POS辅助航空摄影测量应用方案对比分析

高兆伟

摘 要：集GPS技术与惯性导航技术于一体的机载POS系统，可能实现对航摄相机曝光时刻的外方位元素（GPS测量得到位置参数，惯性导航系统得到姿态参数）的准确获取，进而实现少量或无地面控制点，甚至不需要空中三角测量加密工序，就可以直接定向测图，使航空摄影作业周期大大缩短，生产效率提高，成本降低。该文基于笔者多年从事航空摄影测量的相关工作经验，以航空摄影测量中POS系统误差为线索，探讨了不同应用方案的禅意，论文首先分析了POS系统的主要误差来源，进而探讨了POS系统在航空摄影中的应用需求，并对POS系统在航空摄影中的应用方案进行了对比分析。

关键词：航空摄影测量 POS 系统 误差 应用

中图分类号：P231 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）12（c）-0060-04

GPS（Global Position System，全球定位系统）辅助空中三角测量的方法得到广泛应用始于20世纪90年代，通过GPS获得的定位信息对空中三角测量进行辅助，表明导航技术在测绘领域的前景。解决了像片的定位问题，GPS技术对像片的姿态参数却无法获取，对地面控制不能完全摆脱。航空摄影测量技术和惯性导航技术发展的同时，应用于航空摄影测量——定位定向系统（Position and Orientation System，简称POS系统）辅助航空摄影的一种新的方法也随之而产生。机载POS系统结合GPS技术与惯性导航技术，或开创准确地获取航摄相机曝光时刻的外方位元素（GPS测量得到位置参数，惯性导航系统得到姿态参数）的先例，进而使地面无或是少量控制点，甚至空中三角测量加密工序也不再需要，就能直接定向测图，使航空摄影作业周期缩短，生产效率得以提高，且成本也降低了。POS系统将使传统航空摄影的方法从根本上改变，并引发航空摄影理论与技术的重大突破。伴随发展的计算机技术及其不断提高的惯性、GPS器件精度水平，无论定位定向精度还是实时数据处理能力POS都会有质的提升，其在航空摄影测绘方面发挥的作用也将越来越大。POS系统应用的关键技术是其高精度定位定向技术，对它的研究能使POS系统的发展得到极大的推进。

1 POS系统结构的组成

在本质上，POS系统集DGPS（Differential GPS，差分GPS）技术与惯性导航技术于一体，惯性导航系统、DGPS 与POS计算机系统是其主要的硬件组成部分，POS还包含一套用于融合数据事后处理的软件，示意图见图1。

其中，通过用户与基站GPS接收机，DGPS可提供实时差分GPS定位信息，载体实时角速度与加速度信息由惯性导航系统提供，实时信息通过POS计算机系统融合，得到载体速度、姿态、位置等导航信息，同时利用POS系统事后处理软件处理POS系统采集惯性导航系统与DGPS的数据信息，得到的导航信息有载体位置、速度、姿态等。以下研究的是最重要的惯性导航系统和卫星导航系统，接着再简单介绍其POS计算机和事后处理软件。

1.1 惯性导航系统

以牛顿力学定律为基础的惯性导航技术，是利用一组加速度计测量载体的加速度，一组陀螺仪测量载体的角运动，经过积分运算得到载体位置、速度和姿态信息的一项技术。根据惯性导航原理在物理平台中的实现，称为惯性导航系统，按有无实际物理平台分为平台式惯性导航系统和捷联式惯性导航系统两种。由于惯性物理平台被数学平台取代了，因此捷联式惯性导航系统与平台式惯导系统相比，结构简单，体积、重量小和成本低，也已经广泛应用于各类导航设备中。

捷联惯性导航系统解算原理见图2 ，除利用陀螺仪的输出实时计算姿态转移矩阵（即“数学平台”）和姿态角与平台惯性导航系统不同外，它的解算则与平台惯性导航系统一样。陀螺仪和加速度计的组合体捷联惯性导航系统中通常称为惯性组件（Inertial Measurement Unit， IMU），对系统而言，IMU是开环的，只有惯性传感器信号输入的作用，不能反馈控制IMU，在计算机内实现对所有的信号处理，故易于实现。

通过图2可以得出，导航计算机实现的惯性平台，即“数学平台”是捷联惯性导航系统的核心所在。数学平台解算姿态矩阵是用陀螺测量的载体角速度来实现的，实时姿态角信息可以从姿态矩阵中得到，将加速度计输出用姿态矩阵从机体坐标系变换到导航坐标系，再导航解算。

捷联惯性导航系统目前发展比较成熟，尤其是出现并日渐成熟的高精度激光、光纤陀螺，使捷联惯性导航系统逐步成为航空载体的主流配置，采用捷联惯性导航系统的POS 系统与航摄相机集成安装容易实现，内部器件的更新和维护也更加便利。不过，受工作原理限制的惯性导航系统，其导航参数误差随时间发散，长期稳定性不好，因此要用其他导航系统来校正，而首选就是高精度与稳定性好的卫星导航系统。

1.2 卫星导航系统

GPS是美国国防部联合海陆空三军研制的导航系统即卫星导航系统，包括地面监控部分、空间导航卫星部分、用户接收机三部分，其显著特点有高精度、全天候、高效益、性能好、自动化、应用广等，能够对三维的位置、速度和GPS时间等信息进行实时的提供。

以GPS卫星和用户GPS接收机天线之间的空间距离作为观测量，是GPS定位的基本原理，根据已知的GPS卫星空间坐标，可对用户GPS接收机天线的空间位置进行定位。以星地空间距离为半径的三球交汇是GPS定位方法的实质，所以，需要将3个卫星在一个测站上到接收机天线的距离观测量。具体定位原理见图3。

与无线电导航类似，GPS导航采用的原理是单程测距。因接收机钟和卫星钟不能严格地保持同步，GPS实际的观测量并不是卫星至用户接收机天线之间的真实距离，还包含了接收机钟和卫星钟同步误差的距离，所以也叫伪距。不过，可以通过卫星导航电文中所提供的相应钟差参数修正卫星钟差的，而要准确测定接收机的钟差是比较难的，因此，须将接收机的钟差作为一个未知量，与用户三维位置在数据处理中一同解出。所以说，同一个观测点上，要实时求解4个未知参数（3维空间坐标及一个GPS接收机钟差），需要至少4颗卫星进行同步观测。endprint

1.3 POS计算机与事后处理软件

POS系统的核心部分是POS计算机系统（POS computer system，PCS）中实时运行以及在事后处理软件中的INS/DGPS组合算法。如IMU和DGPS等其他模块的硬件平台就是POS计算机系统，这些模块的完成需通过软件算法来实现；同时，还需要通过POS计算机系统来实现用户对 POS 系统的操作和控制。

通过分析市场上POS产品、POS计算机系统的特点与POS应用航空摄影的背景，可得出POS计算机系统的特点须具备三个方面：

（1）在性能方面，计算能力必须更加强大。POS计算机系统需要实时接收并储存 IMU和GPS数据、实时对数据进行运算处理，这就对POS计算机系统提出的要求也较高了。

（2）在功能方面，导航器件兼容性须很强大。目前，导航器件存在不同的精度、性能、数据格式等等，因此在条件允许的情况下，需要导航计算机对不同的器件给出的处理方案也要不一样，以满足用户需要。另外，POS计算机系统需要对系统控制、输出和功能的扩展进行满足。

（3）在环境适应性方面，抗震性能必须要很好。POS系统在对航空摄影进行辅助时，其环境的主要特点就是高机动，同时还需要严格限制其外形尺寸和功耗。

事后处理软件顾名思义就是事后离线处理算法软件，事后处理惯性导航系统采集的IMU数据与GPS系统采集的DGPS数据，高精度像片外方位元素经过系统解算可以获得。对事后处理流程进行说明利用的是航空摄影中应用广泛的Applanix POS/AV 510自带事后处理软件POSPac，其流程详见图3。

2 航空摄影应用中的POS系统主要误差分析

机载POS系统辅助航空摄影时，误差不可避免的存在于系统器件精度、集成安装或其它机动物理特性等环节，POS系统的性能都会受到这些误差的影响，所以必须分析其误差。卫星导航系统误差、时间同步误差、惯性导航系统误差是机载POS系统的主要误差源。

2.1 惯性导航系统误差

分析惯性导航系统误差的目的在于，通过对系统性能产生影响的各种误差因素进行分析确定，对POS系统采用惯性器件提出精度要求，尤其是陀螺的精度要求；另一方面，通过分析惯性系统误差，可以评价POS系统的工作情况和器件质量。根据误差产生的原因和性质，惯性导航系统误差大体上可以分为三类：（1）IMU仪表误差；（2）初始对准误差；（3）计算误差与运动干扰误差。

2.2 卫星导航系统误差

因较短的观察时间和高精度的定位特点，GPS 在测绘领域展现出的应用前景也是巨大的。不过与生俱来的缺点也对GPS的应用产生了很大的限制，其中，GPS高精度定位主要影响因素就是其误差。目前来看，有很多因素会引起GPS发生误差，主要来源有以下几个方面。

（1）主要有卫星时钟误差、卫星星历误差、SA误差等与GPS卫星有关的误差；（2）主要有电离层的附加延迟误差、对流层的附加延时误差和多路径误差等与GPS信号传播有关的误差；（3）主要包括观测误差、接收机钟差、天线相位中心误差和载波相位观测的整周不定性影响等与接收机设备相关的误差。而误差源对GPS影响较大的具体有以下几点。

2.2.1 卫星时钟误差

GPS系统是通过测量卫星信号传播时间来测距的，时钟的误差将直接变成测距误差。GPS系统中各卫星钟要求互相同步并与地面站同步，即使采用原子钟计时也不可能绝对稳定，而是存在着漂移。接收机可以通过接收卫星导航电文中钟差参数直接对卫星时钟误差进行改正。

2.2.2 卫星星历误差

星历误差是指GPS卫星星历提供的卫星空间位置与实际位置之差。通过地面监控站将星历数据注入卫星，而监控站对卫星测量的误差、卫星运动时的摄动因素等都会造成星历中一直都会有误差存在，且不可能消除。

2.2.3 电离层与对流层折射误差

卫星发射电波到达地面接收机，必须穿过电离层与对流层才能到达GPS接收天线。在不同的介质中电磁波具有不同的传播特性，电波对流层与电离层会发生折射，从而引起延时误差。非电离层大气对电磁波的折射就叫对流层折射误差。针对这种折射误差加以改正时一般需要建立电离层与对流层模型，目前GPS接收机中一般都有误差改正模型。

通过以上可知，影响GPS定位误差有很多的因素，利用差分GPS可以完全消除卫星时钟和星历误差，对传播造成的延迟误差也能够消除很大部分，但是对于接收机相关的误差则消除不了，不过这些误差却是极小的，几乎可以完全忽略。

2.3 航空摄影过程中POS系统内部不同信息源的时间同步误差

DGPS定位输出频率一般为1 Hz，而IMU数据的输出频率可以高达20～50 Hz，所以POS系统的输出频率与IMU数据输出相同。机载POS系统航空摄影过程中，POS系统接收航摄相机的曝光脉冲并记录该时刻jt，POS系统输出时刻it与航摄相机的曝光时刻jt往往不同步，详见图4。通常情况下，航空摄影过程中飞机是在匀速飞行的，POS系统采用线性内插的方法得到导航参数。这种内插法使用在飞机匀速飞行的时候是不会有误差产生的。不过，飞机在实际飞行的时候是不可能一直是匀速飞行的，那么线性内插法就势必会导致误差产生，这样产生的误差就被称之为时间同步误差。

100～200 m/s是航摄飞机的一般飞行速度，在较短的时间之内，飞机速度的变化不可能太大。所以为了方便分析问题，假设线性内插误差POS系统输出频率的1%，那么对于飞行速度为150 m/s的航摄飞机和输出频率为50 Hz的POS系统，就存在约为0.3 cm的时间同步误差。对POS系统来说，可以完全忽略不计这一数量级的误差的。

3 POS系统在航空摄影中的应用需求分析endprint

在分析POS系统组成及其误差分析的基础上，有必要针对其应用需求进行研究分析。POS系统可以与多种航空摄影器材或航空传感器集成相连，如ADS40航摄相机、光学相机、SWDC相机、机载激光雷达等，从而实现传感器直接定向或辅助定向测量，如下图5所示。不同的航摄相机对POS系统精度要求不一样，但是针对它们对测量精度的共性要求研究，对POS系统应用提出具体的技术要求是非常有必要的。

3.1 航空摄影对POS系统的应用要求

我们知道，POS系统本质上是高精度INS/GPS组合导航系统。但POS系统辅助航空摄影中与导航定位中INS/GPS组合导航系统不同，这是针对它的应用场合提出了新的要求。以航空摄影中应用较广的航摄相机为例，在摄影过程中，其中拍摄瞬间时间非常短，在这个瞬间时刻内，载荷平台的运动误差特别是高机动运动误差将严重降低摄影成像质量。另外，随着空间分辨率的提高，运动误差频率也相应提高，低频运动转变为高频运动引起高频误差，加剧了相片质量的退化。下面针对几种常用的航空摄影相机对POS系统应用的技术要求进行分析。

综上所述，无论是光学摄影成像、扫描成像还是雷达测距都对POS系统提出了非常苛刻的精度要求。不仅要求POS系统在较短的成像周期内具有很高的绝对精度和相对定位精度，同时某些成像载荷对姿态测量误差更为敏感。

综合前面对POS系统组成及其应用需求的分析，对POS系统及其器件在应用航空摄影提出以下几点技术要求。

（1）IMU器件是POS系统测量姿态角的关键器件，一般来说，IMU测角中误差精度要求：横滚角和俯仰角误差不得大于0.01 °，航向角误差不得大于0.02 °，记录频率要高于50 Hz。所以目前只有精密级惯性器件（陀螺偏移小于0.001°/h）符合要求；

（2）差分GPS接收机是POS系统高精度位置获取的主要器件，机载GPS天线安装在航空飞行载体外表面，必须保证其在高机动情况下地正常工作；航空摄影数据需要厘米级的定位精度，故GPS接收机采用高精度动态载波相位差分模式，其基站GPS接收机一般在100 km范围内；GPS最小采样间隔一般在1 s以内；

（3）POS导航计算机是POS系统完成导航解算，输出运动参数的主要部分，其电源系统应满足航摄作业期间无间断供电，导航计算机能够实时记录和存储航摄作业所有IMU数据、GPS数据及其它必要数据；

（4）具有同步时间信号时标输入接口，能够将航摄相机快门开启脉冲（即曝光时刻）通过接口准确的传入POS系统，与POS系统进行时间对准，减小时间同步误差的影响。

3.2 POS系统在航空摄影中的应用方案对比分析

通过POS系统的组成可以得出，POS系统本质上是航空摄影应用中的高精度GPS/INS组合导航系统。但是与导航中的GPS/INS组合系统的区别又在于，GPS/INS组合系统主要用于航空、航天、海洋中的运输载体导航定位，通过它对载体的定位信息进行实时反馈，最终实现载体的航行任务；POS系统应用航空摄影主要完成对地球表面的地形、地貌进行摄影定位，因为一段时间内该摄影地区的定位信息不会发生重大变化，因此可以在实时定位的基础上，再对导航信息进行一次离线事后处理，没有时间的限制，综合各方面的信息，能够获得比实时更好的定位精度。

所以，目前在POS系统辅助航空摄影应用方面，主要有两种应用方案：事后处理与实时融合。在航空摄影同时将IMU与DGPS进行实时融合就叫实时融合，对POS系统有比较高的器件要求；在航空摄影同时将IMU与DGPS数据进行存储，利用离线处理算法对保存数据进行信息融合的就是事后处理，因为不受时间的限制，在进行融合处理时可采用一些耗时但精度较高的算法，这样获得的精度相对较高。POS系统两种应用方案的特点具体见表1。所以，POS系统应用和数据处理时，需根据POS系统所处的应用阶段的不同，来设计不同的技术处理方案，进而使POS系统辅助航空摄影的任务得以实现。

4 结语

该文首先介绍了POS系统内部惯性导航系统和GPS导航系统两个最重要部分，同时分析了它们各自的误差，从而分析了POS系统辅助航空摄影应用的两种方案及特点，还分别比较分析了实时处理与事后处理方案。

参考文献

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[2] 袁修孝.GPS辅助空中三角测量及应用[M].北京，测绘出版社，2001：34-39.

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