POS辅助航空摄影测量应用方法研究与误差分析

西安电子科技大学硕士学位论文POS辅助航空摄影测量应用方法研究与误差分析姓名邹勇平申请学位级别硕士专业导航、制导与控制指导教师刘峥20100101于两斐传统的航空摄影测量都需要使用地面控制点并通过空三加密求解像片的外方位元素。尽量减少乃至摆脱对野外控制点的依赖，是摄影测量的重要研究目标，因此DGPSIMU组合，定位定向系统POS被引入摄影测量与遥感。POS辅助航空摄影测量能直接给出航摄仪曝光瞬间的外方位元素，将大量减少甚至完全免除对野外控制点的要求，提高了效率，缩减了成本，国内POS应用逐步推广，将成为航空摄影的标准配置。但是在实际的不同比例尺和地形条件情况下，实测精度如何，需不需要野外控制点及如何确定控制点的数量、类别、分布，这些应用方法都需要深入研究。本文主要研究内容包括1、简单阐述了DGPS、惯性测量单元IMU及二者的组合POS的基本原理。2、对目前POS辅助航空摄影测量的主要使用方法直接定向法和辅助空中三角测量法的数学模型、使用条件进行了分析比较和精度评估。3、对差分GPS基准站的布设方案、基准站联测，偏心分量的测量，检校场的布设及飞行要求等影响POS辅助航空摄影测量精度的主要应用技术进行了论述。并介绍了相机和IMU的检校。4、以POSAV510和IPAS为对象，在多次POS辅助航空摄影测量应用实验的基础上，对测量数据进行了分析研究。总结形成一套完整的POS辅助航空摄影测量的作业流程。本课题为POS的推广应用提供了坚实的技术支持，为此项工作的开展积累了经验，对实际作业具有较强的指导意义。关键词POS定位定向系统辅助航空摄影测量，差分GPSDGPS，惯性测量单元IMU，数字相机检校ABSTRACTTRADITIONALLY,THEGEOCODINGORGEOREFERENCINGISSOLVEDINDIRECTLYAPPLYINGANUMBEROFWELLKNOWNGROUNDCONTROLPOINTSINCLASSICALPHOTOGRAMMETRYTHISTASKISSOLVED州TLLAERIALTRIANGULATIONATFORMULTIPLEIMAGESTRYHARDTOREDUCEANDEVENSHAKEOFFTHEDEPENDENTOFGROUNDCONTROLPOINTSINVOLVEDINPHOTOGRAMMETRICMAPPINGHASBEENTHEIMPORTANTSUBJECTOFEXTENSIVERESEARCHWITLLTHEAVAILABILITYOFTHEGLOBALPOSITIONSYSTEMGPSAND晰TLLTHEDECREASINGCOSTSOFINERTIALMEASUREMENTUILITIMU，THEINTEGRATEDDGPSSPOSHASBEENUSEDINAERIALPHOTOGRAPHYANDREMOTESENSINGPERFORMANCEOFPOSINAERIALPHOTOGRAPHYANDREMOTESENSINGALLOWSTHEDIRECTMEASUREMENTOFTHEPOSITIONANDATTITUDEPARAMETERSOFTHESENSORSTATIONSDURINGTHETIMEOFEXPOSURE，SOITENABLESAVARIETYOFMAPPINGPRODUCTS谢TLLMINIMALGROUNDCONTROL，EVENWITHOUTTHEUSEOFTRADITIONALGROUNDCONTR01USINGPOSMANYAPPLICATIONSCANBEREALIZEDMOREEFFICIENTLYANDECONOMICALLYPOSHASASTANDEQIPMENTFORDIGITCAMERAEXPASULALINEARRARCCDCAMERASOTHISPAPERHASMADEDEEPLYRESEARCHOFPOSASSISTANTPHOTOGRAMMETRYBYPOSFLIGHTEXPERIMENTATIONNEMAINRESEARCHWORKISCONCLUDEDASFOLLOWS1DESCRIBESTHEBASICPRINCIPLESOFDIFFERENTIALGPS、INERTIALMEASUREMENTUNITIMUANDINTEGRATEDGPSIMUSYSTEMPOS2DISCUSSESTHETWOMAINAPPROACHOFPOSINAERIALPHOTOGRAPHY,DIRECTGEOREFERENCINGANDPOSASSISTEDAEROTRIANGULATIONALSOANALYSESTHEMATHEMATICMODELS，THEDIFFERENTUSINGCONDITIONOFTHEM3DISCUSSESTHECRITICALTECHNIQUESINPOSSUPPORTEDPHOTOGRAMMETRYJUSTLIKEHOWTOCONFIGUREDIFFERENTIALGPSBASESTATIONLOCATIONSHOWTOCALCULATETHEACCURACYPOSITIONOFBASESTATIONSHOWTOMEASUREOFFCENTREDATAHOWTOCALIBRATIONCAMERAANDIMU4ACCORDINGTOTHETESTOFPOSAV510ANDIPASDONE，STUDYTHEAPPLICATIONOFPOSSUPPORTEDAERIALPHOTOGRAMMETRYAFTERTHEANALYSISOFTHETESTDATA,COMEINTOBEINGTHEJOBFLOW,HASACCUMULATEDTHEPRECIOUSEXPERIENCEFORTHEFURTHERTASKOFPOSASSISTANTPHOTOGRAMMETRYKEYWORDSPOSPOSITIONANDORIENTATIONSYSTEMSUPPORTEDAERIALPHOTOGRAMMETRYDIFFERENTIALGPSIMUINERTIALMEASUREMENTUNIODIGITALCAMERACALIBRATION西安电子科技大学学位论文独创性或创新性声明秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其它人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。本人签名日期兰翌呈三西安电子科技大学关于论文使用授权的说明本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。本人签名盘耋主导师签名日期丝12墨圣第一章绪论第一章绪论11引言传统的航空摄影测量成图方式，主要包括航空摄影、外业控制、空三加密及内业测图等步骤。该过程工序复杂、周期长、费用高。摄影测量最基本的任务之一就是利用立体像对上每对同名像点的投影光线进行交会，获得对应地物点的空间坐标。为了得到正确的交会结果，必须恢复摄影影像上每一条投影光线在摄影时刻的空间位置与方向，而其空间位置与方向是由航摄仪的内方位元素和摄影时刻的外方位元素所决定的。解求摄影时刻航摄仪内、外方位元素的过程分别称为内定向和外定向。内定向可以通过航摄仪检定来完成，外定向则更复杂。传统航空摄影测量都需要使用野外控制点通过空三加密求解外方位元素，而野外控制点的测量历来是一项工作量大、作业成本高的工作，特别是在荒漠、森林、高山等困难地区更是如此。因此，减少野外控制点数量、甚至实现无野外控制点定位一直是摄影测量的重要研究方向之一。为此，人们一直试图在航空摄影飞行过程中记录、确定航摄仪的位置和方向，并利用这些数据实现航摄像片的绝对定向。我国著名学者王之卓院士早就提出“人们将努力摆脱地面控制，设计一种不需要在地面上进行测量而进行摄影测图的系统UJ的基本思想。在对前期的一些航空摄影辅助定位设备如测高仪等研究的基础上，结合全球定位系统和惯性测量单元的发展，王之卓院士又提出“对今后空中三角测量特别有前途的将是对惯性量测系统IMU和全球定位系统GPS等辅助数据的利用【2】O自上世纪末以来，随着全球定位系统GPS的精度应用范围大大提高，惯性测量单元IMU在精度不断提高，成本不断降低。GPSIMU组合系统在航空遥感中的应用逐步成为摄影测量界的一个研究热点。而计算机技术的发展，现代控制理论的成就，特别是最优估计理论的数据处理方法，为该系统提供了技术条件与理论基础。高精度的惯性测量单元即IMUINEAIMMEASUREMENTU11IT和差分GPSDIFFEREMIALGPS组合系统可直接记录相机曝光瞬间的位置和姿态信息，通过后续解算获得每张像片的外方位元素，其中线元素精度可达530CM，角元素精度可达00LO。目前全球许多国家的航空摄影测量成图项目均采用该技术，被认为是遥感和航空摄影测量技术发展的趋势，。由于该技术尤其是惯性测量单元在军事领域的应用价值，欧美一些国家对中国一直实行出口限制，进入2002年以来，欧洲政策的松动，APPLANIX公司的POSAV产品和IGI公司的AEROCONTROL产品逐步在我国引进应用。本项目在验证POS精度的前提下，摸索出一套适合实现中小比例尺无控或少量控制成图的生产作业流程，为用好POS打下基础。2POS辅助航空摄影测量应用方法研究与误差分析12课题的背景及意义目前，基本比例尺地形图的测制全部是利用摄影测量方法完成的，从测图过程讲，摄影测量主要分为控制测量、地物地貌采集及编辑三大工序。其中控制测量担负着为地物地貌采集提供必需的像片控制的任务。控制测量由野外控制测量和室内计算机加密两个步骤共同完成。野外控制测量是按室内计算机加密的要求，在遥感图像上的一定位置选取一定数量的像片控制点，并在实地测出它们的高斯坐标或高程，从而将自由坐标系的遥感图像归化到高斯坐标系中。按照常规作业方法，需要测量的野外控制点数量很多。如平坦地区一个12幅110000地形图的加密区域，需要布设的控制点约24“30个。再如，某单位在格尔木地区测制150000地形图时，由于没有老的控制资料，且该地区的大地控制点又非常少，因此，在一百多幅图的测区内布设了1000多个野外像片控制点。由于野外控制点必须到实地进行选点施测，点位在像片上的位置又要求严格，又主要靠手工作业，所以严重影响摄影测量的成图效率，增加作业成本。所以，如何大幅度地减少野外控制点的数量，甚至不用实地测量控制点是现代摄影测量一直期望解决的问题。POS的出现与应用实现了中小比例尺成图无控或只用少量控制点，降低了野外控制点的数量要求，特别是在荒漠、森林、高山、荒岛等不易控制的困难地区它对于减轻作业难度作用显著，POS的使用缩短了航空摄影测量的工作周期，提高了作业效率，降低了任务成本，显著提升了航空摄影测量的生产能力。根据成图比例尺及POS精度的不同，对POS组合系统提供的定位定向参数的使用可分为两种。当参数精度较低或用于大比例尺测图时，把系统提供的数据纳入空中三角测量区域网的联合平差之中，这样可以把测图所需要的地面控制点大大减少；当POS系统提供的数据精度足够高或用于小比例尺地形图测制时，原始数据经过检校和精处理后，可直接求出满足摄影测量精度要求的像片外方位元素，就不再需要的野外控制点。由于不同的POS精度不同，其使用环境有差异，同时我国本地坐标系与WGS84坐标系的差异，对于一个待用的POS系统来说，实际精度如何、需不需要野外控制点、如何分布外业控制点以及如何保证系统最优工作状态等问题有必要从理论进行深入的研究，再实践论证，最后得出结论，用于实际生产作业。通过本课题的研究，验证和分析了不同条件下POS的精度；针对测制不同比例尺、不同地形条件的地形图，确定需要的野外控制点的数量、类别、位置分布；研究POS辅助航空摄影测量生产的最佳作业流程，以达到既保证质量又提高生产效率的目的。随着近几年传感器的发展，SAR、LIDAR、面阵CCD相机，三线阵CCD相机等已经越来越多的被运用于航空遥感领域，而POS也从原来作为一种辅助设备变成了不可或缺的重要部分。其使用对整个摄影测量起到积极的推动作用。如图第章绪论1L所示，当用于传统框幅式航空相机时，通过对其数据的精确后处理，可以直接获取相机中心点在曝光瞬间的坐标位置及主光轴的姿态信息，从而实现无地面控制点或只需极少量地面控制点的航空摄影测量。当同线阵CCD相机联合使用时可以获取线阵图像连续变化的位置和姿态，这样可抛弃传统的多项式拟台方法，完成线阵CCD图像的准确定位。若与高精度激光扫描仪集成，可实现实时三维测量，自动生成数据表面模型，并推算数字高程模型。另外还可应用于SAR图像的精确几何校正。因此，研究POS辅助下的航空摄影测量及数据处理方法，对摄影测量的发展具有十分重大的意义，且推广应用前景广阔。图1LPOS定位定向系统在摄影测量中的应用13国内外研究现状在摄影测量中利用航摄仪定向数据的历史要追溯到60多年前。芬兰最早将高差仪和地平摄影机观测数据用于相片纠正以减少所需的地面控制点。不久，这些观测数据又被用于模拟航带空中三角测量以控制模型连接误差的二次累积。二次大战以后，人们的注意力又开始转向使用空中断面记录仪APR。但总的来说，这些航摄仪定向数据的实际效果是很有限的，其精度还不能达到可在仪器上直接安置的水平。上世纪50年代，出现了机载无线电定位系统和惯性平台，然而，尽管这些装置集中了当时最先进的技术，但精度仍然不高且成本十分昂贵，未能在摄影测量实践中广泛应用。此后与航摄仪定向数据的联合平差方面的研究进展缓慢，这主要是由于航空摄影辅助设各的类型比较单一且精度低而成本高。近年来，由于摄影测量在各类误差处理上的显著成效，其定点精度有了明显改善，还出现了多种高精度的机载导航设备，航摄仪定向定位数据的利用再度引起国际摄影测量界的高度重视。从1984年ACKERMANN报道利用CPNS计算机控制的像片导航系统数据进行联台平差的实验结果起SCHWARZ1984、LUCAS1986、ACKERMANN4POS辅助航空摄影测量应用方法研究与误差分析1986、FRIESS1986、李德仁等1989先后报道了利用GPS数据进行区域网平差的模拟实验结果，从而在理论上对利用摄影机定向数据的区域网平差有了新的认识【41。同时，由于全球定位系统GPS、惯性测量单元IMU的不断发展以及GPSAMU组合技术的不断改进，20世纪80年代以来，美、英、法等国的一些主要惯性测量单元制造厂纷纷投入力量研制GPSIMU组合导航系统。美国霍尼韦尔HONEYWELL公司研制了激光陀螺惯性基准GPS组合系统GAIMU，用于装备该公司的波音飞机。法国SAGEM公司研制出用于ATL2海上巡逻机的GPS和框架式惯性基准的组合导航系统ULISS46，目的是为了改进战术导航性能。美国费伦第FERRANTI公司研制出为FIN3020战斗机所用的激光惯导和GPS组合系统，并将向欧洲战斗机提供。此外，GPSDMU组合系统将有可能在全世界范围内进行海上定位，在适当的气候条件和良好的卫星几何条件下近海定位可以达到5M的精度。美国航天飞机的导航系统是以惯性测量为主的组合系统，在轨道段和下降段GPS系统能将定位精度分别提高12个数量级和14个数量级【5L。由于GPSHMU组合系统还可广泛应用于航空重力测量、航空摄影测量和陆地道路测量等领域，因此引起了测量界的广泛兴趣，国内外对利用GPSHMU组合系统进行像片控制测量的研究和使用非常重视。20世纪90年代，一些发达国家意识到单靠GPS虽然能极大地减少控制点的数量，但是平面精度、特别是高程精度仍显不足，且稳定性和可靠性难以得到保障；同时随着陀螺精度的提高且成本不断降低，开始将精密陀螺与卫星定位系统联合应用于航空摄影测量中。德国斯图加特STUTTGART大学、德国IGI公司、美国俄亥俄州立大学OHIOSTATEUNIVERSITY、加拿大APPLANIX公司、卡尔加里CALGARY大学等相继开发研制了这类专用于航空摄影测量的导航设备，并作了大量的测图试验工作【61。随着POS精度的不断提高，使得POS解算的外方位元素用于直接定向DG成为可能。如美国俄亥俄州立大学研制了航空组合测图系统AIRBOMEINTEGRATEDMAPPINGSYSTEM，AIMS71，用于大比例尺测图，经过后处理可得到57CM的位置精度和小于10秒的方位精度。采用此技术进行航空摄影测量可实现无需或只需少数的地面控制点，对中小比例尺成图可不做空三大比例尺成图时也只需做自动空三即可。欧洲摄影测量试验研究组织OEEPETHEEUROPEANORGANISATIONFOREXPERIMENTALRESEARCH较早着手进行POS辅助空中三角测量研究。它们通过实验分别采用GPS辅助空三，直接定向法以及IMUDGPS辅助空三方法进行比较，验证各种方法所能达到的精度。目前国际上使用比较成熟的商用GPSIMU系统主要有两种，一种是加拿大APPLANIX公司的POSAV系统，还有一种是德国IGI公司的AEROCONTROL，如图第章绪论L2、图13所示，徕卡公司的ADS40必需配置POS系统，早期型号采用POSAV集成安装，后期则使用IPAS。APPLANIX公司于1996年生产其专用于航空系列产品POSAV系列，先后生产POSAV210、POSAV310、POSAV410和POSAV510，POSAV510系统中的IMU采用的是LITTONLN光纤陀螺和硅加速度计组成，但由于出口限制的原因，进_200入国内市场的是法国的SAGEM陀螺，采样频率250HZ。实时位置精度0520米，实时方位精度俯仰和倾斜0008。航向005。后处理位置精度005030米，实时方位精度俯仰和倾斜0005。、航向00080。_南曩膏图L2APPLANIX公司的POSAV510图13IOL公司的AEROCONTROLIIDIGI公司生产的AEROCONTROLIIB系统中IMU采用的是光纤陀螺和机械式加速度计，采样频率为64256HZ。后处理位置精度0102米，实时方位精度俯仰和倾斜0005。、航向001O嗍。两种GPSIMU系统硬件主要包括惯性测量单元IMU、机载双频GPS接收机及高性能机载GPS天线、地面OPS接收机基准站、机载计算机以及存储设备。软件包括差分GPS数据处理软件、KALMAN滤波处理软件以及空三加密、检校计算软件等。由于惯性测量技术，特别是陀螺仪生产技术相对比较落后这也是国外长期限制出口的原因之一，国内自行研制的类似设备都着力用其它技术手段弥补陀螺仪精度差的问题，比如西安交大自动化研究所研制的POS就是使用两个GPS来提高整体精度。国内目前对POS以及其在航空摄影测量和遥感上应用的研究还处在起步阶段，基本是引进国外比较成熟的设备，在应用中逐步掌握相关技术，2002年底，中国测绘科学研究院首次从德国IOI公司引进了高精度航空定位导航姿态测量系统AEROCONTRO，并在河南省安阳市成功地进行了航空摄影测量实验。此次实验的内容包括在125平方公里的平原地区进行航摄比例尺为14000、成图比例尺为11000的航测成图工作；在308平方公里的丘陵和平原地区进行航摄比例尺为120000、成圈比例尺为15000的航测成图工作。实验采用GPSIMU航空摄影测量与常规摄影测量方法同时进行。初步验证了GPSIMU系统的精度，探索出了适合我国国情的GPSIMU航空摄影测量方法和流程。6POS辅助航空摄影测量应用方法研究与误差分析近两年，中科院上海技术物理所、中科院遥感应用所、中科院电子学所、武汉大学遥感信息工程学院、太原通用航空公司、西安国测航摄遥感有限公司等单位也相继引进了加拿大APPLANIX公司的POSAV系统并进行了相应的试验和生产，尤其随着ADS40数字航测相机的大量引进，POS在辅助航空摄影测量领域取得了一些成果。但要将GPSIMU组合系统大规模用于基础航空摄影测量并形成一套比较完善的工作和工艺流程还需要进一步探索总结。14本文的主要研究工作及内容安排本文首先阐述了差分GPS、惯性测量单元IMU及DGPSIMU组合系统的有关基本原理，在此基础上对DGPSIMU辅助航空摄影测量的相关方法和关键技术如基准站的布设、检校场的布设及飞行方式、基准站联测、偏心向量测量等进行了研究并设计实验方案，对POSAV510和ASD40的IPAS系统进行了完整的飞行实验，对其测量数据进行了处理和分析，取得一些对POS辅助摄影测量应用有建设性的结论，同时结合国内外相关报道，形成一套完善的POS辅助航空摄影测量的组织实施方案和作用流程。论文的组织及内容安排如下T第一章绪论。该章主要介绍了本文的研究背景和应用意义，DGPSIMU辅助航空摄影测量的国内外研究现状和发展动态。第二章POS系统基本原理。该章分别介绍了差分GPS、惯性测量单元及DGPSIMU组合系统的工作原理，分析了POS的误差来源，并讨论了常用的导航坐标系。第三章POS辅助航空摄影测量的方法研究与误差分析。该章从基本原理出发，分析了GPSIMU组合导航数据的两种主要使用方法，即直接定向法和GPSIMU辅助空中三角测量方法的数学模型，同时讨论了GPSIMU辅助航空摄影测量的误差来源及误差控制方法。第四章GPSIMU辅助航空摄影测量的关键技术。该章针对GPSIMU辅助航空摄影测量与传统航空摄影测量的不同，对GPSIMU辅助航空摄影测量的关键技术如差分GPS地面基准站数量、控制距离及布局；检校场的布设及飞行方法；基准站联测及偏心分量的测量等进行分析和研究。第五章数字相机和IMU的检校，该章介绍了数字相机和IMU飞行检校的原理，软件模块，工作流程，并以检校飞行数据比较了两个检校软件的结果第六章POS辅助航空摄影测量应用实验，该章以POSAV510和IPAS实验为例，详细介绍了整个实验过程及结果。第七章实验结果研究与精度分析。并对实验数据进行了深入分析，最后总结出了POS辅助航空摄影测量飞行的组织实施方案及基本工作流程。第一章绪论7第八章总结与展望。该章总结了本文的研究工作，分析了论文研究中的问题和不足，展望了POS辅助航空摄影测量的前景和未来研究方向。第二章POS工作基本原理9第二章POS工作基本原理21引言20世纪70年代现代组合导航系统在航海、航空与航天等领域，随着现代高科技的发展应运而生的。随着电子计算机技术特别是微电子技术的迅猛发展和现代控制系统理论的进步，为了提高导航定位精度和可靠性，出现了多种组合导航的方式，如惯性测量与多普勒组合导航系统、惯性测量与测向测距VO舳ME组合导航系统、惯性测量与罗兰LORAN组合导航系统，以及惯性测量与全球定位系统INSGPS组合导航系统。这些组合导航系统把各具特点的不同类型的导航设备匹配组合，扬长避短，加之使用卡尔曼滤波技术等数据处理方法，使系统导航能力、精度、可靠性和自动化程度大为提高，其应用领域也随着技术的发展逐步扩展到航空摄影测量。20世纪90年代，一些发达国家意识到航空摄影中单靠GPS定位虽然能极大地减少控制点的数量，但是平面精度尤其是高程精度仍显不足，且稳定性和可靠性难以得到保障；同时随着陀螺精度的提高和成本降低，开始将精密陀螺与卫星定位系统联合应用于航空摄影测量中。德国斯图加特STUTTGART大学、德国IGI公司、美国俄亥俄州立大学OHIOSTATEUNIVERSITY、加拿大APPLANIX公司、卡尔加里CALGARY大学等相继开发研制了这类专用于航空摄影测量的导航设备，并作了大量的测图试验工作。POSPOSITIONANDORIENTATIONSYSTEM是DGPSIMU组合定位定向系统的统称。加拿大APPLANIX公司首先把GPSIMU机载测量系统用于商用，1996年生产了为机载遥感专用的POSAV系列产品。紧随其后德国IGI公司推出了AEROCONTROL系列产品。2006年，瑞士LEICA公司研发的惯性定位定向系统IPASL0也投放市场。其基本工作原理都一样，只是使用了不同型号的IMU，精度上略有不同。本章将对差分GPS、捷联惯性测量系统及DGPSIMU组合的基本原理进行简单分析和介绍。22差分GPS基本原理1973年12月，美国国防部批准其陆、海、空三军联合研制新的卫星导航系统NAVSTARGPSNAVIGATIONSATELLITETIMINGANDRANGINGGLOBALPOSITIONINGSYSTEM，即“卫星授时与测距导航全球定位系统”，简称GPS。该系统是一种以卫星为基础的无线电导航系统，具有提供全球性、全天候、连续性和实时性的导航、定位和授时的功能。能为各类用户提供精密的三维坐标、速度和时间信息。2004年美国签署天基定位、导航与授时文件PNT，为采购、管理、维护GPS提出指导，并成立天基PNT全国执行委员会EXCOM。当前有31颗卫星在轨，但出10POS辅助航空摄影测量应用方法研究与误差分析现老化情况，其改进项目GPS1IF和GPSIII型正在进行全球定位系统主要由空间部分卫星星座、地面监控部分和用户设备部分GPS接收机这三大部分组成。其采用多星、高轨、测距体制，以距离作为基本观测量。通过对四颗卫星同时进行观测，即可解算出接收机的位置。但其定位精度要受到空间卫星误差、接收机误差及外界条件误差的影响。由于差分定位在两站或多站同步跟踪相同的GPS卫星，而卫星星历误差、卫星钟差、电离层和对流层迟延误差，对同一颗卫星的两站观测值的影响是相同的或基本相同。因此，通过差分定位可有效地消除或减弱这些误差的影响，提高定位精度。在美国一项改进的国家DGPS可用于地面与海上的PNT需求，NDGPS通过地面参考站将地区信息转换为校正信息，为用户提供更高精度的PNT服务。而对于空中和太空，NASA的喷气推进实验室JPL增强系统全球差分GPSGDGPS该系统与任何双频GPS接收机结合，可提供1020厘米的实时定位精度。DGPSIMU组合系统中都使用差分技术，下面首先介绍一下差分GPSDIFFERENTIALGPS，简称DGPS。221差分GPS定位原理差分GPS的基本原理是，在一个或几个有已知坐标的位置设置GPS接收机作为基准站，与运动载体上的接收机进行同步观测，然后将已知点上GPS测定的位置坐标或其它参数与相应的已知结果求差，再通过通讯设备专用电台将已知点基准站的差分信息传至载体上的运动接收机，综合两站的观测数据进行联合解算。差分GPS分为两大类伪距差分和载波相位差分。其中，伪距差分以伪距作为观测量进行差分处理，能得到米级定位精度；载波相位差分处理两个测站载波相位观测量，可使定位精度达到厘米级，大量应用于需要高精度位置的领域。在DGPSIMU辅助航空摄影测量中主要采用载波相位差分技术。载波相位测量的观测量是通过对载波信号的恢复以及对载波相位的跟踪和测量而得到的。它实际上是由对GPS卫星信号和GPS信号接收机参考信号的相位比较而获得的相位差值。由于不使用码信号，不受码控制的影响，属非码量测系统。设GPS卫星I在GPS时系T时刻发播信号的相位为缈。L1J，GPS信号接收机K在接收机钟面时OT时刻接收到卫星J载波信号的相位值为J，此时，接收机K的本机参考信号相位为仇【，则载波相位观测量可表示YD91州正酬互一仇Z式，1差分的方法有多种，如单差、双差和三差分等。单差法可以消除常数误差，但仍有一部分系统误差无法抵消；双差法可以进一步消除接收机的时钟误差，也可减少轨道星历偏差和电磁层折射的影响。在机载航空摄影测量中通常采用双差法，即在时刻T时不同卫星IJ间地面基站R与接收机K的相位差分，可写为第二章POS工作基本原理V鳓，一矽艇一州T，式22严格而言，载波相位应被称为载波拍频相位，它是收到的受多普勒频移影响的卫星信号载波相位与接收机本机振荡产生的信号相位之差。一般在接收机钟确定的历元时刻量测，保持对卫星信号的跟踪，就可记录下相位的变化值，但开始观测时的接收机和卫星振荡器的相位初值是未知的，起始历元的相位整周期数也是未知的，只能在数据处理中作为参数解算。相位观测值的精度高至毫米，但前提是解出整周模糊度，因此只有在相对定位、并有一段连续观测值时才能使用相位观测值，而要达到优于米级的定位精度也只能采用相位观测值。整周模糊度计算的准确与否将直接关系到最终定位的精度【引。222GPS载波相位差分定位中初始整周模糊度的确定GPS相位测量技术在静态精密定位中应用己有较长的历史，其精度可达厘米级，并被广泛应用于大地测量等领域。制约其在动态导航中应用的关键技术是初始整周模糊度的解算，传统的做法需要大量的观测时间确定载波相位的初始整周模糊度。近几年国外学者陆续提出一些模糊度快速解算方法，如REMONDI最先证实可利用初始采集的静态数据确定整周模糊度。目前已有多种整周模糊度的瞬时算法，其中一些只适用于双频接收机，如“甚宽巷组合观测值法”就需要组合利用双频相位观测数据与P码观测值。此外，一些学者提出附带约束方程的模糊度函数法、递推最小二乘的搜索法和基于也的KALMAN滤波算法。20世纪90年代初，相位整周模糊度参数的瞬时求定OTF算法得到广泛关注，它可省去在精密动态定位中的静态初始化过程，常规精密定位中复杂的整周跳变问题也因OTF的引入变得十分简单【12，13】O载波相位差分测量整周模糊度的确定模型为【141五XKLL11N0，RK，驴乙，妒HK，伊噩圪，9VT，矿NO，QI式23式中XKDXDYDZXYZDNOD1D姗为状态向量；K1为状态转移矩阵；HK，M为载波相位的测量矩阵；耻，Q为载波相位的方差阵；QK为系数阵。ONLCCLQ7MINFC2D一DN式24由式24计算得到整周模糊度N后，代入载波相位观测方程，便可以获得厘米级甚至毫米级的平面定位精度。为进行高精度解算，实际作业中要求采用双频GPS接收机。这样，整周模糊度搜索更快，也更准确。一般地，用单频接收机需要1020分钟才能算出的解，用双频机可在几分钟之内完成。同时应用双频数据可以进行电离层改正，在基线长12POS辅助航空摄影测量应用方法研究与误差分析超过10KM的情况下可大大提高精度。223GPS系统定位误差来源及分析GPS定位的主要误差来源有以下三方面第一是空间卫星误差，如卫星星历误差、卫星钟差误差、卫星设备延迟误差等；第二是接收机误差。如测量误差、计算误差和设备延迟误差等；第三是外界条件误差。主要是卫星信号传播中产生的误差，如对流层传播延迟、电离层传播延迟和多路径效应等误差。下面分别对这些误差源进行讨论和分析。1卫星星历误差星历误差是指实际卫星位置和卫星轨道数据预报出的卫星位置之间的偏差。星历中的主要误差源可以认为是太阳压力参数、地心引力常数误差以及卫星时钟误差。这些误差对用户观测到的误差伪距误差和多普勒误差的影响很复杂。星历表误差是由卫星系统观测计算及修正后的剩余误差组成。在工作系统中星历误差值一般很小，约小于3M。2卫星钟误差卫星钟误差是指实际卫星钟时间与用于卫星数据计算的时间之差。卫星信号定时用的振荡器是连续运转的，GPS地面控制台对其进行检测并加以校正，将校正值上行注给卫星以重置数据电文，用户则可以从电文中读出这一数据并相应调节信号定时器。GPS卫星时钟误差在伪距测量中表现为一个偏差；其噪声占据了卫星到用户伪距误差的90以上，卫星钟呈现为典型的原子频标漂移。消除卫星钟误差的有效办法是采用差分技术。3接收机钟差与卫星钟一样，接收机钟也有钟误差。而且接收机中一般使用精度较低的石英钟，因而钟误差更严重。同一台接收机对多颗卫星进行同步观测时，接收机钟差对各相应观测值的影响是相同的，且各接收机的钟差之间可视为相互独立。4接收机测量误差接收机硬件和软件处理信号时引起的噪声和信号清晰度误差将造成测距误差。对于高性能的多通道接收机，由于天线受到的干扰、测量电路的偏差、机械编排中的量化误差、计算近似和截断误差造成的总误差约为15M。5多路径效应误差多路径效应是指由于天线周围其它表面反射的卫星信号迭加进接收信号中而引起的误差影响。反射信号有时与直接信号一样强，使得GPS接收机跟踪的是反射信号而不是直接信号。静态定位时，此项误差呈现系统性，但却难以用模型模拟。动态应用情况下，由于载体的运动，此项误差较多地表现为随机性误差。在天线安装时应注意周围环境，尽量减小多路径干扰，把多路径误差限制在尽可能第二章POS工作基本原理13小的范围内。6电离层延迟误差电磁波信号通过电离层时传播速度会产生变化，致使量测结果产生系统性的偏离，由于传播速度的不稳定，GPS信号运行时间的测量会出现误差，从而导致伪距测量误差。电离层延迟误差的大小取决于外界条件时间、太阳黑子数、地点等和信号频率，可以采用双频测量消除电离层延迟误差。电离层延迟是GPS导航定位中的一种重要误差源，也是致使一般差分GPS系统的定位精度随用户和基准站间的距离的增加而迅速降低的主要原因之一【”】。7对流层传播延迟误差对流层存在于从海平面到50KM高度这一范围之内，对流层的主要成分是空气和水汽。因为对流层折射系数不同于真空，电磁波通过对流层时也会产生路径弯曲和相位传播速度变化。对流层的附加延时与电波频率无关，不能采用双频率校正法，实时修正只能根据对流层模型来修正。23IMU基本原理惯性测量单元IMUINERTIALMEASUREMENTUNIT其基本原理是根据相对惯性空间的力学定律，利用陀螺、加速度计等惯性元件来感测飞机或其它载体的加速度、速度和运动方向，然后经过积分运算，从而确定载体位置的。231常用的导航坐标系导航定位系统的主要功能，就是能够精确地确定运动物体在地球表面及空间中的位置，而位置通常是利用相应与某个坐标系的坐标来表示。下面对导航系统常用的坐标系作一下简单的介绍【101。1惯性坐标系简称I系坐标系原点为地心；X。和Y轴在地球赤道平面内，X轴指向春分点春分点是天文测量中确定恒星时的起始点；Z。轴指向地球极轴。导航卫星运动方程的积分结算，就是在该坐标系中完成的，这也是空间稳定力学编排系统的基本坐标系。2地固坐标系简称E系原点为地心Z。轴指向地球极轴；X。轴通过零子午线；Y。垂直于X。和Z8轴，并构成右手坐标系。WGS84坐标系就属于地固坐标系。3当地水平坐标系L系原点为飞行器中心。XL轴沿参考椭球卯酉圈方向指向东E；Y工轴沿参考椭球子午圈方向指向北N；Z工轴沿参考椭球外法线方向指向天顶；因此又称为东北天坐标系。该坐标系的基准面、基准线分别为大地水准面和铅垂线，类似于站心垂线测量坐标系。4载体坐标系简称B系原点为载体重心；X6指向载体横轴向右Y6轴14POS辅助航空摄影测量应用方法研究与误差分析指向载体纵轴向前；Z6垂直于X6和Y6轴，并构成右手坐标系。5导航坐标系或计算坐标系简称K系导航坐标系是惯导系统在求解导航参数时所采用的坐标系。对捷联惯导系统来说，导航参数并不在载体坐标系内求解，它必须将加速度计信号分解到某个求解导航参数较为方便的坐标系内，这个坐标系就是导航坐标系。载体在某个坐标系如A系中的位置是该坐标系中的一个点，可用向量表示为，。口Y口Z42式25式中，A代表坐标系类型，0口Y4Z4R是载体在A系中的坐标。载体在不同坐标系中的列矩阵表达式是不同的，因此，导航计算中经常涉及到坐标系的转换。232惯性测量的基本原理惯性测量系统就是在被导航的载体中安装一个稳定平台，用该平台模拟当地水平面、建立一个空间直角坐标系，三个坐标轴分别指向正东E、正北N及天顶方向U，也称为东北天坐标系。在载体运动过程中，利用陀螺使平台始终跟踪当地水平面，三个轴始终指向东、北、天方向。在这三个轴向上都安装上一个加速度计，这样三轴加速度计就能分别测量载体在这三个方向上的加速度口。、A。、口。将这三个方向上的加速度分量进行积分就可得到载体沿着三个方向上的速度分量【310】也，OV。FO屹FOAATIT0N出卜西式26再对速度积分就可得到载体在地球上的位置，用经、纬度和高程可表示为名厶C砌缈J触HOFOHAT式27式中厶，为载体的初始位置；A，缈，办分别表示经、纬度和高程的时间变化率，可由运动速度计算第二章POSII作基本原理15五HCOSO函JLLMJRHHK将式28代入式27就得到载体的瞬时位置拈厶R赤衍妒R点衍办H。RV。DT式28式29式中，M、N分别表示地球椭球的子午圈、卯酉圈曲率半径。另外，由于初始位置厶，RPO，HO须事先已知并输入惯性测量系统，所以惯性测量属于相对定位。233捷联式惯性测量系统目前应用中的惯性导航系统主要分为两类机械平台式与捷联式GIMBALLEDANDSTRAPDOWNSYSTEMS。一个完整的惯性导航系统应由惯性元器件力口速度计、陀螺、导航计算机、控制显示器和电源及必要的附件等几个主要部分组成。在机械平台式系统中，惯性元件被安装在一物理平台上。利用通过伺服电机驱动的陀螺稳定平台，使其始终仿真一个空间直角坐标系导航坐标系，力学编排和导航计算在该坐标系中进行；三个加速度计用于测定三轴方向上的运动加速度值。捷联式惯性导航系统SINSSTRAPDOWNINERTIALNAVIGATIONSYSTEM，没有实体平台，陀螺和加速度计直接安装在载体上，惯性元件的敏感轴安置在所谓的载体坐标系三轴方向上。从图21中可看出，陀螺仪测定载体相对于惯性参照系的运动角速度，并由此计算载体坐标系至导航计算坐标系的坐标变换矩阵。通过此矩阵，把加速度计测得的加速度信息变换至导航计算坐标系中，然后进行导航计算，得到所需要的导航定位参数；同时，可以利用坐标变换矩阵的元素来提取姿态信息【101。捷联式惯性测量系统的主要特征是用计算机来完成导航平台的功能，即采用“数学平台”替代实体的物理平台，从而使整个设备的体积、重量和成本都大大降低，而且捷联式惯性测量系统还有可靠性高、初始对准快的优点，因此捷联式惯性测量系统在GPSIMU组合导航中得到广泛使用。16POS辅助航空摄影测量应用方法研究与误差分析24POS工作原理IMU惯性测量单元最大优点是不依赖于任何外界信息，能够进行完全自主的导航。惯性测量单元能够连续长时间的工作，可以提供多种导航信息如位置、速度、航程、航向，还可以提供水平及方位基准，精度较高。但是，惯性测量单元的精度主要取决于惯性器件陀螺仪和加速度计的精度，并且其定位误差随时间积累，精度逐渐降低，这对于需要长时间工作的情况是极为不利的。而且其初始对准时间长，所以想到利用其它定位手段作为参考信息源，定期或不定期地对惯性测量单元进行综合校正，对惯性器件的漂移进行补偿。GPS卫星导航系统具有定位精度高的特点，而且能够进行全球、全天候、全天时、多维连续定位，其精度不随时间变化。然而，GPS是非自主式的系统，不能提供诸如载体姿态等参数，运动载体上的GPS接收机不易捕获和稳定跟踪卫星信号，动态环境造成中信噪比下降。这些原因都容易产生周跳。而且由于GPS信号在传播途中的干扰，使得系统定位精度有所下降，定位结果较为离散。如上所述，GPS和IMU惯性测量单元各有所长，具有可互补的特点，两者的组合不仅具有两个独立系统各自的主要优点，而且随着组合水平的提高，它们之间信息传递、融合、使用的加强，组合系统的总体性能要远优于任一独立系统。组合导航把无线电导航长期精度高与惯性测量短期精度高和不受干扰的优点结合起来，因而GPS与IMU的组合被认为是目前导航领域最理想的组合方式，其基本原理如图21所示。POS都是采用这样的组合系统，其优点主要表现在1GPSIMU组合提高了系统的精度高精度GPS信息作为外部测量信息输入系统，在运动过程中频繁修正IMU测量值，以控制减弱其随时间积累的误差；而短时间内IMU定位结果可以很好的解决GPS动态环境中由于信号失锁和周跳导致的精度跳跃下降问题。因而，GPSIMU组合测量误差实际上比单独的GPS或IMU的误差都小。2GPSIMU组合加强系统的抗干扰能力由于IMU可以独立进行导航，因而当GPS信号受到干扰时，IMU不仅能提供导航信息，而且其导航解可作为辅助信息，对GPS码和载波的再捕获起辅助作用，大大缩短了GPS恢复工作的时间，提高了GPS接收机的跟踪能力。而GPS信息对IMU的辅助可使IMU在运动中不断进行初始对准。3GPSIMU组合解决了GPS动态应用采样频率低的问题由于GPS的数据采样率低，不能达到某些动态应用中的要求，这时高频IMU数据可以在GPS定位结果之间高精度内插所求事件发生的位置，如航空相机曝光瞬间的位置，从而保证了组合系统对整个航线的各个摄影位置的高精度定位。当然GPS本身的采样频率也随着设备的发展不断提高。第二章POSJ作基本原理4GPSIMU组合将降低对惯导系统的要求长期以来，IMU的高价格一直是限制其广泛应用的主要原因。而组台系统提供另一种解决方案利用IMU的速度信号解决动志跟踪问题，而高精度定位则由GPS柬实现，因此可以采用较低性能的IMU，从而降低了组合系统的成本。图21机载POS工作原理示意幽第三章POS辅助航空摄影测量原理与误差来源19第三章POS辅助航空摄影测量原理与误差来源目前对POS数据的使用主要有两种方法一种是直接定向法，另一种是POS辅助空中三角测量法。31POS数据用于直接定向直接定向DGDIRECTGEOREFERENEING，是利用POS集成的高精度差分GPS和惯性测量单元IMU，在航空摄影的同时获得差分GPS数据和姿态数据，通过事后GPS差分处理及IMU姿态测量数据处理，获取摄影时刻航摄仪精确位置坐标和姿态，通过对系统误差的校正，进而得到每张像片的高精度外方位元素，直接用于后续测图而不使用传统摄影测量中的地面控制点。不过直接定位的精度要主要受到如摄影比例尺的限制。直接定向法的产生首先是用于高光谱仪和LIDAR等传感器，逐渐应用到航摄相机，进入航空摄影测量成图领域。现在一般认为，其在小比例尺航测中的精度能达到测图要求，而在大比例尺航测中，直接定位的水平精度尚可但高程精度却难以达到要求。要对影像进行定向就必须获得航摄仪的内方位元素和摄影时刻的外方位元素。航摄仪的内方位元素目前一般都采用室内实验室检校的方式获得，可以认为是己知准确的值。而传统的空中三角测量的过程就是解算外方位元素的过程。由于POS可以获得载体的位置和姿态信息，当POS获取位置和姿态信息经解算获得外方位元素的精度足够高时，就可以省去空中三角测量的过程而进行直接定向。20POS辅助航空摄影测量应用方法研究与误差分析图31POS直接定向原理直接定向原理如图31