航空攝影測量中POS系統誤差分析

發(fā)布日期：2018-05-29 00:00 瀏覽量：12068

　　20世紀90年代，GNSS輔助空中三角測量的方法得到了廣泛應用，利用GPS獲得的定位信息用來(lái)輔助空中三角測量，展現了導航技術(shù)在測繪領(lǐng)域的應用前景。GPS技術(shù)雖然解決了像片的定位問(wèn)題，但是無(wú)法獲取像片的姿態(tài)參數，不能徹底擺脫地面控制。隨著(zhù)航空攝影測量技術(shù)和慣性導航技術(shù)的發(fā)展，一種新的方法開(kāi)始應用于航空攝影測量——定位定向系統（Position and Orientation System，簡(jiǎn)稱(chēng)POS系統）輔助航空攝影。機載POS系統集GPS技術(shù)與慣性導航技術(shù)于一體，使準確地獲取航攝相機曝光時(shí)刻的外方位元素（GPS測量得到位置參數，慣性導航系統得到姿態(tài)參數）成為可能，從而實(shí)現了無(wú)（或少量）地面控制點(diǎn)，甚至無(wú)需空中三角測量加密工序，即可直接定向測圖，從而大大縮短航空攝影作業(yè)周期、提高生產(chǎn)效率、降低成本。

因此，POS系統的出現，將從根本上改變傳統航空攝影的方法，進(jìn)而引起航空攝影理論與技術(shù)的重大飛躍。隨著(zhù)計算機技術(shù)的發(fā)展及其慣性、GPS器件精度水平的提高，POS無(wú)論定位定向精度還是實(shí)時(shí)數據處理能力都會(huì )有質(zhì)的提高，將會(huì )在航空攝影測繪方面發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。POS系統高精度定位定向技術(shù)是POS系統應用的關(guān)鍵技術(shù)，它的研究可以極大的推動(dòng)POS系統的發(fā)展。

　　1、 POS系統結構組成

　　POS系統本質(zhì)上集慣性導航技術(shù)與 DGPS（Differential GPS，差分GPS）技術(shù)一體，主要硬件組成部分包括慣性導航系統、DGPS與POS系統計算機系統，POS還包含一套事后處理軟件用于融合數據事后處理。

　　其中DGPS通過(guò)用戶(hù)與基站GPS接收機提供實(shí)時(shí)差分GPS定位信息，慣性導航系統提供載體實(shí)時(shí)角速度與加速度信息，通過(guò)POS計算機系統實(shí)時(shí)信息融合得到載體位置、速度、姿態(tài)等導航信息，同時(shí)POS系統采集慣性導航系統與DGPS的數據信息利用POS系統事后處理軟件得到載體位置、速度、姿態(tài)等導航信息。下面對其中最重要的慣性導航系統和衛星導航系統進(jìn)行研究，最后對其POS計算機和事后處理軟件進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。

　　1.1 慣性導航系統

　　慣性導航技術(shù)是以牛頓力學(xué)定律為基礎，利用一組加速度計測量載體的加速度，利用一組陀螺儀測量載體的角運動(dòng)，經(jīng)過(guò)積分運算求解載體位置、速度和姿態(tài)信息的技術(shù)。根據慣性導航原理在物理平臺中的實(shí)現，稱(chēng)為慣性導航系統，依據有無(wú)實(shí)際物理平臺可分為平臺式慣性導航系統和捷聯(lián)式慣性導航系統。與平臺式慣導系統相比，捷聯(lián)式慣性導航系統以數學(xué)平臺代替了慣性物理平臺，因而結構簡(jiǎn)單，平臺，體積、重量和成本大大降低，因此目前已經(jīng)在各類(lèi)導航設備中廣泛應用。

　　捷聯(lián)慣性導航系統和平臺慣性導航系統的區別在于捷聯(lián)慣導系統利用陀螺儀的輸出實(shí)時(shí)計算姿態(tài)轉移矩陣（即“數學(xué)平臺”）和姿態(tài)角，其他的解算則與平臺慣性導航系統一致。捷聯(lián)慣性導航系統中，陀螺儀和加速度計的組合體通常稱(chēng)為慣性組件（Inertial Measurement Unit，IMU），IMU對系統而言是開(kāi)環(huán)的，僅僅起到了慣性傳感器信號輸入的作用，并沒(méi)有對IMU進(jìn)行反饋控制，所有的信號處理在計算機內實(shí)現，因此實(shí)現方便。

　　捷聯(lián)慣性導航系統的核心是導航計算機實(shí)現的慣性平臺，即“數學(xué)平臺”。數學(xué)平臺是用陀螺測量的載體角速度進(jìn)行姿態(tài)矩陣解算，從姿態(tài)矩陣中可以得到實(shí)時(shí)姿態(tài)角信息，并用姿態(tài)矩陣將加速度計輸出從機體坐標系變換到導航坐標系，然后進(jìn)行導航解算。

　　目前捷聯(lián)慣性導航系統發(fā)展比較成熟，尤其是高精度激光、光纖陀螺的出現與逐步成熟，促使捷聯(lián)慣性導航系統越來(lái)越成為航空載體的主流配置，POS系統采用捷聯(lián)慣性導航系統，便于與航攝相機集成安裝，也便于內部器件的維護與更新。但是，慣性導航系統受工作原理所限，導航參數誤差隨時(shí)間發(fā)散，長(cháng)期穩定性較差，故需要其他導航系統對其進(jìn)行校正，衛星導航系統因其高精度與穩定性好成為POS系統的首選。

　　1.2 衛星導航系統

　　衛星導航系統，由空間導航衛星部分、地面監控部分和用戶(hù)接收機三部分組成。它具有全天候、高精度、自動(dòng)化、高效益、性能好、應用廣等顯著(zhù)特點(diǎn)，能夠實(shí)時(shí)地提供三維的位置、速度和GPS時(shí)間等信息。

　　GPS定位的基本原理是以GPS衛星和用戶(hù)GPS接收機天線(xiàn)之間的空間距離作為觀(guān)測量，根據已知的GPS衛星空間坐標，可以確定用戶(hù)GPS接收機天線(xiàn)的空間位置。GPS定位方法的實(shí)質(zhì)是以星地空間距離為半徑的三球交匯，因此，在一個(gè)測站上，需要3個(gè)衛星到接收機天線(xiàn)的距離觀(guān)測量。

　　GPS導航與無(wú)線(xiàn)電導航類(lèi)似，采用單程測距原理，衛星鐘和接收機鐘無(wú)法保持嚴格的同步，所以GPS實(shí)際的觀(guān)測量并不是用戶(hù)接收機天線(xiàn)至衛星之間的真實(shí)距離，而是含有衛星鐘和接收機鐘同步誤差的距離，因此又稱(chēng)為偽距。當然，衛星鐘差是可以通過(guò)衛星導航電文中所提供的相應鐘差參數加以修正的，而接收機的鐘差，準確測定非常困難，所以，必須將接收機的鐘差作為一個(gè)未知量與用戶(hù)三維位置在數據處理中一并解出。因此，在一個(gè)觀(guān)測點(diǎn)上，為了實(shí)時(shí)求解4個(gè)未知參數（3 維空間坐標及一個(gè)GPS接收機鐘差），至少需要同步觀(guān)測4顆衛星。

　　1.3 POS計算機與事后處理軟件

　　在POS系統中，POS計算機系統（POS computer system，PCS）中實(shí)時(shí)運行以及在事后處理軟件中的INS/DGPS組合算法是POS系統的核心部分。POS系統中其他模塊如IMU和DGPS都需要以POS計算機系統為硬件平臺，通過(guò)軟件算法來(lái)完成；用戶(hù)對POS系統的操作和控制也需要通過(guò)POS計算機系統來(lái)完成。

　　市場(chǎng)上POS產(chǎn)品POS計算機系統的特點(diǎn)與POS應用航空攝影的背景，POS計算機系統有如下特點(diǎn)：

　?。?）從性能上看，POS計算機系統必須具備強大的計算能力。POS計算機系統需要實(shí)時(shí)接收并儲存IMU和GPS數據、實(shí)時(shí)對數據進(jìn)行處理運算，對POS計算機系統提出了較高的要求。

　?。?）從功能上看，POS計算機系統必須具備強大的導航器件兼容性。目前導航器件無(wú)論從精度、性能、數據格式等方面都不一樣，導航計算機需要在條件允許的情況下對不同的器件給出不一樣的處理方案供用戶(hù)選擇，另外POS計算機系統需要滿(mǎn)足系統控制、輸出和功能的擴展。

　?。?）從環(huán)境適應性上看，POS計算機系統必須具備良好的抗震性能。POS系統輔助航空攝影，高機動(dòng)是其環(huán)境的主要特點(diǎn)，同時(shí)其外形尺寸和功耗也需要嚴格限制。

　　事后處理軟件顧名思義就是事后離線(xiàn)處理算法軟件，對慣性導航系統采集的IMU數據與GPS系統采集的DGPS數據進(jìn)行事后處理，經(jīng)過(guò)系統解算可獲取高精度像片外方位元素。利用航空攝影中應用廣泛的Applanix POS/AV 510自帶事后處理軟件POSPac對事后處理流程進(jìn)行說(shuō)明。

　　2、 航空攝影應用中的POS系統主要誤差分析

　　機載POS系統輔助航空攝影無(wú)論從系統器件精度、集成安裝或其它機動(dòng)物理特性等環(huán)節都不可避免存在誤差，這些誤差會(huì )影響POS系統的性能，所以必須對其誤差進(jìn)行分析。機載POS系統的誤差源主要有：慣性導航系統誤差，衛星導航系統誤差，時(shí)間同步誤差。

　　2.1 慣性導航系統誤差

　　對慣性導航系統誤差分析的目的在于，通過(guò)分析確定各種誤差因素對系統性能的影響，對POS系統采用慣性器件提出精度要求，尤其是陀螺的精度要求；另外一方面，通過(guò)對慣性系統誤差分析，可以對POS系統的工作情況和器件質(zhì)量進(jìn)行評價(jià)。慣性導航系統誤差根據其誤差產(chǎn)生的原因和性質(zhì)，大體上可以分為以下幾類(lèi)：

　　2.1.1 IMU儀表誤差

　　IMU儀表誤差是指慣性器件陀螺和加速度計的誤差，有靜態(tài)誤差和動(dòng)態(tài)誤差兩個(gè)方面。陀螺誤差包括由陀螺常值漂移和隨機漂移等引起的誤差，以及陀螺溫度特性引起的誤差等；加速度計誤差包括隨機漂移和溫度特性引入的誤差等。動(dòng)態(tài)誤差主要是指由于載體機動(dòng)對慣性器件的影響帶來(lái)的誤差。這是慣性導航系統的主要誤差源，對于IMU確定性誤差需進(jìn)行補償，對于隨機性誤差需要建立合適的誤差模型來(lái)減小其誤差。

　　2.1.2 初始對準誤差

　　慣性導航系統在進(jìn)行導航解算前必須進(jìn)行初始對準，由于輸入的初始位置、初始速度不準確引起的初始姿態(tài)不準確造成的誤差就是初始對準誤差。初始對準為后續導航解算給出數學(xué)平臺基準，所以必須盡量減少初始對準誤差。

　　2.1.3 計算誤差與運動(dòng)干擾誤差

　　計算誤差包括數字量化誤差、參數設置誤差、計算中的舍入誤差等。運動(dòng)干擾誤差主要是沖擊和震動(dòng)等造成的誤差。這些誤差也是影響捷聯(lián)慣性導航系統精度的重要因素，必須設法消除或削弱。

　　慣性導航系統誤差是POS系統的重要誤差源，是POS系統獲得高精度姿態(tài)方位信息的關(guān)鍵，目前針對具體的誤差形式，研究精確的數學(xué)模型是減小慣性導航系統誤差的主要方法。

　　2.2 衛星導航系統誤差

　　GPS因為其觀(guān)察時(shí)間短、定位精度高的特點(diǎn)，在測繪領(lǐng)域展現了巨大的應用前景。但是GPS也有許多與生俱來(lái)的缺點(diǎn)限制了它的應用，其中GPS誤差就是其高精度定位主要影響因素。目前引起GPS誤差的因素有很多，主要來(lái)源包括以下幾部分：

　?。?）GPS衛星有關(guān)的誤差，主要有衛星時(shí)鐘誤差、衛星星歷誤差、SA誤差等；

　　（2）GPS信號傳播有關(guān)的誤差，主要有電離層的附加延遲誤差、對流層的附加延時(shí)誤差和多路徑誤差等；

　　（3）接收機設備相關(guān)的誤差，主要包括觀(guān)測誤差、接收機鐘差、天線(xiàn)相位中心誤差和載波相位觀(guān)測的整周不定性影響等。
　　

針對GPS影響較大的誤差源具體分析如下所示：

　　2.2.1 衛星時(shí)鐘誤差
　　GPS系統是通過(guò)測量衛星信號傳播時(shí)間來(lái)測距的，時(shí)鐘的誤差將直接變成測距誤差。GPS系統中各衛星鐘要求互相同步并與地面站同步，即使采用原子鐘計時(shí)也不可能絕對穩定，而是存在著(zhù)漂移。接收機可以通過(guò)接收衛星導航電文中鐘差參數直接對衛星時(shí)鐘誤差進(jìn)行改正。

　　2.2.2 衛星星歷誤差
　　GPS衛星星歷提供的衛星空間位置與實(shí)際位置之差稱(chēng)為星歷誤差。星歷數據由地面監控站注入衛星，而監控站對衛星測量的誤差、衛星運動(dòng)時(shí)的攝動(dòng)因素等都會(huì )造成星歷中存在誤差，其誤差一直存在，無(wú)法消除。

　　2.2.3 電離層與對流層折射誤差
　　衛星發(fā)射電波到達地面接收機，必須穿過(guò)電離層與對流層才能到達GPS接收天線(xiàn)。電磁波在不同介質(zhì)中得傳播特性是不同的，電波電離層與對流層會(huì )發(fā)生折射，從而產(chǎn)生延時(shí)誤差。對流層折射誤差是指非電離層大氣對電磁波的折射。對這種折射誤差一般需要建立電離層與對流層模型加以改正，目前GPS接收機中一般都有誤差改正模型。

　　2.2.4 多路徑效應誤差
　　多路徑效應誤差是由于不同的路徑到達GPS接收機而產(chǎn)生的誤差，主要由接收機周?chē)牡匦?、地物及各種反射體引起，信號經(jīng)過(guò)多路徑傳播造成測距誤差。

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