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：13044

　　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)對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理運(yùn)算，對POS計(jì)算機(jī)系統(tǒng)提出了較高的要求。

　　（2）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系統(tǒng)性能的影響，對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，通過對慣性系統(tǒng)誤差分析，可以對POS系統(tǒng)的工作情況和器件質(zhì)量進(jìn)行評價(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，對于IMU確定性誤差需進(jìn)行補(bǔ)償，對于隨機(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準(zhǔn)誤差。初始對準(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：

　　（1）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(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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