航空攝影測量中POS系統誤差分析

發布日期：2018-05-29 00:00 瀏覽量：16368

　　20世紀90年代，GNSS輔助空中三角測量的方法得到了廣泛應用，利用GPS獲得的定位信息用來輔助空中三角測量，展現了導航技術在測繪領域的應用前景。GPS技術雖然解決了像片的定位問題，但是無法獲取像片的姿態參數，不能徹底擺脫地面控制。隨著航空攝影測量技術和慣性導航技術的發展，一種新的方法開始應用于航空攝影測量——定位定向系統（Position and Orientation System，簡稱POS系統）輔助航空攝影。機載POS系統集GPS技術與慣性導航技術于一體，使準確地獲取航攝相機曝光時刻的外方位元素（GPS測量得到位置參數，慣性導航系統得到姿態參數）成為可能，從而實現了無（或少量）地面控制點，甚至無需空中三角測量加密工序，即可直接定向測圖，從而大大縮短航空攝影作業周期、提高生產效率、降低成本。

因此，POS系統的出現，將從根本上改變傳統航空攝影的方法，進而引起航空攝影理論與技術的重大飛躍。隨著計算機技術的發展及其慣性、GPS器件精度水平的提高，POS無論定位定向精度還是實時數據處理能力都會有質的提高，將會在航空攝影測繪方面發揮越來越重要的作用。POS系統高精度定位定向技術是POS系統應用的關鍵技術，它的研究可以極大的推動POS系統的發展。

　　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GPS）技術一體，主要硬件組成部分包括慣性導航系統、DGPS與POS系統計算機系統，POS還包含一套事后處理軟件用于融合數據事后處理。

　　其中DGPS通過用戶與基站GPS接收機提供實時差分GPS定位信息，慣性導航系統提供載體實時角速度與加速度信息，通過POS計算機系統實時信息融合得到載體位置、速度、姿態等導航信息，同時POS系統采集慣性導航系統與DGPS的數據信息利用POS系統事后處理軟件得到載體位置、速度、姿態等導航信息。下面對其中最重要的慣性導航系統和衛星導航系統進行研究，最后對其POS計算機和事后處理軟件進行簡單介紹。

　　1.1 慣性導航系統

　　慣性導航技術是以牛頓力學定律為基礎，利用一組加速度計測量載體的加速度，利用一組陀螺儀測量載體的角運動，經過積分運算求解載體位置、速度和姿態信息的技術。根據慣性導航原理在物理平臺中的實現，稱為慣性導航系統，依據有無實際物理平臺可分為平臺式慣性導航系統和捷聯式慣性導航系統。與平臺式慣導系統相比，捷聯式慣性導航系統以數學平臺代替了慣性物理平臺，因而結構簡單，平臺，體積、重量和成本大大降低，因此目前已經在各類導航設備中廣泛應用。

　　捷聯慣性導航系統和平臺慣性導航系統的區別在于捷聯慣導系統利用陀螺儀的輸出實時計算姿態轉移矩陣（即“數學平臺”）和姿態角，其他的解算則與平臺慣性導航系統一致。捷聯慣性導航系統中，陀螺儀和加速度計的組合體通常稱為慣性組件（Inertial Measurement Unit，IMU），IMU對系統而言是開環的，僅僅起到了慣性傳感器信號輸入的作用，并沒有對IMU進行反饋控制，所有的信號處理在計算機內實現，因此實現方便。

　　捷聯慣性導航系統的核心是導航計算機實現的慣性平臺，即“數學平臺”。數學平臺是用陀螺測量的載體角速度進行姿態矩陣解算，從姿態矩陣中可以得到實時姿態角信息，并用姿態矩陣將加速度計輸出從機體坐標系變換到導航坐標系，然后進行導航解算。

　　目前捷聯慣性導航系統發展比較成熟，尤其是高精度激光、光纖陀螺的出現與逐步成熟，促使捷聯慣性導航系統越來越成為航空載體的主流配置，POS系統采用捷聯慣性導航系統，便于與航攝相機集成安裝，也便于內部器件的維護與更新。但是，慣性導航系統受工作原理所限，導航參數誤差隨時間發散，長期穩定性較差，故需要其他導航系統對其進行校正，衛星導航系統因其高精度與穩定性好成為POS系統的首選。

　　1.2 衛星導航系統

　　衛星導航系統，由空間導航衛星部分、地面監控部分和用戶接收機三部分組成。它具有全天候、高精度、自動化、高效益、性能好、應用廣等顯著特點，能夠實時地提供三維的位置、速度和GPS時間等信息。

　　GPS定位的基本原理是以GPS衛星和用戶GPS接收機天線之間的空間距離作為觀測量，根據已知的GPS衛星空間坐標，可以確定用戶GPS接收機天線的空間位置。GPS定位方法的實質是以星地空間距離為半徑的三球交匯，因此，在一個測站上，需要3個衛星到接收機天線的距離觀測量。

　　GPS導航與無線電導航類似，采用單程測距原理，衛星鐘和接收機鐘無法保持嚴格的同步，所以GPS實際的觀測量并不是用戶接收機天線至衛星之間的真實距離，而是含有衛星鐘和接收機鐘同步誤差的距離，因此又稱為偽距。當然，衛星鐘差是可以通過衛星導航電文中所提供的相應鐘差參數加以修正的，而接收機的鐘差，準確測定非常困難，所以，必須將接收機的鐘差作為一個未知量與用戶三維位置在數據處理中一并解出。因此，在一個觀測點上，為了實時求解4個未知參數（3 維空間坐標及一個GPS接收機鐘差），至少需要同步觀測4顆衛星。

　　1.3 POS計算機與事后處理軟件

　　在POS系統中，POS計算機系統（POS computer system，PCS）中實時運行以及在事后處理軟件中的INS/DGPS組合算法是POS系統的核心部分。POS系統中其他模塊如IMU和DGPS都需要以POS計算機系統為硬件平臺，通過軟件算法來完成；用戶對POS系統的操作和控制也需要通過POS計算機系統來完成。

　　市場上POS產品POS計算機系統的特點與POS應用航空攝影的背景，POS計算機系統有如下特點：

　　（1）從性能上看，POS計算機系統必須具備強大的計算能力。POS計算機系統需要實時接收并儲存IMU和GPS數據、實時對數據進行處理運算，對POS計算機系統提出了較高的要求。

　　（2）從功能上看，POS計算機系統必須具備強大的導航器件兼容性。目前導航器件無論從精度、性能、數據格式等方面都不一樣，導航計算機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計算機系統需要滿足系統控制、輸出和功能的擴展。

　　（3）從環境適應性上看，POS計算機系統必須具備良好的抗震性能。POS系統輔助航空攝影，高機動是其環境的主要特點，同時其外形尺寸和功耗也需要嚴格限制。

　　事后處理軟件顧名思義就是事后離線處理算法軟件，對慣性導航系統采集的IMU數據與GPS系統采集的DGPS數據進行事后處理，經過系統解算可獲取高精度像片外方位元素。利用航空攝影中應用廣泛的Applanix POS/AV 510自帶事后處理軟件POSPac對事后處理流程進行說明。

　　2、 航空攝影應用中的POS系統主要誤差分析

　　機載POS系統輔助航空攝影無論從系統器件精度、集成安裝或其它機動物理特性等環節都不可避免存在誤差，這些誤差會影響POS系統的性能，所以必須對其誤差進行分析。機載POS系統的誤差源主要有：慣性導航系統誤差，衛星導航系統誤差，時間同步誤差。

　　2.1 慣性導航系統誤差

　　對慣性導航系統誤差分析的目的在于，通過分析確定各種誤差因素對系統性能的影響，對POS系統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，通過對慣性系統誤差分析，可以對POS系統的工作情況和器件質量進行評價。慣性導航系統誤差根據其誤差產生的原因和性質，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的誤差，有靜態誤差和動態誤差兩個方面。陀螺誤差包括由陀螺常值漂移和隨機漂移等引起的誤差，以及陀螺溫度特性引起的誤差等；加速度計誤差包括隨機漂移和溫度特性引入的誤差等。動態誤差主要是指由于載體機動對慣性器件的影響帶來的誤差。這是慣性導航系統的主要誤差源，對于IMU確定性誤差需進行補償，對于隨機性誤差需要建立合適的誤差模型來減小其誤差。

　　2.1.2 初始對準誤差

　　慣性導航系統在進行導航解算前必須進行初始對準，由于輸入的初始位置、初始速度不準確引起的初始姿態不準確造成的誤差就是初始對準誤差。初始對準為后續導航解算給出數學平臺基準，所以必須盡量減少初始對準誤差。

　　2.1.3 計算誤差與運動干擾誤差

　　計算誤差包括數字量化誤差、參數設置誤差、計算中的舍入誤差等。運動干擾誤差主要是沖擊和震動等造成的誤差。這些誤差也是影響捷聯慣性導航系統精度的重要因素，必須設法消除或削弱。

　　慣性導航系統誤差是POS系統的重要誤差源，是POS系統獲得高精度姿態方位信息的關鍵，目前針對具體的誤差形式，研究精確的數學模型是減小慣性導航系統誤差的主要方法。

　　2.2 衛星導航系統誤差

　　GPS因為其觀察時間短、定位精度高的特點，在測繪領域展現了巨大的應用前景。但是GPS也有許多與生俱來的缺點限制了它的應用，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衛星有關的誤差，主要有衛星時鐘誤差、衛星星歷誤差、SA誤差等；

　　（2）GPS信號傳播有關的誤差，主要有電離層的附加延遲誤差、對流層的附加延時誤差和多路徑誤差等；

　　（3）接收機設備相關的誤差，主要包括觀測誤差、接收機鐘差、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 衛星時鐘誤差
　　GPS系統是通過測量衛星信號傳播時間來測距的，時鐘的誤差將直接變成測距誤差。GPS系統中各衛星鐘要求互相同步并與地面站同步，即使采用原子鐘計時也不可能絕對穩定，而是存在著漂移。接收機可以通過接收衛星導航電文中鐘差參數直接對衛星時鐘誤差進行改正。

　　2.2.2 衛星星歷誤差
　　GPS衛星星歷提供的衛星空間位置與實際位置之差稱為星歷誤差。星歷數據由地面監控站注入衛星，而監控站對衛星測量的誤差、衛星運動時的攝動因素等都會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
　　衛星發射電波到達地面接收機，必須穿過電離層與對流層才能到達GPS接收天線。電磁波在不同介質中得傳播特性是不同的，電波電離層與對流層會發生折射，從而產生延時誤差。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接收機中一般都有誤差改正模型。

　　2.2.4 多路徑效應誤差
　　多路徑效應誤差是由于不同的路徑到達GPS接收機而產生的誤差，主要由接收機周圍的地形、地物及各種反射體引起，信號經過多路徑傳播造成測距誤差。

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