航空攝影測量中POS系統(tǒng)誤差分析及應用研究

朱正榮

摘 要：該文基于筆者多年從事航空攝影測量的相關工作經(jīng)驗，以航空攝影測量中POS系統(tǒng)誤差及應用為研究對象，論文首先分析了POS系統(tǒng)的主要誤差來源，進而探討了POS系統(tǒng)在航空攝影中的應用需求，并對POS系統(tǒng)在航空攝影中的應用方案進行了對比分析，全文是筆者長期工作實踐基礎上的理論升華，相信對從事相關工作的同行能有所裨益。

關鍵詞：航空攝影測量 POS系統(tǒng) 誤差 應用

中圖分類號：P23 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）01（b）-0005-04

20世紀90年代，GPS（Global Position System，全球定位系統(tǒng)）輔助空中三角測量的方法得到了廣泛應用，利用GPS獲得的定位信息用來輔助空中三角測量，展現(xiàn)了導航技術在測繪領域的應用前景。GPS技術雖然解決了像片的定位問題，但是無法獲取像片的姿態(tài)參數(shù)，不能徹底擺脫地面控制。隨著航空攝影測量技術和慣性導航技術的發(fā)展，一種新的方法開始應用于航空攝影測量——定位定向系統(tǒng)（Position and Orientation System，簡稱POS系統(tǒng)）輔助航空攝影。機載POS系統(tǒng)集GPS技術與慣性導航技術于一體，使準確地獲取航攝相機曝光時刻的外方位元素（GPS測量得到位置參數(shù)，慣性導航系統(tǒng)得到姿態(tài)參數(shù)）成為可能，從而實現(xiàn)了無（或少量）地面控制點，甚至無需空中三角測量加密工序，即可直接定向測圖，從而大大縮短航空攝影作業(yè)周期、提高生產(chǎn)效率、降低成本。因此，POS系統(tǒng)的出現(xiàn)，將從根本上改變傳統(tǒng)航空攝影的方法，進而引起航空攝影理論與技術的重大飛躍。隨著計算機技術的發(fā)展及其慣性、GPS器件精度水平的提高，POS無論定位定向精度還是實時數(shù)據(jù)處理能力都會有質(zhì)的提高，將會在航空攝影測繪方面發(fā)揮越來越重要的作用。POS系統(tǒng)高精度定位定向技術是POS系統(tǒng)應用的關鍵技術，它的研究可以極大的推動POS系統(tǒng)的發(fā)展。

1 POS系統(tǒng)結構組成

POS系統(tǒng)本質(zhì)上集慣性導航技術與 DGPS（Differential GPS，差分GPS）技術一體，主要硬件組成部分包括慣性導航系統(tǒng)、DGPS與POS系統(tǒng)計算機系統(tǒng)，POS還包含一套事后處理軟件用于融合數(shù)據(jù)事后處理，其組成示意圖如圖1所示。

其中DGPS通過用戶與基站GPS接收機提供實時差分GPS定位信息，慣性導航系統(tǒng)提供載體實時角速度與加速度信息，通過POS計算機系統(tǒng)實時信息融合得到載體位置、速度、姿態(tài)等導航信息，同時POS系統(tǒng)采集慣性導航系統(tǒng)與DGPS的數(shù)據(jù)信息利用POS系統(tǒng)事后處理軟件得到載體位置、速度、姿態(tài)等導航信息。下面對其中最重要的慣性導航系統(tǒng)和衛(wèi)星導航系統(tǒng)進行研究，最后對其POS計算機和事后處理軟件進行簡單介紹。

1.1 慣性導航系統(tǒng)

慣性導航技術是以牛頓力學定律為基礎，利用一組加速度計測量載體的加速度，利用一組陀螺儀測量載體的角運動，經(jīng)過積分運算求解載體位置、速度和姿態(tài)信息的技術。根據(jù)慣性導航原理在物理平臺中的實現(xiàn)，稱為慣性導航系統(tǒng)，依據(jù)有無實際物理平臺可分為平臺式慣性導航系統(tǒng)和捷聯(lián)式慣性導航系統(tǒng)。與平臺式慣導系統(tǒng)相比，捷聯(lián)式慣性導航系統(tǒng)以數(shù)學平臺代替了慣性物理平臺，因而結構簡單，平臺，體積、重量和成本大大降低，因此目前已經(jīng)在各類導航設備中廣泛應用。

捷聯(lián)慣性導航系統(tǒng)解算原理如圖2所示。捷聯(lián)慣性導航系統(tǒng)和平臺慣性導航系統(tǒng)的區(qū)別在于捷聯(lián)慣導系統(tǒng)利用陀螺儀的輸出實時計算姿態(tài)轉移矩陣（即“數(shù)學平臺”）和姿態(tài)角，其他的解算則與平臺慣性導航系統(tǒng)一致。捷聯(lián)慣性導航系統(tǒng)中，陀螺儀和加速度計的組合體通常稱為慣性組件（Inertial Measurement Unit，IMU），IMU對系統(tǒng)而言是開環(huán)的，僅僅起到了慣性傳感器信號輸入的作用，并沒有對IMU進行反饋控制，所有的信號處理在計算機內(nèi)實現(xiàn)，因此實現(xiàn)方便。

由圖2中可看出，捷聯(lián)慣性導航系統(tǒng)的核心是導航計算機實現(xiàn)的慣性平臺，即“數(shù)學平臺”。數(shù)學平臺是用陀螺測量的載體角速度進行姿態(tài)矩陣解算，從姿態(tài)矩陣中可以得到實時姿態(tài)角信息，并用姿態(tài)矩陣將加速度計輸出從機體坐標系變換到導航坐標系，然后進行導航解算。

目前捷聯(lián)慣性導航系統(tǒng)發(fā)展比較成熟，尤其是高精度激光、光纖陀螺的出現(xiàn)與逐步成熟，促使捷聯(lián)慣性導航系統(tǒng)越來越成為航空載體的主流配置，POS系統(tǒng)采用捷聯(lián)慣性導航系統(tǒng)，便于與航攝相機集成安裝，也便于內(nèi)部器件的維護與更新。但是，慣性導航系統(tǒng)受工作原理所限，導航參數(shù)誤差隨時間發(fā)散，長期穩(wěn)定性較差，故需要其他導航系統(tǒng)對其進行校正，衛(wèi)星導航系統(tǒng)因其高精度與穩(wěn)定性好成為POS系統(tǒng)的首選。

1.2 衛(wèi)星導航系統(tǒng)

衛(wèi)星導航系統(tǒng)，即GPS是美國國防部聯(lián)合海陸空三軍研制的導航系統(tǒng)，由空間導航衛(wèi)星部分、地面監(jiān)控部分和用戶接收機三部分組成。它具有全天候、高精度、自動化、高效益、性能好、應用廣等顯著特點，能夠?qū)崟r地提供三維的位置、速度和GPS時間等信息。

GPS定位的基本原理是以GPS衛(wèi)星和用戶GPS接收機天線之間的空間距離作為觀測量，根據(jù)已知的GPS衛(wèi)星空間坐標，可以確定用戶GPS接收機天線的空間位置。GPS定位方法的實質(zhì)是以星地空間距離為半徑的三球交匯，因此，在一個測站上，需要3個衛(wèi)星到接收機天線的距離觀測量。其定位原理如圖3所示。

GPS導航與無線電導航類似，采用單程測距原理，衛(wèi)星鐘和接收機鐘無法保持嚴格的同步，所以GPS實際的觀測量并不是用戶接收機天線至衛(wèi)星之間的真實距離，而是含有衛(wèi)星鐘和接收機鐘同步誤差的距離，因此又稱為偽距。當然，衛(wèi)星鐘差是可以通過衛(wèi)星導航電文中所提供的相應鐘差參數(shù)加以修正的，而接收機的鐘差，準確測定非常困難，所以，必須將接收機的鐘差作為一個未知量與用戶三維位置在數(shù)據(jù)處理中一并解出。因此，在一個觀測點上，為了實時求解4個未知參數(shù)（3 維空間坐標及一個GPS接收機鐘差），至少需要同步觀測4顆衛(wèi)星。

1.3 POS計算機與事后處理軟件

在POS系統(tǒng)中，POS計算機系統(tǒng)（POS computer system，PCS）中實時運行以及在事后處理軟件中的INS/DGPS組合算法是POS系統(tǒng)的核心部分。POS系統(tǒng)中其他模塊如IMU和DGPS都需要以POS計算機系統(tǒng)為硬件平臺，通過軟件算法來完成；用戶對POS系統(tǒng)的操作和控制也需要通過POS計算機系統(tǒng)來完成。

市場上POS產(chǎn)品POS計算機系統(tǒng)的特點與POS應用航空攝影的背景，POS計算機系統(tǒng)有如下特點：

（1）從性能上看，POS計算機系統(tǒng)必須具備強大的計算能力。POS計算機系統(tǒng)需要實時接收并儲存IMU和GPS數(shù)據(jù)、實時對數(shù)據(jù)進行處理運算，對POS計算機系統(tǒng)提出了較高的要求。

（2）從功能上看，POS計算機系統(tǒng)必須具備強大的導航器件兼容性。目前導航器件無論從精度、性能、數(shù)據(jù)格式等方面都不一樣，導航計算機需要在條件允許的情況下對不同的器件給出不一樣的處理方案供用戶選擇，另外POS計算機系統(tǒng)需要滿足系統(tǒng)控制、輸出和功能的擴展。

（3）從環(huán)境適應性上看，POS計算機系統(tǒng)必須具備良好的抗震性能。POS系統(tǒng)輔助航空攝影，高機動是其環(huán)境的主要特點，同時其外形尺寸和功耗也需要嚴格限制。

事后處理軟件顧名思義就是事后離線處理算法軟件，對慣性導航系統(tǒng)采集的IMU數(shù)據(jù)與GPS系統(tǒng)采集的DGPS數(shù)據(jù)進行事后處理，經(jīng)過系統(tǒng)解算可獲取高精度像片外方位元素。利用航空攝影中應用廣泛的Applanix POS/AV 510自帶事后處理軟件POSPac對事后處理流程進行說明，其流程如圖3所示。

2 航空攝影應用中的POS系統(tǒng)主要誤差分析

機載POS系統(tǒng)輔助航空攝影無論從系統(tǒng)器件精度、集成安裝或其它機動物理特性等環(huán)節(jié)都不可避免存在誤差，這些誤差會影響POS系統(tǒng)的性能，所以必須對其誤差進行分析。機載POS系統(tǒng)的誤差源主要有：慣性導航系統(tǒng)誤差，衛(wèi)星導航系統(tǒng)誤差，時間同步誤差。

2.1 慣性導航系統(tǒng)誤差

對慣性導航系統(tǒng)誤差分析的目的在于，通過分析確定各種誤差因素對系統(tǒng)性能的影響，對POS系統(tǒng)采用慣性器件提出精度要求，尤其是陀螺的精度要求；另外一方面，通過對慣性系統(tǒng)誤差分析，可以對POS系統(tǒng)的工作情況和器件質(zhì)量進行評價。慣性導航系統(tǒng)誤差根據(jù)其誤差產(chǎn)生的原因和性質(zhì)，大體上可以分為以下幾類：

2.1.1 IMU儀表誤差

IMU儀表誤差是指慣性器件陀螺和加速度計的誤差，有靜態(tài)誤差和動態(tài)誤差兩個方面。陀螺誤差包括由陀螺常值漂移和隨機漂移等引起的誤差，以及陀螺溫度特性引起的誤差等；加速度計誤差包括隨機漂移和溫度特性引入的誤差等。動態(tài)誤差主要是指由于載體機動對慣性器件的影響帶來的誤差。這是慣性導航系統(tǒng)的主要誤差源，對于IMU確定性誤差需進行補償，對于隨機性誤差需要建立合適的誤差模型來減小其誤差。

2.1.2 初始對準誤差

慣性導航系統(tǒng)在進行導航解算前必須進行初始對準，由于輸入的初始位置、初始速度不準確引起的初始姿態(tài)不準確造成的誤差就是初始對準誤差。初始對準為后續(xù)導航解算給出數(shù)學平臺基準，所以必須盡量減少初始對準誤差。

2.1.3 計算誤差與運動干擾誤差

計算誤差包括數(shù)字量化誤差、參數(shù)設置誤差、計算中的舍入誤差等。運動干擾誤差主要是沖擊和震動等造成的誤差。這些誤差也是影響捷聯(lián)慣性導航系統(tǒng)精度的重要因素，必須設法消除或削弱。

慣性導航系統(tǒng)誤差是POS系統(tǒng)的重要誤差源，是POS系統(tǒng)獲得高精度姿態(tài)方位信息的關鍵，目前針對具體的誤差形式，研究精確的數(shù)學模型是減小慣性導航系統(tǒng)誤差的主要方法。

2.2 衛(wèi)星導航系統(tǒng)誤差

GPS因為其觀察時間短、定位精度高的特點，在測繪領域展現(xiàn)了巨大的應用前景。但是GPS也有許多與生俱來的缺點限制了它的應用，其中GPS誤差就是其高精度定位主要影響因素。目前引起GPS誤差的因素有很多，主要來源包括以下幾部分：

（1）GPS衛(wèi)星有關的誤差，主要有衛(wèi)星時鐘誤差、衛(wèi)星星歷誤差、SA誤差等；（2）GPS信號傳播有關的誤差，主要有電離層的附加延遲誤差、對流層的附加延時誤差和多路徑誤差等；（3）接收機設備相關的誤差，主要包括觀測誤差、接收機鐘差、天線相位中心誤差和載波相位觀測的整周不定性影響等。

針對GPS影響較大的誤差源具體分析如下所示：

2.2.1 衛(wèi)星時鐘誤差

GPS系統(tǒng)是通過測量衛(wèi)星信號傳播時間來測距的，時鐘的誤差將直接變成測距誤差。GPS系統(tǒng)中各衛(wèi)星鐘要求互相同步并與地面站同步，即使采用原子鐘計時也不可能絕對穩(wěn)定，而是存在著漂移。接收機可以通過接收衛(wèi)星導航電文中鐘差參數(shù)直接對衛(wèi)星時鐘誤差進行改正。

2.2.2 衛(wèi)星星歷誤差

GPS衛(wèi)星星歷提供的衛(wèi)星空間位置與實際位置之差稱為星歷誤差。星歷數(shù)據(jù)由地面監(jiān)控站注入衛(wèi)星，而監(jiān)控站對衛(wèi)星測量的誤差、衛(wèi)星運動時的攝動因素等都會造成星歷中存在誤差，其誤差一直存在，無法消除。

2.2.3 電離層與對流層折射誤差

衛(wèi)星發(fā)射電波到達地面接收機，必須穿過電離層與對流層才能到達GPS接收天線。電磁波在不同介質(zhì)中得傳播特性是不同的，電波電離層與對流層會發(fā)生折射，從而產(chǎn)生延時誤差。對流層折射誤差是指非電離層大氣對電磁波的折射。對這種折射誤差一般需要建立電離層與對流層模型加以改正，目前GPS接收機中一般都有誤差改正模型。

2.2.4 多路徑效應誤差

多路徑效應誤差是由于不同的路徑到達GPS接收機而產(chǎn)生的誤差，主要由接收機周圍的地形、地物及各種反射體引起，信號經(jīng)過多路徑傳播造成測距誤差。

2.2.5 接收機設備誤差

GPS接收機設備的誤差主要是時鐘的誤差，其對GPS定位精度影響很大，假設普通接收機時鐘與衛(wèi)星時鐘同步時間差為1 s，由此引起的等效距離誤差可能達到上百米，當定位精度要求較高時，應該采用外接銣、氫等原子鐘來提高接收機時鐘精度。

綜上所述，影響GPS定位誤差的因素很多，利用差分GPS可以對衛(wèi)星時鐘和星歷誤差完全消除，對傳播造成的延遲誤差也能夠大部分消除，但是對于接收機相關的誤差則不能夠消除，但是這些誤差已經(jīng)幾乎很小，可以忽略不計。

2.3 航空攝影過程中POS系統(tǒng)內(nèi)部不同信息源的時間同步誤差

DGPS定位輸出頻率一般為1 Hz，而IMU數(shù)據(jù)的輸出頻率可以高達20～50 Hz，所以POS系統(tǒng)的輸出頻率與IMU數(shù)據(jù)輸出相同。機載POS系統(tǒng)航空攝影過程中，POS系統(tǒng)接收航攝相機的曝光脈沖并記錄該時刻jt，POS系統(tǒng)輸出時刻it與航攝相機的曝光時刻jt往往不同步，如下圖4所示。一般來說，飛機在航空攝影過程中是勻速飛行，POS系統(tǒng)采用線性內(nèi)插的方法得到導航參數(shù)。當飛機勻速飛行時，這種內(nèi)插的方法是不會產(chǎn)生誤差的。但是實際過程中飛機不可能完全保持勻速，線性內(nèi)插必然帶來誤差，這種誤差稱為時間同步誤差。

航攝飛機的飛行速度一般為 100～200 m/s，由于在短時間內(nèi)，飛機速度不可能發(fā)生太大的變化，為了分析問題方便，假設線性內(nèi)插誤差POS系統(tǒng)輸出頻率的1%。那么對于飛行速度為150 m/s的航攝飛機和輸出頻率為50 Hz的POS系統(tǒng)，時間同步誤差約為0.3 cm。對于POS系統(tǒng)而言，這一數(shù)量級的誤差完全是可以忽略不計的。

3 POS系統(tǒng)在航空攝影中的應用需求分析

在分析POS系統(tǒng)組成及其誤差分析的基礎上，有必要針對其應用需求進行研究分析。POS系統(tǒng)可以與多種航空攝影器材或航空傳感器集成相連，如ADS40航攝相機、光學相機、SWDC相機、機載激光雷達等，從而實現(xiàn)傳感器直接定向或輔助定向測量，如下圖5所示。不同的航攝相機對POS系統(tǒng)精度要求不一樣，但是針對它們對測量精度的共性要求研究，對POS系統(tǒng)應用提出具體的技術要求是非常有必要的。

3.1 航空攝影對POS系統(tǒng)的應用要求

無論是光學攝影成像、掃描成像還是雷達測距都對POS系統(tǒng)提出了非?？量痰木纫?。不僅要求POS系統(tǒng)在較短的成像周期內(nèi)具有很高的絕對精度和相對定位精度，同時某些成像載荷對姿態(tài)測量誤差更為敏感。

綜合前面對POS系統(tǒng)組成及其應用需求的分析，對POS系統(tǒng)及其器件在應用航空攝影提出以下幾點技術要求：

（1）IMU器件是POS系統(tǒng)測量姿態(tài)角的關鍵器件，一般來說，IMU測角中誤差精度要求：橫滾角和俯仰角誤差不得大于0.01 °，航向角誤差不得大于0.02 °，記錄頻率要高于50 Hz。所以目前只有精密級慣性器件（陀螺偏移小于0.001 °/h）符合要求。

（2）差分GPS接收機是POS系統(tǒng)高精度位置獲取的主要器件，機載GPS天線安裝在航空飛行載體外表面，必須保證其在高機動情況下地正常工作；航空攝影數(shù)據(jù)需要厘米級的定位精度，故GPS接收機采用高精度動態(tài)載波相位差分模式，其基站GPS接收機一般在100 km范圍內(nèi)；GPS最小采樣間隔一般在1 s以內(nèi)。

（3）POS導航計算機是POS系統(tǒng)完成導航解算，輸出運動參數(shù)的主要部分，其電源系統(tǒng)應滿足航攝作業(yè)期間無間斷供電，導航計算機能夠?qū)崟r記錄和存儲航攝作業(yè)所有IMU數(shù)據(jù)、GPS數(shù)據(jù)及其它必要數(shù)據(jù)。

（4）具有同步時間信號時標輸入接口，能夠?qū)⒑綌z相機快門開啟脈沖（即曝光時刻）通過接口準確的傳入POS系統(tǒng)，與POS系統(tǒng)進行時間對準，減小時間同步誤差的影響。

3.2 POS系統(tǒng)在航空攝影中的應用方案對比分析

從POS系統(tǒng)組成可以知道，POS系統(tǒng)本質(zhì)上是航空攝影應用中的高精度GPS/INS組合導航系統(tǒng)。但是它與導航中的GPS/INS組合系統(tǒng)又有所區(qū)別，GPS/INS組合系統(tǒng)主要用于航空、航天、海洋中的運輸載體導航定位，它必須實時提供載體的定位信息，完成載體的航行任務；POS系統(tǒng)應用航空攝影主要完成對地球表面的地形、地貌進行攝影定位，因為一段時間內(nèi)該攝影地區(qū)的定位信息不會發(fā)生重大變化，因此可以在實時定位的基礎上，再對導航信息進行一次離線事后處理，沒有時間的限制，綜合各方面的信息，能夠獲得比實時更好的定位精度。

因此針對POS系統(tǒng)輔助航空攝影應用，目前主要由兩種應用方案：實時融合與事后處理。實時融合是在航空攝影同時將IMU與DGPS進行實時融合，對POS系統(tǒng)的器件要求比較高；事后處理是在航空攝影同時將IMU與DGPS數(shù)據(jù)進行存儲，利用離線處理算法對保存數(shù)據(jù)進行信息融合，因為沒有時間的限制，可以采用一些耗時但精度較高的算法對其融合處理，能夠獲得較好的精度，其中POS系統(tǒng)兩種應用方案的特點如下表1所示。因此，在POS系統(tǒng)的應用和數(shù)據(jù)處理中，要根據(jù)POS系統(tǒng)在不同的應用階段，設計不同的技術處理方案來完成POS系統(tǒng)輔助航空攝影的任務。

4 結語

本文首先對POS系統(tǒng)內(nèi)部兩個最重要部分——慣性導航系統(tǒng)和GPS導航系統(tǒng)進行了介紹，并對其各自的誤差進行了分析，進而針對POS系統(tǒng)輔助航空攝影應用的兩種方案及特點進行了分析，分別就實時處理與事后處理方案進行了比較分析。

參考文獻

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[2] 查巖.GPS/INS組合導航系統(tǒng)的平滑濾波應用研究[J].科技創(chuàng)新導報，2013（6）：16-18.

GPS接收機設備的誤差主要是時鐘的誤差，其對GPS定位精度影響很大，假設普通接收機時鐘與衛(wèi)星時鐘同步時間差為1 s，由此引起的等效距離誤差可能達到上百米，當定位精度要求較高時，應該采用外接銣、氫等原子鐘來提高接收機時鐘精度。

綜上所述，影響GPS定位誤差的因素很多，利用差分GPS可以對衛(wèi)星時鐘和星歷誤差完全消除，對傳播造成的延遲誤差也能夠大部分消除，但是對于接收機相關的誤差則不能夠消除，但是這些誤差已經(jīng)幾乎很小，可以忽略不計。

2.3 航空攝影過程中POS系統(tǒng)內(nèi)部不同信息源的時間同步誤差

DGPS定位輸出頻率一般為1 Hz，而IMU數(shù)據(jù)的輸出頻率可以高達20～50 Hz，所以POS系統(tǒng)的輸出頻率與IMU數(shù)據(jù)輸出相同。機載POS系統(tǒng)航空攝影過程中，POS系統(tǒng)接收航攝相機的曝光脈沖并記錄該時刻jt，POS系統(tǒng)輸出時刻it與航攝相機的曝光時刻jt往往不同步，如下圖4所示。一般來說，飛機在航空攝影過程中是勻速飛行，POS系統(tǒng)采用線性內(nèi)插的方法得到導航參數(shù)。當飛機勻速飛行時，這種內(nèi)插的方法是不會產(chǎn)生誤差的。但是實際過程中飛機不可能完全保持勻速，線性內(nèi)插必然帶來誤差，這種誤差稱為時間同步誤差。

航攝飛機的飛行速度一般為 100～200 m/s，由于在短時間內(nèi)，飛機速度不可能發(fā)生太大的變化，為了分析問題方便，假設線性內(nèi)插誤差POS系統(tǒng)輸出頻率的1%。那么對于飛行速度為150 m/s的航攝飛機和輸出頻率為50 Hz的POS系統(tǒng)，時間同步誤差約為0.3 cm。對于POS系統(tǒng)而言，這一數(shù)量級的誤差完全是可以忽略不計的。

3 POS系統(tǒng)在航空攝影中的應用需求分析

在分析POS系統(tǒng)組成及其誤差分析的基礎上，有必要針對其應用需求進行研究分析。POS系統(tǒng)可以與多種航空攝影器材或航空傳感器集成相連，如ADS40航攝相機、光學相機、SWDC相機、機載激光雷達等，從而實現(xiàn)傳感器直接定向或輔助定向測量，如下圖5所示。不同的航攝相機對POS系統(tǒng)精度要求不一樣，但是針對它們對測量精度的共性要求研究，對POS系統(tǒng)應用提出具體的技術要求是非常有必要的。

3.1 航空攝影對POS系統(tǒng)的應用要求

無論是光學攝影成像、掃描成像還是雷達測距都對POS系統(tǒng)提出了非常苛刻的精度要求。不僅要求POS系統(tǒng)在較短的成像周期內(nèi)具有很高的絕對精度和相對定位精度，同時某些成像載荷對姿態(tài)測量誤差更為敏感。

綜合前面對POS系統(tǒng)組成及其應用需求的分析，對POS系統(tǒng)及其器件在應用航空攝影提出以下幾點技術要求：

（1）IMU器件是POS系統(tǒng)測量姿態(tài)角的關鍵器件，一般來說，IMU測角中誤差精度要求：橫滾角和俯仰角誤差不得大于0.01 °，航向角誤差不得大于0.02 °，記錄頻率要高于50 Hz。所以目前只有精密級慣性器件（陀螺偏移小于0.001 °/h）符合要求。

（2）差分GPS接收機是POS系統(tǒng)高精度位置獲取的主要器件，機載GPS天線安裝在航空飛行載體外表面，必須保證其在高機動情況下地正常工作；航空攝影數(shù)據(jù)需要厘米級的定位精度，故GPS接收機采用高精度動態(tài)載波相位差分模式，其基站GPS接收機一般在100 km范圍內(nèi)；GPS最小采樣間隔一般在1 s以內(nèi)。

（3）POS導航計算機是POS系統(tǒng)完成導航解算，輸出運動參數(shù)的主要部分，其電源系統(tǒng)應滿足航攝作業(yè)期間無間斷供電，導航計算機能夠?qū)崟r記錄和存儲航攝作業(yè)所有IMU數(shù)據(jù)、GPS數(shù)據(jù)及其它必要數(shù)據(jù)。

（4）具有同步時間信號時標輸入接口，能夠?qū)⒑綌z相機快門開啟脈沖（即曝光時刻）通過接口準確的傳入POS系統(tǒng)，與POS系統(tǒng)進行時間對準，減小時間同步誤差的影響。

3.2 POS系統(tǒng)在航空攝影中的應用方案對比分析

從POS系統(tǒng)組成可以知道，POS系統(tǒng)本質(zhì)上是航空攝影應用中的高精度GPS/INS組合導航系統(tǒng)。但是它與導航中的GPS/INS組合系統(tǒng)又有所區(qū)別，GPS/INS組合系統(tǒng)主要用于航空、航天、海洋中的運輸載體導航定位，它必須實時提供載體的定位信息，完成載體的航行任務；POS系統(tǒng)應用航空攝影主要完成對地球表面的地形、地貌進行攝影定位，因為一段時間內(nèi)該攝影地區(qū)的定位信息不會發(fā)生重大變化，因此可以在實時定位的基礎上，再對導航信息進行一次離線事后處理，沒有時間的限制，綜合各方面的信息，能夠獲得比實時更好的定位精度。

因此針對POS系統(tǒng)輔助航空攝影應用，目前主要由兩種應用方案：實時融合與事后處理。實時融合是在航空攝影同時將IMU與DGPS進行實時融合，對POS系統(tǒng)的器件要求比較高；事后處理是在航空攝影同時將IMU與DGPS數(shù)據(jù)進行存儲，利用離線處理算法對保存數(shù)據(jù)進行信息融合，因為沒有時間的限制，可以采用一些耗時但精度較高的算法對其融合處理，能夠獲得較好的精度，其中POS系統(tǒng)兩種應用方案的特點如下表1所示。因此，在POS系統(tǒng)的應用和數(shù)據(jù)處理中，要根據(jù)POS系統(tǒng)在不同的應用階段，設計不同的技術處理方案來完成POS系統(tǒng)輔助航空攝影的任務。

4 結語

本文首先對POS系統(tǒng)內(nèi)部兩個最重要部分——慣性導航系統(tǒng)和GPS導航系統(tǒng)進行了介紹，并對其各自的誤差進行了分析，進而針對POS系統(tǒng)輔助航空攝影應用的兩種方案及特點進行了分析，分別就實時處理與事后處理方案進行了比較分析。

參考文獻

[1] 甘倬.GPS/SINS組合導航工程實現(xiàn)及應用研究[J].科技資訊，2013（5）：15-18.

[2] 查巖.GPS/INS組合導航系統(tǒng)的平滑濾波應用研究[J].科技創(chuàng)新導報，2013（6）：16-18.

GPS接收機設備的誤差主要是時鐘的誤差，其對GPS定位精度影響很大，假設普通接收機時鐘與衛(wèi)星時鐘同步時間差為1 s，由此引起的等效距離誤差可能達到上百米，當定位精度要求較高時，應該采用外接銣、氫等原子鐘來提高接收機時鐘精度。

綜上所述，影響GPS定位誤差的因素很多，利用差分GPS可以對衛(wèi)星時鐘和星歷誤差完全消除，對傳播造成的延遲誤差也能夠大部分消除，但是對于接收機相關的誤差則不能夠消除，但是這些誤差已經(jīng)幾乎很小，可以忽略不計。

2.3 航空攝影過程中POS系統(tǒng)內(nèi)部不同信息源的時間同步誤差

DGPS定位輸出頻率一般為1 Hz，而IMU數(shù)據(jù)的輸出頻率可以高達20～50 Hz，所以POS系統(tǒng)的輸出頻率與IMU數(shù)據(jù)輸出相同。機載POS系統(tǒng)航空攝影過程中，POS系統(tǒng)接收航攝相機的曝光脈沖并記錄該時刻jt，POS系統(tǒng)輸出時刻it與航攝相機的曝光時刻jt往往不同步，如下圖4所示。一般來說，飛機在航空攝影過程中是勻速飛行，POS系統(tǒng)采用線性內(nèi)插的方法得到導航參數(shù)。當飛機勻速飛行時，這種內(nèi)插的方法是不會產(chǎn)生誤差的。但是實際過程中飛機不可能完全保持勻速，線性內(nèi)插必然帶來誤差，這種誤差稱為時間同步誤差。

航攝飛機的飛行速度一般為 100～200 m/s，由于在短時間內(nèi)，飛機速度不可能發(fā)生太大的變化，為了分析問題方便，假設線性內(nèi)插誤差POS系統(tǒng)輸出頻率的1%。那么對于飛行速度為150 m/s的航攝飛機和輸出頻率為50 Hz的POS系統(tǒng)，時間同步誤差約為0.3 cm。對于POS系統(tǒng)而言，這一數(shù)量級的誤差完全是可以忽略不計的。

3 POS系統(tǒng)在航空攝影中的應用需求分析

在分析POS系統(tǒng)組成及其誤差分析的基礎上，有必要針對其應用需求進行研究分析。POS系統(tǒng)可以與多種航空攝影器材或航空傳感器集成相連，如ADS40航攝相機、光學相機、SWDC相機、機載激光雷達等，從而實現(xiàn)傳感器直接定向或輔助定向測量，如下圖5所示。不同的航攝相機對POS系統(tǒng)精度要求不一樣，但是針對它們對測量精度的共性要求研究，對POS系統(tǒng)應用提出具體的技術要求是非常有必要的。

3.1 航空攝影對POS系統(tǒng)的應用要求

無論是光學攝影成像、掃描成像還是雷達測距都對POS系統(tǒng)提出了非?？量痰木纫?。不僅要求POS系統(tǒng)在較短的成像周期內(nèi)具有很高的絕對精度和相對定位精度，同時某些成像載荷對姿態(tài)測量誤差更為敏感。

綜合前面對POS系統(tǒng)組成及其應用需求的分析，對POS系統(tǒng)及其器件在應用航空攝影提出以下幾點技術要求：

（1）IMU器件是POS系統(tǒng)測量姿態(tài)角的關鍵器件，一般來說，IMU測角中誤差精度要求：橫滾角和俯仰角誤差不得大于0.01 °，航向角誤差不得大于0.02 °，記錄頻率要高于50 Hz。所以目前只有精密級慣性器件（陀螺偏移小于0.001 °/h）符合要求。

（2）差分GPS接收機是POS系統(tǒng)高精度位置獲取的主要器件，機載GPS天線安裝在航空飛行載體外表面，必須保證其在高機動情況下地正常工作；航空攝影數(shù)據(jù)需要厘米級的定位精度，故GPS接收機采用高精度動態(tài)載波相位差分模式，其基站GPS接收機一般在100 km范圍內(nèi)；GPS最小采樣間隔一般在1 s以內(nèi)。

（3）POS導航計算機是POS系統(tǒng)完成導航解算，輸出運動參數(shù)的主要部分，其電源系統(tǒng)應滿足航攝作業(yè)期間無間斷供電，導航計算機能夠?qū)崟r記錄和存儲航攝作業(yè)所有IMU數(shù)據(jù)、GPS數(shù)據(jù)及其它必要數(shù)據(jù)。

（4）具有同步時間信號時標輸入接口，能夠?qū)⒑綌z相機快門開啟脈沖（即曝光時刻）通過接口準確的傳入POS系統(tǒng)，與POS系統(tǒng)進行時間對準，減小時間同步誤差的影響。

3.2 POS系統(tǒng)在航空攝影中的應用方案對比分析

從POS系統(tǒng)組成可以知道，POS系統(tǒng)本質(zhì)上是航空攝影應用中的高精度GPS/INS組合導航系統(tǒng)。但是它與導航中的GPS/INS組合系統(tǒng)又有所區(qū)別，GPS/INS組合系統(tǒng)主要用于航空、航天、海洋中的運輸載體導航定位，它必須實時提供載體的定位信息，完成載體的航行任務；POS系統(tǒng)應用航空攝影主要完成對地球表面的地形、地貌進行攝影定位，因為一段時間內(nèi)該攝影地區(qū)的定位信息不會發(fā)生重大變化，因此可以在實時定位的基礎上，再對導航信息進行一次離線事后處理，沒有時間的限制，綜合各方面的信息，能夠獲得比實時更好的定位精度。

因此針對POS系統(tǒng)輔助航空攝影應用，目前主要由兩種應用方案：實時融合與事后處理。實時融合是在航空攝影同時將IMU與DGPS進行實時融合，對POS系統(tǒng)的器件要求比較高；事后處理是在航空攝影同時將IMU與DGPS數(shù)據(jù)進行存儲，利用離線處理算法對保存數(shù)據(jù)進行信息融合，因為沒有時間的限制，可以采用一些耗時但精度較高的算法對其融合處理，能夠獲得較好的精度，其中POS系統(tǒng)兩種應用方案的特點如下表1所示。因此，在POS系統(tǒng)的應用和數(shù)據(jù)處理中，要根據(jù)POS系統(tǒng)在不同的應用階段，設計不同的技術處理方案來完成POS系統(tǒng)輔助航空攝影的任務。

4 結語

本文首先對POS系統(tǒng)內(nèi)部兩個最重要部分——慣性導航系統(tǒng)和GPS導航系統(tǒng)進行了介紹，并對其各自的誤差進行了分析，進而針對POS系統(tǒng)輔助航空攝影應用的兩種方案及特點進行了分析，分別就實時處理與事后處理方案進行了比較分析。

參考文獻

[1] 甘倬.GPS/SINS組合導航工程實現(xiàn)及應用研究[J].科技資訊，2013（5）：15-18.

[2] 查巖.GPS/INS組合導航系統(tǒng)的平滑濾波應用研究[J].科技創(chuàng)新導報，2013（6）：16-18.