航空攝影測量中POS系統(tǒng)誤差分析

發(fā)布日期：2018-05-29 00:00 瀏覽量：15865

　　20世紀(jì)90年代，GNSS輔助空中三角測量的方法得到了廣泛應(yīng)用，利用GPS獲得的定位信息用來輔助空中三角測量，展現(xiàn)了導(dǎo)航技術(shù)在測繪領(lǐng)域的應(yīng)用前景。GPS技術(shù)雖然解決了像片的定位問題，但是無法獲取像片的姿態(tài)參數(shù)，不能徹底擺脫地面控制。隨著航空攝影測量技術(shù)和慣性導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展，一種新的方法開始應(yīng)用于航空攝影測量——定位定向系統(tǒng)（Position and Orientation System，簡稱POS系統(tǒng)）輔助航空攝影。機(jī)載POS系統(tǒng)集GPS技術(shù)與慣性導(dǎo)航技術(shù)于一體，使準(zhǔn)確地獲取航攝相機(jī)曝光時(shí)刻的外方位元素（GPS測量得到位置參數(shù)，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)得到姿態(tài)參數(shù)）成為可能，從而實(shí)現(xiàn)了無（或少量）地面控制點(diǎn)，甚至無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(tǒng)的出現(xiàn)，將從根本上改變傳統(tǒng)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。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展及其慣性、GPS器件精度水平的提高，POS無論定位定向精度還是實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)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)揮越來越重要的作用。POS系統(tǒng)高精度定位定向技術(shù)是POS系統(tǒng)應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)，它的研究可以極大的推動(dòng)POS系統(tǒng)的發(fā)展。

　　1、 POS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

　　POS系統(tǒng)本質(zhì)上集慣性導(dǎo)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(dǎo)航系統(tǒng)、DGPS與POS系統(tǒng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，POS還包含一套事后處理軟件用于融合數(shù)據(jù)事后處理。

　　其中DGPS通過用戶與基站GPS接收機(jī)提供實(shí)時(shí)差分GPS定位信息，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)提供載體實(shí)時(shí)角速度與加速度信息，通過POS計(jì)算機(jī)系統(tǒng)實(shí)時(shí)信息融合得到載體位置、速度、姿態(tài)等導(dǎo)航信息，同時(shí)POS系統(tǒng)采集慣性導(dǎo)航系統(tǒng)與DGPS的數(shù)據(jù)信息利用POS系統(tǒng)事后處理軟件得到載體位置、速度、姿態(tài)等導(dǎo)航信息。下面對(duì)其中最重要的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)和衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行研究，最后對(duì)其POS計(jì)算機(jī)和事后處理軟件進(jìn)行簡單介紹。

　　1.1 慣性導(dǎo)航系統(tǒng)

　　慣性導(dǎo)航技術(shù)是以牛頓力學(xué)定律為基礎(chǔ)，利用一組加速度計(jì)測量載體的加速度，利用一組陀螺儀測量載體的角運(yùn)動(dòng)，經(jīng)過積分運(yùn)算求解載體位置、速度和姿態(tài)信息的技術(shù)。根據(jù)慣性導(dǎo)航原理在物理平臺(tái)中的實(shí)現(xiàn)，稱為慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，依據(jù)有無實(shí)際物理平臺(tái)可分為平臺(tái)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)和捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。與平臺(tái)式慣導(dǎo)系統(tǒng)相比，捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)以數(shù)學(xué)平臺(tái)代替了慣性物理平臺(tái)，因而結(jié)構(gòu)簡單，平臺(tái)，體積、重量和成本大大降低，因此目前已經(jīng)在各類導(dǎo)航設(shè)備中廣泛應(yīng)用。

　　捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)和平臺(tái)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的區(qū)別在于捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)利用陀螺儀的輸出實(shí)時(shí)計(jì)算姿態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣（即“數(shù)學(xué)平臺(tái)”）和姿態(tài)角，其他的解算則與平臺(tái)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)一致。捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中，陀螺儀和加速度計(jì)的組合體通常稱為慣性組件（Inertial Measurement Unit，IMU），IMU對(duì)系統(tǒng)而言是開環(huán)的，僅僅起到了慣性傳感器信號(hào)輸入的作用，并沒有對(duì)IMU進(jìn)行反饋控制，所有的信號(hào)處理在計(jì)算機(jī)內(nèi)實(shí)現(xiàn)，因此實(shí)現(xiàn)方便。

　　捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的核心是導(dǎo)航計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的慣性平臺(tái)，即“數(shù)學(xué)平臺(tái)”。數(shù)學(xué)平臺(tái)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(jì)輸出從機(jī)體坐標(biāo)系變換到導(dǎo)航坐標(biāo)系，然后進(jìn)行導(dǎo)航解算。

　　目前捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展比較成熟，尤其是高精度激光、光纖陀螺的出現(xiàn)與逐步成熟，促使捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)越來越成為航空載體的主流配置，POS系統(tǒng)采用捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，便于與航攝相機(jī)集成安裝，也便于內(nèi)部器件的維護(hù)與更新。但是，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)受工作原理所限，導(dǎo)航參數(shù)誤差隨時(shí)間發(fā)散，長期穩(wěn)定性較差，故需要其他導(dǎo)航系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行校正，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)因其高精度與穩(wěn)定性好成為POS系統(tǒng)的首選。

　　1.2 衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)

　　衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，由空間導(dǎo)航衛(wèi)星部分、地面監(jiān)控部分和用戶接收機(jī)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(yīng)用廣等顯著特點(diǎn)，能夠?qū)崟r(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(wèi)星和用戶GPS接收機(jī)天線之間的空間距離作為觀測量，根據(jù)已知的GPS衛(wèi)星空間坐標(biāo)，可以確定用戶GPS接收機(jī)天線的空間位置。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(wèi)星到接收機(jī)天線的距離觀測量。

　　GPS導(dǎo)航與無線電導(dǎo)航類似，采用單程測距原理，衛(wèi)星鐘和接收機(jī)鐘無法保持嚴(yán)格的同步，所以GPS實(shí)際的觀測量并不是用戶接收機(jī)天線至衛(wèi)星之間的真實(shí)距離，而是含有衛(wèi)星鐘和接收機(jī)鐘同步誤差的距離，因此又稱為偽距。當(dāng)然，衛(wèi)星鐘差是可以通過衛(wèi)星導(dǎo)航電文中所提供的相應(yīng)鐘差參數(shù)加以修正的，而接收機(jī)的鐘差，準(zhǔn)確測定非常困難，所以，必須將接收機(jī)的鐘差作為一個(gè)未知量與用戶三維位置在數(shù)據(jù)處理中一并解出。因此，在一個(gè)觀測點(diǎn)上，為了實(shí)時(shí)求解4個(gè)未知參數(shù)（3 維空間坐標(biāo)及一個(gè)GPS接收機(jī)鐘差），至少需要同步觀測4顆衛(wèi)星。

　　1.3 POS計(jì)算機(jī)與事后處理軟件

　　在POS系統(tǒng)中，POS計(jì)算機(jī)系統(tǒng)（POS computer system，PCS）中實(shí)時(shí)運(yùn)行以及在事后處理軟件中的INS/DGPS組合算法是POS系統(tǒng)的核心部分。POS系統(tǒng)中其他模塊如IMU和DGPS都需要以POS計(jì)算機(jī)系統(tǒng)為硬件平臺(tái)，通過軟件算法來完成；用戶對(duì)POS系統(tǒng)的操作和控制也需要通過POS計(jì)算機(jī)系統(tǒng)來完成。

　　市場上POS產(chǎn)品POS計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的特點(diǎn)與POS應(yīng)用航空攝影的背景，POS計(jì)算機(jī)系統(tǒng)有如下特點(diǎn)：

　?。?）從性能上看，POS計(jì)算機(jī)系統(tǒng)必須具備強(qiáng)大的計(jì)算能力。POS計(jì)算機(jī)系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)接收并儲(chǔ)存IMU和GPS數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理運(yùn)算，對(duì)POS計(jì)算機(jī)系統(tǒng)提出了較高的要求。

　?。?）從功能上看，POS計(jì)算機(jī)系統(tǒng)必須具備強(qiáng)大的導(dǎo)航器件兼容性。目前導(dǎo)航器件無論從精度、性能、數(shù)據(jù)格式等方面都不一樣，導(dǎo)航計(jì)算機(jī)需要在條件允許的情況下對(duì)不同的器件給出不一樣的處理方案供用戶選擇，另外POS計(jì)算機(jī)系統(tǒng)需要滿足系統(tǒng)控制、輸出和功能的擴(kuò)展。

　?。?）從環(huán)境適應(yīng)性上看，POS計(jì)算機(jī)系統(tǒng)必須具備良好的抗震性能。POS系統(tǒng)輔助航空攝影，高機(jī)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(yán)格限制。

　　事后處理軟件顧名思義就是事后離線處理算法軟件，對(duì)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)采集的IMU數(shù)據(jù)與GPS系統(tǒng)采集的DGPS數(shù)據(jù)進(jìn)行事后處理，經(jīng)過系統(tǒng)解算可獲取高精度像片外方位元素。利用航空攝影中應(yīng)用廣泛的Applanix POS/AV 510自帶事后處理軟件POSPac對(duì)事后處理流程進(jìn)行說明。

　　2、 航空攝影應(yīng)用中的POS系統(tǒng)主要誤差分析

　　機(jī)載POS系統(tǒng)輔助航空攝影無論從系統(tǒng)器件精度、集成安裝或其它機(jī)動(dòng)物理特性等環(huán)節(jié)都不可避免存在誤差，這些誤差會(huì)影響POS系統(tǒng)的性能，所以必須對(duì)其誤差進(jìn)行分析。機(jī)載POS系統(tǒng)的誤差源主要有：慣性導(dǎo)航系統(tǒng)誤差，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)誤差，時(shí)間同步誤差。

　　2.1 慣性導(dǎo)航系統(tǒng)誤差

　　對(duì)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)誤差分析的目的在于，通過分析確定各種誤差因素對(duì)系統(tǒng)性能的影響，對(duì)POS系統(tǒng)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，通過對(duì)慣性系統(tǒng)誤差分析，可以對(duì)POS系統(tǒng)的工作情況和器件質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)誤差根據(jù)其誤差產(chǎn)生的原因和性質(zhì)，大體上可以分為以下幾類：

　　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(jì)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(jī)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(jì)誤差包括隨機(jī)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(jī)動(dòng)對(duì)慣性器件的影響帶來的誤差。這是慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的主要誤差源，對(duì)于IMU確定性誤差需進(jìn)行補(bǔ)償，對(duì)于隨機(jī)性誤差需要建立合適的誤差模型來減小其誤差。

　　2.1.2 初始對(duì)準(zhǔn)誤差

　　慣性導(dǎo)航系統(tǒng)在進(jìn)行導(dǎo)航解算前必須進(jìn)行初始對(duì)準(zhǔn)，由于輸入的初始位置、初始速度不準(zhǔn)確引起的初始姿態(tài)不準(zhǔn)確造成的誤差就是初始對(duì)準(zhǔn)誤差。初始對(duì)準(zhǔn)為后續(xù)導(dǎo)航解算給出數(shù)學(xué)平臺(tái)基準(zhǔn)，所以必須盡量減少初始對(duì)準(zhǔn)誤差。

　　2.1.3 計(jì)算誤差與運(yùn)動(dòng)干擾誤差

　　計(jì)算誤差包括數(shù)字量化誤差、參數(shù)設(shè)置誤差、計(jì)算中的舍入誤差等。運(yùn)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(dǎo)航系統(tǒng)精度的重要因素，必須設(shè)法消除或削弱。

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

　　2.2 衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)誤差

　　GPS因?yàn)槠溆^察時(shí)間短、定位精度高的特點(diǎn)，在測繪領(lǐng)域展現(xiàn)了巨大的應(yīng)用前景。但是GPS也有許多與生俱來的缺點(diǎn)限制了它的應(yīng)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，主要來源包括以下幾部分：

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

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

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

針對(duì)GPS影響較大的誤差源具體分析如下所示：

　　2.2.1 衛(wèi)星時(shí)鐘誤差
　　GPS系統(tǒng)是通過測量衛(wèi)星信號(hào)傳播時(shí)間來測距的，時(shí)鐘的誤差將直接變成測距誤差。GPS系統(tǒng)中各衛(wèi)星鐘要求互相同步并與地面站同步，即使采用原子鐘計(jì)時(shí)也不可能絕對(duì)穩(wěn)定，而是存在著漂移。接收機(jī)可以通過接收衛(wèi)星導(dǎo)航電文中鐘差參數(shù)直接對(duì)衛(wèi)星時(shí)鐘誤差進(jìn)行改正。

　　2.2.2 衛(wèi)星星歷誤差
　　GPS衛(wèi)星星歷提供的衛(wèi)星空間位置與實(shí)際位置之差稱為星歷誤差。星歷數(shù)據(jù)由地面監(jiān)控站注入衛(wèi)星，而監(jiān)控站對(duì)衛(wèi)星測量的誤差、衛(wèi)星運(yùn)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，無法消除。

　　2.2.3 電離層與對(duì)流層折射誤差
　　衛(wèi)星發(fā)射電波到達(dá)地面接收機(jī)，必須穿過電離層與對(duì)流層才能到達(dá)GPS接收天線。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(duì)流層會(huì)發(fā)生折射，從而產(chǎn)生延時(shí)誤差。對(duì)流層折射誤差是指非電離層大氣對(duì)電磁波的折射。對(duì)這種折射誤差一般需要建立電離層與對(duì)流層模型加以改正，目前GPS接收機(jī)中一般都有誤差改正模型。

　　2.2.4 多路徑效應(yīng)誤差
　　多路徑效應(yīng)誤差是由于不同的路徑到達(dá)GPS接收機(jī)而產(chǎn)生的誤差，主要由接收機(jī)周圍的地形、地物及各種反射體引起，信號(hào)經(jīng)過多路徑傳播造成測距誤差。

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