國產POS與SWDC集成檢校精度分析

韓曉冬，楊 娜，2，李 峰，劉宗杰

（1.山東科技大學測繪科學與工程學院，山東青島 266590；2.北京四維遠見信息技術有限公司，北京 100039；3.中國測繪科學研究院，北京 100039）

一、引 言

POS是集DGPS定位技術與慣性導航（INS）技術于一體的定位定姿系統，其中負責姿態測定的單元稱為慣性測量單元（inertia measurement unit，IMU）。POS直接地理定位（direct georeferencing，DG），是指將GPS接收機和IMU系統與航攝儀集成在一起，通過GPS載波相位差分定位獲取航攝儀的位置參數，使用IMU測定航攝儀的姿態參數，經IMU、DGPS數據的聯合后處理可直接獲得每張像片的6個外方位元素，從而能夠大大減少甚至無需地面控制而直接進行航空影像的定向，為影像的處理應用提供快速、便捷的技術手段。

伴隨新一代航空數字相機、機載激光雷達（LiDAR）、合成孔徑雷達（SAR）等遙感數據獲取新技術的出現，POS系統的應用領域越來越廣泛。基于POS與多傳感器集成的系統進行航空遙感對地目標精確定位成為國際攝影測量與遙感的研究熱點。國內已有基于POS輔助航空攝影測量中直接傳感器定向的研究，即在利用檢校場精確解求POS系統誤差改正參數的基礎上，將集成系統獲取的POS數據進行檢校計算，直接獲取影像所需要外方位元素，但所使用集成設備均是國外POS與航攝儀。基于國產高精度POS系統與相應國產航空數字相機的集成并應用于航空攝影測量成為國內攝影測量工作者的期待。

本文依托項目實際，開展基于國產POS與具有自主知識產權的國產航空數碼航攝儀SWDC-4A集成系統的直接地理定位試驗研究。

二、集成系統簡介及關鍵技術

1.集成系統簡介

試驗采用集成系統為國內自主研制的POS+穩定平臺+國產SWDC-4A（Siwei digital camera，四維數碼相機）。

國產POS的標稱精度與國外成熟的POS/AV610相當，位置精度為0.05～0.3 m，速度精度為0.005～0.01 m/s，水平姿態精度為 0.005°，航向角精度為 0.005°。

SWDC基于高檔民用相機，經過加固、精密單機檢校、平臺拼接、精密平臺檢校而成，并配備測量型雙頻GPS接收機、GPS航空天線、航空攝影管理計算機。SWDC-4A數碼航空攝影儀由4個單面陣數碼相機通過固定的幾何關系，經外視場拼接而成，拼接后的CCD面陣大小等效為14 500×10 000。試驗集成系統如圖1所示。在實際試驗中，在飛機頂端安裝高動態航空 GPS天線，在航攝儀上固聯IMU。

2.集成檢校關鍵技術

理想情況下，IMU本體坐標系與航攝儀本體坐標系的相應軸應該平行，但由于安裝工藝的原因，將IMU安裝在航攝儀上后，兩坐標系的相應軸實際是不平行的，相應軸間的夾角為視準軸誤差ex、ey、ez，即偏心角。一般，ex、ey、ez均為一個微小量（＜3°）。集成檢校的目的是獲取該系統誤差，從而在實際飛行試驗中針對POS后處理數據加入這些參數（以下稱為檢校參數，包括兩軸系之間的3個線元素偏差）進行系統改正，最終獲取所需影像的外方位元素進行無空三直接測圖。

圖1 試驗集成系統圖

高精度組合導航數據的獲取和后處理對集成檢校參數的解算及最終直接地理定位的精度均起到重要作用。本文從POS系統與SWDC硬件集成，影響組合導航數據最優化獲取及處理的IMU初始化對準、GPS/IMU時間同步，以及檢校參數獲取方法和技術路線3個方面簡述集成檢校關鍵技術。

（1）POS系統與SWDC硬件集成

POS與SWDC在硬件上的集成主要是指POS、相機及GPS天線在載體上的最優安置。為了盡可能減小GPS天線與IMU的偏心距及相機與POS的偏心距，本文采取將GPS天線、IMU、相機三者在同一垂直方向上安裝的方式，盡量使各傳感器在平面方向的偏心距為零，只存在豎向偏心距。為了避免傳感器之間的相對運動，集成設備在整體上要實現剛性連接。本研究主要通過減輕IMU重量，IMU的安裝基座、相機的安裝圓盤與IMU安裝基座之間的連接螺桿均選擇航空鋁材，安裝減震設備這3種措施來保證IMU與相機之間的剛性連接。

（2）最優化獲取及處理組合導航數據

①IMU初始化對準

慣性導航系統輸出的載體速度、位置是根據加速度計及陀螺儀輸出的加速度和角速度經積分而來的。要進行積分運算，首先必須設置積分的初始條件，如初始速度、初始位置。另外，慣性導航系統中加速度計的測量基準（即敏感軸指向）由平臺軸確定，指北方位慣性導航系統在進入導航工作狀態之前，必須使平臺（對于捷聯式慣性導航系統而言，該平臺為數學平臺）坐標系與地理坐標系指向一致，包括水平方向上的一致和方位指向上的一致，否則平臺誤差會引起加速度的測量誤差。因此，慣性導航系統在進入導航工作狀態之前，必須確定并向系統輸入載體的初始速度、初始位置，并將慣性導航系統平臺3個軸的指向調整成與當地地理坐標系3個軸向一致。這些工作稱為慣性導航系統的初始對準。在組合導航系統中，引入運動階段GPS的位置和速度信息，并利用卡爾曼濾波進一步確定初始對準過程中的不符值，其精度取決于所提供的機動性。

初始化對準誤差由陀螺儀零漂和加速度零漂引起。由于陀螺儀存在角隨即游走誤差，因此初始化對準精度取決于對準時間，尤其是航向角受其影響較大。航向角對準誤差與角隨機游走及對準時間的平方根成正比。因此，為獲得最優化的POS數據，在實際航飛試驗時，可使用可充電的蓄電池為飛機供電以延長對準時間和機動飛行，即在正式進入攝區前及飛離攝區進行S形飛行，并要求在航線內飛行時間較長時重復以上機動飛行。

②時間同步

精確的時間同步對高精度的集成系統很重要，POS與數字航空相機集成系統涉及兩種時間同步:GPS與IMU的時間同步、GPS與相機的時間同步。目前，GPS所提供的高精度時間系統被大多數集成系統用于提供時間基準。本集成系統中，GPS與IMU之間的時間同步是通過Trimble 5700接收機串口提供的1PPS（pluse-per-second）實現的，GPS與相機之間的時間同步是依靠Trimble 5700接收機接收曝光所產生的曝光脈沖實現的，從而實現了GPS、IMU、相機三者之間的時間同步。

（3）集成檢校技術路線及檢校參數獲取方法

為了檢校由于安裝原因造成的POS與相機相應軸系之間不能完全平行的角度偏差，采用具體方法為通過建立檢校場，布設數量充足的控制點，以航空攝影測量獲取精確的外方位元素作為真值，通過嚴密的POS系統與攝影測量坐標系之間的轉換關系，將檢校參數作為未知數，POS數據作為觀測值建立誤差方程，解求檢校參數。在保證儀器安裝相對位置不變的前提下，將后續實際航攝獲取的POS數據直接加入該參數進行修正，獲取所需的影像外方位元素。最后利用JX4-G數字攝影測量工作站，采集檢查點與野外檢查點進行比較驗證DG精度。集成檢校技術路線如圖2所示。

圖2 集成檢校技術路線圖

三、試驗及分析

1.試驗資料

本文使用2011年7月與8月獲取的河南平頂山區域的一組1∶9000航攝影像進行直接對地目標定位試驗。組合導航數據為利用國產POS獲取并經過高精度后處理得到的，相片為集成系統中SWDC-4A獲取的經過高精度后續處理的四拼數字影像。SWDC及試驗相關參數見表1。

試驗場為相距30 km的兩個平坦區域，可交互用作檢校場和驗證場，按地理位置分別稱為魯山區和學校區。魯山區覆蓋有正常重疊度的4條航線，共60張影像；學校區覆蓋有正常重疊度的5條（最多9條）航線，共130張影像（最多234張影像）。試驗時，在飛機頂部安裝Trimble 5700雙頻航空GPS天線，保證GPS天線、IMU、相機虛擬中心在同一垂線方向上。國產POS內置Trimble 5700 GPS接收機，基站安置一臺Trimble 5700雙頻GPS接收機。GPS采樣頻率為10 Hz，IMU采樣頻率為100 Hz。飛機S形盤旋上升和下降，并在進入測區前和離開測區后對POS均在地面進行5 min靜態初始化。相機采用定點曝光模式，由飛行員在進入航線時操作。

表1SWDC及試驗相關參數

試驗獲取數據分為POS數據和影像。POS數據由相關組合導航軟件進行處理，影像數據采用國產SWDC-4A數碼航攝系統相應軟件進行處理，并利用國產Geolord-AT自動數字空中三角測量軟件進行空三加密。POS與相機之間的檢校參數及通過POS數據直接解算的影像外方位元素均通過自主開發軟件進行解求。最終利用JX-4G數字攝影測量工作站單模型和數字測圖模塊進行檢查點的采集和精度驗證。

2.集成檢校參數結果及分析

檢校參數的解算精度依賴于高精度的POS后處理數據及所用的檢校算法，為此進行多次不同試驗，對獲取的POS數據分別進行檢校，并對檢校參數進行對比分析。

如果IMU與相機之間的相對位置固定，則得到的每一曝光點處的檢校參數應該基本相同。為了驗證，拆除設備再按照同一方式集成安裝后，針對檢校參數的變化量進行了不同試驗，檢校結果見表2。

同一試驗各個曝光點檢校參數的穩定性與否可以驗證所用檢校算法是否準確。表3給出多次試驗各曝光點檢校參數的離散情況。在保證解算所有曝光點的偏心元素基本不變的前提下，取所有曝光點檢校參數的均值作為最終系統誤差改正值，修正POS數據，以得到高精度的影像外方位元素。

表2 多次試驗解求的檢校參數

表3 檢校參數殘差中誤差

7月22 日，同一架次飛機先飛魯山區，后飛學校區，飛行完拆除設備；7月23日再次飛行時，重新安裝設備；7月24日試驗結束拆除設備；8月25日重新安裝設備，8月28日與8月25日兩天試驗設備未拆除。

從表3可以看出，多次試驗解算的各曝光點的偏心元素基本不變，各曝光點參數表現穩定，離散程度較小，沒有表現出明顯的系統誤差，與理想狀態相符，說明檢校算法正確。

從表2可以看出，一旦設備拆除，雖然采取同樣的安裝方式，但POS與相機之間的偏心元素會產生很大變化。8月25日與8月28日兩天試驗設備未拆除，但在x方向差距很大，說明該方向檢校有問題。單獨對兩次試驗進行分析，由于8月25日采集數據時平臺開啟，但在實際處理組合導航數據時，并未加入平臺數據對集成設備相對運動的補償，導致檢校x方向差別很大，達到0.8 m，說明POS數據后處理精度很重要。

通過偏心參數解算的結果，初步斷定，如果設備拆除，要實現高精度的POS直接地理定位，必須重新進行檢校；如果設備不拆除，POS直接地理定位能否滿足大比例尺測圖，需要直接利用該檢校參數修正新獲取的POS數據得到影像外方位元素，利用外方位元素直接安置測圖，實際采集檢查點予以驗證。

3.WGS-84坐標系下的直接對地目標定位

經過檢校后的POS數據得到的外方位元素能否滿足精度要求，最終需要直接測圖進行驗證。本文利用JX-4G數字攝影測量工作站直接進行外方位元素安置測圖，采集地面檢查點的結果。由于POS系統提供的外方位元素是基于WGS-84坐標系統的，因此利用其進行直接目標定位可獲得檢查點在WGS-84坐標系下的三維坐標。采用4種不同條件下的直接測圖精度進行比較分析:① 未經檢校的POS數據直接測圖；②同一架次，先飛檢校場，后飛驗證場，經過檢校的POS直接測圖；③不同架次，集成設備不拆除，飛完檢校場進行數據處理，用該次試驗得到檢校參數修正后續試驗的POS數據進行直接測圖；④設備拆除，新獲取POS數據不檢校，用原有檢校參數改正POS數據的直接測圖，此次試驗目的為驗證設備拆除前后，得到外方位精度的變化。同時在單像對與多像對上分別采集檢查點進行精度比較分析。進行不同檢校試驗直接測圖的結果見表4。

表4 WGS-84坐標系下不同檢校條件的直接地理定位精度

從表4可知:

1）未檢校的POS與檢校后的POS相比，其直接地理定位精度明顯降低（通過對比方案1與方案2、方案3、方案4的結果可知）。

2）如果拆除設備，雖然采取同樣的安置方式，但其最終直接地理定位精度也明顯降低，尤其是平面精度。說明一旦集成設備重新安裝，要實現高精度的直接地理定位需要重新進行檢校（通過對比方案4與方案3或方案2的結果可知）。

3）有檢校，同一架次先飛檢校場，后飛驗證場，POS直接地理定位精度最高平面為0.14 m，高程為0.16 m（通過方案2與方案3結果比較可知）。

4）在保證檢校后的集成設備不拆除的前提下，繼續進行航飛試驗（方案3），直接地理定位精度為平面0.19 m，高程0.175 m，基本滿足了規范大比例尺1∶500測圖精度要求。說明經過嚴密檢校后的國產POS可以在測區外布設檢校場，實現測區無地面控制的直接地理定位，可在崇山峻嶺、戈壁荒漠等難以通行的地區開展航空遙感工作。

四、結 論

通過檢校參數解算結果及后續直接地理定位采集檢查點精度分析，可得出以下結論:

1）高精度的組合導航數據處理對檢校參數的解算及后續直接地理定位的精度起到決定性作用。

2）本文采用檢校算法準確且檢校精度較高。

3）硬件上保證IMU測量中心、相機中心、GPS天線相位中心盡量在載體坐標系的一條垂線上，更容易成功實現直接地理定位。

4）要實現高精度的POS直接地理定位，POS必須經過嚴密檢校。同一架次飛機先飛檢校場后飛驗證場更容易滿足大比例尺測圖要求。

5）對于成圖精度要求不高的崇山峻嶺、戈壁荒漠及災難地區，在常規檢校場經過嚴密檢校后的國產POS可以直接開展航空遙感工作，能高效及時獲取地物信息。

6）經過嚴格檢校的國產POS與SWDC集成系統在WGS-84坐標系下可以提供高精度的外方位元素，用其直接安置測圖，可以滿足大比例尺測圖精度要求。

［1］ 袁修孝，傅建紅，左正立，等.機載POS系統用于航空遙感直接對地目標定位的精度分析［J］.武漢大學學報:信息科學版，2006，31（10）:847-850.

［2］ 郭杭，劉經南.GPS/INS組合系統數據處理方法［J］.測繪通報，2002（2）:21-23.

［3］ 郭大海，吳立新，王建超，等.IMU/DGPS輔助航空攝影新技術的應用［J］.國土資源遙感，2006（1）:51-55.

［4］ 袁修孝，楊芬，趙青，等.機載POS系統視準軸誤差檢校［J］.武漢大學學報:信息科學版，2006，31（12）:1039-1043.

［5］ 姚繼峰，許君一，鄧忠軍，等.國產POS與數字航空攝影系統集成關鍵技術研究［J］.測繪科學，2011（6）:115-117.

［6］ 中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會.GB7930—2008 1∶500 1∶1000 1∶2000地形圖航空攝影測量內業規范［S］.北京:中國標準出版社，2008.

［7］ SKALOUD J.Problems in Direct-georeferencing by INS/DGPS in the Airborne Environment［C］∥Proceedings of ISPRS Workshop on‘Direct versus Indirect Methods of Sensor Orientation’WG III/1.Barcelona:［s.n.］，1999.

［8］ BRZEZINSKA C.Direct Exterior Orientation of Airborne Imagery with GPS/INS System:Performance Analysis［J］.Navigation，1999，46（4）:261-270.

［9］ MOSTAFA M.Digital Multi-sensor Systems——Calibration and Performance Analysis［C］∥Proceedings of OEEPE Workshop Integrated Sensor Orientation.Hannover:［s.n.］，2001.

［10］ 王建超，郭大海，鄭雄偉.機載POS直接地理定位的精度分析［J］.國土資源遙感，2007（4）:33-37.