基于PPK差分技術的無人機航測系統(tǒng)的分析與設計

安宇偉 安濱波

（1．廣州市增城區(qū)城鄉(xiāng)規(guī)劃與測繪地理信息研究院，廣東 廣州 511300；2．廣東泰誠檢測有限公司，廣東 廣州 510000）

在無人駕駛飛機與測繪技術協(xié)同、飛速發(fā)展的背景下，將高精度差分定位技術引入無人駕駛飛機是數(shù)字測繪技術領域的重要發(fā)展方向[1]?，F(xiàn)階段，無人機已經成為獲取大尺度影像資料的重要途徑。

無人機航測技術是一種將無人機與航拍儀器聯(lián)機，以達到對地面進行快速、高精度測繪的技術。無人機系統(tǒng)包括3 個，分別為航拍子系統(tǒng)、測控子系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)[2]。機載航拍子系統(tǒng)由無人機、無線通信、GPS 定位、航拍管理模塊以及自穩(wěn)平臺等組成。地面測控子系統(tǒng)在應用中完成了傳輸航攝數(shù)據(jù)、圖像的通信傳輸、任務控制、監(jiān)視以及異常情況處理等任務[3]。數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)主要包括航空攝影前核對、航空攝影工作規(guī)劃、航空三角測量、正射校正以及立體制圖等。由階段性的研究和實踐可知，將PPK 差分技術應用于無人機影像系統(tǒng)中，可以滿足測繪中在該方面的需求。

1 基于PPK 差分技術的無人機航測系統(tǒng)硬件設計

1.1 無人機姿態(tài)模塊硬件設計

針對系統(tǒng)硬件部分的設計，引入可以對無人機姿態(tài)進行控制的微控制器（選用具備高性能的數(shù)字信號控制器）。在該模塊中引入微弱信號處理基礎，提高模塊的整體性能和穩(wěn)定性。除此之外，該模塊還包括陀螺儀和加速度計等硬件[4]。該模塊的外表是用鋁合金包裹的，在機身上增設1個孔位，這樣可以方便地通過螺絲將其緊固在載體上。模塊數(shù)據(jù)輸出物理接口使用排針結構，這樣可以降低因振動而導致接口松動的概率[5]。該模塊的性能指標見表1。

表1 無人機姿態(tài)模塊硬件性能指標

為了確保航測照片的質量和工作效率，在選擇盡量小的畸變的前提下，相機的像素一定程度上會對航測的工作精度和效率產生影響。針對無人機機體的振動特性，分別采用對應的頻率特征減震球對相機結構件和無人機主控模塊進行優(yōu)化[6]。通過引入減震結構可以有效濾除無人機航行過程中振動對相機和各個主控傳感器帶來的負面影響。在無人機導航定位模塊中對其進行冗余設計，提出了一種基于UBLOXM8N的高精度GPS信號處理方式。當系統(tǒng)正常運行時，通過串行接口接收PPK 后差分模塊的位置信息，在PPK 差分模塊位置不正常的情況下，對UBLOXM8N模塊的位置信息進行實時切換，以確保系統(tǒng)出現(xiàn)異常情況時能夠快速恢復正常[7]。

1.2 電源模塊設計

電源模塊主要為無人機航測提供能量，選用一塊6 s（22.2 V）12 000MAH 鋰電池。電源模塊不但要滿足無人機主控制平臺所需要的5.5 V 和3.3 V 的供電要求，而且還要滿足PPK 差分器、電臺通信器等硬件結構的供電要求。無人機平臺的電源要用1 塊電源接線板來為無人機的每個模塊供電，接線板與電池相連，并對電池起到短路的作用，電源接線板會用降壓模塊來變換電平，為無人機的每個模塊提供所需要的電壓和電流，旋翼和前拉電機所需要的電流較大（平均為15 A），因此，在這一段電路中，就必須要設計1 個擁有大電流的電路[8]。無人機的主控電源的總電流大約為1 A，而主控電路需要轉換出多路5.0 V 和3.3 V 的電源，從而為傳感器和主控芯片提供電能（無人機航測系統(tǒng)的電源電路設計如圖1所示）。

圖1 無人機航測系統(tǒng)的電源電路設計圖

PPK 差分模組是將1 塊5.0 V 的電源連接到1 塊電源插槽上，可以變換IMX287、GNSS 板卡MB2、nandflash 以及TF 卡等外圍模組之間的電平。其中，GNSS 高精度模組的功耗是最大的，在工作狀態(tài)下，功耗約為2.5 W，其他模組的功耗相對較小。

2 基于PPK 差分技術的無人機航測系統(tǒng)軟件設計

2.1 無人機飛控子系統(tǒng)設計

當對無人機進行飛行控制時，可以根據(jù)公式（1）確定無人機當前位置到參考目標點位置的距離。

式中：L為無人機當前位置到參考目標點位置的距離；d為阻尼；p為周期；s為步長。

根據(jù)公式（1）得出的數(shù)據(jù)可以明確無人機飛行的到達目標點的具體情況。在理想狀態(tài)下無人機橫向加速度輸出如公式（2）所示。

式中：l為理想狀態(tài)下無人機橫向加速度輸出；Nu為無人機速度方向與無人機到L連線所形成的的夾角。

結合上述計算，在確定無人機正常飛行的過程中，通過調節(jié)算法周期和阻尼可以對無人機航線位置進行控制。

2.2 PPK 差分模塊子系統(tǒng)軟件設計

PPK 差分模塊子系統(tǒng)的軟件是在Linux 環(huán)境中開發(fā)的，采用C 語言編寫，完成各個模塊之間的相互配合，通過多進程協(xié)作方式運行。軟件中共包括8 個進程交互方式，通過其相互配合，完成PPK 差分模塊的各項功能。PPK 差分模塊子系統(tǒng)具體功能模塊以及對應功能見表2。

表2 PPK 差分模塊子系統(tǒng)具體功能模塊及對應功能

2.3 PPK 后處理軟件設計

該軟件采用模塊化的方式，由數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)預處理、數(shù)據(jù)求解、自動優(yōu)化以及結果輸出等部分組成。應用程序以C#應用程序架構為基礎，具有界面友好、交互方便以及高度自動化的特點，在一般情況下，不需要使用者的人工介入就可以成功地完成數(shù)據(jù)處理任務。在PPK 后處理模塊，需要對電離層延遲、對流層延遲誤差進行修正。針對中場極限，采用線性組合的方式消除誤差，如公式（3）所示。

式中：φc為誤差修正后的結果；φi為電離層殘差組合觀測值；φj為對流層殘差組合觀測值；fBi和fBj為2 個修正系數(shù)。

在完成上述運算后，確定模糊度，解出位置信息。軟件采用差分相對定位技術，使用單差和雙差逐步遞歸進行求解，最后使用LAMBDA 算法進行模糊度固定。

3 系統(tǒng)試驗與結果分析

3.1 系統(tǒng)測試環(huán)境與內業(yè)作業(yè)比例尺誤差

通過分析無人機航測精度、誤差可知，在排除設備、氣象條件以及人為干擾等因素的前提下，通過航空相機拍攝時刻的影像可以獲取高精度的位姿信息。為了進一步提高航空測繪的精度、工作效率，在系統(tǒng)測試中，以PPK 微分模型為基礎，對其進行模塊化處理，以獲得高精度的圖像位姿信息。在該基礎上，結合GNSS 板卡的事件驅動特性，獲得納秒級的圖像精確定位時刻，最終通過PPK 微分模型融合姿態(tài)數(shù)據(jù)和原始數(shù)據(jù)，獲得圖像在拍攝時刻的位姿信息。為了滿足上述需求，設計對應的系統(tǒng)測試環(huán)境，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)測試平臺環(huán)境

在上述內容的基礎上，根據(jù)無人機航測系統(tǒng)的需求進行該作業(yè)的選址，根據(jù)測區(qū)的地形圖和地形圖對應的比例尺分析內業(yè)作業(yè)地圖中比例尺誤差，相關內容見表3。

表3 內業(yè)作業(yè)地圖中比例尺誤差的分析（單位：m）

3.2 試驗的主要技術指標

根據(jù)該試驗需求，要求無人機航測系統(tǒng)所有采集的圖像均為彩色數(shù)字圖像，無人機地面采樣距離（Ground Sampling Distance，GSD）需要按照地面5 cm 分辨率進行參數(shù)設計。在該基礎上，應在確定測區(qū)中心位置的基礎上布置航線，航線軌跡圖如圖3所示。

圖3 無人機航測系統(tǒng)在測區(qū)內的軌跡示意圖

在完成基礎內容的設計后，設定無人機航測系統(tǒng)試驗條件，相關內容見表4。

表4 無人機航測系統(tǒng)試驗條件的設定

3.3 無人機航測作業(yè)流程

為了確保相關工作的規(guī)范性，設計該試驗的測試流程，如圖4所示。在無人機起飛前，要先對相機的攝像控制點進行檢驗，基于1+1 電臺方式，利用CORS 獲得固定解后，啟動參考站，記錄各攝像控制點的坐標。

圖4 測試流程

圖像控點的收集要達到航測和外業(yè)的要求，通常要求圖像控點選在照片上能辨認出來的地物點上，并且最好有自己的圖像控點標志。在該基礎上，采用RTK 裝置獲取中心點的坐標，在該過程中記錄相關數(shù)據(jù)，方便后續(xù)精度校核、辨識和統(tǒng)計工作使用。

在完成上述布置后，驅動無人機系統(tǒng)在測區(qū)進行航測，航測后，記錄無人機反饋的原始數(shù)據(jù)、時間包數(shù)據(jù)，按照規(guī)范解算相關數(shù)據(jù)。在完成解算后，將數(shù)據(jù)錄入衛(wèi)星定位系統(tǒng)，在定位系統(tǒng)中對航測結果進行比對，在考慮比例尺誤差的前提下，分析無人機系統(tǒng)航測結果誤差。

3.4 精度分析

統(tǒng)計X、Y和H方向的航測誤差，見表5。

表5 無人機系統(tǒng)航測結果誤差分析（單位：cm）

4 結語

根據(jù)相關結果，該文得出以下2 個結論：1）由表5 可知，使用該文設計的無人機系統(tǒng)在測區(qū)進行試驗，根據(jù)無人機反饋的結果，證明了該系統(tǒng)可以對區(qū)域進行航測，無人機反饋數(shù)據(jù)無空缺且無奇異值。2）對表5 的數(shù)據(jù)進行深度分析發(fā)現(xiàn)，?X/橫向誤差為4 cm～5 cm，?Y/縱向誤差基本為1 cm～2 cm，只存在1 個測點的?Y大于2cm，但是也沒有大于2.1cm，可以忽略不計。綜合?X/橫向誤差與?Y/縱向誤差可以得出，?XY/平面誤差為4 cm～6 cm。綜合上述內容，該系統(tǒng)測量?XY、?X和?Y的誤差較小，但是當進行高程測量時，對應的?H大于100 cm，即大于1 m，說明該文設計的系統(tǒng)在平面測繪中的優(yōu)勢較大，而在高程測繪中仍存在優(yōu)化空間。