轻小型航空遥感系统空对地检校试验分析

韩晓冬，杨 娜，3，刘力荣，关艳玲

（1.山东科技大学测绘科学与工程学院，山东青岛 266510；2.中国测绘科学研究院，北京 100039；3.北京四维远见信息技术有限公司，北京 100039）

一、引 言

机载POS直接地理定位技术的核心是通过建立检校场，检校IMU与航摄仪轴系之间安装的系统误差，进而通过严密检校模型，将POS获取的定向、定位参数转换成摄影测量需要的外方位元素。一旦直接地理定位精度满足要求，就会大大减少航空摄影测量的成本和工作量。检校场的布设对于后续工作有很大的影响，因此必须结合项目实际需求，设计符合要求的检校场。检校场的布设包括:检校场的选址、地面基准站的布设和观测、检校场控制点的布设和量测、精度验证区检查点的布设和量测。相应要考虑基站点、控制点、检查点布设数量及控制点和检查点布设标志，并根据最终成图比例尺要求提出航摄飞行方案，包括构架航线数目、航高、摄影比例尺等。本文从以上几个方面提出满足项目需要的空对地检校场布设方案，并用最终空三解算的精度验证布设方案的合理性。通过比较国内外POS直接地理定位采集验证区检查点精度，评价国产POS直接地理定位精度。

二、检校场布设概况及飞行方案

1.检校场的要求及选址

检校场空域要求最好是1000 m以下的开放性空域。检校场地内地面植被不是很密集，不要有大面积的水域或成片的水域，可以包括平地、丘陵、部分山区；场地外附近应有一定的水域（最小为100 m×5 m）方便起降飞机，场地离机场距离较近且交通方便，以便于运输设备和场地内作业。

为了最大限度地保护地标，场地最好远离居民区；检校场空域地面范围为10 km×3 km。

按照以上要求，检校场选择河南平顶山，范围为南北向距离3 km，东西向距离5 km，区内以平地为主，最低高程75 m，最大高程170 m。精度验证区南北距离1.5 km，东西距离2 km。具体范围如图1所示。

图1 检校场及精度验证区分布示意图

2.航线设计

根据试验，使用中国测绘科学院研制的国产SWDC摄影仪的参数、成图比例尺及检校场范围进行设计。

SWDC 4个独立参数分别为:焦距f=50.2 mm、CCD 尺寸δ=6.8 μ、M=14.5 K、N=10 K。因此航摄仪获取影像大小为10000像素×14500像素的窄像对。根据不同成图比例尺要求，1∶500检校场设计5条东西向航线，每条航线21张像片。1∶1000设计3条航线，每条航向相应12张影像。航向重叠度为65%，旁向重叠度为60%。检校场设计依据参数见表1。

表1 航线设计依据

3.控制点、检查点和基站布设以及施测方案

集成系统的检校需要以检校场空三结果作为真值，并结合POS获取数据，确定POS与航摄仪之间的检校参数，因此空三的精度很重要。试验中采取GPS辅助空三的结果作为检校模型的真值。研究表明:无构架航线时，采用IMU/GPS辅助空三加密，一般平面控制点应多于6个，高程控制点应多于13个［1］。结合试验实现高精度大比例尺测图的要求，布设24个平高点。

检查点布设以均匀分布精度验证区，并保证每张影像不少于30点为标准。考虑实际项目需要，以及检查点的长久重复可用性、检校的精度等因素，在精度验证区布设不少于100个检查点。

基站布设的合理性主要从两方面讨论:①基站与测区的合理距离；②当多个基站都获得了符合精度的GPS成果时，应选择其中一个还是多个基站的联合组网平差结果作为最终DGPS结果。

试验表明:机载GPS接收机的差分定位精度与基站距离正相关，即基站离飞机距离越远，差分GPS得到的位置精度就越低。当基站距离飞机60 km以内时，DGPS精度在厘米级（即优于0.1 m）；当基站距离飞机在400 km以内时，DGPS精度优于0.5 m；当基站距离飞机600 km以内时，DGPS精度优于10 m。而采用单基站或多基站组网平差精度相当。

因此，试验中将基站布设在检校区内，且与测区距离不大于60 km。测区布设两个GPS基站，并采用距离测区最近的基站进行差分计算，另一基站数据用于复核。

控制点、加密点以及基站布设如图2所示。控制点测量采用Trimble 5700接收机，测量时间不低于1 h，天线高测量方式为斜高，采样频率15 s，加密点采用8 min快速GPS静态解算。

GPS采集数据用TGO与Grafnet两种软件同时处理，相差毫米级。TGO得到WGS-84系下大地坐标（B，L，H），经过高斯投影得到平面坐标（x，y，H）。

图2 控制点、加密点及基站分布图

4.地标设计

光学地标一般选择7～10个像元的圆形黑白相间（内黑外白）的标志，笔者以8个GSD为准选择。故地面标志点的物理尺寸为:1∶500测图为0.06×8=0.48 m，1∶1000测图为0.1×8=0.8 m。

综上所述，可以将地标设计为外面是1 m×1 m的正方形，里面直径为0.8 m的黑色圆形，其余为白色木板。地标以黑白相间的图案为主，示意图如图3所示。

图3 地标图

5.检校飞行方案

在检校场获取数据时，飞行高度尽可能与航摄分区的飞行高度一致。实际生产作业中，在保持检校场的飞行高度与航摄分区作业高度一致的情况下，还存在多种检校场的飞行方案，如在常规航线作业前飞行检校场、常规航线之后飞行检校场、常规航线作业前后各飞行一条检校场航线等。试验表明，联合检校的方法与单一的前检校或后检校方法进行精度比较，精度相近。

结合实际试验测区范围，采用前检校方法。从严密检校的原则出发，采用DG方法时每架次进行检校场飞行。

三、系统检校精度

在计算集成系统检校参数时，需要外方位元素真值。通过对比分析，GPS辅助空三与纯空三计算精度相当，前者精度稍高，因此选择GPS辅助空三结果作为真值。在同一空三方式下，选择不同检查点个数进行空三结果比较，检查点数目对空三精度影响较小。以下结果为同样的空三方式，即均为GPS辅助空三，将控制点全部用于定向点，两次试验均按照1∶500成图要求设计的航线进行飞行试验。

POS AV610后处理标准差:位置0.05～0.3 m，速度0.005 m/s，水平姿态横滚俯仰角0.002 5°，航向角0.005°，漂移小于0.01（°）/h。国产激光陀螺POS（TX-R20）技术指标（标准差）:位置0.05 m，速度 0.01 m/s，方位 0.005°，姿态 0.002 5°，IMU 重量6.7 kg。图4为空三输出航线及其定向点、检查点分布状况图。

图4 控制航线及定向点、检查点分布图

GPS辅助空三解算精度见表2。

表2 两次试验空三解算定向点精度 m

从以上两次试验空三解算的结果可以看出，检校场控制点的布设是符合要求的。平面和高程精度均在2～5 cm。检校场布设的合理性以及检校模型的严密与否，还需要检校参数解算的精度和最终直接地理定位的精度予以验证。

在空三解算精度满足要求的前提下，进行相应集成系统检校参数的计算。集成检校参数实际是IMU中心与相机中心之间的安装系统误差，包括3个线元素和3个角元素。对两次试验进行检校参数解算并评定其精度，见表3。

表3 检校参数解算结果及精度

检校参数均值是指各曝光点时刻解算的检校参数的平均值。标准差通过每个曝光点时刻的检校参数与均值比较解算得到。以Δφ为例，其标准差计算公式为

从以上结果可以看出，两次POS试验获取的POS数据与相应空三获取的外方位元素真值进行严密计算，得到的集成系统之间的系统检校参数的精度相当且较高。偏心距在2～7 cm，偏心角检校精度在千分之二到千分之五之间。

四、直接地理定位精度

此次试验中，按照1∶500比例尺设计飞行，检校场布设5条航线，每条航线获取26张影像。为保证试验的严密性，先将第4、5两条航线，每条航线26张影像作为两个精度验证分区，并将前3条航线作为检校场获取检校参数。验证分区获取的POS数据，经过系统检校参数改正，转换为航空摄影需要的影像外方位元素。在JX4-G上直接安置定向，建立立体模型，并采集外业检查点。将内业采集检查点与野外GPS观测解算得到的检查点坐标值进行比较，剔除粗差点，评定采集检查点精度，即直接地理定位的精度，野外原始检查点精度可达厘米级。评定精度的计算公式如下

式中，n为采集检查点数量；MS为平面标准差；MZ为高程标准差。

对国内外两种POS获取的数据分别进行检校模型转换，并分别在JX4-G上立体测图，根据精度计算公式进行精度评定。

POS AV610DG结果:所测验证分区24个检查点与外业实测的平面中误差为0.13 m，高程中误差为0.22 m，平面最大差值为0.3 m，高程最大差值为0.4 m。

国产北航研制POS DG结果:所测验证分区24个检查点与外业实测的平面中误差为0.15 m，高程中误差为0.23 m，平面最大差值为0.4 m，高程最大差值为0.5 m。

两种POS直接地理定向精度见表4。

表4 国内外两种POS直接地理定向精度比较 m

从以上采集检查点精度看出，两种POS直接地理定向精度相当，均符合1∶500成图规范平面0.175 m，高程0.28 m（丘陵）的精度要求。

五、结束语

本文在已有检校场布设方案、飞行以及基站、控制点、检查点布设的研究基础上，结合实际项目要求，重点给出该项目检校场布设方案，并结合不同试验的空三解算精度评定检校场布设合理性。根据检校获取参数的精度，评定检校模型的严密性。最终，通过JX4-G摄影测量工作站构建立体模型，采集检查点分别对两次国内外不同POS试验，在相同检校条件下，进行直接地理定位的精度评定。从检校参数以及采集检查点的精度比较结果可知，国产POS完全可以达到国外成熟POS直接地理定位精度，并且完全可以满足大比例尺成图的精度要求。

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