

如果IMU與相機(jī)之間的相對位置固定，則得到的每一曝光點處的檢校參數(shù)應(yīng)該基本相同。為了驗證，拆除設(shè)備再按照同一方式集成安裝后，針對檢校參數(shù)的變化量進(jìn)行了不同試驗，檢校結(jié)果見表2。

同一試驗各個曝光點檢校參數(shù)的穩(wěn)定性與否可以驗證所用檢校算法是否準(zhǔn)確。表3給出多次試驗各曝光點檢校參數(shù)的離散情況。在保證解算所有曝光點的偏心元素基本不變的前提下，取所有曝光點檢校參數(shù)的均值作為最終系統(tǒng)誤差改正值，修正POS數(shù)據(jù)，以得到高精度的影像外方位元素。

表2 多次試驗解求的檢校參數(shù)

表3 檢校參數(shù)殘差中誤差

7月22 日，同一架次飛機(jī)先飛魯山區(qū)，后飛學(xué)校區(qū)，飛行完拆除設(shè)備；7月23日再次飛行時，重新安裝設(shè)備；7月24日試驗結(jié)束拆除設(shè)備；8月25日重新安裝設(shè)備，8月28日與8月25日兩天試驗設(shè)備未拆除。

從表3可以看出，多次試驗解算的各曝光點的偏心元素基本不變，各曝光點參數(shù)表現(xiàn)穩(wěn)定，離散程度較小，沒有表現(xiàn)出明顯的系統(tǒng)誤差，與理想狀態(tài)相符，說明檢校算法正確。

從表2可以看出，一旦設(shè)備拆除，雖然采取同樣的安裝方式，但POS與相機(jī)之間的偏心元素會產(chǎn)生很大變化。8月25日與8月28日兩天試驗設(shè)備未拆除，但在x方向差距很大，說明該方向檢校有問題。單獨對兩次試驗進(jìn)行分析，由于8月25日采集數(shù)據(jù)時平臺開啟，但在實際處理組合導(dǎo)航數(shù)據(jù)時，并未加入平臺數(shù)據(jù)對集成設(shè)備相對運動的補償，導(dǎo)致檢校x方向差別很大，達(dá)到0.8 m，說明POS數(shù)據(jù)后處理精度很重要。

通過偏心參數(shù)解算的結(jié)果，初步斷定，如果設(shè)備拆除，要實現(xiàn)高精度的POS直接地理定位，必須重新進(jìn)行檢校；如果設(shè)備不拆除，POS直接地理定位能否滿足大比例尺測圖，需要直接利用該檢校參數(shù)修正新獲取的POS數(shù)據(jù)得到影像外方位元素，利用外方位元素直接安置測圖，實際采集檢查點予以驗證。

3.WGS-84坐標(biāo)系下的直接對地目標(biāo)定位

經(jīng)過檢校后的POS數(shù)據(jù)得到的外方位元素能否滿足精度要求，最終需要直接測圖進(jìn)行驗證。本文利用JX-4G數(shù)字?jǐn)z影測量工作站直接進(jìn)行外方位元素安置測圖，采集地面檢查點的結(jié)果。由于POS系統(tǒng)提供的外方位元素是基于WGS-84坐標(biāo)系統(tǒng)的，因此利用其進(jìn)行直接目標(biāo)定位可獲得檢查點在WGS-84坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)。采用4種不同條件下的直接測圖精度進(jìn)行比較分析:① 未經(jīng)檢校的POS數(shù)據(jù)直接測圖；②同一架次，先飛檢校場，后飛驗證場，經(jīng)過檢校的POS直接測圖；③不同架次，集成設(shè)備不拆除，飛完檢校場進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，用該次試驗得到檢校參數(shù)修正后續(xù)試驗的POS數(shù)據(jù)進(jìn)行直接測圖；④設(shè)備拆除，新獲取POS數(shù)據(jù)不檢校，用原有檢校參數(shù)改正POS數(shù)據(jù)的直接測圖，此次試驗?zāi)康臑轵炞C設(shè)備拆除前后，得到外方位精度的變化。同時在單像對與多像對上分別采集檢查點進(jìn)行精度比較分析。進(jìn)行不同檢校試驗直接測圖的結(jié)果見表4。

表4 WGS-84坐標(biāo)系下不同檢校條件的直接地理定位精度

從表4可知:

1）未檢校的POS與檢校后的POS相比，其直接地理定位精度明顯降低（通過對比方案1與方案2、方案3、方案4的結(jié)果可知）。

2）如果拆除設(shè)備，雖然采取同樣的安置方式，但其最終直接地理定位精度也明顯降低，尤其是平面精度。說明一旦集成設(shè)備重新安裝，要實現(xiàn)高精度的直接地理定位需要重新進(jìn)行檢校（通過對比方案4與方案3或方案2的結(jié)果可知）。

3）有檢校，同一架次先飛檢校場，后飛驗證場，POS直接地理定位精度最高平面為0.14 m，高程為0.16 m（通過方案2與方案3結(jié)果比較可知）。

4）在保證檢校后的集成設(shè)備不拆除的前提下，繼續(xù)進(jìn)行航飛試驗（方案3），直接地理定位精度為平面0.19 m，高程0.175 m，基本滿足了規(guī)范大比例尺1∶500測圖精度要求。說明經(jīng)過嚴(yán)密檢校后的國產(chǎn)POS可以在測區(qū)外布設(shè)檢校場，實現(xiàn)測區(qū)無地面控制的直接地理定位，可在崇山峻嶺、戈壁荒漠等難以通行的地區(qū)開展航空遙感工作。

四、結(jié) 論

通過檢校參數(shù)解算結(jié)果及后續(xù)直接地理定位采集檢查點精度分析，可得出以下結(jié)論:

1）高精度的組合導(dǎo)航數(shù)據(jù)處理對檢校參數(shù)的解算及后續(xù)直接地理定位的精度起到?jīng)Q定性作用。

2）本文采用檢校算法準(zhǔn)確且檢校精度較高。

3）硬件上保證IMU測量中心、相機(jī)中心、GPS天線相位中心盡量在載體坐標(biāo)系的一條垂線上，更容易成功實現(xiàn)直接地理定位。

4）要實現(xiàn)高精度的POS直接地理定位，POS必須經(jīng)過嚴(yán)密檢校。同一架次飛機(jī)先飛檢校場后飛驗證場更容易滿足大比例尺測圖要求。

5）對于成圖精度要求不高的崇山峻嶺、戈壁荒漠及災(zāi)難地區(qū)，在常規(guī)檢校場經(jīng)過嚴(yán)密檢校后的國產(chǎn)POS可以直接開展航空遙感工作，能高效及時獲取地物信息。

6）經(jīng)過嚴(yán)格檢校的國產(chǎn)POS與SWDC集成系統(tǒng)在WGS-84坐標(biāo)系下可以提供高精度的外方位元素，用其直接安置測圖，可以滿足大比例尺測圖精度要求。

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