POS輔助航空攝影測量技術及應用

周琳

摘? ?要：機載POS系統利用慣性導航技術與GPS等技術的特征優勢，能夠準確獲取航空攝影相機曝光時刻的姿態參數與位置參數等外方位元素，實現了在省略空中三角測量加密與地面控制點等工序基礎上的定向測量，生產效率與作業成本等隨之優化。文章主要對POS輔助航空攝影測量技術及應用進行闡述，分析系統誤差來源與應用需求等，希望對航空攝影測量技術的優化發展起到積極的參照作用。

關鍵詞：定位定向系統;航空攝影測量;應用

定位定向系統（Position and Orientation System，POS）在航空攝影測量作業中的應用，彌補了全球定位系統（Global Positioning System，GPS）輔助空中三角測量在無法獲取姿態參數與不能擺脫地面控制等方面的不足，憑借自身作業流程簡化與高生產效率等特征優勢，逐步取代了傳統GPS輔助空攝測量方法。在計算機等先進技術的發展帶動下，POS的數據處理能力與定位定向精度等性能逐步提升，尤其是高精度定位定向技術的有效應用，對航空攝影測量技術的現代化發展起到了積極的促進作用。

1? ? POS輔助航空攝影測量技術原理

POS是基準傳感器，由計算機、衛星導航系統與慣性測量單元3個部分構成。內部又涉及多個構成子系統，如由控制系統與慣性測量裝置（Inertial Measurement Unit，IMU）構成的慣性測量單元，而IMU由數字電路、陀螺儀與加速器等部分構成。IMU能夠準確收集拍攝瞬時參數，實時更新空攝數據信息。GPS也是POS的重要組成部分，能夠及時提供空攝作業所需的速度與坐標等信息。基于差分技術的GPS系統，能夠準確獲取中心站空間坐標位置參數與三維立體圖形。POS系統構成部分缺一不可，在減小系統偏差的同時，能夠實現各部分的優勢互補，以減小定位誤差，從而獲取高精度的數據信息。

1.1? 衛星導航系統

GPS由用戶接收機與空間導航衛星部分、地面監控部分組成，具有全天候與自動化等特征優勢，可實時提供三維位置與速度等信息。定位原理是指將接收天線與衛星間距作為觀測距，利用衛星空間坐標定位接收機天線的空間距離。應用GPS定位方法開展的衛星導航系統，主要是以星際空間距離作為最基本的半徑，進而實現三球交匯。為此，需要在同一個觀測站上了解3個衛星與接收天線之間的距離。基于單程測距的GPS導航，由于衛星鐘與接收機鐘不同步，觀測站與星地空間距離存在偽距，涵蓋了同步誤差。衛星鐘差需要利用衛星導航電文中的鐘差參數矯正。但精準測量接收機中鐘差難度較大，需要在同一觀測站上實時解除接收機鐘差與3個空間坐標等未知參數;對此，需超過4顆衛星展開同步觀測。

1.2? 慣性導航系統

基于牛頓力學定律的慣性導航技術，是在陀螺儀測定載體角運動與加速計測定載體加速度基礎上，用積分運算方法分析姿態信息與載體位置速度等參數的技術。基于無實物物理平臺的慣性導航系統（Inertial Navigation System，INS），分為平臺式與捷聯式兩種，隨著物理平臺向數學平臺的過渡變化，當前捷聯式慣導系統所需要消耗的經濟成本較低，并且其本身的重量相對較小，這是該系統本身所具有的優勢，同時，也是平臺式慣導系統不可比擬的優勢。隨著科技的飛速發展，當前導航設備在應用中越發自如與廣泛。為此，應用捷聯式慣導系統比起平臺式慣導系統而言，效果更好，并且在結算方法上處于一致的狀態。在陀螺儀的數字平臺與姿態角等方面，與傳統的導航平臺存在著一定的差異。捷聯式慣導系統的慣性組件是加速計與陀螺儀的組合體，采用開環IMU，可用于輸入慣性傳感器信號，無法實現對IMU的反饋控制，但能夠高效處理計算機內所有信號。數學平臺在捷聯式系統中占據重要地位，通過陀螺測定載體的角速度可實現數學平臺對姿態矩陣的解算，并獲取姿態角信息。利用加速計獲取的姿態矩陣，實現機體坐標系與導航坐標系的轉換，最后進行導航解算。在光纖陀螺與高精度激光等技術的發展帶動下，捷聯式慣導系統的性能越發優化，使得基于該系統的航攝相機與POS集成成為可能，內部器件管理便利度提升。但工作原理限制問題不能忽視，導航參數誤差發散后，穩定性與精度隨之降低，還需利用其他導航系統改正[1]。

1.3? POS計算機系統

INS系統與差分全球定位系統（Differential Global Position System，DGPS）組合算法，主要應用在事后處理軟件中，同時，也是POS計算機在系統處理過程中的核心部分。INS與DGPS組合算法能夠讓模塊完成的質量更佳，同時，也屬于最重要的軟件算法之一。POS計算機系統特征體現在以下幾方面：

（1）性能上要求計算能力強大，計算機系統需要實時接收與處理內部器件數據，對此，提出了更高要求。

（2）功能上導航器件需要具備兼容性。導航器件的數據格式與性能等存在較大差異，導航計算機處理器件的方案也不同。除此之外，應當加強對計算機系統的功能拓展與系統控制，以滿足用戶需要。

（3）在環境適應上應當具備一定的抗震性，系統輔助空攝作業時，處于高機動的環境下，應當加強對其功耗與外形尺寸等方面的嚴格限制。術后處理軟件是指離線處理算法軟件，針對慣性導航系統收集的各系統數據采取事后處理，要求工作人員明確掌握術后處理流程與系統解算方法等技術要求，確保空攝測量作業完成的質量與效率。

2? ? POS輔助航空攝影測量技術的應用

2.1? 應用需求

POS系統中的GPS系統與INS系統處于核心地位，該組合導航系統在航空攝影測量技術中的應用與在導航定位中的應用有著明顯差異，在應用場合上的要求更高。如航空相機在空攝中，受拍攝瞬時短、受荷載平臺運動誤差等因素影響，攝影成像質量不理想。運動誤差頻率隨著空間分辨率的優化而提升，尤其是高頻誤差的存在，會嚴重降低相片質量。POS系統在應用過程中，需要不斷滿足光學攝影成像與雷達測距等方面提出的高精度要求。POS系統需要瞬時保證高絕對精度與定位精度，但不能忽視測量誤差受成像荷載等因素的影響。POS系統在應用中需要達到以下幾點技術要求：

（1）用于測量姿態角的IMU器件，測角時俯仰角、橫滾角誤差應小于0.01°;航向誤差應小于0.02°;記錄頻率應大于50 Hz;陀螺偏移應小于0.001°/h。

（2）用來獲取具有高精度的位置參數。差分GPS接收機應確保其始終在高機動條件下并且處于正常的工作狀態，采用動態載波相位分叉模式能夠進一步滿足POS輔助航空攝影測量技術的實際應用需求，應將其精度定位在空射厘米級，采樣的間隔應小于1 s。

（3）用于導航解算與輸出運動參數的POS導航計算機，應施以無間斷供電，準確記錄GPS與IMU等數據。

（4）輸入接口應具備同步時間信號時標，確保POS系統準確接收相機曝光時刻數據參數，通過時間對準規避時間同步誤差干擾。

2.2? 應用方案

POS系統的應用實現了載體定位信息實時反饋，輔助載體高效率完成航行任務，即對地球表面地形地貌的攝影定位。在一段時間內的攝影定位信息變化小，可在實時定位的同時，一次離線事后處理導航信息，在無時間限制條件下，綜合各種數據信息，從而獲取高定位精度。POS系統應用方案包括實時融合與事后處理兩種，前者是指在空攝中融合DGPS與IMU數據，但對系統的器件要求更高。后者是指在空攝中存儲DGPS與IMU數據，通過離線處理方法融合數據信息。不受時間限制，可以用高精度算法完成。兩種應用方案的特征如下：

（1）IMU要求，實時融合對精度要求高，事后處理對精度要求低。

（2）GPS要求，兩者都需要高精度DGPS數據，實時融合利用實時差分解算，要求較高;事后處理利用事后差分解算，要求相對較低。

（3）導航計算機要求，實時融合實現實時信息融合，要求高;事后處理存儲數據容量大，實現事后軟件信息融合處理，要求低。

（4）應用目的，實時融合對實時性要求高;事后處理對定位精度要求較高。

（5）精度，實時融合精度高，事后處理精度更高。對此，在應用與處理數據過程中，POS系統需要在不同應用階段設計差異化的技術處理方案，確保空攝任務高效率完成[2-3]。

2.3? 應用方法

可忽視控制點平方差計算步驟，但不能省略校驗系統誤差流程。該方法主要通過系統誤差改正POS系統收集的元素方位值，對此，系統誤差成了元素方位值的主要影響因素。通常采用飛行校驗方法校驗系統誤差，但該方法只適用于低精度要求與觀測環境差、比例尺小等情況下，自身的局限性不能忽視。

從POS輔助空中三角測量法入手分析，需結合地面控制點測量空中三角形，在輔助航空攝影測量技術的基礎上完成空攝測量任務。該方法主要是指控制網收集GPS測量獲取的地面控制點與姿態等參數，并通過光束法平差計算，得到準確的參數值。在處理轉換問題上，其中包括了外方位元素與姿態角元素的轉換。不僅如此，還包括了外方位元素與三維立體坐標之間的轉換，這兩種轉換在分析過程中應明確其轉換的區別主要在于是否經過了計算加密處理。

2.4? 應用誤差

利用慣性導航系統分析誤差應明確初始誤差，對于準誤差、計算誤差以及運動干擾誤差、IMU儀表誤差等帶來的影響。不同的慣性導航系統其自身存在著一定的誤差，為此，該誤差會對系統性能產生不同的影響，進而逐步提高陀螺等慣性器件的精度。除此之外，能夠了解系統器件質量與工作狀況。

分析衛星導航系統時，應從誤差入手。GPS自身的定位精度相對較高，因此，人們所需要觀察的時間相對較長。在測繪領域，GPS仍舊有著非常大的發展空間，但誤差影響定位精度的局限問題不能忽視。同時，GPS誤差影響因素較多，具體如下：

（1）與衛星相關誤差，包括選擇可用性技術（Selective Availability，SA）誤差與衛星時鐘誤差等。其中，衛星時鐘誤差不能忽視。GPS主要是通過測定衛星信號傳播時間實現測距，時鐘誤差會過渡為測距誤差;各衛星鐘要求相互協同且與地面站協同，但原子鐘等計時方法的應用，不能忽視漂移等問題對穩定性的影響。接收機可通過衛星導航電文中時鐘參數改正衛星時鐘誤差。其中，衛星星歷誤差不能忽視，是指實際位置與星歷提供衛星空間位置間的差距，地面監測站向衛星傳輸星歷數據，監測站出現的衛星運動攝動因素或測量誤差，將會直接增大星歷誤差。

（2）GPS在傳播過程中仍舊存在著一定的誤差，其中包括了以下幾種誤差，分別是多路徑誤差、電離層附加延遲誤差。對流層與電離層的折射誤差不能忽視，電波受介質傳播性質的不同影響，會在電離層與對流層中出現折射，最終產生延時誤差。對流層折射誤差是指電波在非電離層大氣中發生的折射。需要通過建立對流層與電離層模型改正折射誤差;對此，應當定期更新完善接收機中的誤差改正模型。

（3）接收機設備本身存在著一定的誤差，其中包括了天線相位、中心誤差以及觀測誤差等。與GPS信號傳播相關誤差、衛星相關誤差雖然大部分能夠消除，但與接收機設備相關的誤差不能被消除，但誤差相對較小，可忽略不計。

POS系統在空攝中會接收相機曝光脈沖，同時，記錄相機曝光時刻，但不能避免地會出現POS輸出時刻與相機曝光時刻不同步等問題。POS系統在載體勻速飛行中通過線性內插方式獲得導航參數，內插法與勻速飛行載體間誤差可忽略不計。但不勻速飛行的載體會與內插法產生較大誤差，即時間同步誤差。短時間內飛機飛速變化相對較小，POS系統可完全忽略較小的時間同步誤差。

3? ? 結語

本文介紹了POS系統構成與核心部分，分析了系統誤差及影響因素，討論了兩種應用方案的特征與應用技術要求，對POS系統高效運用起到了參照作用。POS系統在空攝測量領域的應用仍處于摸索性前進階段，在加強實踐經驗總結的同時，應當本著引進來和走出去的原則，積極借鑒國外先進國家的技術方法與理念，確保POS系統輔助空攝任務順利完成。

[參考文獻]

[1]胡丙華，張虎龍，張杰.低空攝影測量飛機慣導姿態精度評估技術[J].中國測試，2019（5）：145-150.

[2]董國紅，李英成，丁曉波，等.MEMS POS系統在海島礁測圖中的精度驗證[J].測繪科學，2017（1）：187-192.

[3]張緒棋，楊久東.PPK輔助無人機攝影測量的精度分析[J].科技創新與應用，2019（29）：73-75.

Application on POS aided aerial photogrammetry technology

Zhou Lin

（Nanning Exploration & Survey Geoinformation Institute， Nanning 530000， China）

Abstract：The airborne POS system can accurately acquire the external orientation elements such as attitude parameters and position parameters at the exposure time of aerial camera by using the characteristics of inertial navigation technology and GPS technology， and realize the orientation measurement based on omitting the process of aerial triangulation encryption and ground control points， so as to optimize the production efficiency and operation cost. This paper mainly expounds the POS aided aerial photogrammetry technology and its application， analyzes the source of system error and application demand， hoping to play a positive reference role in the optimization and development of aerial photogrammetry technology.

Key words：position and orientation system; aerial photogrammetry; application