輕小型無人機(jī)飛控測姿數(shù)據(jù)輔助測圖精度性問題探討

陶源

（中國市政工程中南設(shè)計研究總院有限公司，湖北 武漢430014）

隨著我國經(jīng)濟(jì)體制的不斷發(fā)展與完善,現(xiàn)代土地資源管理工作的要求也在持續(xù)提高。其中,無人機(jī)測繪作為土地資源數(shù)據(jù)匯總的主要手段,若是在測圖精度方面存有偏差,不但會影響土地資源管理與審核的準(zhǔn)確性,使土地資源的可控性降低,同時也會影響后續(xù)地籍管理等工作的開展,使土地資源的利用率下降。因此,如何有效提升無人機(jī)飛控測姿數(shù)據(jù)測圖精度,便需要得到技術(shù)部門與人員的重視。

1 姿態(tài)轉(zhuǎn)換與測量精度的影響

站在輕小型無人機(jī)飛控測姿數(shù)據(jù)輔助測圖精度偏差誘因角度來看,目前主要可分為以下四種：(1)原有傳感器原件技術(shù)水準(zhǔn)偏低,并且測算精度很難滿足現(xiàn)代航測圖紙?zhí)岣呔鹊囊?普遍姿態(tài)精度都會低于±2.00°,由此便極易誘發(fā)測繪精度不足與偏差問題;(2)輕小型無人機(jī)采用了姿態(tài)傳感器與攝影傳感器剛性連接的措施,使得無人機(jī)航測過程中的數(shù)據(jù)會相互影響,最終使姿態(tài)與攝影傳感器的軸向產(chǎn)生系統(tǒng)誤差,而經(jīng)過調(diào)查,此種偏差數(shù)值通?？梢钥刂圃?.50°以內(nèi);(3)受地域氣候、設(shè)備技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)環(huán)境等因素影響,飛控系統(tǒng)在操作相機(jī)攝影的過程中,經(jīng)常會存有曝光延遲的情況,這使得姿態(tài)數(shù)據(jù)與影像數(shù)據(jù)的傳到產(chǎn)生微小偏差,技術(shù)人員很難核對并確定曝光延遲時間,因此便會造成不可控的精度差異;(4)通常飛控測姿數(shù)據(jù)需要結(jié)合ROll、Pitch、Yaw三者數(shù)據(jù)繪制攝影測量坐標(biāo)系,過程中受外界元素影響,經(jīng)常會使坐標(biāo)系數(shù)據(jù)產(chǎn)生偏差,對此便需要經(jīng)常對坐標(biāo)系數(shù)據(jù)進(jìn)行變換, 此時坐標(biāo)系數(shù)據(jù)受無人機(jī)姿態(tài)的影響,通常會產(chǎn)生微小的偏差。對于此種情況,操作者通常會將坐標(biāo)系原點定位在傳感器的中心,并自動核實東方、北方與垂直向上的坐標(biāo)軸,以便外方位元素與攝影測量坐標(biāo)系關(guān)聯(lián),使二者偏差數(shù)值便于轉(zhuǎn)換與識別。

而從無人機(jī)航空攝影測量角度來看,ω、φ、κ 三者也是較常見的精度數(shù)據(jù)。其中,ω 與φ 若是出現(xiàn)測量數(shù)據(jù)偏差,極易使平面與高程方向的測算數(shù)據(jù)精度受影響; 而κ 若是出現(xiàn)測量數(shù)據(jù)偏差,則會直接對平面數(shù)據(jù)的測量精度造成影響,三者影響特征各不相同,但都會使最終數(shù)據(jù)出現(xiàn)失真的問題。

2 影響飛控測姿數(shù)據(jù)精度的問題特征

姿態(tài)轉(zhuǎn)換主要包括7 個過程：①ROll、Pitch、Yaw角轉(zhuǎn)換為ωz、φz、κz;②將每個架次中的每條航線得到的ωz、φz、κz與“空三”數(shù)據(jù)ω、φ、κ 對應(yīng)相減得到每條航線總誤差V; ③求得每條航線總誤差V的平均值即Vm;④將每條航線總誤差V與Vm相減剔除地面坐標(biāo)軸與安裝形成的系統(tǒng)誤差,得到電子元器件對姿態(tài)所形成的粗差Vv; ⑤求得每個架次中所有航線的3 個角度的中誤差|Vs(φ)|、|Vs(ω)|、|Vs(κ)|,以此來反映姿態(tài)數(shù)據(jù)所形成的誤差;⑥按照航向重疊度60%計算俯仰角對航向影響最大光線角度,對高度影響最大光線角度; 按照旁向重疊度40%計算側(cè)滾角對旁向影響最大光線角度,對高度影響最大光線角;⑦利用航測數(shù)據(jù)高程平均值作為飛行行高H,結(jié)合最大光線角度及以上每個架次ω、φ、κ 姿態(tài)角所求的中誤差Vs(φ)、Vs(ω)、Vs(κ)利用相關(guān)公式分別進(jìn)行測圖精度影響分析。

結(jié)合飛控測姿數(shù)據(jù)內(nèi)容可知,在地理定向期間,所有無人家架次姿態(tài)呈現(xiàn)以下特征：(1) 無人機(jī)俯仰角誤差最小為0.74°, 最大為5.60°, 平均誤差值為3.256°;(2) 無人機(jī)側(cè)滾角誤差值最小為0.44°,最大為6.42°,平均誤差值為3.469°;(3)無人機(jī)偏航角誤差值最小為0.67°,最大為11.38°,平均誤差值為5.12°。

通過姿態(tài)測量精度偏差推演公式可知,無人機(jī)的地面測圖的精度數(shù)值與角度、光線、主光軸夾角有明顯的關(guān)聯(lián)性,隨著無人機(jī)飛行高度的持續(xù)提升,這種測圖精度的偏差還會逐漸增加。其中,無人機(jī)飛行高度與俯仰角測算偏差的關(guān)系為0.066H, 與地面高程測算的關(guān)系為0.266H;飛行高度與橫滾角偏差的平面關(guān)系為0.078H,與地面高程測算的關(guān)系為0.161H; 無人機(jī)飛行高度與偏航角偏差的平面關(guān)系為0.099H。

另外,數(shù)碼傳感器的規(guī)格與姿態(tài)測量精度數(shù)值也有所關(guān)聯(lián)。通常, 無人機(jī)選用傳感器規(guī)格普遍為36X24mm, 像元4.9μm, 焦距28mm。此類傳感器的航向重疊度普遍為60%,旁向重疊度為40%,此時若無外界環(huán)境因素影響,則地面分辨率可控制在0.1m,若無人機(jī)飛行高度達(dá)到570m范圍,則定向俯仰角測量誤差會達(dá)到39.41m左右,而高程誤差則會達(dá)到146.22m;在橫滾角測量誤差方面,數(shù)值可達(dá)到50.94m,高程誤差數(shù)值可達(dá)到89.12m;偏航角測量誤差方面數(shù)值可達(dá)到60.60m,普遍誤差值較高,難以為地面測圖工作的開展提供有效幫助。

3 飛控測姿數(shù)據(jù)的改正對策

若要使無人機(jī)飛控測姿數(shù)據(jù)的精度滿足地面測圖工作要求,通常姿態(tài)信息可通過高精度POS設(shè)備采集并處理, 以便使測姿數(shù)據(jù)的質(zhì)量得以保障。但從無人機(jī)操作與使用角度來看,高精度POS設(shè)備的重量、體積功耗均很難應(yīng)用至無人機(jī)設(shè)備中,否則極易對輕小型無人機(jī)的升空高度與續(xù)航能力造成影響。因此,目前常通過外方位數(shù)據(jù)內(nèi)容反向推算無人機(jī)的姿態(tài)數(shù)據(jù),通過平差內(nèi)容判斷大致的計算結(jié)果,以便得出相對準(zhǔn)確的姿態(tài)真值。但從目前數(shù)據(jù)處理與匯總條件來看,我國在無人機(jī)飛控測姿數(shù)據(jù)領(lǐng)域資料研究深度明顯不足, 若要尋找一條專用于評估無人機(jī)姿態(tài)穩(wěn)定的數(shù)據(jù)存有較高難度。

為謀求飛控測姿數(shù)據(jù)的科學(xué)性與準(zhǔn)確性,本文基于以往飛控經(jīng)驗與數(shù)據(jù)統(tǒng)籌平臺,對飛控系統(tǒng)內(nèi)記錄的姿態(tài)數(shù)據(jù)與影像內(nèi)容進(jìn)行了研究,由專業(yè)人員對姿態(tài)數(shù)據(jù)與外方位元素進(jìn)行核對,以便判斷輕小型無人機(jī)俯仰角、橫滾角與偏航角的確切狀況與誤差分布。具體數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 姿態(tài)角觀測值誤差分布情況

其中,m代表著無人機(jī)各觀測數(shù)值的偏差, 而m0為該區(qū)間內(nèi)觀測值的偏差。由表1 數(shù)據(jù)可知,輕小型無人機(jī)觀測過程中,俯仰角、側(cè)滾角與偏航角數(shù)目偏差多集中在單倍幅度內(nèi),并且俯仰角2 倍誤差數(shù)值占總比例的4.94%,側(cè)滾角占5.14%,偏航角占5.05%。基于偏差正態(tài)分布規(guī)律可知,偏差值P＜0.05,其偏差數(shù)值可劃分至小概率事件,而三種角度偏差都集中在臨近0.05 的區(qū)間內(nèi),這便說明飛控測姿數(shù)據(jù)超出2 倍誤差數(shù)值的概率較低,對整體地面測圖精度的影響較小。因此,即便是輕小型無人機(jī)采用無集成座駕系統(tǒng),在地面測圖工作中的精度能夠滿足遙感作業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)與精度要求。而若是能夠?qū)⒓勺{系統(tǒng)應(yīng)用于輕小型無人機(jī)設(shè)備內(nèi),同樣能夠有效將俯仰角、橫滾角與偏航角的偏差值降低,使地面測繪數(shù)據(jù)的整體精度得到提升。

另外,在輕小型無人機(jī)操控期間,操作人員可借助“空三”數(shù)據(jù)對航行軌道的方位進(jìn)行三角測量,以便得到確切的空間坐標(biāo),便于求證俯仰角、側(cè)滾角與偏航角的偏差數(shù)值,而在同名點點位與數(shù)量不變的情況下,操作人員同樣可借助POS 確定外方位元素,而后根據(jù)實際測算情況替換“空三”的元素內(nèi)容。為確保測算精度得到提升,操作人員仍需基于數(shù)據(jù)對航行軌道方位進(jìn)行三角測量,并確定各個同名點的空間坐標(biāo),計算數(shù)據(jù)的偏差值?？芍?平面航向與高程偏差值范圍遠(yuǎn)低于原有偏差,因此通POS 外方位元素轉(zhuǎn)換對策,能夠有效縮減輕小型無人機(jī)俯仰角、側(cè)滾角與偏航角的偏差,使飛控測姿數(shù)據(jù)的精度得到優(yōu)化。

4 結(jié)論

飛控測姿數(shù)據(jù)改正措施的有效落實,既能夠通過飛控姿態(tài)數(shù)據(jù)的外方位元素與“空三”外方位元素的轉(zhuǎn)換關(guān)系,縮減無人機(jī)俯仰角、橫滾角與偏航角的偏差數(shù)值,使偏差精度控制在允許范圍內(nèi),同時憑借POS 裝置的應(yīng)用,也能夠優(yōu)化測控數(shù)據(jù)的質(zhì)量,使測控精度得到最基本的保障。故而,在論述如何縮減飛控測姿數(shù)據(jù)的精度偏差期間,必須明確坐標(biāo)系與設(shè)備技術(shù)存在的問題,以便更有效的控制地理測圖的精度數(shù)據(jù)。