国产POS与SWDC集成检校精度分析

韩晓冬，杨 娜，2，李 峰，刘宗杰

（1.山东科技大学测绘科学与工程学院，山东青岛 266590；2.北京四维远见信息技术有限公司，北京 100039；3.中国测绘科学研究院，北京 100039）

一、引 言

POS是集DGPS定位技术与惯性导航（INS）技术于一体的定位定姿系统，其中负责姿态测定的单元称为惯性测量单元（inertia measurement unit，IMU）。POS直接地理定位（direct georeferencing，DG），是指将GPS接收机和IMU系统与航摄仪集成在一起，通过GPS载波相位差分定位获取航摄仪的位置参数，使用IMU测定航摄仪的姿态参数，经IMU、DGPS数据的联合后处理可直接获得每张像片的6个外方位元素，从而能够大大减少甚至无需地面控制而直接进行航空影像的定向，为影像的处理应用提供快速、便捷的技术手段。

伴随新一代航空数字相机、机载激光雷达（LiDAR）、合成孔径雷达（SAR）等遥感数据获取新技术的出现，POS系统的应用领域越来越广泛。基于POS与多传感器集成的系统进行航空遥感对地目标精确定位成为国际摄影测量与遥感的研究热点。国内已有基于POS辅助航空摄影测量中直接传感器定向的研究，即在利用检校场精确解求POS系统误差改正参数的基础上，将集成系统获取的POS数据进行检校计算，直接获取影像所需要外方位元素，但所使用集成设备均是国外POS与航摄仪。基于国产高精度POS系统与相应国产航空数字相机的集成并应用于航空摄影测量成为国内摄影测量工作者的期待。

本文依托项目实际，开展基于国产POS与具有自主知识产权的国产航空数码航摄仪SWDC-4A集成系统的直接地理定位试验研究。

二、集成系统简介及关键技术

1.集成系统简介

试验采用集成系统为国内自主研制的POS+稳定平台+国产SWDC-4A（Siwei digital camera，四维数码相机）。

国产POS的标称精度与国外成熟的POS/AV610相当，位置精度为0.05～0.3 m，速度精度为0.005～0.01 m/s，水平姿态精度为 0.005°，航向角精度为 0.005°。

SWDC基于高档民用相机，经过加固、精密单机检校、平台拼接、精密平台检校而成，并配备测量型双频GPS接收机、GPS航空天线、航空摄影管理计算机。SWDC-4A数码航空摄影仪由4个单面阵数码相机通过固定的几何关系，经外视场拼接而成，拼接后的CCD面阵大小等效为14 500×10 000。试验集成系统如图1所示。在实际试验中，在飞机顶端安装高动态航空 GPS天线，在航摄仪上固联IMU。

2.集成检校关键技术

理想情况下，IMU本体坐标系与航摄仪本体坐标系的相应轴应该平行，但由于安装工艺的原因，将IMU安装在航摄仪上后，两坐标系的相应轴实际是不平行的，相应轴间的夹角为视准轴误差ex、ey、ez，即偏心角。一般，ex、ey、ez均为一个微小量（＜3°）。集成检校的目的是获取该系统误差，从而在实际飞行试验中针对POS后处理数据加入这些参数（以下称为检校参数，包括两轴系之间的3个线元素偏差）进行系统改正，最终获取所需影像的外方位元素进行无空三直接测图。

图1 试验集成系统图

高精度组合导航数据的获取和后处理对集成检校参数的解算及最终直接地理定位的精度均起到重要作用。本文从POS系统与SWDC硬件集成，影响组合导航数据最优化获取及处理的IMU初始化对准、GPS/IMU时间同步，以及检校参数获取方法和技术路线3个方面简述集成检校关键技术。

（1）POS系统与SWDC硬件集成

POS与SWDC在硬件上的集成主要是指POS、相机及GPS天线在载体上的最优安置。为了尽可能减小GPS天线与IMU的偏心距及相机与POS的偏心距，本文采取将GPS天线、IMU、相机三者在同一垂直方向上安装的方式，尽量使各传感器在平面方向的偏心距为零，只存在竖向偏心距。为了避免传感器之间的相对运动，集成设备在整体上要实现刚性连接。本研究主要通过减轻IMU重量，IMU的安装基座、相机的安装圆盘与IMU安装基座之间的连接螺杆均选择航空铝材，安装减震设备这3种措施来保证IMU与相机之间的刚性连接。

（2）最优化获取及处理组合导航数据

①IMU初始化对准

惯性导航系统输出的载体速度、位置是根据加速度计及陀螺仪输出的加速度和角速度经积分而来的。要进行积分运算，首先必须设置积分的初始条件，如初始速度、初始位置。另外，惯性导航系统中加速度计的测量基准（即敏感轴指向）由平台轴确定，指北方位惯性导航系统在进入导航工作状态之前，必须使平台（对于捷联式惯性导航系统而言，该平台为数学平台）坐标系与地理坐标系指向一致，包括水平方向上的一致和方位指向上的一致，否则平台误差会引起加速度的测量误差。因此，惯性导航系统在进入导航工作状态之前，必须确定并向系统输入载体的初始速度、初始位置，并将惯性导航系统平台3个轴的指向调整成与当地地理坐标系3个轴向一致。这些工作称为惯性导航系统的初始对准。在组合导航系统中，引入运动阶段GPS的位置和速度信息，并利用卡尔曼滤波进一步确定初始对准过程中的不符值，其精度取决于所提供的机动性。

初始化对准误差由陀螺仪零漂和加速度零漂引起。由于陀螺仪存在角随即游走误差，因此初始化对准精度取决于对准时间，尤其是航向角受其影响较大。航向角对准误差与角随机游走及对准时间的平方根成正比。因此，为获得最优化的POS数据，在实际航飞试验时，可使用可充电的蓄电池为飞机供电以延长对准时间和机动飞行，即在正式进入摄区前及飞离摄区进行S形飞行，并要求在航线内飞行时间较长时重复以上机动飞行。

②时间同步

精确的时间同步对高精度的集成系统很重要，POS与数字航空相机集成系统涉及两种时间同步:GPS与IMU的时间同步、GPS与相机的时间同步。目前，GPS所提供的高精度时间系统被大多数集成系统用于提供时间基准。本集成系统中，GPS与IMU之间的时间同步是通过Trimble 5700接收机串口提供的1PPS（pluse-per-second）实现的，GPS与相机之间的时间同步是依靠Trimble 5700接收机接收曝光所产生的曝光脉冲实现的，从而实现了GPS、IMU、相机三者之间的时间同步。

（3）集成检校技术路线及检校参数获取方法

为了检校由于安装原因造成的POS与相机相应轴系之间不能完全平行的角度偏差，采用具体方法为通过建立检校场，布设数量充足的控制点，以航空摄影测量获取精确的外方位元素作为真值，通过严密的POS系统与摄影测量坐标系之间的转换关系，将检校参数作为未知数，POS数据作为观测值建立误差方程，解求检校参数。在保证仪器安装相对位置不变的前提下，将后续实际航摄获取的POS数据直接加入该参数进行修正，获取所需的影像外方位元素。最后利用JX4-G数字摄影测量工作站，采集检查点与野外检查点进行比较验证DG精度。集成检校技术路线如图2所示。

图2 集成检校技术路线图

三、试验及分析

1.试验资料

本文使用2011年7月与8月获取的河南平顶山区域的一组1∶9000航摄影像进行直接对地目标定位试验。组合导航数据为利用国产POS获取并经过高精度后处理得到的，相片为集成系统中SWDC-4A获取的经过高精度后续处理的四拼数字影像。SWDC及试验相关参数见表1。

试验场为相距30 km的两个平坦区域，可交互用作检校场和验证场，按地理位置分别称为鲁山区和学校区。鲁山区覆盖有正常重叠度的4条航线，共60张影像；学校区覆盖有正常重叠度的5条（最多9条）航线，共130张影像（最多234张影像）。试验时，在飞机顶部安装Trimble 5700双频航空GPS天线，保证GPS天线、IMU、相机虚拟中心在同一垂线方向上。国产POS内置Trimble 5700 GPS接收机，基站安置一台Trimble 5700双频GPS接收机。GPS采样频率为10 Hz，IMU采样频率为100 Hz。飞机S形盘旋上升和下降，并在进入测区前和离开测区后对POS均在地面进行5 min静态初始化。相机采用定点曝光模式，由飞行员在进入航线时操作。

表1SWDC及试验相关参数

试验获取数据分为POS数据和影像。POS数据由相关组合导航软件进行处理，影像数据采用国产SWDC-4A数码航摄系统相应软件进行处理，并利用国产Geolord-AT自动数字空中三角测量软件进行空三加密。POS与相机之间的检校参数及通过POS数据直接解算的影像外方位元素均通过自主开发软件进行解求。最终利用JX-4G数字摄影测量工作站单模型和数字测图模块进行检查点的采集和精度验证。

2.集成检校参数结果及分析

检校参数的解算精度依赖于高精度的POS后处理数据及所用的检校算法，为此进行多次不同试验，对获取的POS数据分别进行检校，并对检校参数进行对比分析。

如果IMU与相机之间的相对位置固定，则得到的每一曝光点处的检校参数应该基本相同。为了验证，拆除设备再按照同一方式集成安装后，针对检校参数的变化量进行了不同试验，检校结果见表2。

同一试验各个曝光点检校参数的稳定性与否可以验证所用检校算法是否准确。表3给出多次试验各曝光点检校参数的离散情况。在保证解算所有曝光点的偏心元素基本不变的前提下，取所有曝光点检校参数的均值作为最终系统误差改正值，修正POS数据，以得到高精度的影像外方位元素。

表2 多次试验解求的检校参数

表3 检校参数残差中误差

7月22 日，同一架次飞机先飞鲁山区，后飞学校区，飞行完拆除设备；7月23日再次飞行时，重新安装设备；7月24日试验结束拆除设备；8月25日重新安装设备，8月28日与8月25日两天试验设备未拆除。

从表3可以看出，多次试验解算的各曝光点的偏心元素基本不变，各曝光点参数表现稳定，离散程度较小，没有表现出明显的系统误差，与理想状态相符，说明检校算法正确。

从表2可以看出，一旦设备拆除，虽然采取同样的安装方式，但POS与相机之间的偏心元素会产生很大变化。8月25日与8月28日两天试验设备未拆除，但在x方向差距很大，说明该方向检校有问题。单独对两次试验进行分析，由于8月25日采集数据时平台开启，但在实际处理组合导航数据时，并未加入平台数据对集成设备相对运动的补偿，导致检校x方向差别很大，达到0.8 m，说明POS数据后处理精度很重要。

通过偏心参数解算的结果，初步断定，如果设备拆除，要实现高精度的POS直接地理定位，必须重新进行检校；如果设备不拆除，POS直接地理定位能否满足大比例尺测图，需要直接利用该检校参数修正新获取的POS数据得到影像外方位元素，利用外方位元素直接安置测图，实际采集检查点予以验证。

3.WGS-84坐标系下的直接对地目标定位

经过检校后的POS数据得到的外方位元素能否满足精度要求，最终需要直接测图进行验证。本文利用JX-4G数字摄影测量工作站直接进行外方位元素安置测图，采集地面检查点的结果。由于POS系统提供的外方位元素是基于WGS-84坐标系统的，因此利用其进行直接目标定位可获得检查点在WGS-84坐标系下的三维坐标。采用4种不同条件下的直接测图精度进行比较分析:① 未经检校的POS数据直接测图；②同一架次，先飞检校场，后飞验证场，经过检校的POS直接测图；③不同架次，集成设备不拆除，飞完检校场进行数据处理，用该次试验得到检校参数修正后续试验的POS数据进行直接测图；④设备拆除，新获取POS数据不检校，用原有检校参数改正POS数据的直接测图，此次试验目的为验证设备拆除前后，得到外方位精度的变化。同时在单像对与多像对上分别采集检查点进行精度比较分析。进行不同检校试验直接测图的结果见表4。

表4 WGS-84坐标系下不同检校条件的直接地理定位精度

从表4可知:

1）未检校的POS与检校后的POS相比，其直接地理定位精度明显降低（通过对比方案1与方案2、方案3、方案4的结果可知）。

2）如果拆除设备，虽然采取同样的安置方式，但其最终直接地理定位精度也明显降低，尤其是平面精度。说明一旦集成设备重新安装，要实现高精度的直接地理定位需要重新进行检校（通过对比方案4与方案3或方案2的结果可知）。

3）有检校，同一架次先飞检校场，后飞验证场，POS直接地理定位精度最高平面为0.14 m，高程为0.16 m（通过方案2与方案3结果比较可知）。

4）在保证检校后的集成设备不拆除的前提下，继续进行航飞试验（方案3），直接地理定位精度为平面0.19 m，高程0.175 m，基本满足了规范大比例尺1∶500测图精度要求。说明经过严密检校后的国产POS可以在测区外布设检校场，实现测区无地面控制的直接地理定位，可在崇山峻岭、戈壁荒漠等难以通行的地区开展航空遥感工作。

四、结 论

通过检校参数解算结果及后续直接地理定位采集检查点精度分析，可得出以下结论:

1）高精度的组合导航数据处理对检校参数的解算及后续直接地理定位的精度起到决定性作用。

2）本文采用检校算法准确且检校精度较高。

3）硬件上保证IMU测量中心、相机中心、GPS天线相位中心尽量在载体坐标系的一条垂线上，更容易成功实现直接地理定位。

4）要实现高精度的POS直接地理定位，POS必须经过严密检校。同一架次飞机先飞检校场后飞验证场更容易满足大比例尺测图要求。

5）对于成图精度要求不高的崇山峻岭、戈壁荒漠及灾难地区，在常规检校场经过严密检校后的国产POS可以直接开展航空遥感工作，能高效及时获取地物信息。

6）经过严格检校的国产POS与SWDC集成系统在WGS-84坐标系下可以提供高精度的外方位元素，用其直接安置测图，可以满足大比例尺测图精度要求。

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