POS系統在無人機航空攝影中的應用

王賢

摘要：隨著計算機和通信技術的發展，人們對無人機航空攝影定位定向的精度提出了更高的要求，將POS系統定位定向技術應用于無人機航空攝影中，能夠得到載體實時性強、準確度高的位置和姿態信息。本文首先對POS系統的硬件組成進行了相關介紹，然后對POS系統在無人機進行航拍過程中的定位定向原理進行了分析，最后針對目前POS系統在航空攝影中的實際應用，介紹了POS系統未來的發展趨勢和應用前景。

關鍵詞：POS系統；無人機；航空攝影

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）06-0222-03

無人機具有控制方便，飛行靈活等特點，因此成為航空攝影中一種十分重要的飛行平臺，尤其對于人類無法涉足的危險區域，比如地震、火災等緊急狀況突發地區，無人機可以提供有效的現場信息，實時傳回緊急事件發生地區的影像資料，人們根據無人機反饋的現場信息以便快速展開救援工作。隨著城市的智能化發展，無人機在航空攝影中扮演越來越重要的角色，因此，無人機如何準確、快速地獲取目標區域的位置和姿態信息，是航空攝影測量面臨的新的挑戰。

近些年來，隨著多種新型傳感器的涌現和計算機通信技術的快速發展，將POS系統應用于無人機航空攝影中，為目標地區影像數據的獲取提供了新的技術手段，能夠實現快速、準確地獲取航拍區域有效信息的目標。

1 POS系統硬件及各部分功能介紹

POS系統的硬件組成主要包含計算機控制系統、慣性測量單元IMU，以及GPS接收機。GPS接收機可以提供距離與波段等數據信息，當觀測到4顆衛星以上時，采用載波相位差分動態定位技術，將地面基準站和機載GPS的相位信息進行處理，最后得到機載GPS的空間位置信息；慣性測量單元IMU附著在傳感器的中心，它由數字化電路、陀螺儀、加速度計以及進行溫度補償與信號調解的處理器組成，IMU用于獲取其相對地面的速度、位置和姿態數據，為了減小測量數據的誤差，IMU通常需要保證其體積足夠小，重量足夠輕；計算機控制系統給傳感器提供采樣時間標識，它和GPS接收機、慣性測量單元IMU以及傳感器協同工作，可以在無人機進行航拍的時刻，同時獲取位置和空間姿態數據。

2POS系統測量原理

2.1 GPS測量原理

差分GPS定位技術（DGPS）主要分為偽距差分和載波相位差分兩大類，它是一種新發展起來的GPS定位技術，能夠對GPS進行更加準確地定位，如圖1所示，DGPS原理主要是通過將多臺安置在地面基準站上的GPS接收機，與無人機上的GPS接收機進行同步觀測，通過量測地面基準站的坐標，從而計算得到基準站與衛星之間的距離改正數，機載GPS則以地面基準站實時發送出去的距離改正數作為參考，然后對自身的定位結果進行改正，以此提高定位精度。

載波相位差分是無人機航空攝影主要采用的定位技術，其觀測量為GPS接收機k在時刻T所接收的衛星信號j與本地參考信號的相位差值，可表示為：

2.3 GPS/IMU組合系統測量原理

GPS可以全天候地提供目標載體精確的時間、速度以及位置等信息，并且它的誤差不會隨著時間的積累而增加，但是GPS嚴重依賴天氣、地點、目標載體機動等外界條件，它在動態環境中的性能表現較差，并且可靠性會因為外界環境和無線電等因素的干擾而降低，因而極易產生周跳和失鎖等系列問題；而慣性導航系統能夠避免GPS容易受外部環境影響而降低性能的這一缺點，它不受氣候、地點等外部因素的影響，也不會產生信號丟失的問題，但是容易因為時間的累積而增大導航誤差。將GPS和慣性導航系統組合起來，可以利用二者各自的優勢和劣勢達到取長補短的效果，GPS有較高的定位精度，并且在長時間內也能保持較好的穩定性，因此采用GPS不僅可以彌補慣導系統容易產生累計誤差這一缺點，還可以用來校正慣性導航系統提供的速度和位置等誤差參數，而慣性導航系統又可以向GPS提供相關初始速度和位置等信息，以增加GPS的定向操作性能，使之能夠快速獲取衛星信號。

3 POS系統在航空攝影中的實際應用

3.1 GPS的實際應用

通常情況下，在GPS接收機確定的歷元時刻進行量測，并對衛星信號保持跟蹤，即可得到相位變化差值，但是，由于起始歷元的整周模糊度以及GPS接收機與衛星振蕩器的相位初值未知，所以只能作為未知參數在數據處理中計算求解。載波相位差分的定位方式依賴于整周模糊度，可以通過整周模糊度在航解算（OTF）這種方法計算動態環境中的整周模糊度，然后代入載波信號相位觀測方程式，即可得到導航結果。在無人機航空攝影實際作業中，通常采用雙頻GPS接收機來提高定位精度，采用這種方式能夠更加準確、迅速地計算出整周模糊度。

3.2 IMU的實際應用

慣性導航系統在實際應用中分為捷聯式和平臺式兩大類，由于捷聯式具有成本低、體積小、可靠性高等優點，被廣泛應用于無人機航空攝影中。捷聯式慣性導航系統將加速度計和陀螺兩大核心部件安置在目標載體上，陀螺測量目標載體在運動中相對于慣性參考系的角速度，并計算出載體坐標系與導航坐標系之間的變換矩陣，并把加速度計測量得到的加速度信息通過該變換矩陣換算到導航坐標系中，以得到目標載體的導航定位和姿態角等信息參數，如圖2所示：

陀螺也是IMU的核心部件之一，用于導航和確定姿態參數的陀螺主要有三種：DTG（DryTuned Gvros，固態調協陀螺），尺寸小，低噪聲，漂移穩定性0.01°-0.05°/h；RLG（Ring Laser Gy-ros，環型激光陀螺），精度高，尺寸過大，漂移穩定性0.001°/h；FOG（Fibre Optic Gvros，光纖陀螺），尺寸較小，低噪聲，漂移穩定性0.01°-10°/h。FOG和DTG由于具有低噪聲、尺寸小，飄移小等特眭，在無人機航空攝影中應用最為廣泛。

3.3 GPS/IMU組合系統的實際應用

GPS和慣性導航組合系統通常采用卡爾曼濾波技術，根據組合的深度分為松散和緊密組合濾波兩大類，松散組合濾波方式是將GPS定位結果當做慣性導航系統的初值輸入，來校正慣導系統的誤差，以提高定位精度，這種組合方法實現簡單，但因為GPS的定位誤差具有歷元間相關這一特性，會導致最終定位結果和姿態參數存在系統誤差；緊密組合濾波是將GPS和慣性導航系統協同起來工作，他們分別將偽距、偽距率、角速度以及加速度等信息輸入組合濾波器，從而得到整個系統的導航結果，這種組合方式計算量大，并且容易受濾波器穩定性的影響。針對兩種濾波方式的優缺點，在實踐中可以設計一個復合濾波器，根據具體情況來動態地處理觀測值信息，松散組合適合處理觀測衛星數較多的情況，這種濾波方式可以由GPS獨立計算得到精度較高的位置與速度信息；當觀測衛星數量較少時，此時由于GPS無法進行獨立定位，所以采用緊密組合方法，復合濾波器可以充分利用兩種組合方式的優勢，既能保證導航系統定位精度，又能使系統具有一定的穩定性和可靠性。

4結語

隨著計算機和通信技術的發展，傳統的無人機航空攝影定位定向技術已經不能滿足人們的需求，POS系統將GPS接收機和IMU慣性測量單元組合在一起，可以充分發揮各自的優勢，達到取長補短的效果。將POS系統應用于無人機航空攝影，可以提高目標區域定位定向的準確性和實時性，并且GPS/IMU組合導航系統能夠直接提供影像數據的位置和姿態信息，從而性能也能得到大幅度提高。將POS系統定位定向技術融入無人機航空攝影是計算機和通信技術發展的必然趨勢，隨著GPS精密單點定位技術的發展及多種新型傳感器的涌現，POS系統定位定向技術將在無人機航空攝影中扮演著越來越重要的角色。