無人機(jī)航攝中虛擬基站和物理基站PPK精度對比分析

解維果 章漢武 吳建華

(江西師范大學(xué)地理與環(huán)境學(xué)院 江西南昌 330022)

近年來，無人機(jī)的快速發(fā)展使其在測繪、農(nóng)業(yè)和電力等領(lǐng)域得到十分廣泛的應(yīng)用。在航空攝影測量方面，無人機(jī)已經(jīng)成為非常重要的一個(gè)數(shù)據(jù)獲取平臺(tái)[1]。無人機(jī)航空攝影測量中，航片的POS數(shù)據(jù)是影響成果精度的關(guān)鍵因素之一。目前很多無人機(jī)航測項(xiàng)目，在作業(yè)過程中會(huì)結(jié)合實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)(Real Time Kinematic，RTK)技術(shù)或動(dòng)態(tài)后處理(Post Processed Kinematic，PPK)技術(shù)獲取POS數(shù)據(jù)。RTK載波相位差分技術(shù)可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)高精度定位，但是RTK信號很容易受網(wǎng)絡(luò)信號和周圍環(huán)境等因素的影響，在長時(shí)間工作時(shí)容易丟失固定解。PPK是 GNSS 的一種差分方式，通過 OTF 初始化快速確定整周模糊度，通過基站(Base Station)和流動(dòng)站(Rover)同時(shí)觀測多個(gè)歷元，進(jìn)行事后基線解算，可以獲得厘米級精度的三維空間位置信息[2]。外業(yè)測量時(shí)，觀測10～30 s 就可以解算出厘米級的空間三維坐標(biāo)[3]。與RTK不同，PPK 技術(shù)不需要基站和流動(dòng)站之間的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)鏈通信，觀測更為方便、自由，在外業(yè)觀測結(jié)束后，對流動(dòng)站與基準(zhǔn)站GNSS接收機(jī)所采集的原始觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行事后處理，得到流動(dòng)站的三維坐標(biāo)[4]。因此，PPK相對RTK作業(yè)距離顯著增加[5]。

在進(jìn)行無人機(jī)航空攝影測量時(shí)，使用PPK技術(shù)大多是在測區(qū)搭建物理基站，在無人機(jī)起飛之前開始接收數(shù)據(jù)，但是在地形復(fù)雜、信號較差的地區(qū)搭建物理基站很不方便，而且工作安全風(fēng)險(xiǎn)也較大。近些年興起的網(wǎng)絡(luò)PPK解算服務(wù)，雖然省去了搭建物理基站的麻煩，但網(wǎng)絡(luò)PPK解算服務(wù)的兼容性差，服務(wù)地區(qū)也較少，且價(jià)格昂貴，對于小型航測項(xiàng)目來說大幅度增加了成本。而虛擬基站技術(shù)可以解決以上問題。利用虛擬基站技術(shù)，不需要到測區(qū)，只需使用開源軟件RTKLIB[6-7]，在室內(nèi)或者任何一個(gè)有網(wǎng)絡(luò)的地方搭建虛擬基站，且虛擬基站的位置可以任意指定，在RTKLIB的組件RTKNAVI中輸入指定地點(diǎn)的坐標(biāo)，即可搭建虛擬基站在電腦上通過 RTKLIB接收觀測數(shù)據(jù)。在無人機(jī)航飛作業(yè)完成后，對虛擬基站接收的觀測數(shù)據(jù)和無人機(jī)接收的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行PPK解算，得到航片的POS數(shù)據(jù)。

大疆精靈4 RTK無人機(jī)體積小、重量輕，便于攜帶，且?guī)в蠷TK模塊，能夠獲取高精度航片和觀測數(shù)據(jù)。合眾思壯G990 GNSS接收機(jī)內(nèi)置高精度雙頻雙星衛(wèi)星接收天線，搜星與定位速度快，定位精度高，在非典型環(huán)境下抗干擾性與穩(wěn)定性強(qiáng)。這兩款設(shè)備是目前市場上中小型項(xiàng)目中使用較多的設(shè)備。本文使用大疆精靈4 RTK 無人機(jī)，在測區(qū)使用合眾思壯G990 GNSS接收機(jī)搭建物理基站，在室內(nèi)使用RTKLIB搭建虛擬基站，將無人機(jī)作為流動(dòng)站，與兩個(gè)基站分別進(jìn)行PPK解算試驗(yàn)，對比兩種PPK解算得到的POS數(shù)據(jù)的精度。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)設(shè)備及航線設(shè)計(jì)

為了探究在多種地物類型的場景中各設(shè)備獲取數(shù)據(jù)的精度差異，本次試驗(yàn)選擇了包含多種地物類型的區(qū)域。選擇的試驗(yàn)區(qū)域?yàn)槠皆匦?，地形平坦，長約350 m，寬約250 m，區(qū)域內(nèi)地物種類多樣，包含樹林、公路、大型建筑和小面積水域，貼合實(shí)際工作場景。本次對比試驗(yàn)采用的設(shè)備包括大疆精靈4 RTK無人機(jī)、合眾思壯G990 GNSS接收機(jī)和RTKLIB軟件。精靈4 RTK無人機(jī)的參數(shù)見表1，合眾思壯G990 GNSS接收機(jī)的參數(shù)見表2。

表1 大疆精靈4 RTK 無人機(jī)平臺(tái)和內(nèi)置像機(jī)參數(shù)Tab.1 Platform and Machine Parameters of DJI Phantom 4 RTK UAV平臺(tái)參數(shù)數(shù)值像機(jī)參數(shù)數(shù)值起飛重量 1 391 g像素/個(gè)2 000萬飛行時(shí)間25 min影像傳感器1英寸CMOS定位精度 垂直:1.5 cm +D×10-6水平:1 cm +D×10-6圖片格式JPEG

表2 合眾思壯G990 GNSS接收機(jī)參數(shù)Tab.2 Parameters of UniStrong G990 GNSS Receier參數(shù)數(shù) 值操作系統(tǒng)Android接收信號GPS/BES/GLONASS/Galilio靜態(tài)精度垂直:5.0 mm+ D×10-6;水平:2.5 mm+D×10-6RTK精度垂直:15 mm+ D×10-6;水平:5.0 mm+D×10-6

為探究不同的作業(yè)時(shí)間、航高、航向重疊率和旁向重疊率對采集數(shù)據(jù)的精度影響，進(jìn)行了兩個(gè)架次的飛行。其中，第一架次的作業(yè)時(shí)間為8 min，重點(diǎn)探究物理基站和虛擬基站在短時(shí)間內(nèi)接收的觀測數(shù)據(jù)的精度；為探究流動(dòng)站和基站的不同距離對解算數(shù)據(jù)的影響，設(shè)計(jì)了兩種航高，分別是150 m和120 m；為探究航向重疊率和旁向重疊率的差異對解算數(shù)據(jù)的影響，設(shè)計(jì)了兩種航向重疊率和旁向重疊率。將這些參數(shù)添加到航線規(guī)劃中，具體飛行參數(shù)見表3，航線設(shè)計(jì)見圖1。

圖1 無人機(jī)飛行航線

表3 飛行參數(shù)Tab.3 Parameters of Flights飛行架次測區(qū)面積/m2航測作業(yè)時(shí)間/min航高/m航向重疊率/%旁向重疊率/%第一架次75 596.581508070第二架次83 975.8171208585

1.2 試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置

本次對比試驗(yàn)需要物理基站和虛擬基站同時(shí)接收觀測數(shù)據(jù)。首先，在測區(qū)內(nèi)搭建物理基站[8]，設(shè)置基站坐標(biāo)和接收模式等相關(guān)參數(shù)，設(shè)置完成后，開始接收觀測數(shù)據(jù)。同時(shí)，在室內(nèi)打開RTKLIB中的RTKNAVI，在“Options”模塊的“Positions”中設(shè)置虛擬基站的坐標(biāo)(見圖2)，在“Options”的其他菜單項(xiàng)設(shè)置其他相關(guān)參數(shù)。虛擬基站的坐標(biāo)只需要設(shè)置為測區(qū)周圍的大概位置即可。設(shè)置完成后，開始接收觀測數(shù)據(jù)。然后，檢查無人機(jī)各項(xiàng)指標(biāo)參數(shù)，檢查航測任務(wù)的設(shè)置，確認(rèn)之后，在虛擬基站工作數(shù)分鐘后，無人機(jī)升空，開始正式的航測作業(yè)。

圖2 虛擬基站設(shè)置

2 POS數(shù)據(jù)處理與分析

2.1 數(shù)據(jù)解算

本次試驗(yàn)物理基站和虛擬基站使用的接收機(jī)的型號不同，其數(shù)據(jù)格式也不一樣。物理基站接收的觀測數(shù)據(jù)主要是以.dat文件格式存儲(chǔ)在接收機(jī)中，虛擬基站接收的觀測數(shù)據(jù)則是以.rtcm3格式存儲(chǔ)在指定的文件夾中，而精靈4 RTK接收的觀測數(shù)據(jù)經(jīng)過轉(zhuǎn)碼后以.obs格式存放在項(xiàng)目文件夾中。

物理基站和虛擬基站接收的觀測數(shù)據(jù)并不能直接和精靈4 RTK轉(zhuǎn)碼后的文件一起進(jìn)行PPK解算，需要通過RTKCONV[8]轉(zhuǎn)換成.obs文件。基站接收的觀測數(shù)據(jù)經(jīng)過轉(zhuǎn)碼后，即可在RTKPOST中進(jìn)行PPK解算。

將轉(zhuǎn)碼后的觀測數(shù)據(jù)加載到RTKPOST中，流動(dòng)站(Rover)添加無人機(jī)端的數(shù)據(jù)，基站(Base Station)分別添加經(jīng)過轉(zhuǎn)碼后的物理基站或虛擬基站的觀測數(shù)據(jù)，并設(shè)置基站坐標(biāo)和高度截止角等參數(shù)，如圖3所示，經(jīng)解算后即可得到相應(yīng)的POS數(shù)據(jù)。

圖3 PPK解算中的參數(shù)設(shè)置

2.2 數(shù)據(jù)分析

首先將物理基站和虛擬基站接收的觀測數(shù)據(jù)分別與無人機(jī)端數(shù)據(jù)進(jìn)行PPK解算，然后進(jìn)行精度對比[9]。要求把處理后數(shù)據(jù)由地理坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為投影坐標(biāo)，再驗(yàn)證物理基站和虛擬基站接收的觀測數(shù)據(jù)的貼合狀況。

試驗(yàn)中進(jìn)行對比的數(shù)據(jù)都已解算得到固定解。圖4分別為8 min和17 min飛行時(shí)長下，無人機(jī)觀測數(shù)據(jù)和物理基站/虛擬基站的觀測數(shù)據(jù)經(jīng)PPK解算后得到的POS數(shù)據(jù)在E、N、U方向的差異。

由圖4可知，物理基站接收的觀測數(shù)據(jù)和虛擬基站接收的觀測數(shù)據(jù)經(jīng)PPK解算后得到的POS數(shù)據(jù)的貼合程度非常高，其貼合程度達(dá)到了亞厘米級。本試驗(yàn)主要以均方根(RMS)指標(biāo)對兩次試驗(yàn)經(jīng)PPK解算的POS數(shù)據(jù)精度進(jìn)行評價(jià)，并輔以POS差值的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差(STD)等參數(shù)。其中，均方根用于評價(jià)虛擬基站接收的觀測數(shù)據(jù)與物理基站接收的觀測數(shù)據(jù)的一致性。

圖4 物理基站和虛擬基站PPK解算后得到的POS數(shù)據(jù)的差異

通過計(jì)算源數(shù)據(jù)得到均方根值(RMS)、標(biāo)準(zhǔn)差(STD)等數(shù)據(jù)。表4為兩次飛行架次物理基站和虛擬基站觀測數(shù)據(jù)經(jīng)PPK解算后得到的POS數(shù)據(jù)精度對比。

表4 兩次飛行架次物理基站和虛擬基站觀測數(shù)據(jù)經(jīng)PPK解算后POS精度對比 單位:cmTab.4 PPK Solution of Observation Data Received by Physical Base Station and Virtual Base Station 飛行架次歷元數(shù)/個(gè)X(ΔX)STD(ΔX)RMS(ΔX)Y(ΔY)STD(ΔY)RMS(ΔY)H(ΔH)STD(ΔH)RMS(ΔH)第一架次2 4230.130.250.280.260.220.340.430.620.76第二架次4 986-0.120.140.191.250.201.272.550.682.64

由表4可知，物理基站和虛擬基站解算后得到的POS差值的平均值在E(X)方向分別為0.13 cm和-0.12 cm，在N(Y)方向分別為0.26 cm和1.25 cm，在U(H)方向分別為0.43 cm和2.55 cm，說明基于物理基站和基于虛擬基站獲取的觀測數(shù)據(jù)，經(jīng)兩次PPK解算后得到的POS數(shù)據(jù)之間差異較?。粯?biāo)準(zhǔn)差(STD)在E(X)方向分別為0.25 cm和0.14 cm，在N(Y)方向分別為0.22 cm和0.20 cm，在U(H)方向分別為0.62 cm和0.68 cm，數(shù)值離散程度較低，兩次PPK解算的POS數(shù)據(jù)差異波動(dòng)較??；均方根值(RMS)在E(X)方向分別為0.28 cm和0.19 cm，在N(Y)方向分別為0.34 cm和 1.27 cm，在U(H)方向分別為0.76 cm和2.64 cm，表明物理基站和虛擬基站接收的觀測數(shù)據(jù)非常貼合。

3 結(jié) 語

本文提出了一種新的無人機(jī)航空攝影測量的POS數(shù)據(jù)后處理方法，首先，使用開源軟件RTKLIB在室內(nèi)或者任何一個(gè)有網(wǎng)絡(luò)的地方搭建虛擬基站，且虛擬基站的位置可以任意指定，在RTKLIB的組件RTKNAVI中輸入指定地點(diǎn)的坐標(biāo)，即可搭建虛擬基站并開始接收觀測數(shù)據(jù)；其次用虛擬基站接收的觀測數(shù)據(jù)和無人機(jī)接收的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行PPK后處理，得到航片的POS數(shù)據(jù)。

通過對比物理基站接收的觀測數(shù)據(jù)和相同時(shí)間無人機(jī)接收的觀測數(shù)據(jù)經(jīng)PPK解算后得到的航片POS數(shù)據(jù)，二者吻合度非常高，平均誤差在亞厘米級，滿足航測作業(yè)要求。