检校计算航摄仪Boresight角

樊建强　杨旭

摘要：利用POS系统可以在航空摄影过程中直接测定每张相片的6个外方位元素。通过检校计算精确测定Boresight角度可以提高POS数据的精度，实现直接定向。本文探讨检校原理与流程，通过实际数据分析验证。

关键词：POS系统；航空摄影；检校场

Calculate the Boresight angle of

Aerial Photogrammetry Camera

Abstract： Using POS system can direct determination of 6 exterior orientation in aerial photogrammetry. In camera calibration calculate the boresight angle to improve the accuracy of POS system， achieve the Direct Georeferencing. This paper discusses the principle and process of the calibration， validation through the actual data analysis.

Keywords： POS， aerial photogrammetry， calibration.

1. 背景介绍

摄影测量中解析空中三角测量（空三加密）的内容是解求航摄区域内每张影像的外方位元素X，Y，Z， j，w，k及解算待定点的地面坐标。POS系统的应用初衷，就是在航空摄影中精确测量曝光时的航攝仪位置及姿态信息，进而直接获取外方位元素，进行POS辅助空中三角测量或者直接定向法。为提高POS解算精度，需要进行检校计算。

2. 原理分析

2.1 POS系统简介

POS（Position and Orientation System， 定位定向系统）集合了差分GNSS设备与IMU （惯性导航测量单元）于一体，可以获取实时空间位置和三轴姿态信息，已广泛应用于飞机、火箭、轮船等导航定位。POS系统由四部分组成

（1）GNSS接收机：机载移动GNSS接收机及地面基站GNSS接收机，数据采样频率大于等于1Hz。POS技术中采用载波相位差分的GNSS动态定位技术解求天线相位中心位置。差分技术就是在一个或几个已知点位安置接收机为基准站，与机载接收机同步观测，然后将基准站测定的位置坐标或其它参数与相应的已知结果求差，综合两站的观测数据进行联合解算。

（2）IMU单元 ：由加速度计、陀螺仪和中央处理器组成。通过组合加速度和角度速率，以获取IMU相对于地球的位置、速度和方向。

（3）计算控制系统：包含控制计算系统和实时组合导航的计算机。用于配置系统各硬件的性能参数，记录存储数据和实时组合导航计算结果为飞行管理系统提供必要信息。

（4）数据后处理软件：通过处理POS系统在飞行中获得的IMU和GNSS移动站数据以及基准站数据得到最优的组合导航解。当POS系统用于摄影测量时，最后还需要进行偏心及检校计算来获取每张影像在曝光瞬间的外方位元素。

2.2 POS系统应用

POS系统应用于摄影测量有两种方式：

（1）直接传感器定向

在已知GPS天线相位中心、IMU及航摄仪三者之间空间关系的前提下，可直接对POS系统获取的GPS天线相位中心的空间坐标（X，Y，Z）及IMU系统获取的横滚角、俯仰角、航迹角进行数据处理，获取航空影像曝光瞬间的摄站中心三维空间坐标（XS， YS ，ZS）及其航摄仪三个姿态角（j，w，k），从而实现无地面控制条件下直接恢复航空摄影的成像过程。直接定向主要优点是：整个测区不进行空三加密平差计算、不加入地面控制点。与传统的空中三角测量以及GPS辅助控制三角测量相比，不但节约了很大的费用，同时还极大地提高了生产效率。单独直接定向的缺点在于：缺少了多余观测，计算过程中如出现了采用了错误的GPS基站坐标之类问题，都将直接影响最终的结果。此外，由于几何模型、系统误差和解算数据相关性的影响，直接传感器定向所能达到的精度仍然难以满足大比例尺测图的需要。

（2）集成传感器定向。

即POS辅助航空摄影测量。通过将GPS/IMU系统获取的外方位元素作为带权观测值引入光束法区域网平差中，以获取高精度影像定向参数和目标点的空间坐标，实现大幅度减少地面控制点的数量。POS辅助空三加密中，虽然不可避免空中三角测量和加密点量测，但是也具有更好的容错能力和更高的精度。引入的数据能够作为初始值提高自动匹配的准确与效率，只需加入少量地面控制点同样提升了生产效率和降低成本。

以上两种方式的结果精度差别较大。POS辅助航空摄影测量中加入控制数据联合平差，精度和稳定性较强。直接传感器定向主要适用于小比例尺测图，或对自然灾害频发区、国界及争议区、自然条件恶劣区等难以开展地面控制测量工作的地区。但是直接定向法条件是需要利用检校场飞行处理消除POS系统误差、精确的解求外方位元素。同时检校数据也会对POS辅助航空摄影的处理精度有所提高。

2.3 检校参数

要通过原始数据得到外方位元素，还需要量测偏心分量，对于线元素有GPS天线到航摄仪摄影中心的偏心分量和IMU单元到航摄仪摄影中心的偏心分量。目前市面上成熟的数码航摄仪都提供了偏心量测参考点，由GPS天线到摄影中心用卷尺量测精确到厘米级，内置型IMU与航摄仪摄影中心的偏心参数可以出厂测定精确到毫米。

检校中我们关注的重点是Boresight角，也就是视准轴误差。IMU单元记录的姿态角为IMU本地坐标系在导航坐标系下的横滚角，俯仰角及航迹角（Roll，Pitch，Heading），而摄影测量中外方位角元素j，w，k为物方坐标系旋转到像空间坐标系的3个旋转角，相应轴间的很小夹角即为Boresight角。除了坐标系变换外，具体体现在设备的出厂尺寸和工艺的偏差，安装IMU时螺丝的松紧，设备间的接缝及剧烈的震动也都可能导致角度有微小不同。所以如经过IMU拆装、非正常的剧烈震动等情况，也需要重新检校计算Boresight角。通过一定的检校流程，使经过检校场飞行、外业控制和空三加密平差的过程，最终解算出本航摄仪POS系统的Boresight角，来提高POS系统摄影测量中对地目标定位精度。解算软件使用Applanix公司的POSPac软件中的CalQC模块。

3. 实施过程

3.1 检校飞行

检校场选在城区，面积为4平方公里，地形高差小于50米。在本检校场飞行两次，分别获取0.1m和0.16m地面分辨率成果。其中0.1m数据航线覆设方向为东西向覆设4条，相对航高1200米；0.16m数据覆设方向为南北向覆设2条航线，相对航高1800m。

航空摄影前在检校场地面布设了17个地标点，整个测区均匀分布，布设在周围无遮挡的平地确保影像中可见，尺寸为60cm*60cm的十字标，足以满足内业判读。

航摄仪为UltraCamLp，配套POSAV 510系统。使用Trimble R6双频GPS架设在检校场附近的已知基站上，采样间隔为1s。机载GPS采样间隔为1s，IMU采样频率为200hz。

機载设备开机后静态同步观测5min，然后起飞作业。到测区前做8字飞行来激活IMU，防止长时间直线飞行造成精度下降，然后对准基站点平飞进入，作业中要求飞机转弯时倾斜角度不大于20°。作业完成后对准基站点平飞退出，等飞机落地停稳后仍需继续观测5min。

3.2 外业控制

航片冲印后，外业实测地标点并增加部分检查点。像控点测量采用GPS网配合GPS高程测量。通过GPS网联测像控点和3个B级GPS控制点，获取像控点平面坐标。采用区域似大地水准面模型插值改正获取像控点高程。

3.3 数据解算

在POSPac软件中CalQC模块中进行检校计算。原始数据为机载IMU数据，转换为标准RENIX格式的基站数据。需加入的附加参数有基站坐标、控制点检查点坐标、偏心分量、相机参数，将处理后的TIF影像导入软件并生成金字塔影像

在影像中量测控制点和检查。在设置航片时要注意kappa角偏移量是否与航摄仪统一。反复平差解算得到符合精度要求的参数。

4. 结论

检校结果的Boresight角为-12.913′，5.018′，-3.337′。未加入Boresight角与加入Boresight角后某测区1：10000成图航空摄影直接传感器定向检查点中误差见表1。结果证明经检校的相片外方位元素可用于正射影像的制作和对精度要求较低的对地目标定位中。

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