航空攝影(yǐng)測量中POS系統誤差分(fēn)析

發布日期：2018-05-29 00:00 浏覽量：11444

　　20世紀90年代，GNSS輔助空中三角測量的(de)方法得(de)到了(le)廣泛應用(yòng)，利用(yòng)GPS獲得(de)的(de)定位信息用(yòng)來(lái)輔助空中三角測量，展現了(le)導航技術在測繪領域的(de)應用(yòng)前景。GPS技術雖然解決了(le)像片的(de)定位問題，但是無法獲取像片的(de)姿态參數，不能徹底擺脫地面控制。随著(zhe)航空攝影(yǐng)測量技術和(hé)慣性導航技術的(de)發展，一種新的(de)方法開始應用(yòng)于航空攝影(yǐng)測量——定位定向系統（Position and Orientation System，簡稱POS系統）輔助航空攝影(yǐng)。機載POS系統集GPS技術與慣性導航技術于一體，使準确地獲取航攝相機曝光(guāng)時(shí)刻的(de)外方位元素（GPS測量得(de)到位置參數，慣性導航系統得(de)到姿态參數）成爲可(kě)能，從而實現了(le)無（或少量）地面控制點，甚至無需空中三角測量加密工序，即可(kě)直接定向測圖，從而大(dà)大(dà)縮短航空攝影(yǐng)作業周期、提高(gāo)生産效率、降低成本。

因此，POS系統的(de)出現，将從根本上改變傳統航空攝影(yǐng)的(de)方法，進而引起航空攝影(yǐng)理(lǐ)論與技術的(de)重大(dà)飛(fēi)躍。随著(zhe)計算(suàn)機技術的(de)發展及其慣性、GPS器件精度水(shuǐ)平的(de)提高(gāo)，POS無論定位定向精度還(hái)是實時(shí)數據處理(lǐ)能力都會有質的(de)提高(gāo)，将會在航空攝影(yǐng)測繪方面發揮越來(lái)越重要的(de)作用(yòng)。POS系統高(gāo)精度定位定向技術是POS系統應用(yòng)的(de)關鍵技術，它的(de)研究可(kě)以極大(dà)的(de)推動POS系統的(de)發展。

　　1、 POS系統結構組成

　　POS系統本質上集慣性導航技術與 DGPS（Differential GPS，差分(fēn)GPS）技術一體，主要硬件組成部分(fēn)包括慣性導航系統、DGPS與POS系統計算(suàn)機系統，POS還(hái)包含一套事後處理(lǐ)軟件用(yòng)于融合數據事後處理(lǐ)。

　　其中DGPS通(tōng)過用(yòng)戶與基站GPS接收機提供實時(shí)差分(fēn)GPS定位信息，慣性導航系統提供載體實時(shí)角速度與加速度信息，通(tōng)過POS計算(suàn)機系統實時(shí)信息融合得(de)到載體位置、速度、姿态等導航信息，同時(shí)POS系統采集慣性導航系統與DGPS的(de)數據信息利用(yòng)POS系統事後處理(lǐ)軟件得(de)到載體位置、速度、姿态等導航信息。下(xià)面對(duì)其中最重要的(de)慣性導航系統和(hé)衛星導航系統進行研究，最後對(duì)其POS計算(suàn)機和(hé)事後處理(lǐ)軟件進行簡單介紹。

　　1.1 慣性導航系統

　　慣性導航技術是以牛頓力學定律爲基礎，利用(yòng)一組加速度計測量載體的(de)加速度，利用(yòng)一組陀螺儀測量載體的(de)角運動，經過積分(fēn)運算(suàn)求解載體位置、速度和(hé)姿态信息的(de)技術。根據慣性導航原理(lǐ)在物(wù)理(lǐ)平台中的(de)實現，稱爲慣性導航系統，依據有無實際物(wù)理(lǐ)平台可(kě)分(fēn)爲平台式慣性導航系統和(hé)捷聯式慣性導航系統。與平台式慣導系統相比，捷聯式慣性導航系統以數學平台代替了(le)慣性物(wù)理(lǐ)平台，因而結構簡單，平台，體積、重量和(hé)成本大(dà)大(dà)降低，因此目前已經在各類導航設備中廣泛應用(yòng)。

　　捷聯慣性導航系統和(hé)平台慣性導航系統的(de)區(qū)别在于捷聯慣導系統利用(yòng)陀螺儀的(de)輸出實時(shí)計算(suàn)姿态轉移矩陣（即“數學平台”）和(hé)姿态角，其他(tā)的(de)解算(suàn)則與平台慣性導航系統一緻。捷聯慣性導航系統中，陀螺儀和(hé)加速度計的(de)組合體通(tōng)常稱爲慣性組件（Inertial Measurement Unit，IMU），IMU對(duì)系統而言是開環的(de)，僅僅起到了(le)慣性傳感器信号輸入的(de)作用(yòng)，并沒有對(duì)IMU進行反饋控制，所有的(de)信号處理(lǐ)在計算(suàn)機内實現，因此實現方便。

　　捷聯慣性導航系統的(de)核心是導航計算(suàn)機實現的(de)慣性平台，即“數學平台”。數學平台是用(yòng)陀螺測量的(de)載體角速度進行姿态矩陣解算(suàn)，從姿态矩陣中可(kě)以得(de)到實時(shí)姿态角信息，并用(yòng)姿态矩陣将加速度計輸出從機體坐(zuò)标系變換到導航坐(zuò)标系，然後進行導航解算(suàn)。

　　目前捷聯慣性導航系統發展比較成熟，尤其是高(gāo)精度激光(guāng)、光(guāng)纖陀螺的(de)出現與逐步成熟，促使捷聯慣性導航系統越來(lái)越成爲航空載體的(de)主流配置，POS系統采用(yòng)捷聯慣性導航系統，便于與航攝相機集成安裝，也(yě)便于内部器件的(de)維護與更新。但是，慣性導航系統受工作原理(lǐ)所限，導航參數誤差随時(shí)間發散，長(cháng)期穩定性較差，故需要其他(tā)導航系統對(duì)其進行校正，衛星導航系統因其高(gāo)精度與穩定性好成爲POS系統的(de)首選。

　　1.2 衛星導航系統

　　衛星導航系統，由空間導航衛星部分(fēn)、地面監控部分(fēn)和(hé)用(yòng)戶接收機三部分(fēn)組成。它具有全天候、高(gāo)精度、自動化(huà)、高(gāo)效益、性能好、應用(yòng)廣等顯著特點，能夠實時(shí)地提供三維的(de)位置、速度和(hé)GPS時(shí)間等信息。

　　GPS定位的(de)基本原理(lǐ)是以GPS衛星和(hé)用(yòng)戶GPS接收機天線之間的(de)空間距離作爲觀測量，根據已知的(de)GPS衛星空間坐(zuò)标，可(kě)以确定用(yòng)戶GPS接收機天線的(de)空間位置。GPS定位方法的(de)實質是以星地空間距離爲半徑的(de)三球交彙，因此，在一個(gè)測站上，需要3個(gè)衛星到接收機天線的(de)距離觀測量。

　　GPS導航與無線電導航類似，采用(yòng)單程測距原理(lǐ)，衛星鐘(zhōng)和(hé)接收機鐘(zhōng)無法保持嚴格的(de)同步，所以GPS實際的(de)觀測量并不是用(yòng)戶接收機天線至衛星之間的(de)真實距離，而是含有衛星鐘(zhōng)和(hé)接收機鐘(zhōng)同步誤差的(de)距離，因此又稱爲僞距。當然，衛星鐘(zhōng)差是可(kě)以通(tōng)過衛星導航電文中所提供的(de)相應鐘(zhōng)差參數加以修正的(de)，而接收機的(de)鐘(zhōng)差，準确測定非常困難，所以，必須将接收機的(de)鐘(zhōng)差作爲一個(gè)未知量與用(yòng)戶三維位置在數據處理(lǐ)中一并解出。因此，在一個(gè)觀測點上，爲了(le)實時(shí)求解4個(gè)未知參數（3 維空間坐(zuò)标及一個(gè)GPS接收機鐘(zhōng)差），至少需要同步觀測4顆衛星。

　　1.3 POS計算(suàn)機與事後處理(lǐ)軟件

　　在POS系統中，POS計算(suàn)機系統（POS computer system，PCS）中實時(shí)運行以及在事後處理(lǐ)軟件中的(de)INS/DGPS組合算(suàn)法是POS系統的(de)核心部分(fēn)。POS系統中其他(tā)模塊如IMU和(hé)DGPS都需要以POS計算(suàn)機系統爲硬件平台，通(tōng)過軟件算(suàn)法來(lái)完成；用(yòng)戶對(duì)POS系統的(de)操作和(hé)控制也(yě)需要通(tōng)過POS計算(suàn)機系統來(lái)完成。

　　市場(chǎng)上POS産品POS計算(suàn)機系統的(de)特點與POS應用(yòng)航空攝影(yǐng)的(de)背景，POS計算(suàn)機系統有如下(xià)特點：

　　（1）從性能上看，POS計算(suàn)機系統必須具備強大(dà)的(de)計算(suàn)能力。POS計算(suàn)機系統需要實時(shí)接收并儲存IMU和(hé)GPS數據、實時(shí)對(duì)數據進行處理(lǐ)運算(suàn)，對(duì)POS計算(suàn)機系統提出了(le)較高(gāo)的(de)要求。

　　（2）從功能上看，POS計算(suàn)機系統必須具備強大(dà)的(de)導航器件兼容性。目前導航器件無論從精度、性能、數據格式等方面都不一樣，導航計算(suàn)機需要在條件允許的(de)情況下(xià)對(duì)不同的(de)器件給出不一樣的(de)處理(lǐ)方案供用(yòng)戶選擇，另外POS計算(suàn)機系統需要滿足系統控制、輸出和(hé)功能的(de)擴展。

　　（3）從環境适應性上看，POS計算(suàn)機系統必須具備良好的(de)抗震性能。POS系統輔助航空攝影(yǐng)，高(gāo)機動是其環境的(de)主要特點，同時(shí)其外形尺寸和(hé)功耗也(yě)需要嚴格限制。

　　事後處理(lǐ)軟件顧名思義就是事後離線處理(lǐ)算(suàn)法軟件，對(duì)慣性導航系統采集的(de)IMU數據與GPS系統采集的(de)DGPS數據進行事後處理(lǐ)，經過系統解算(suàn)可(kě)獲取高(gāo)精度像片外方位元素。利用(yòng)航空攝影(yǐng)中應用(yòng)廣泛的(de)Applanix POS/AV 510自帶事後處理(lǐ)軟件POSPac對(duì)事後處理(lǐ)流程進行說明(míng)。

　　2、 航空攝影(yǐng)應用(yòng)中的(de)POS系統主要誤差分(fēn)析

　　機載POS系統輔助航空攝影(yǐng)無論從系統器件精度、集成安裝或其它機動物(wù)理(lǐ)特性等環節都不可(kě)避免存在誤差，這(zhè)些誤差會影(yǐng)響POS系統的(de)性能，所以必須對(duì)其誤差進行分(fēn)析。機載POS系統的(de)誤差源主要有：慣性導航系統誤差，衛星導航系統誤差，時(shí)間同步誤差。

　　2.1 慣性導航系統誤差

　　對(duì)慣性導航系統誤差分(fēn)析的(de)目的(de)在于，通(tōng)過分(fēn)析确定各種誤差因素對(duì)系統性能的(de)影(yǐng)響，對(duì)POS系統采用(yòng)慣性器件提出精度要求，尤其是陀螺的(de)精度要求；另外一方面，通(tōng)過對(duì)慣性系統誤差分(fēn)析，可(kě)以對(duì)POS系統的(de)工作情況和(hé)器件質量進行評價。慣性導航系統誤差根據其誤差産生的(de)原因和(hé)性質，大(dà)體上可(kě)以分(fēn)爲以下(xià)幾類：

　　2.1.1 IMU儀表誤差

　　IMU儀表誤差是指慣性器件陀螺和(hé)加速度計的(de)誤差，有靜态誤差和(hé)動态誤差兩個(gè)方面。陀螺誤差包括由陀螺常值漂移和(hé)随機漂移等引起的(de)誤差，以及陀螺溫度特性引起的(de)誤差等；加速度計誤差包括随機漂移和(hé)溫度特性引入的(de)誤差等。動态誤差主要是指由于載體機動對(duì)慣性器件的(de)影(yǐng)響帶來(lái)的(de)誤差。這(zhè)是慣性導航系統的(de)主要誤差源，對(duì)于IMU确定性誤差需進行補償，對(duì)于随機性誤差需要建立合适的(de)誤差模型來(lái)減小其誤差。

　　2.1.2 初始對(duì)準誤差

　　慣性導航系統在進行導航解算(suàn)前必須進行初始對(duì)準，由于輸入的(de)初始位置、初始速度不準确引起的(de)初始姿态不準确造成的(de)誤差就是初始對(duì)準誤差。初始對(duì)準爲後續導航解算(suàn)給出數學平台基準，所以必須盡量減少初始對(duì)準誤差。

　　2.1.3 計算(suàn)誤差與運動幹擾誤差

　　計算(suàn)誤差包括數字量化(huà)誤差、參數設置誤差、計算(suàn)中的(de)舍入誤差等。運動幹擾誤差主要是沖擊和(hé)震動等造成的(de)誤差。這(zhè)些誤差也(yě)是影(yǐng)響捷聯慣性導航系統精度的(de)重要因素，必須設法消除或削弱。

　　慣性導航系統誤差是POS系統的(de)重要誤差源，是POS系統獲得(de)高(gāo)精度姿态方位信息的(de)關鍵，目前針對(duì)具體的(de)誤差形式，研究精确的(de)數學模型是減小慣性導航系統誤差的(de)主要方法。

　　2.2 衛星導航系統誤差

　　GPS因爲其觀察時(shí)間短、定位精度高(gāo)的(de)特點，在測繪領域展現了(le)巨大(dà)的(de)應用(yòng)前景。但是GPS也(yě)有許多(duō)與生俱來(lái)的(de)缺點限制了(le)它的(de)應用(yòng)，其中GPS誤差就是其高(gāo)精度定位主要影(yǐng)響因素。目前引起GPS誤差的(de)因素有很多(duō)，主要來(lái)源包括以下(xià)幾部分(fēn)：

　　（1）GPS衛星有關的(de)誤差，主要有衛星時(shí)鐘(zhōng)誤差、衛星星曆誤差、SA誤差等；

　　（2）GPS信号傳播有關的(de)誤差，主要有電離層的(de)附加延遲誤差、對(duì)流層的(de)附加延時(shí)誤差和(hé)多(duō)路徑誤差等；

　　（3）接收機設備相關的(de)誤差，主要包括觀測誤差、接收機鐘(zhōng)差、天線相位中心誤差和(hé)載波相位觀測的(de)整周不定性影(yǐng)響等。
　　

針對(duì)GPS影(yǐng)響較大(dà)的(de)誤差源具體分(fēn)析如下(xià)所示：

　　2.2.1 衛星時(shí)鐘(zhōng)誤差
　　GPS系統是通(tōng)過測量衛星信号傳播時(shí)間來(lái)測距的(de)，時(shí)鐘(zhōng)的(de)誤差将直接變成測距誤差。GPS系統中各衛星鐘(zhōng)要求互相同步并與地面站同步，即使采用(yòng)原子鐘(zhōng)計時(shí)也(yě)不可(kě)能絕對(duì)穩定，而是存在著(zhe)漂移。接收機可(kě)以通(tōng)過接收衛星導航電文中鐘(zhōng)差參數直接對(duì)衛星時(shí)鐘(zhōng)誤差進行改正。

　　2.2.2 衛星星曆誤差
　　GPS衛星星曆提供的(de)衛星空間位置與實際位置之差稱爲星曆誤差。星曆數據由地面監控站注入衛星，而監控站對(duì)衛星測量的(de)誤差、衛星運動時(shí)的(de)攝動因素等都會造成星曆中存在誤差，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
　　衛星發射電波到達地面接收機，必須穿過電離層與對(duì)流層才能到達GPS接收天線。電磁波在不同介質中得(de)傳播特性是不同的(de)，電波電離層與對(duì)流層會發生折射，從而産生延時(shí)誤差。對(duì)流層折射誤差是指非電離層大(dà)氣對(duì)電磁波的(de)折射。對(duì)這(zhè)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接收機中一般都有誤差改正模型。

　　2.2.4 多(duō)路徑效應誤差
　　多(duō)路徑效應誤差是由于不同的(de)路徑到達GPS接收機而産生的(de)誤差，主要由接收機周圍的(de)地形、地物(wù)及各種反射體引起，信号經過多(duō)路徑傳播造成測距誤差。

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