純BDS導(dǎo)航條件下無人機傾斜攝影可行性分析

倫澤華 李 虎 李 浩

(中國人民解放軍61206部隊, 北京 100042)

0 引言

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)以下簡稱北斗系統(tǒng)(BeiDou navigation satellite system,BDS)是中國自行研制的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(global navigation satellite system, GNSS),是我國著眼于國家安全和經(jīng)濟社會發(fā)展自主建設(shè)、獨立運行的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),自2018年12月27日起,北斗三號基本系統(tǒng)完成建設(shè),高精度接收設(shè)備及處理軟件不斷優(yōu)化、研發(fā)[1],北斗系統(tǒng)已經(jīng)能夠使我國擺脫對外國導(dǎo)航衛(wèi)星的依賴,獨立承擔導(dǎo)航定位任務(wù)[2-3]。衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)對于無人機,相當于飛行員之于有人駕駛飛機,是無人機實現(xiàn)位置、方向、速度感知的重要系統(tǒng)。目前,市面上測繪無人機所使用的導(dǎo)航定位裝置普遍采用以BDS導(dǎo)航為主導(dǎo)的多頻接收設(shè)備,可同時接收BDS、美國全球定位系統(tǒng)(global positioning system, GPS)、俄羅斯格洛納斯衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(global navigation satellite system, GLONASS)等多型導(dǎo)航衛(wèi)星信號,經(jīng)聯(lián)合平差進行導(dǎo)航定位,但僅依靠純BDS進行無人機傾斜攝影的模式較少使用,且缺乏效果、精度驗證。本文將純BDS無人機與未改裝的混合GNSS無人機在飛行系統(tǒng)、地面輔助系統(tǒng)及測繪成果精度等方面進行了試驗對比分析,通過在不同時間段、不同風力條件下進行的24架次飛行、7項對比試驗,得出了純BDS對無人機傾斜攝影測量的影響分析結(jié)論,以期為更多測繪設(shè)備進行純BDS改裝提供有意義的參考。

1 試驗條件及方法

為確定BDS在無人機傾斜攝影方面的穩(wěn)定性、可靠性及定位精度,需要對無人機飛行系統(tǒng)、控制測量系統(tǒng)及內(nèi)業(yè)處理成果等3方面進行量化驗證[4-6]。本文對1架六旋翼無人機、1臺后差分基站、1套實時動態(tài)載波相位差分技術(shù)(real time kinematic，RTK)進行了BDS改裝,通過軟件方式關(guān)閉了無人機、RTK、后差分基站設(shè)備中的外國衛(wèi)星導(dǎo)航信道、通過硬件改造拆除了無人機飛行控制芯片中的GPS等外國衛(wèi)星導(dǎo)航定位模塊,僅依靠BDS對無人機進行導(dǎo)航定位及地面控制。

試驗場地在華北某居民地,試驗于2021年3月5日至3月15日晝間選取不同風力條件進行,測區(qū)面積約2萬m2,試驗所使用的飛行設(shè)備為深圳科衛(wèi)泰公司KWT-X6L六旋翼無人機2架(BDS接收機、GNSS接收機各1架),無人機后差分定位設(shè)備為中海達公司UBASE后差分基站2臺(BDS接收機、GNSS接收機各1臺),地面像控測量設(shè)備為華測X5型測量RTK 2套(BDS接收機、GNSS接收機各1套),傾斜攝影測量設(shè)備為上海航遙公司AMC536傾斜航攝儀1部,上述設(shè)備的國產(chǎn)化率均達到90%以上,關(guān)鍵部件、芯片的國產(chǎn)化率為100%。試驗方法為對比分析法,基本思路為:首先驗證BDS無人機系統(tǒng)的飛行穩(wěn)定性,確定無人機飛行安全后,開始驗證地面輔助系統(tǒng)的穩(wěn)定性,若飛行安全及地面輔助系統(tǒng)穩(wěn)定性均滿足測繪要求,則將無人機獲取的數(shù)據(jù)資料按照傾斜航攝的流程進行處理,并將測繪成果定位精度進行分析驗證,最終得出BDS無人機用于傾斜攝影的可行性結(jié)論。

2 飛行穩(wěn)定性驗證

2.1 定位參數(shù)

無人機獲取導(dǎo)航衛(wèi)星定位參數(shù)的時間和精度決定了導(dǎo)航效果的準確性,首先對無人機定位參數(shù)情況進行評估,可保證后續(xù)試驗飛行安全。試驗對BDS與GNSS無人機系統(tǒng)同時進行通電測試,經(jīng)過在無遮擋地域、略有遮擋地域及半遮擋地域分別進行的9組試驗,經(jīng)數(shù)據(jù)分析得知:從通電開始到完成無人機自檢定位,BDS無人機的平均搜星時間約為20 s,接收衛(wèi)星數(shù)10～17顆;GNSS無人機的平均搜星時間約為15 s,接收衛(wèi)星數(shù)20～34顆,由于只使用BDS,BDS無人機在通電后的搜星時間較長,搜星數(shù)量較少,但仍然滿足無人機飛行所需的導(dǎo)航定位條件,可進行下一步試驗。

2.2 起降操控

考慮到BDS無人機搜星數(shù)量的減少可能會對飛行安全造成不確定影響,本文對無人機起降操控進行了定量驗證,共設(shè)計定點起降、定點懸停、定姿懸停3組試驗,每組試驗在不同起降高度或不同天氣條件下進行,試驗均使用遙控器操作,同時起降BDS與GNSS無人機,飛行20架次,利用激光測距儀測算無人機起飛/降落后距離起飛/降落點的水平距離對比無人機定點起降穩(wěn)定性,利用激光測距儀測算處于懸停狀態(tài)無人機3 min內(nèi)與懸停點的最大漂移距離對比無人機定點懸停穩(wěn)定性,利用地面站羅盤測算處于懸停狀態(tài)無人機3 min內(nèi)最大俯仰/橫滾角及抖動頻率對比無人機定姿懸停穩(wěn)定性(表1至表3)。試驗結(jié)果表明,BDS無人機操控正常,起降穩(wěn)定性與GNSS無人機無明顯差別。

表1 無人機定點起降穩(wěn)定性對比

表2 無人機定點懸停穩(wěn)定性對比

表3 無人機定姿懸停穩(wěn)定性對比

2.3 航飛穩(wěn)定性

航飛穩(wěn)定性試驗規(guī)劃航高60 m,巡航速度7 m/s,飛行2架次,依次使BDS無人機與GNSS無人機飛行相同航線。分別對比預(yù)先設(shè)計航點坐標與BDS無人機/GNSS無人機實際飛行記錄坐標之差,驗證無人機在航飛過程中有無偏離航線、上下浮動等飛行不穩(wěn)定因素。經(jīng)驗證,在水平方向,BDS無人機航跡拐點與設(shè)計航線拐點坐標平均偏差約3.4 m,GNSS無人機航跡拐點與設(shè)計航線拐點坐標平均偏差約2.1 m;在垂直方向,BDS無人機航高比設(shè)計航高整體偏低約1.3 m,GNSS無人機航高比設(shè)計航高整體偏低約0.8 m,兩者誤差相近,且在航飛過程中,未出現(xiàn)定位失鎖、信號失聯(lián),未觀察到無人機飛行姿態(tài)明顯晃動,說明在本試驗條件下,純BDS能夠滿足無人機飛行穩(wěn)定性要求。

3 輔助測量系統(tǒng)驗證

3.1 無人機后差分定位精度

后差分GPS(differential GPS,DGPS)是無人機測繪系統(tǒng)的重要組成部分,DGPS系統(tǒng)是由地面基準站向無人機載流動站實時發(fā)送GNSS差分改正值,從而獲取無人機運動過程中精確空間位置坐標的手段,將DGPS系統(tǒng)和航攝儀集成在一起的航空攝影,經(jīng)與慣性測量單元(inertial measurement unit，IMU)聯(lián)合后處理,可直接獲得每張航攝像片的6個外方位元素,航攝外方位元素直接決定了后續(xù)處理的效率及精度[7-9]。本文后差分基站使用中海達UBASE后差分系統(tǒng),試驗過程中,分別使用改裝后的單北斗中海達UBASE型后差分基準站與未改裝的中海達UBASE型后差分基準站,將BDS無人機與GNSS無人機分別放置在已知坐標點,手動觸發(fā)航攝儀拍攝并記錄坐標,通過與已知點坐標進行對比,分析得出不同導(dǎo)航模式下后差分定位精度區(qū)別。經(jīng)驗證,BDS后差分坐標與GNSS后差分坐標基本一致,詳見圖1和表4。

圖1 BDS/GNSS后差分POS誤差橢圓注：定位定姿系統(tǒng)(position and orientation system,POS)

表4 POS不確定性對比表 單位：cm

3.2 地面控制測量精度

無人機傾斜攝影測量作業(yè)過程中,還需測量地面像控點以進一步提高測繪成果精度,目前,行業(yè)普遍使用網(wǎng)絡(luò)連續(xù)運行參考站(continuously operating reference stations，CORS)RTK進行作業(yè),本文使用改裝后的BDS-RTK與GNSS-RTK進行對比試驗[10],分別在測區(qū)內(nèi)利用千尋網(wǎng)絡(luò)CORS的方式測量9個已知地面點坐標,經(jīng)驗證,BDS-RTK與GNSS-RTK在使用千尋網(wǎng)絡(luò)CORS測量的情況下,精度基本一致(表5)。

表5 BDS-GNSS RTK測量較差 單位:m

4 成果精度驗證

4.1 成果定位精度

經(jīng)上述驗證,BDS無人機起降穩(wěn)定性、飛行穩(wěn)定性及輔助系統(tǒng)穩(wěn)定性均達到了無人機傾斜攝影測量的要求,之后在無人機上搭載傾斜航攝儀,將BDS無人機與GNSS無人機分別按照相同航線規(guī)劃參數(shù)在相同區(qū)域飛行進行傾斜攝影,之后按照內(nèi)業(yè)處理步驟,利用航攝影像、地面控制測量成果及無人機POS數(shù)據(jù)進行空中三角測量,實景三維建模,并將模型點與已知點成果進行對比。經(jīng)驗證,BDS無人機三維模型成果定位精度與GNSS無人機基本一致,可滿足1∶500測圖精度要求，如表6、表7所示。

表6 北斗導(dǎo)航無人機成果精度檢查表 單位：m

表7 混合導(dǎo)航無人機成果精度檢查表 單位：m

4.2 三維模型效果質(zhì)量

三維模型效果質(zhì)量主要包含模型結(jié)構(gòu)質(zhì)量與模型紋理質(zhì)量,本文對BDS與GNSS無人機模型效果進行分析,分別對比模型整體效果、紋理質(zhì)量、結(jié)構(gòu)質(zhì)量,證實使用不同導(dǎo)航模式無人機,對三維建模效果無明顯影響，如圖2、圖3所示。

圖2 BDS/GPS模型效果對比

圖3 BDS/GPS模型結(jié)構(gòu)質(zhì)量對比

5 結(jié)束語

經(jīng)上述試驗驗證,本文對無人機進行的純BDS改裝基本成功,BDS無人機系統(tǒng)飛行穩(wěn)定、精度可靠、成果質(zhì)量達標,與GNSS無人機在性能上無明顯區(qū)別,可用于開展無人機傾斜攝影測量工作,能夠滿足用戶使用要求,使無人機擺脫對GPS等國外導(dǎo)航衛(wèi)星的依賴,實現(xiàn)了無人機導(dǎo)航定位使用中國星的目標。本文的試驗數(shù)據(jù)可為更多測繪設(shè)備進行純北斗改裝提供參考,但由于試驗僅使用少量設(shè)備在華北地區(qū)小范圍進行,地域不夠廣泛、試驗條件不夠全面,下步需重點進行完善。