GNSS/INS組合導(dǎo)航在航空攝影中的應(yīng)用研究

柏春嵐

(河南城建學(xué)院測繪工程學(xué)院，河南 平頂山 467036)

GNSS/INS組合導(dǎo)航在航空攝影中的應(yīng)用研究

柏春嵐

(河南城建學(xué)院測繪工程學(xué)院，河南 平頂山 467036)

主要研究了GNSS/INS組合導(dǎo)航在航空攝影中的應(yīng)用。介紹了GNSS/INS組合導(dǎo)航的優(yōu)點和應(yīng)用理論，在此基礎(chǔ)上，主要研究偏心分量、偏心角的測定，預(yù)處理POS數(shù)據(jù)，GNSS/INS數(shù)據(jù)聯(lián)合處理，檢校場空三解計算與EO文件的輸出等整個GNSS/INS導(dǎo)航在航空攝影的應(yīng)用，從中體現(xiàn)出該導(dǎo)航應(yīng)用于航空攝影的優(yōu)越性。

GNSS INS 組合導(dǎo)航 航空攝影

1 引言

全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System, GNSS)和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(Inertial Navigation System, INS)二者結(jié)合，可以在導(dǎo)航系統(tǒng)中體現(xiàn)出控制精度高、穩(wěn)定性好、可用性和連續(xù)性等特點，優(yōu)于單一的導(dǎo)航系統(tǒng)，已成為導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展的一種新趨勢。尤其是將它應(yīng)用于航空攝影領(lǐng)域，更能體現(xiàn)它的優(yōu)勢[1,2,4]。

根據(jù)攝影測量的基本理論，每張航片的六個外方位元素即每個攝站點的空間位置S(X、Y、Z)以及航空飛機(jī)的瞬間攝影姿態(tài)(φ、ω、κ)對影像數(shù)據(jù)的處理來說，是一組很重要的參數(shù)。傳統(tǒng)的攝影測量對這一組參數(shù)的確定是通過室內(nèi)計算(即單像空間后方交會)的方法去求解，此法雖然可行，但卻是一種后處理，不能滿足現(xiàn)階段數(shù)字?jǐn)z影測量對數(shù)據(jù)處理的實時性的發(fā)展要求，所以，隨著攝影測量相近學(xué)科的發(fā)展，比如將導(dǎo)航系統(tǒng)和航攝儀集成于一體，通過GNSS導(dǎo)航定位原理獲取航攝儀的位置信息以及慣性測量單元量測的航攝儀的三軸姿態(tài)信息，經(jīng)過GNSS、INS數(shù)據(jù)的聯(lián)合后處理，可以直接得到攝影區(qū)域內(nèi)每張航片的6個外方位元素。

2 GNSS/INS組合導(dǎo)航的應(yīng)用理論

GNSS/INS組合導(dǎo)航集GNSS導(dǎo)航技術(shù)與慣性導(dǎo)航技術(shù)(INS)于一體，能夠獲得飛機(jī)載體的空間位置信息與三軸姿態(tài)信息，減少了外業(yè)工作量，提高了航空攝影測量的成圖周期，加快了航空影像的進(jìn)一步發(fā)展。因此，GNSS/INS組合導(dǎo)航需要進(jìn)一步深入研究和完善。

2.1 GNSS/INS組合導(dǎo)航的結(jié)構(gòu)

GNSS/INS組合導(dǎo)航系統(tǒng)的主要功能是將GNSS接收機(jī)和慣性測量單元IMU的測量數(shù)據(jù)實時連續(xù)地傳輸給導(dǎo)航計算機(jī)，在導(dǎo)航計算機(jī)中對兩種數(shù)據(jù)進(jìn)行卡爾曼濾波融合，輸出誤差對IMU的導(dǎo)航數(shù)據(jù)進(jìn)行校正。由此而知，需要能夠處理大量數(shù)據(jù)而又能夠進(jìn)行實時處理數(shù)據(jù)的系統(tǒng)特點。為了滿足要求，系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)設(shè)計上，采用了接收板和導(dǎo)航計算機(jī)兩個系統(tǒng)共同處理數(shù)據(jù)。在該系統(tǒng)中采用接收板對GNSS接收機(jī)、慣性測量單元IMU的導(dǎo)航數(shù)據(jù)幀接收，并對其進(jìn)行相應(yīng)的處理，然后將每個數(shù)據(jù)幀中需要導(dǎo)航計算機(jī)解算的數(shù)據(jù)建立一個數(shù)據(jù)包，通過通信端口傳輸?shù)綄?dǎo)航計算機(jī)中，導(dǎo)航計算機(jī)則完成導(dǎo)航數(shù)據(jù)的解算與Kalman濾波器算法實現(xiàn)，最后用狀態(tài)誤差對IMU導(dǎo)航信息進(jìn)行校正[7]，如圖1所示。這種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計降低了導(dǎo)航計算機(jī)的工作量，能夠?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行實時處理，提高了整個系統(tǒng)的效率。

2.2 攝影中心空間位置的確定

在GNSS/INS組合導(dǎo)航系統(tǒng)與航攝儀集成時，機(jī)載GNSS接收機(jī)天線的相位中心A點與航攝儀物鏡的后方節(jié)點S點并不完全重合，會產(chǎn)生一個偏心矢量，這個偏心矢量可以通過搭載的儀器測定出來，相當(dāng)于一個常數(shù)[5-7]，如圖2所示。在圖中，機(jī)載GNSS接收機(jī)天線的相位中心A點和航攝儀攝影中心S在以O(shè)為原點的大地直角坐標(biāo)XYZ中的坐標(biāo)分別為(XA、YA、ZA)和(XS、YS、ZS)。如果點A在像空間輔助坐標(biāo)系UVW中的坐標(biāo)為(U、V、W)，則GNSS接收機(jī)天線相位中心坐標(biāo)A點與航攝儀攝影中心坐標(biāo)S點的幾何關(guān)系為：

(1)

這式(1)是理想情況下的表達(dá)式，但是它們之間會有系統(tǒng)誤差，需要進(jìn)行修正，其修正后的表達(dá)式如下

(2)

式中，t—載機(jī)任意飛行時間；t0—載機(jī)起始飛行時間；aX、aY、aZ、bX、bY、bZ—分別為載機(jī)GNSS攝站坐標(biāo)漂移系統(tǒng)參數(shù)誤差修正系數(shù)。

2.3 航攝儀姿態(tài)參數(shù)的確定

由上可知，機(jī)載GNSS天線中心位置的確定，需要知道航攝儀在拍攝瞬間的3個姿態(tài)，分別是側(cè)滾角(φ)、俯仰角(ω)和航偏角(κ)，采用組合導(dǎo)航系統(tǒng)中的慣性測量單元(IMU)可以獲取其參數(shù)[3,8-12]。

在系統(tǒng)集成過程中，INS的三軸陀螺坐標(biāo)系與航攝儀的像空間輔助坐標(biāo)系之間總存在著角度偏差(Δφ、Δω、Δκ)。所以，航片的姿態(tài)參數(shù)不能夠直接獲得，需要通過轉(zhuǎn)角變換才能得到。正交變換矩陣R滿足如下關(guān)系式：

(3)

在測算出航攝儀的3個姿態(tài)參數(shù)后，根據(jù)公式(2)即可解算出攝站的空間位置信息，從而得到航攝影像的6個外方位元素。

2.4 GNSS/INS組合導(dǎo)航在航空攝影中的工作方式

GNSS/INS組合導(dǎo)航在航空攝影中的工作方式有直接定向法和輔助空中三角測量法。直接定向法是指在已知GNSS天線相位中心、慣性測量單元IMU及航攝儀三者之間的空間關(guān)系的前提下，可直接對POS系統(tǒng)獲取的機(jī)載GNSS天線相位中心的三維坐標(biāo)和INS獲取的俯仰角、側(cè)滾角和航偏角進(jìn)行數(shù)據(jù)聯(lián)合處理，能夠獲得航空影像在曝光瞬間攝影中心的三維坐標(biāo)與姿態(tài)信息，從而實現(xiàn)了在無地面控制點的情況下，直接恢復(fù)航空影像的成像過程。而輔助空中三角測量方法是在GNSS天線相位中心、慣性測量單元IMU及航攝儀三者之間的空間關(guān)系的前提下，還需要地面提供適當(dāng)數(shù)量的控制點，才可以獲得需要的方位元素。相比前者理論計算較為精確和可靠。因此本文采用GNSS/INS輔助空中三角測量法進(jìn)行航空攝影的分析。

3 分析GNSS/INS組合導(dǎo)航在航空攝影的應(yīng)用

3.1 偏心分量的測定

如圖2所示，以航攝儀的攝影中心為原點，建立像空間輔助坐標(biāo)系，將GNSS和INS相對于原點的空間位置投影到該坐標(biāo)系中，分解出的三個坐標(biāo)分量U、V、W分別叫做GNSS和INS的偏心分量。在圖中，機(jī)載GNSS天線安裝在飛機(jī)的頂部，與相機(jī)的距離可以利用精密度高的儀表測定，例如游標(biāo)卡尺、紅外線電子尺、手持激光測量儀等儀器。采用激光測量儀測量偏心分量，結(jié)果如表1所示。

表1 測定偏心分量

3.2 偏心角的測定

由于INS與航攝儀固聯(lián)在一起，安裝時雖然盡可能的使INS的各軸與航攝儀的各軸保持平行，但是仍然不能避免它們各軸之間存在一個很微小的角度偏差，該角度就稱為偏心角。通常情況下，認(rèn)為該角是一個常量。該角的測量不同于偏心分量的測量，而它需要一個飛行校驗場進(jìn)行測定。飛行校驗場是一個包含有一定數(shù)量高精度控制點的飛行區(qū)域，可以用來確定像片外方位元素的改正量。其原理是在檢校區(qū)域內(nèi)分別用GNSS/INS輔助空中三角測量方法和常規(guī)方法，解算出各自的每張像片的外方位元素，將兩組外方位元素進(jìn)行比較得出偏心角的最佳估值，其計算結(jié)果如表2所示。

表2 測定偏心角

3.3 GNSS/INS數(shù)據(jù)聯(lián)合處理

偏心分量和偏心角測取之后，進(jìn)行一系列數(shù)據(jù)處理，將其結(jié)果存在EO文件中，其整個數(shù)據(jù)處理過程，如圖3所示。

(1)預(yù)處理POS數(shù)據(jù)

將地面基準(zhǔn)站的GNSS觀測數(shù)據(jù)和機(jī)載的GNSS/INS數(shù)據(jù)下載，然后運(yùn)用軟件AERO OFFICE對GNSS/INS數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，實現(xiàn)IMU數(shù)

據(jù)、GNSS觀測數(shù)據(jù)及航攝儀曝光時標(biāo)的分離。

(2)GNSS觀測數(shù)據(jù)解算

利用GRAFNAV計算每一張航空影像在攝影瞬間機(jī)載GNSS天線相位中心的三維坐標(biāo)。計算結(jié)果如圖4所示。

(3)POS數(shù)據(jù)的濾波處理

在前兩步的基礎(chǔ)上獲取機(jī)載GNSS天線的中心坐標(biāo)、INS觀測值和曝光時標(biāo)，在引入偏心分量值，在AERO office下對POS數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，解算出包括檢校場在內(nèi)的每張航空影像的外方位元素，其計算結(jié)果如圖5所示，其計算精度統(tǒng)計如表3所示。

(4)檢校場空三解計算

采用檢校場空三解計算結(jié)果如表4所示。

表3 POS數(shù)據(jù)精度統(tǒng)計表

表4 校場空三解計算

(5)EO文件的輸出

利用檢校參數(shù)對整個測區(qū)的POS數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并得到每張像片的外方位元素并加以修正，從而得到所需高精度的外方位元素值，并輸出EO文件，即是數(shù)據(jù)的最終處理結(jié)果，如表5所示。

航攝日期位置平移量(m)測區(qū)位置誤差(m)偏心角(度)測區(qū)角度誤差(度)2013.05.250.01310.452-0.14610.0071-0.15638.7610.06980.0356-0.4780.5420.08940.0402

4 結(jié)論

本文主要研究了GNSS/INS組合導(dǎo)航在航空攝影中的應(yīng)用。分析了GNSS/INS組合導(dǎo)航的

結(jié)構(gòu)、攝影中心空間位置的確定、航攝儀姿態(tài)參數(shù)的確定以及工作方式。在此基礎(chǔ)上，從偏心分量的測定、偏心角的測定以及GNSS/INS數(shù)據(jù)聯(lián)合處理過程分析了航攝影的數(shù)據(jù)，驗證了自己編寫的算法與分析方法，證實GNSS/INS組合導(dǎo)航在攝影測量領(lǐng)域的應(yīng)用優(yōu)勢，有助于進(jìn)一步深入研究該組合導(dǎo)航系統(tǒng)。

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Study on Application of Integrated Navigation of GNSS/INS in Aerial Photography

BAI Chun-lan

(College of survey-mapping, Henan University of Urban Construction, Pingdingshan Henan 467036, China)

This paper studies application of integrated navigation of the global navigation satellite system (GNSS) and inertial navigation system (INS) in the aerial photography. It is introduced of the advantages and applications of the theory of GNSS/INS navigation. On this basis, measuring eccentric component, measuring eccentric angle, processing POS data, Processing GNSS/INS data, computing calibration field, outputting EO file and so on, are used to research application of integrated navigation of the GNSS/INS in the aerial photography. It is reasonable and valid, which reflects the advantage of the navigation's applications and superiority of aerial photography's applications.

global navigation satellite system; inertial navigation system; integrated navigation; aerial photography

2016-05-03

P231.2

B

1007-3000(2016)06-4