POS輔助航空攝影測(cè)量技術(shù)及應(yīng)用

周琳

摘? ?要：機(jī)載POS系統(tǒng)利用慣性導(dǎo)航技術(shù)與GPS等技術(shù)的特征優(yōu)勢(shì)，能夠準(zhǔn)確獲取航空攝影相機(jī)曝光時(shí)刻的姿態(tài)參數(shù)與位置參數(shù)等外方位元素，實(shí)現(xiàn)了在省略空中三角測(cè)量加密與地面控制點(diǎn)等工序基礎(chǔ)上的定向測(cè)量，生產(chǎn)效率與作業(yè)成本等隨之優(yōu)化。文章主要對(duì)POS輔助航空攝影測(cè)量技術(shù)及應(yīng)用進(jìn)行闡述，分析系統(tǒng)誤差來(lái)源與應(yīng)用需求等，希望對(duì)航空攝影測(cè)量技術(shù)的優(yōu)化發(fā)展起到積極的參照作用。

關(guān)鍵詞：定位定向系統(tǒng);航空攝影測(cè)量;應(yīng)用

定位定向系統(tǒng)（Position and Orientation System，POS）在航空攝影測(cè)量作業(yè)中的應(yīng)用，彌補(bǔ)了全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）輔助空中三角測(cè)量在無(wú)法獲取姿態(tài)參數(shù)與不能擺脫地面控制等方面的不足，憑借自身作業(yè)流程簡(jiǎn)化與高生產(chǎn)效率等特征優(yōu)勢(shì)，逐步取代了傳統(tǒng)GPS輔助空攝測(cè)量方法。在計(jì)算機(jī)等先進(jìn)技術(shù)的發(fā)展帶動(dòng)下，POS的數(shù)據(jù)處理能力與定位定向精度等性能逐步提升，尤其是高精度定位定向技術(shù)的有效應(yīng)用，對(duì)航空攝影測(cè)量技術(shù)的現(xiàn)代化發(fā)展起到了積極的促進(jìn)作用。

1? ? POS輔助航空攝影測(cè)量技術(shù)原理

POS是基準(zhǔn)傳感器，由計(jì)算機(jī)、衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與慣性測(cè)量單元3個(gè)部分構(gòu)成。內(nèi)部又涉及多個(gè)構(gòu)成子系統(tǒng)，如由控制系統(tǒng)與慣性測(cè)量裝置（Inertial Measurement Unit，IMU）構(gòu)成的慣性測(cè)量單元，而IMU由數(shù)字電路、陀螺儀與加速器等部分構(gòu)成。IMU能夠準(zhǔn)確收集拍攝瞬時(shí)參數(shù)，實(shí)時(shí)更新空攝數(shù)據(jù)信息。GPS也是POS的重要組成部分，能夠及時(shí)提供空攝作業(yè)所需的速度與坐標(biāo)等信息?；诓罘旨夹g(shù)的GPS系統(tǒng)，能夠準(zhǔn)確獲取中心站空間坐標(biāo)位置參數(shù)與三維立體圖形。POS系統(tǒng)構(gòu)成部分缺一不可，在減小系統(tǒng)偏差的同時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)各部分的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，以減小定位誤差，從而獲取高精度的數(shù)據(jù)信息。

1.1? 衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)

GPS由用戶接收機(jī)與空間導(dǎo)航衛(wèi)星部分、地面監(jiān)控部分組成，具有全天候與自動(dòng)化等特征優(yōu)勢(shì)，可實(shí)時(shí)提供三維位置與速度等信息。定位原理是指將接收天線與衛(wèi)星間距作為觀測(cè)距，利用衛(wèi)星空間坐標(biāo)定位接收機(jī)天線的空間距離。應(yīng)用GPS定位方法開展的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，主要是以星際空間距離作為最基本的半徑，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)三球交匯。為此，需要在同一個(gè)觀測(cè)站上了解3個(gè)衛(wèi)星與接收天線之間的距離?；趩纬虦y(cè)距的GPS導(dǎo)航，由于衛(wèi)星鐘與接收機(jī)鐘不同步，觀測(cè)站與星地空間距離存在偽距，涵蓋了同步誤差。衛(wèi)星鐘差需要利用衛(wèi)星導(dǎo)航電文中的鐘差參數(shù)矯正。但精準(zhǔn)測(cè)量接收機(jī)中鐘差難度較大，需要在同一觀測(cè)站上實(shí)時(shí)解除接收機(jī)鐘差與3個(gè)空間坐標(biāo)等未知參數(shù);對(duì)此，需超過4顆衛(wèi)星展開同步觀測(cè)。

1.2? 慣性導(dǎo)航系統(tǒng)

基于牛頓力學(xué)定律的慣性導(dǎo)航技術(shù)，是在陀螺儀測(cè)定載體角運(yùn)動(dòng)與加速計(jì)測(cè)定載體加速度基礎(chǔ)上，用積分運(yùn)算方法分析姿態(tài)信息與載體位置速度等參數(shù)的技術(shù)?；跓o(wú)實(shí)物物理平臺(tái)的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（Inertial Navigation System，INS），分為平臺(tái)式與捷聯(lián)式兩種，隨著物理平臺(tái)向數(shù)學(xué)平臺(tái)的過渡變化，當(dāng)前捷聯(lián)式慣導(dǎo)系統(tǒng)所需要消耗的經(jīng)濟(jì)成本較低，并且其本身的重量相對(duì)較小，這是該系統(tǒng)本身所具有的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)，也是平臺(tái)式慣導(dǎo)系統(tǒng)不可比擬的優(yōu)勢(shì)。隨著科技的飛速發(fā)展，當(dāng)前導(dǎo)航設(shè)備在應(yīng)用中越發(fā)自如與廣泛。為此，應(yīng)用捷聯(lián)式慣導(dǎo)系統(tǒng)比起平臺(tái)式慣導(dǎo)系統(tǒng)而言，效果更好，并且在結(jié)算方法上處于一致的狀態(tài)。在陀螺儀的數(shù)字平臺(tái)與姿態(tài)角等方面，與傳統(tǒng)的導(dǎo)航平臺(tái)存在著一定的差異。捷聯(lián)式慣導(dǎo)系統(tǒng)的慣性組件是加速計(jì)與陀螺儀的組合體，采用開環(huán)IMU，可用于輸入慣性傳感器信號(hào)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)IMU的反饋控制，但能夠高效處理計(jì)算機(jī)內(nèi)所有信號(hào)。數(shù)學(xué)平臺(tái)在捷聯(lián)式系統(tǒng)中占據(jù)重要地位，通過陀螺測(cè)定載體的角速度可實(shí)現(xiàn)數(shù)學(xué)平臺(tái)對(duì)姿態(tài)矩陣的解算，并獲取姿態(tài)角信息。利用加速計(jì)獲取的姿態(tài)矩陣，實(shí)現(xiàn)機(jī)體坐標(biāo)系與導(dǎo)航坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換，最后進(jìn)行導(dǎo)航解算。在光纖陀螺與高精度激光等技術(shù)的發(fā)展帶動(dòng)下，捷聯(lián)式慣導(dǎo)系統(tǒng)的性能越發(fā)優(yōu)化，使得基于該系統(tǒng)的航攝相機(jī)與POS集成成為可能，內(nèi)部器件管理便利度提升。但工作原理限制問題不能忽視，導(dǎo)航參數(shù)誤差發(fā)散后，穩(wěn)定性與精度隨之降低，還需利用其他導(dǎo)航系統(tǒng)改正[1]。

1.3? POS計(jì)算機(jī)系統(tǒng)

INS系統(tǒng)與差分全球定位系統(tǒng)（Differential Global Position System，DGPS）組合算法，主要應(yīng)用在事后處理軟件中，同時(shí)，也是POS計(jì)算機(jī)在系統(tǒng)處理過程中的核心部分。INS與DGPS組合算法能夠讓模塊完成的質(zhì)量更佳，同時(shí)，也屬于最重要的軟件算法之一。POS計(jì)算機(jī)系統(tǒng)特征體現(xiàn)在以下幾方面：

（1）性能上要求計(jì)算能力強(qiáng)大，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)接收與處理內(nèi)部器件數(shù)據(jù)，對(duì)此，提出了更高要求。

（2）功能上導(dǎo)航器件需要具備兼容性。導(dǎo)航器件的數(shù)據(jù)格式與性能等存在較大差異，導(dǎo)航計(jì)算機(jī)處理器件的方案也不同。除此之外，應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的功能拓展與系統(tǒng)控制，以滿足用戶需要。

（3）在環(huán)境適應(yīng)上應(yīng)當(dāng)具備一定的抗震性，系統(tǒng)輔助空攝作業(yè)時(shí)，處于高機(jī)動(dòng)的環(huán)境下，應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)對(duì)其功耗與外形尺寸等方面的嚴(yán)格限制。術(shù)后處理軟件是指離線處理算法軟件，針對(duì)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)收集的各系統(tǒng)數(shù)據(jù)采取事后處理，要求工作人員明確掌握術(shù)后處理流程與系統(tǒng)解算方法等技術(shù)要求，確?？諗z測(cè)量作業(yè)完成的質(zhì)量與效率。

2? ? POS輔助航空攝影測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用

2.1? 應(yīng)用需求

POS系統(tǒng)中的GPS系統(tǒng)與INS系統(tǒng)處于核心地位，該組合導(dǎo)航系統(tǒng)在航空攝影測(cè)量技術(shù)中的應(yīng)用與在導(dǎo)航定位中的應(yīng)用有著明顯差異，在應(yīng)用場(chǎng)合上的要求更高。如航空相機(jī)在空攝中，受拍攝瞬時(shí)短、受荷載平臺(tái)運(yùn)動(dòng)誤差等因素影響，攝影成像質(zhì)量不理想。運(yùn)動(dòng)誤差頻率隨著空間分辨率的優(yōu)化而提升，尤其是高頻誤差的存在，會(huì)嚴(yán)重降低相片質(zhì)量。POS系統(tǒng)在應(yīng)用過程中，需要不斷滿足光學(xué)攝影成像與雷達(dá)測(cè)距等方面提出的高精度要求。POS系統(tǒng)需要瞬時(shí)保證高絕對(duì)精度與定位精度，但不能忽視測(cè)量誤差受成像荷載等因素的影響。POS系統(tǒng)在應(yīng)用中需要達(dá)到以下幾點(diǎn)技術(shù)要求：

（1）用于測(cè)量姿態(tài)角的IMU器件，測(cè)角時(shí)俯仰角、橫滾角誤差應(yīng)小于0.01°;航向誤差應(yīng)小于0.02°;記錄頻率應(yīng)大于50 Hz;陀螺偏移應(yīng)小于0.001°/h。

（2）用來(lái)獲取具有高精度的位置參數(shù)。差分GPS接收機(jī)應(yīng)確保其始終在高機(jī)動(dòng)條件下并且處于正常的工作狀態(tài)，采用動(dòng)態(tài)載波相位分叉模式能夠進(jìn)一步滿足POS輔助航空攝影測(cè)量技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用需求，應(yīng)將其精度定位在空射厘米級(jí)，采樣的間隔應(yīng)小于1 s。

（3）用于導(dǎo)航解算與輸出運(yùn)動(dòng)參數(shù)的POS導(dǎo)航計(jì)算機(jī)，應(yīng)施以無(wú)間斷供電，準(zhǔn)確記錄GPS與IMU等數(shù)據(jù)。

（4）輸入接口應(yīng)具備同步時(shí)間信號(hào)時(shí)標(biāo)，確保POS系統(tǒng)準(zhǔn)確接收相機(jī)曝光時(shí)刻數(shù)據(jù)參數(shù)，通過時(shí)間對(duì)準(zhǔn)規(guī)避時(shí)間同步誤差干擾。

2.2? 應(yīng)用方案

POS系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了載體定位信息實(shí)時(shí)反饋，輔助載體高效率完成航行任務(wù)，即對(duì)地球表面地形地貌的攝影定位。在一段時(shí)間內(nèi)的攝影定位信息變化小，可在實(shí)時(shí)定位的同時(shí)，一次離線事后處理導(dǎo)航信息，在無(wú)時(shí)間限制條件下，綜合各種數(shù)據(jù)信息，從而獲取高定位精度。POS系統(tǒng)應(yīng)用方案包括實(shí)時(shí)融合與事后處理兩種，前者是指在空攝中融合DGPS與IMU數(shù)據(jù)，但對(duì)系統(tǒng)的器件要求更高。后者是指在空攝中存儲(chǔ)DGPS與IMU數(shù)據(jù)，通過離線處理方法融合數(shù)據(jù)信息。不受時(shí)間限制，可以用高精度算法完成。兩種應(yīng)用方案的特征如下：

（1）IMU要求，實(shí)時(shí)融合對(duì)精度要求高，事后處理對(duì)精度要求低。

（2）GPS要求，兩者都需要高精度DGPS數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)融合利用實(shí)時(shí)差分解算，要求較高;事后處理利用事后差分解算，要求相對(duì)較低。

（3）導(dǎo)航計(jì)算機(jī)要求，實(shí)時(shí)融合實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)信息融合，要求高;事后處理存儲(chǔ)數(shù)據(jù)容量大，實(shí)現(xiàn)事后軟件信息融合處理，要求低。

（4）應(yīng)用目的，實(shí)時(shí)融合對(duì)實(shí)時(shí)性要求高;事后處理對(duì)定位精度要求較高。

（5）精度，實(shí)時(shí)融合精度高，事后處理精度更高。對(duì)此，在應(yīng)用與處理數(shù)據(jù)過程中，POS系統(tǒng)需要在不同應(yīng)用階段設(shè)計(jì)差異化的技術(shù)處理方案，確保空攝任務(wù)高效率完成[2-3]。

2.3? 應(yīng)用方法

可忽視控制點(diǎn)平方差計(jì)算步驟，但不能省略校驗(yàn)系統(tǒng)誤差流程。該方法主要通過系統(tǒng)誤差改正POS系統(tǒng)收集的元素方位值，對(duì)此，系統(tǒng)誤差成了元素方位值的主要影響因素。通常采用飛行校驗(yàn)方法校驗(yàn)系統(tǒng)誤差，但該方法只適用于低精度要求與觀測(cè)環(huán)境差、比例尺小等情況下，自身的局限性不能忽視。

從POS輔助空中三角測(cè)量法入手分析，需結(jié)合地面控制點(diǎn)測(cè)量空中三角形，在輔助航空攝影測(cè)量技術(shù)的基礎(chǔ)上完成空攝測(cè)量任務(wù)。該方法主要是指控制網(wǎng)收集GPS測(cè)量獲取的地面控制點(diǎn)與姿態(tài)等參數(shù)，并通過光束法平差計(jì)算，得到準(zhǔn)確的參數(shù)值。在處理轉(zhuǎn)換問題上，其中包括了外方位元素與姿態(tài)角元素的轉(zhuǎn)換。不僅如此，還包括了外方位元素與三維立體坐標(biāo)之間的轉(zhuǎn)換，這兩種轉(zhuǎn)換在分析過程中應(yīng)明確其轉(zhuǎn)換的區(qū)別主要在于是否經(jīng)過了計(jì)算加密處理。

2.4? 應(yīng)用誤差

利用慣性導(dǎo)航系統(tǒng)分析誤差應(yīng)明確初始誤差，對(duì)于準(zhǔn)誤差、計(jì)算誤差以及運(yùn)動(dòng)干擾誤差、IMU儀表誤差等帶來(lái)的影響。不同的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)其自身存在著一定的誤差，為此，該誤差會(huì)對(duì)系統(tǒng)性能產(chǎn)生不同的影響，進(jìn)而逐步提高陀螺等慣性器件的精度。除此之外，能夠了解系統(tǒng)器件質(zhì)量與工作狀況。

分析衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)從誤差入手。GPS自身的定位精度相對(duì)較高，因此，人們所需要觀察的時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)。在測(cè)繪領(lǐng)域，GPS仍舊有著非常大的發(fā)展空間，但誤差影響定位精度的局限問題不能忽視。同時(shí)，GPS誤差影響因素較多，具體如下：

（1）與衛(wèi)星相關(guān)誤差，包括選擇可用性技術(shù)（Selective Availability，SA）誤差與衛(wèi)星時(shí)鐘誤差等。其中，衛(wèi)星時(shí)鐘誤差不能忽視。GPS主要是通過測(cè)定衛(wèi)星信號(hào)傳播時(shí)間實(shí)現(xiàn)測(cè)距，時(shí)鐘誤差會(huì)過渡為測(cè)距誤差;各衛(wèi)星鐘要求相互協(xié)同且與地面站協(xié)同，但原子鐘等計(jì)時(shí)方法的應(yīng)用，不能忽視漂移等問題對(duì)穩(wěn)定性的影響。接收機(jī)可通過衛(wèi)星導(dǎo)航電文中時(shí)鐘參數(shù)改正衛(wèi)星時(shí)鐘誤差。其中，衛(wèi)星星歷誤差不能忽視，是指實(shí)際位置與星歷提供衛(wèi)星空間位置間的差距，地面監(jiān)測(cè)站向衛(wèi)星傳輸星歷數(shù)據(jù)，監(jiān)測(cè)站出現(xiàn)的衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)攝動(dòng)因素或測(cè)量誤差，將會(huì)直接增大星歷誤差。

（2）GPS在傳播過程中仍舊存在著一定的誤差，其中包括了以下幾種誤差，分別是多路徑誤差、電離層附加延遲誤差。對(duì)流層與電離層的折射誤差不能忽視，電波受介質(zhì)傳播性質(zhì)的不同影響，會(huì)在電離層與對(duì)流層中出現(xiàn)折射，最終產(chǎn)生延時(shí)誤差。對(duì)流層折射誤差是指電波在非電離層大氣中發(fā)生的折射。需要通過建立對(duì)流層與電離層模型改正折射誤差;對(duì)此，應(yīng)當(dāng)定期更新完善接收機(jī)中的誤差改正模型。

（3）接收機(jī)設(shè)備本身存在著一定的誤差，其中包括了天線相位、中心誤差以及觀測(cè)誤差等。與GPS信號(hào)傳播相關(guān)誤差、衛(wèi)星相關(guān)誤差雖然大部分能夠消除，但與接收機(jī)設(shè)備相關(guān)的誤差不能被消除，但誤差相對(duì)較小，可忽略不計(jì)。

POS系統(tǒng)在空攝中會(huì)接收相機(jī)曝光脈沖，同時(shí)，記錄相機(jī)曝光時(shí)刻，但不能避免地會(huì)出現(xiàn)POS輸出時(shí)刻與相機(jī)曝光時(shí)刻不同步等問題。POS系統(tǒng)在載體勻速飛行中通過線性內(nèi)插方式獲得導(dǎo)航參數(shù)，內(nèi)插法與勻速飛行載體間誤差可忽略不計(jì)。但不勻速飛行的載體會(huì)與內(nèi)插法產(chǎn)生較大誤差，即時(shí)間同步誤差。短時(shí)間內(nèi)飛機(jī)飛速變化相對(duì)較小，POS系統(tǒng)可完全忽略較小的時(shí)間同步誤差。

3? ? 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了POS系統(tǒng)構(gòu)成與核心部分，分析了系統(tǒng)誤差及影響因素，討論了兩種應(yīng)用方案的特征與應(yīng)用技術(shù)要求，對(duì)POS系統(tǒng)高效運(yùn)用起到了參照作用。POS系統(tǒng)在空攝測(cè)量領(lǐng)域的應(yīng)用仍處于摸索性前進(jìn)階段，在加強(qiáng)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)總結(jié)的同時(shí)，應(yīng)當(dāng)本著引進(jìn)來(lái)和走出去的原則，積極借鑒國(guó)外先進(jìn)國(guó)家的技術(shù)方法與理念，確保POS系統(tǒng)輔助空攝任務(wù)順利完成。

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Application on POS aided aerial photogrammetry technology

Zhou Lin

（Nanning Exploration & Survey Geoinformation Institute， Nanning 530000， China）

Abstract：The airborne POS system can accurately acquire the external orientation elements such as attitude parameters and position parameters at the exposure time of aerial camera by using the characteristics of inertial navigation technology and GPS technology， and realize the orientation measurement based on omitting the process of aerial triangulation encryption and ground control points， so as to optimize the production efficiency and operation cost. This paper mainly expounds the POS aided aerial photogrammetry technology and its application， analyzes the source of system error and application demand， hoping to play a positive reference role in the optimization and development of aerial photogrammetry technology.

Key words：position and orientation system; aerial photogrammetry; application