2.3機(jī)載POS系統(tǒng)對地定位

模塊二：解析空中三角測量任務(wù)3：機(jī)載POS系統(tǒng)對地定位無人機(jī)操控與應(yīng)用教研室李艷1機(jī)載POS系統(tǒng)的認(rèn)識知識點(diǎn)2機(jī)載POS系統(tǒng)測量原理3POS與無人機(jī)攝影測量系統(tǒng)集成4POS系統(tǒng)對地定位的主要誤差源知識點(diǎn)情景創(chuàng)建據(jù)傳說，當(dāng)年黃帝部落與蚩尤部落在涿鹿大戰(zhàn)，突起狂風(fēng)暴雨，由于有指南車的指引，黃帝的軍隊(duì)在大風(fēng)雨中依然能夠辨別方向，最終打敗蚩尤。此外，還有張騫從長安出使西域，長途跋涉的駱駝隊(duì)首次開拓“絲綢之路”，這些事例證明了導(dǎo)航定位十分重要。自古以來，人們可利用天上的星體來導(dǎo)航，從過去的羅盤、六分儀到現(xiàn)代的慣性導(dǎo)航設(shè)備、衛(wèi)星導(dǎo)航設(shè)備等導(dǎo)航系統(tǒng)，性能上不斷地提高。隨著無人機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，無人機(jī)在航空攝影中扮演著越來越重要的角色，無人機(jī)如何準(zhǔn)確、快速地獲取目標(biāo)區(qū)域的位置和姿態(tài)信息，實(shí)現(xiàn)特定的要求作業(yè)，例如無人機(jī)高精度跟隨飛行、高精度定點(diǎn)等，是航空攝影測量面臨的新的挑戰(zhàn)。單一的導(dǎo)航系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足發(fā)展及應(yīng)用的需求，為提高無人機(jī)定位、定向系統(tǒng)整體的性能，需要將兩種或兩種以上的導(dǎo)航系統(tǒng)結(jié)合使用，優(yōu)勢互補(bǔ)。任務(wù)實(shí)施請同學(xué)們思考：僅通過衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)無人機(jī)高精度跟隨飛行、高精度定點(diǎn)等功能嗎？請列舉身邊兩個(gè)或兩個(gè)以上的裝置組合后達(dá)到更好作用和效果的案例。知識點(diǎn)1：機(jī)載POS系統(tǒng)的認(rèn)識定位定向系統(tǒng)（PositioningandOrientationSystem，POS）是基于全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GlobalNavigationSatelliteSystem,GNSS）和慣性測量裝置（IMU）的直接測定影像外方位元素的現(xiàn)代航空攝影導(dǎo)航系統(tǒng)，通過GNSS獲取位置數(shù)據(jù)作為初始值，通過慣性測量裝置獲取姿態(tài)變化增量，應(yīng)用卡爾曼濾波器、反饋誤差控制迭代運(yùn)算，為無人機(jī)提供位置和姿態(tài)的軌跡數(shù)據(jù)。POS系統(tǒng)的硬件組成主要包含GPS接收機(jī)、慣性測量單元（InertialMeasurementUnit，IMU）、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)（ComputerControlSystem，CCS）。GPS接收機(jī)可以提供距離與波段等數(shù)據(jù)信息，當(dāng)觀測到4顆衛(wèi)星以上時(shí)，采用載波相位差分動態(tài)定位（Real-TimeKinematic，RTK）技術(shù)，將地面基準(zhǔn)站和機(jī)載GPS的相位信息進(jìn)行處理，最后得到機(jī)載GPS的空間位置信息；IMU附著在傳感器的中心，它由數(shù)字化電路、陀螺儀、加速度計(jì)以及進(jìn)行溫度補(bǔ)償與信號調(diào)解的處理器組成，IMU用于獲取其相對地面的速度、位置和姿態(tài)數(shù)據(jù)，為了減小測量數(shù)據(jù)的誤差，IMU通常需要保證其體積足夠小，質(zhì)量足夠輕；CCS給傳感器提供采樣時(shí)間標(biāo)識，它和GPS接收機(jī)、IMU以及傳感器協(xié)同工作，可以在無人機(jī)進(jìn)行航拍的時(shí)刻，同時(shí)獲取位置和空間姿態(tài)數(shù)據(jù)。知識點(diǎn)1：機(jī)載POS系統(tǒng)的認(rèn)識機(jī)載POS系統(tǒng)不僅可以獲取攝影相機(jī)的外方位元素和飛機(jī)的絕對位置，在減少或省略空中三角測量的地面控制點(diǎn)的情況下實(shí)現(xiàn)高精度對地定位（DirectGeoreferencing,DG），還可以與任何量測類型的傳感器、航攝像機(jī)、機(jī)載激光雷達(dá)（LightDetectionandRanging,LIDAR）、高光譜成像儀、機(jī)載合成孔徑雷達(dá)（SyntheticApertureRadar,SAR）和機(jī)載干涉雷達(dá)（InterferometricSyntheticApertureRadar,InSAR）等直接連接使用。該技術(shù)和方法還廣泛用于高空分辨率衛(wèi)星影像的幾何處理中，大量研究集中在稀少控制點(diǎn)和無控制點(diǎn)條件下如何提高影像的平面和高程精度。機(jī)載POS系統(tǒng)測量原理知識點(diǎn)2：機(jī)載POS系統(tǒng)測量原理1.差分GPS測量原理差分GPS（DifferentialGPS，DGPS）是在正常的GPS外附加（差分）修正信號，能夠?qū)PS進(jìn)行更加準(zhǔn)確地定位。DGPS是利用已知精確三維坐標(biāo)的地面基準(zhǔn)站上安置GPS接收機(jī)，求得基準(zhǔn)站與衛(wèi)星之間的距離改正數(shù)，與無人機(jī)上的GPS接收機(jī)進(jìn)行同步觀測，機(jī)載GPS則以地面基準(zhǔn)站實(shí)時(shí)發(fā)送出去的距離改正數(shù)作為參考，然后對自身的定位結(jié)果進(jìn)行改正，以此提高定位精度。知識點(diǎn)2：機(jī)載POS系統(tǒng)測量原理2.IMU測量原理IMU是測量無人機(jī)三軸姿態(tài)角、角速率以及加速度的裝置。常用的IMU包含了三個(gè)單軸的加速度計(jì)和三個(gè)單軸的陀螺，加速度計(jì)檢測物體在載體坐標(biāo)系統(tǒng)獨(dú)立三軸的加速度信號，而陀螺檢測無人機(jī)相對于導(dǎo)航坐標(biāo)系的角速度信號，測量物體在三維空間中的角速度和加速度，并以此解算出無人機(jī)飛行的姿態(tài)。IMU的基本工作原理是以牛頓力學(xué)定律為基礎(chǔ)，通過陀螺儀建立空間導(dǎo)航坐標(biāo)系，建立一個(gè)分別指向東、北、天三個(gè)方向的直角坐標(biāo)系（X軸指東、Y軸指北、Z軸指天），在各坐標(biāo)軸上安裝加速度計(jì)，將運(yùn)動加速度轉(zhuǎn)換到導(dǎo)航坐標(biāo)系，經(jīng)過兩次積分運(yùn)算，最終確定出載體的位置和速度等運(yùn)動參數(shù)。知識點(diǎn)2：機(jī)載POS系統(tǒng)測量原理3.GPS/IMU組合系統(tǒng)測量原理GPS/IMU組合系統(tǒng)測量可以實(shí)現(xiàn)不同導(dǎo)航系統(tǒng)之間的優(yōu)勢互補(bǔ)，提高無人機(jī)定位、定姿精度。GPS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)覆蓋范圍廣，可以全天候地提供精確的時(shí)間、速度以及位置等信息，并且這些信息的誤差不會隨著時(shí)間的積累而增加。將GPS和IMU組合起來，可以利用二者各自的優(yōu)勢和劣勢達(dá)到取長補(bǔ)短的效果，GPS有較高的定位精度，并且在長時(shí)間內(nèi)也能保持較好的穩(wěn)定性，因此采用GPS不僅可以彌補(bǔ)IMU容易產(chǎn)生累計(jì)誤差這一缺點(diǎn)，還可以用來校正IMU提供的速度和位置等誤差參數(shù)，而IMU又可以向GPS提供相關(guān)初始速度和位置等信息，以增加GPS的定向操作性能，使之能夠快速獲取衛(wèi)星信號。1.

POS與無人機(jī)航測系統(tǒng)集成機(jī)載POS系統(tǒng)必須將IMU、航攝儀、GPS接收機(jī)穩(wěn)固安裝在飛機(jī)上，保證在航空攝影過程中三者之間的相對位置關(guān)系不變，如圖2-3-8所示。航攝儀（XSens、YSens、ZSens）、GPS天線（XGPS、YGPS、ZGPS）和IMU（XIMU、YIMU、ZIMU）三者之間的空間坐標(biāo)變換可以通過坐標(biāo)變換實(shí)現(xiàn)。圖2-3-7中XGPS、YGPS、ZGPS

和XSens、YSens、ZSens6個(gè)常量需要在飛行攝影之前或攝影完成之后進(jìn)行測定。為了保證獲取航攝儀曝光瞬間攝影中心的空間位置和姿態(tài)信息，航攝儀應(yīng)該提供或加裝曝光傳感器及脈沖輸出裝置。知識點(diǎn)3：POS與無人機(jī)攝影測量系統(tǒng)集成知識點(diǎn)3：POS與無人機(jī)攝影測量系統(tǒng)集成2.

GPS、IMU及航攝儀三者之間空間關(guān)系的確定GPS、IMU及航攝儀三者之間空間關(guān)系的確定按照攝影測量共線方程的原理，物方空間坐標(biāo)與像方空間坐標(biāo)存在如下關(guān)系：由此可知，確定物方空間坐標(biāo)的關(guān)鍵在于精確確定攝影中心的空間位置（XS

，YS

，ZS

）及航攝儀曝光瞬間的姿態(tài)參數(shù)（φ，ω，κ）。3.機(jī)載POS系統(tǒng)對地定位的主要方法——直接地理定位DG知識點(diǎn)3：POS與無人機(jī)攝影測量系統(tǒng)集成在已知GPS天線相位中心（XGPS、YGPS、ZGPS）、IMU（XIMU、YIMU、ZIMU）及航攝儀（XSens、YSens、ZSens）3者之間的空間關(guān)系時(shí)，通過對GPS天線相位中心的位置坐標(biāo)（X，Y，Z）及IMU系統(tǒng)獲取姿態(tài)信息（側(cè)滾角、俯仰角、航跡角）進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，可獲取航空影像曝光瞬間的像主點(diǎn)（空中攝站中心）三維空間坐標(biāo)（X、Y、Z）及其3個(gè)姿態(tài)角（

φ，

ω，

κ），從而實(shí)現(xiàn)在無地面控制點(diǎn)的情況下直接恢復(fù)航空攝影的成像過程。3.機(jī)載POS系統(tǒng)對地定位的主要方法——集成傳感器定向ISO知識點(diǎn)3：POS與無人機(jī)攝影測量系統(tǒng)集成當(dāng)GPS、IMU與航攝儀三者之間的空間關(guān)系未知時(shí)，需要有適當(dāng)數(shù)量的地面控制點(diǎn)，通過將POS系統(tǒng)獲取的三空間坐標(biāo)與3個(gè)姿態(tài)數(shù)據(jù)直接作為空中三角測量的附加觀測值參與區(qū)域網(wǎng)平差，從而高精度獲取每張影像的6個(gè)外方位元素，實(shí)現(xiàn)大幅度減少地面控制點(diǎn)的效果。3.機(jī)載POS系統(tǒng)對地定位的主要方法知識點(diǎn)3：POS與無人機(jī)攝影測量系統(tǒng)集成知識點(diǎn)4：POS系統(tǒng)對地定位的主要誤差源1.傳感器誤差GPS誤差主要包括衛(wèi)星鐘差、星歷誤差、大氣電離層誤差、觀測噪聲、多路徑效應(yīng)、接收機(jī)鐘誤差，如右圖所示。IMU姿態(tài)測量誤差主要包括元件誤差、安裝誤差、初始條件誤差、原理誤差、外干擾誤差。GPS/IMU的卡爾曼濾波誤差。2.時(shí)間同步誤差機(jī)載GPS、IMU及航攝儀的工作是相互獨(dú)立的，GPS信號的歷元時(shí)刻ti

與航攝儀的曝光時(shí)刻tj

往往不同步。由于飛機(jī)航速較大，很小的時(shí)間偏移會造成較大的距離誤差；同時(shí)，航攝儀曝光脈沖記錄的IMU姿態(tài)參數(shù)也會由于時(shí)間不同步而存在誤差，從而影響定位精度。一般認(rèn)為，飛機(jī)在航空攝影的較短時(shí)間內(nèi)是勻速飛行的，可以采用線性內(nèi)插或低階多項(xiàng)式擬合的方法來消除時(shí)間偏移。試驗(yàn)表明，如果GPS信號接收機(jī)的數(shù)據(jù)更新頻率大于1次/s，由兩個(gè)相鄰GPS歷元ti

和ti+1（ti<tj<ti+1）的天線位置線性內(nèi)插出的tj

時(shí)刻天線位置，可以滿足航空攝影測量的精度要求。知識點(diǎn)4：POS系統(tǒng)對地定位的主要誤差源3.系統(tǒng)校準(zhǔn)誤差由于直接傳感器定向不利用地面控制點(diǎn)，而僅僅是通過投影中心外推獲得地面點(diǎn)坐標(biāo)的，因此系統(tǒng)校正是進(jìn)行傳感器定向不可缺少的一項(xiàng)主要工作。系統(tǒng)校