POS辅助航空摄影测量技术及应用

周琳

摘   要：机载POS系统利用惯性导航技术与GPS等技术的特征优势，能够准确获取航空摄影相机曝光时刻的姿态参数与位置参数等外方位元素，实现了在省略空中三角测量加密与地面控制点等工序基础上的定向测量，生产效率与作业成本等随之优化。文章主要对POS辅助航空摄影测量技术及应用进行阐述，分析系统误差来源与应用需求等，希望对航空摄影测量技术的优化发展起到积极的参照作用。

关键词：定位定向系统;航空摄影测量;应用

定位定向系统（Position and Orientation System，POS）在航空摄影测量作业中的应用，弥补了全球定位系统（Global Positioning System，GPS）辅助空中三角测量在无法获取姿态参数与不能摆脱地面控制等方面的不足，凭借自身作业流程简化与高生产效率等特征优势，逐步取代了传统GPS辅助空摄测量方法。在计算机等先进技术的发展带动下，POS的数据处理能力与定位定向精度等性能逐步提升，尤其是高精度定位定向技术的有效应用，对航空摄影测量技术的现代化发展起到了积极的促进作用。

1    POS辅助航空摄影测量技术原理

POS是基准传感器，由计算机、卫星导航系统与惯性测量单元3个部分构成。内部又涉及多个构成子系统，如由控制系统与惯性测量装置（Inertial Measurement Unit，IMU）构成的惯性测量单元，而IMU由数字电路、陀螺仪与加速器等部分构成。IMU能夠准确收集拍摄瞬时参数，实时更新空摄数据信息。GPS也是POS的重要组成部分，能够及时提供空摄作业所需的速度与坐标等信息。基于差分技术的GPS系统，能够准确获取中心站空间坐标位置参数与三维立体图形。POS系统构成部分缺一不可，在减小系统偏差的同时，能够实现各部分的优势互补，以减小定位误差，从而获取高精度的数据信息。

1.1  卫星导航系统

GPS由用户接收机与空间导航卫星部分、地面监控部分组成，具有全天候与自动化等特征优势，可实时提供三维位置与速度等信息。定位原理是指将接收天线与卫星间距作为观测距，利用卫星空间坐标定位接收机天线的空间距离。应用GPS定位方法开展的卫星导航系统，主要是以星际空间距离作为最基本的半径，进而实现三球交汇。为此，需要在同一个观测站上了解3个卫星与接收天线之间的距离。基于单程测距的GPS导航，由于卫星钟与接收机钟不同步，观测站与星地空间距离存在伪距，涵盖了同步误差。卫星钟差需要利用卫星导航电文中的钟差参数矫正。但精准测量接收机中钟差难度较大，需要在同一观测站上实时解除接收机钟差与3个空间坐标等未知参数;对此，需超过4颗卫星展开同步观测。

1.2  惯性导航系统

基于牛顿力学定律的惯性导航技术，是在陀螺仪测定载体角运动与加速计测定载体加速度基础上，用积分运算方法分析姿态信息与载体位置速度等参数的技术。基于无实物物理平台的惯性导航系统（Inertial Navigation System，INS），分为平台式与捷联式两种，随着物理平台向数学平台的过渡变化，当前捷联式惯导系统所需要消耗的经济成本较低，并且其本身的重量相对较小，这是该系统本身所具有的优势，同时，也是平台式惯导系统不可比拟的优势。随着科技的飞速发展，当前导航设备在应用中越发自如与广泛。为此，应用捷联式惯导系统比起平台式惯导系统而言，效果更好，并且在结算方法上处于一致的状态。在陀螺仪的数字平台与姿态角等方面，与传统的导航平台存在着一定的差异。捷联式惯导系统的惯性组件是加速计与陀螺仪的组合体，采用开环IMU，可用于输入惯性传感器信号，无法实现对IMU的反馈控制，但能够高效处理计算机内所有信号。数学平台在捷联式系统中占据重要地位，通过陀螺测定载体的角速度可实现数学平台对姿态矩阵的解算，并获取姿态角信息。利用加速计获取的姿态矩阵，实现机体坐标系与导航坐标系的转换，最后进行导航解算。在光纤陀螺与高精度激光等技术的发展带动下，捷联式惯导系统的性能越发优化，使得基于该系统的航摄相机与POS集成成为可能，内部器件管理便利度提升。但工作原理限制问题不能忽视，导航参数误差发散后，稳定性与精度随之降低，还需利用其他导航系统改正[1]。

1.3  POS计算机系统

INS系统与差分全球定位系统（Differential Global Position System，DGPS）组合算法，主要应用在事后处理软件中，同时，也是POS计算机在系统处理过程中的核心部分。INS与DGPS组合算法能够让模块完成的质量更佳，同时，也属于最重要的软件算法之一。POS计算机系统特征体现在以下几方面：

（1）性能上要求计算能力强大，计算机系统需要实时接收与处理内部器件数据，对此，提出了更高要求。

（2）功能上导航器件需要具备兼容性。导航器件的数据格式与性能等存在较大差异，导航计算机处理器件的方案也不同。除此之外，应当加强对计算机系统的功能拓展与系统控制，以满足用户需要。

（3）在环境适应上应当具备一定的抗震性，系统辅助空摄作业时，处于高机动的环境下，应当加强对其功耗与外形尺寸等方面的严格限制。术后处理软件是指离线处理算法软件，针对惯性导航系统收集的各系统数据采取事后处理，要求工作人员明确掌握术后处理流程与系统解算方法等技术要求，确保空摄测量作业完成的质量与效率。

2    POS辅助航空摄影测量技术的应用

2.1  应用需求

POS系统中的GPS系统与INS系统处于核心地位，该组合导航系统在航空摄影测量技术中的应用与在导航定位中的应用有着明显差异，在应用场合上的要求更高。如航空相机在空摄中，受拍摄瞬时短、受荷载平台运动误差等因素影响，摄影成像质量不理想。运动误差频率随着空间分辨率的优化而提升，尤其是高频误差的存在，会严重降低相片质量。POS系统在应用过程中，需要不断满足光学摄影成像与雷达测距等方面提出的高精度要求。POS系统需要瞬时保证高绝对精度与定位精度，但不能忽视测量误差受成像荷载等因素的影响。POS系统在应用中需要达到以下几点技术要求：

（1）用于测量姿态角的IMU器件，测角时俯仰角、横滚角误差应小于0.01°;航向误差应小于0.02°;记录频率应大于50 Hz;陀螺偏移应小于0.001°/h。

（2）用来获取具有高精度的位置参数。差分GPS接收机应确保其始终在高机动条件下并且处于正常的工作状态，采用动态载波相位分叉模式能够进一步满足POS辅助航空摄影测量技术的实际应用需求，应将其精度定位在空射厘米级，采样的间隔应小于1 s。

（3）用于导航解算与输出运动参数的POS导航计算机，应施以无间断供电，准确记录GPS与IMU等数据。

（4）输入接口应具备同步时间信号时标，确保POS系统准确接收相机曝光时刻数据参数，通过时间对准规避时间同步误差干扰。

2.2  应用方案

POS系统的应用实现了载体定位信息实时反馈，辅助载体高效率完成航行任务，即对地球表面地形地貌的摄影定位。在一段时间内的摄影定位信息变化小，可在实时定位的同时，一次离线事后处理导航信息，在无时间限制条件下，综合各种数据信息，从而获取高定位精度。POS系统应用方案包括实时融合与事后处理两种，前者是指在空摄中融合DGPS与IMU数据，但对系统的器件要求更高。后者是指在空摄中存储DGPS与IMU数据，通过离线处理方法融合数据信息。不受时间限制，可以用高精度算法完成。两种应用方案的特征如下：

（1）IMU要求，实时融合对精度要求高，事后处理对精度要求低。

（2）GPS要求，两者都需要高精度DGPS数据，实时融合利用实时差分解算，要求较高;事后处理利用事后差分解算，要求相对较低。

（3）导航计算机要求，实时融合实现实时信息融合，要求高;事后处理存储数据容量大，实现事后软件信息融合处理，要求低。

（4）应用目的，实时融合对实时性要求高;事后处理对定位精度要求较高。

（5）精度，实时融合精度高，事后处理精度更高。对此，在应用与处理数据过程中，POS系统需要在不同应用阶段设计差异化的技术处理方案，确保空摄任务高效率完成[2-3]。

2.3  应用方法

可忽视控制点平方差计算步骤，但不能省略校验系统误差流程。该方法主要通过系统误差改正POS系统收集的元素方位值，对此，系统误差成了元素方位值的主要影响因素。通常采用飞行校验方法校验系统误差，但该方法只适用于低精度要求与观测环境差、比例尺小等情况下，自身的局限性不能忽视。

从POS辅助空中三角测量法入手分析，需结合地面控制点测量空中三角形，在辅助航空摄影测量技术的基础上完成空摄测量任务。该方法主要是指控制网收集GPS测量获取的地面控制点与姿态等参数，并通过光束法平差计算，得到准确的参数值。在处理转换问题上，其中包括了外方位元素与姿态角元素的转换。不仅如此，还包括了外方位元素与三维立体坐标之间的转换，这两种转换在分析过程中应明确其转换的区别主要在于是否经过了计算加密处理。

2.4  应用误差

利用惯性导航系统分析误差应明确初始误差，对于准误差、计算误差以及运动干扰误差、IMU仪表误差等带来的影响。不同的惯性导航系统其自身存在着一定的误差，为此，该误差会对系统性能产生不同的影响，进而逐步提高陀螺等惯性器件的精度。除此之外，能够了解系统器件质量与工作状况。

分析卫星导航系统时，应从误差入手。GPS自身的定位精度相对较高，因此，人们所需要观察的时间相对较长。在测绘领域，GPS仍旧有着非常大的發展空间，但误差影响定位精度的局限问题不能忽视。同时，GPS误差影响因素较多，具体如下：

（1）与卫星相关误差，包括选择可用性技术（Selective Availability，SA）误差与卫星时钟误差等。其中，卫星时钟误差不能忽视。GPS主要是通过测定卫星信号传播时间实现测距，时钟误差会过渡为测距误差;各卫星钟要求相互协同且与地面站协同，但原子钟等计时方法的应用，不能忽视漂移等问题对稳定性的影响。接收机可通过卫星导航电文中时钟参数改正卫星时钟误差。其中，卫星星历误差不能忽视，是指实际位置与星历提供卫星空间位置间的差距，地面监测站向卫星传输星历数据，监测站出现的卫星运动摄动因素或测量误差，将会直接增大星历误差。

（2）GPS在传播过程中仍旧存在着一定的误差，其中包括了以下几种误差，分别是多路径误差、电离层附加延迟误差。对流层与电离层的折射误差不能忽视，电波受介质传播性质的不同影响，会在电离层与对流层中出现折射，最终产生延时误差。对流层折射误差是指电波在非电离层大气中发生的折射。需要通过建立对流层与电离层模型改正折射误差;对此，应当定期更新完善接收机中的误差改正模型。

（3）接收机设备本身存在着一定的误差，其中包括了天线相位、中心误差以及观测误差等。与GPS信号传播相关误差、卫星相关误差虽然大部分能够消除，但与接收机设备相关的误差不能被消除，但误差相对较小，可忽略不计。

POS系统在空摄中会接收相机曝光脉冲，同时，记录相机曝光时刻，但不能避免地会出现POS输出时刻与相机曝光时刻不同步等问题。POS系统在载体匀速飞行中通过线性内插方式获得导航参数，内插法与匀速飞行载体间误差可忽略不计。但不匀速飞行的载体会与内插法产生较大误差，即时间同步误差。短时间内飞机飞速变化相对较小，POS系统可完全忽略较小的时间同步误差。

3    结语

本文介绍了POS系统构成与核心部分，分析了系统误差及影响因素，讨论了两种应用方案的特征与应用技术要求，对POS系统高效运用起到了参照作用。POS系统在空摄测量领域的应用仍处于摸索性前进阶段，在加强实践经验总结的同时，应当本着引进来和走出去的原则，积极借鉴国外先进国家的技术方法与理念，确保POS系统辅助空摄任务顺利完成。

[參考文献]

[1]胡丙华，张虎龙，张杰.低空摄影测量飞机惯导姿态精度评估技术[J].中国测试，2019（5）：145-150.

[2]董国红，李英成，丁晓波，等.MEMS POS系统在海岛礁测图中的精度验证[J].测绘科学，2017（1）：187-192.

[3]张绪棋，杨久东.PPK辅助无人机摄影测量的精度分析[J].科技创新与应用，2019（29）：73-75.

Application on POS aided aerial photogrammetry technology

Zhou Lin

（Nanning Exploration & Survey Geoinformation Institute， Nanning 530000， China）

Abstract：The airborne POS system can accurately acquire the external orientation elements such as attitude parameters and position parameters at the exposure time of aerial camera by using the characteristics of inertial navigation technology and GPS technology， and realize the orientation measurement based on omitting the process of aerial triangulation encryption and ground control points， so as to optimize the production efficiency and operation cost. This paper mainly expounds the POS aided aerial photogrammetry technology and its application， analyzes the source of system error and application demand， hoping to play a positive reference role in the optimization and development of aerial photogrammetry technology.

Key words：position and orientation system; aerial photogrammetry; application