純BDS導航條件下無人機傾斜攝影可行性分析

倫澤華 李 虎 李 浩

(中國人民解放軍61206部隊, 北京 100042)

0 引言

北斗衛星導航系統以下簡稱北斗系統(BeiDou navigation satellite system,BDS)是中國自行研制的全球衛星導航系統(global navigation satellite system, GNSS),是我國著眼于國家安全和經濟社會發展自主建設、獨立運行的衛星導航系統,自2018年12月27日起,北斗三號基本系統完成建設,高精度接收設備及處理軟件不斷優化、研發[1],北斗系統已經能夠使我國擺脫對外國導航衛星的依賴,獨立承擔導航定位任務[2-3]。衛星導航系統對于無人機,相當于飛行員之于有人駕駛飛機,是無人機實現位置、方向、速度感知的重要系統。目前,市面上測繪無人機所使用的導航定位裝置普遍采用以BDS導航為主導的多頻接收設備,可同時接收BDS、美國全球定位系統(global positioning system, GPS)、俄羅斯格洛納斯衛星導航系統(global navigation satellite system, GLONASS)等多型導航衛星信號,經聯合平差進行導航定位,但僅依靠純BDS進行無人機傾斜攝影的模式較少使用,且缺乏效果、精度驗證。本文將純BDS無人機與未改裝的混合GNSS無人機在飛行系統、地面輔助系統及測繪成果精度等方面進行了試驗對比分析,通過在不同時間段、不同風力條件下進行的24架次飛行、7項對比試驗,得出了純BDS對無人機傾斜攝影測量的影響分析結論,以期為更多測繪設備進行純BDS改裝提供有意義的參考。

1 試驗條件及方法

為確定BDS在無人機傾斜攝影方面的穩定性、可靠性及定位精度,需要對無人機飛行系統、控制測量系統及內業處理成果等3方面進行量化驗證[4-6]。本文對1架六旋翼無人機、1臺后差分基站、1套實時動態載波相位差分技術(real time kinematic，RTK)進行了BDS改裝,通過軟件方式關閉了無人機、RTK、后差分基站設備中的外國衛星導航信道、通過硬件改造拆除了無人機飛行控制芯片中的GPS等外國衛星導航定位模塊,僅依靠BDS對無人機進行導航定位及地面控制。

試驗場地在華北某居民地,試驗于2021年3月5日至3月15日晝間選取不同風力條件進行,測區面積約2萬m2,試驗所使用的飛行設備為深圳科衛泰公司KWT-X6L六旋翼無人機2架(BDS接收機、GNSS接收機各1架),無人機后差分定位設備為中海達公司UBASE后差分基站2臺(BDS接收機、GNSS接收機各1臺),地面像控測量設備為華測X5型測量RTK 2套(BDS接收機、GNSS接收機各1套),傾斜攝影測量設備為上海航遙公司AMC536傾斜航攝儀1部,上述設備的國產化率均達到90%以上,關鍵部件、芯片的國產化率為100%。試驗方法為對比分析法,基本思路為:首先驗證BDS無人機系統的飛行穩定性,確定無人機飛行安全后,開始驗證地面輔助系統的穩定性,若飛行安全及地面輔助系統穩定性均滿足測繪要求,則將無人機獲取的數據資料按照傾斜航攝的流程進行處理,并將測繪成果定位精度進行分析驗證,最終得出BDS無人機用于傾斜攝影的可行性結論。

2 飛行穩定性驗證

2.1 定位參數

無人機獲取導航衛星定位參數的時間和精度決定了導航效果的準確性,首先對無人機定位參數情況進行評估,可保證后續試驗飛行安全。試驗對BDS與GNSS無人機系統同時進行通電測試,經過在無遮擋地域、略有遮擋地域及半遮擋地域分別進行的9組試驗,經數據分析得知:從通電開始到完成無人機自檢定位,BDS無人機的平均搜星時間約為20 s,接收衛星數10～17顆;GNSS無人機的平均搜星時間約為15 s,接收衛星數20～34顆,由于只使用BDS,BDS無人機在通電后的搜星時間較長,搜星數量較少,但仍然滿足無人機飛行所需的導航定位條件,可進行下一步試驗。

2.2 起降操控

考慮到BDS無人機搜星數量的減少可能會對飛行安全造成不確定影響,本文對無人機起降操控進行了定量驗證,共設計定點起降、定點懸停、定姿懸停3組試驗,每組試驗在不同起降高度或不同天氣條件下進行,試驗均使用遙控器操作,同時起降BDS與GNSS無人機,飛行20架次,利用激光測距儀測算無人機起飛/降落后距離起飛/降落點的水平距離對比無人機定點起降穩定性,利用激光測距儀測算處于懸停狀態無人機3 min內與懸停點的最大漂移距離對比無人機定點懸停穩定性,利用地面站羅盤測算處于懸停狀態無人機3 min內最大俯仰/橫滾角及抖動頻率對比無人機定姿懸停穩定性(表1至表3)。試驗結果表明,BDS無人機操控正常,起降穩定性與GNSS無人機無明顯差別。

表1 無人機定點起降穩定性對比

表2 無人機定點懸停穩定性對比

表3 無人機定姿懸停穩定性對比

2.3 航飛穩定性

航飛穩定性試驗規劃航高60 m,巡航速度7 m/s,飛行2架次,依次使BDS無人機與GNSS無人機飛行相同航線。分別對比預先設計航點坐標與BDS無人機/GNSS無人機實際飛行記錄坐標之差,驗證無人機在航飛過程中有無偏離航線、上下浮動等飛行不穩定因素。經驗證,在水平方向,BDS無人機航跡拐點與設計航線拐點坐標平均偏差約3.4 m,GNSS無人機航跡拐點與設計航線拐點坐標平均偏差約2.1 m;在垂直方向,BDS無人機航高比設計航高整體偏低約1.3 m,GNSS無人機航高比設計航高整體偏低約0.8 m,兩者誤差相近,且在航飛過程中,未出現定位失鎖、信號失聯,未觀察到無人機飛行姿態明顯晃動,說明在本試驗條件下,純BDS能夠滿足無人機飛行穩定性要求。

3 輔助測量系統驗證

3.1 無人機后差分定位精度

后差分GPS(differential GPS,DGPS)是無人機測繪系統的重要組成部分,DGPS系統是由地面基準站向無人機載流動站實時發送GNSS差分改正值,從而獲取無人機運動過程中精確空間位置坐標的手段,將DGPS系統和航攝儀集成在一起的航空攝影,經與慣性測量單元(inertial measurement unit，IMU)聯合后處理,可直接獲得每張航攝像片的6個外方位元素,航攝外方位元素直接決定了后續處理的效率及精度[7-9]。本文后差分基站使用中海達UBASE后差分系統,試驗過程中,分別使用改裝后的單北斗中海達UBASE型后差分基準站與未改裝的中海達UBASE型后差分基準站,將BDS無人機與GNSS無人機分別放置在已知坐標點,手動觸發航攝儀拍攝并記錄坐標,通過與已知點坐標進行對比,分析得出不同導航模式下后差分定位精度區別。經驗證,BDS后差分坐標與GNSS后差分坐標基本一致,詳見圖1和表4。

圖1 BDS/GNSS后差分POS誤差橢圓注：定位定姿系統(position and orientation system,POS)

表4 POS不確定性對比表 單位：cm

3.2 地面控制測量精度

無人機傾斜攝影測量作業過程中,還需測量地面像控點以進一步提高測繪成果精度,目前,行業普遍使用網絡連續運行參考站(continuously operating reference stations，CORS)RTK進行作業,本文使用改裝后的BDS-RTK與GNSS-RTK進行對比試驗[10],分別在測區內利用千尋網絡CORS的方式測量9個已知地面點坐標,經驗證,BDS-RTK與GNSS-RTK在使用千尋網絡CORS測量的情況下,精度基本一致(表5)。

表5 BDS-GNSS RTK測量較差 單位:m

4 成果精度驗證

4.1 成果定位精度

經上述驗證,BDS無人機起降穩定性、飛行穩定性及輔助系統穩定性均達到了無人機傾斜攝影測量的要求,之后在無人機上搭載傾斜航攝儀,將BDS無人機與GNSS無人機分別按照相同航線規劃參數在相同區域飛行進行傾斜攝影,之后按照內業處理步驟,利用航攝影像、地面控制測量成果及無人機POS數據進行空中三角測量,實景三維建模,并將模型點與已知點成果進行對比。經驗證,BDS無人機三維模型成果定位精度與GNSS無人機基本一致,可滿足1∶500測圖精度要求，如表6、表7所示。

表6 北斗導航無人機成果精度檢查表 單位：m

表7 混合導航無人機成果精度檢查表 單位：m

4.2 三維模型效果質量

三維模型效果質量主要包含模型結構質量與模型紋理質量,本文對BDS與GNSS無人機模型效果進行分析,分別對比模型整體效果、紋理質量、結構質量,證實使用不同導航模式無人機,對三維建模效果無明顯影響，如圖2、圖3所示。

圖2 BDS/GPS模型效果對比

圖3 BDS/GPS模型結構質量對比

5 結束語

經上述試驗驗證,本文對無人機進行的純BDS改裝基本成功,BDS無人機系統飛行穩定、精度可靠、成果質量達標,與GNSS無人機在性能上無明顯區別,可用于開展無人機傾斜攝影測量工作,能夠滿足用戶使用要求,使無人機擺脫對GPS等國外導航衛星的依賴,實現了無人機導航定位使用中國星的目標。本文的試驗數據可為更多測繪設備進行純北斗改裝提供參考,但由于試驗僅使用少量設備在華北地區小范圍進行,地域不夠廣泛、試驗條件不夠全面,下步需重點進行完善。