IMU／DGPS輔助航攝項目中不同GPS定位方式實驗研究

王 剛 胡 博 李愛華2

（1.北京洛斯達數(shù)字遙感技術有限公司，北京100012；2.湖北省電力勘測設計院，湖北 武漢430040）

1 引言

IMU／DGPS輔助航空攝影測量的核心是獲取高精度的外方位元素，包括3個線元素和3個角元素［1］。其中線元素的獲取可以通過差分GPS（簡稱DGPS）和GPS精密單點定位（簡稱PPP）獲取，常用的差分GPS包括基站定位和連續(xù)運行參考系統(tǒng)定位（簡稱CORS）兩種模式。

基站定位方式是在地面架設基準站，將獲取到的機載GPS數(shù)據(jù)與基站同步觀測數(shù)據(jù)進行差分計算，得出基準站到衛(wèi)星的距離改正數(shù)，對機載接收機的定位結果進行改正，獲取攝站點的坐標。基站定位方式采用的是差分GPS（DGPS）技術，通過差分的方法可以消除或減小與GPS衛(wèi)星有關的誤差、信號傳播過程中引入的誤差和與接收機有關的誤差。DGPS技術不需要考慮復雜的誤差模型，解算模型簡單，待估參數(shù)少，定位精度高，因此被廣泛應用于IMU／DGPS輔助航空攝影中。

CORS定位方式是將測區(qū)內CORS作為地面已知基準站，將獲取到的GPS定位數(shù)據(jù)與區(qū)域內CORS站同期數(shù)據(jù)進行聯(lián)合差分獲取攝站點的坐標。通過CORS站代替POS中的GPS基準站解算航攝儀的攝站位置，使不同架次解算出的攝站位置成果具有高度的坐標一致性，有效地減少了數(shù)據(jù)解算的工作量，提高了攝站位置成果的精度，大大提高了像片外方位元素3個線元素的精度和成果的一致性［2］。

PPP定位方式與差分定位不同，其主要是利用國際GPS服務機構（IGS）提供的精密衛(wèi)星星歷和精密鐘差，結合單臺含雙頻偽距及載波相位觀測量的GPS接收機就可以實現(xiàn)在全球范圍內的高精度定位［3］。利用非差分雙頻載波相位觀測值、在初始化后進行單歷元精密單點定位方法，以實現(xiàn)全球范圍內的實時動態(tài)定位。目前，該方法用于動態(tài)航空測量已達到厘米級的精度［4-5］。

本文將通過多個輸電線路工程IMU／DGPS輔助航空攝影應用實例，對三種不同定位方式對空三解算的影響進行對比分析。

2 試驗方案設計

《電力工程數(shù)字攝影測量規(guī)程》DL／T5138-2015（以下簡稱“規(guī)程”）規(guī)定輸電線路工程航攝寬度要求不低于2km，航線按線路路徑方向敷設。通常使用大幅面數(shù)碼航攝儀時，選擇單航線飛行。每個工程由首尾相連的多個航帶組成，單條航帶長度一般為10-20km。本研究結合實際工程選擇了平坦地、丘陵、山地三種地形作為試驗區(qū)，依次編號為A、B、C。航空攝影飛機型號為運五B，搭載數(shù)碼航攝儀為DMC，機載定位定向系統(tǒng)為POS／AV 510，攝影比例尺為1∶15000，地面分辨率為0.18m，設計成圖比例尺為1∶2000。三個試驗區(qū)所使用的定位方式和基本情況見表1所示。

表1 試驗區(qū)情況

試驗對地面基站、CORS、PPP、三種定位方式或獲取的數(shù)據(jù)處理過程精度、直接利用后的成果精度以及最終成果精度進行對比分析，間接的評價三種定位方式的優(yōu)劣。

2.1 偏心角及線元素偏移值中誤差對比

由于檢校場有足夠數(shù)量且精度較高控制點，通過傳統(tǒng)空三或聯(lián)合平差的方法解算檢校場航片的外方位元素，可將解算結果視為真值，與IMU／DGPS聯(lián)合解算獲取的航片外方位元素進行比較，計算出偏心角及線元素分量偏移值等系統(tǒng)誤差參數(shù)。試驗將對比分析三種不同定位方式所獲得的偏心角和偏心分量中誤差，評價內符合精度。

2.2 直接定向法檢查點中誤差對比

直接定向法（Direct Georeferencing，簡稱DG）是利用檢校處理獲取的偏心角和偏移值，對整個攝區(qū)像片進行角度系統(tǒng)差改正和線元素分量偏移值改正，即可得到系統(tǒng)誤差改正后的外方位元素成果［6］。使用像片檢校改正后的外方位元素直接定向恢復立體模型。試驗將對比分析三種不同定位方式下野外檢查點誤差，評價外方位元素的精度。

2.3 IMU／DGPS輔助空三法檢查點中誤差對比

IMU／DGPS輔助空中三角測量方法（Integrated Sensor Orientation，簡稱ISO）是將直接定向所使用的外方位元素作為帶權觀測值參與攝影測量區(qū)域網(wǎng)平差，獲得更高精度的像片外方位元素成果［6］。試驗將在直接定向的基礎中增加少量控制點重新進行平差計算，然后對比分析三種不同定位方式下野外檢查點的中誤差，評價空三成果的精度。

3 實驗對比分析

3.1 偏心角和偏心分量誤差

三個試驗區(qū)的檢校場位置均避開山地，交通狀況良好。檢校場按照《IMU／GPS輔助航空攝影技術規(guī)范》（GB／T27919-2011）的要求設計4條對飛航線進行航攝，每條航線16張航片，旁向重疊50%、航向重疊80%。試驗數(shù)據(jù)預處理選用POSPac，軟件支持多種定位方法的數(shù)據(jù)處理方法，有多種精度評價指標。利用軟件將機載GPS數(shù)據(jù)、IMU數(shù)據(jù)與地面基站靜態(tài)GPS數(shù)據(jù)（精密星歷數(shù)據(jù)、CORS站數(shù)據(jù)）進行計算處理，得到曝光時刻影像的6個外方位元素。通過檢校計算得到的偏心角和偏心分量以及三種不同定位方式對偏心角和偏心分量中誤差。

表2 偏心角及線元素偏移值中誤差對比表

從表2可以看出不同的定位方式均完全能夠滿足規(guī)范對檢校計算的精度要求，不同定位方式精度無明顯差異。

3.2 直接定向條件下檢查點誤差

試驗使用INPHO軟件進行直接定向作業(yè)。由于POS系統(tǒng)誤差尤其是視準軸誤差的存在，直接將POS系統(tǒng)提供的像片外方位元素用構建立體模型存在上下視差［7］，試驗通過自動相對定向，對模型外方位元素進行平差消除了視差［8］。

表3 直接定向檢查點中誤差對比表

從表3中可以看出三種不同定位方式通過外方位元素直接定向量的成果精度并未明顯差異，但由于存在系統(tǒng)誤差，直接定向量測的地物精度不能滿足規(guī)程中對輸電線路工程空三解算結果平面0.8m、平坦地高程0.30m、丘陵和山地高程0.50m的相關要求。

3.3 IMU／DGPS輔助空三檢查點誤差

IMU／DGPS輔助空中三角測量與傳統(tǒng)的空中三角測量不同，即引入了影像精確的外方位元素，可大大提高相對定向成功率和絕對定向精度。通過檢校場空三數(shù)據(jù)的解算，獲取IMU／DGPS數(shù)據(jù)偏心角以及線元素偏移值，利用偏心角及線元素偏移值對測區(qū)的初始外方位元素進行改正，得到像片在攝影測量坐標系中的外方位元素。在獲取相片外方位元素之后，進行相對定向，并在絕對定向過程中將IMU／DGPS作為帶權觀測值單獨進行光束法平差，或者IMU／DGPS數(shù)據(jù)聯(lián)合地面控制點數(shù)據(jù)進行光束法平差，得到每張相片更高精度的外方位元素［9］，即完成IMU／DGPS輔助空三解算工作。

表4 IMU／DGPS輔助空三解算精度對比表

試驗發(fā)現(xiàn)，在實施IMU／DGPS輔助航空攝影技術的輸電線路項目中，無論采取哪種定位方式，隨著參與空三解算的像片控點數(shù)量的增加，空三精度隨之提高。當加入三個及三個以上像片控點時，空三精度基本趨于穩(wěn)定。采用三點法，即每條航帶上布設前、中、后各一個點的方法的空三精度就能夠滿足規(guī)程中對檢查點平面中誤差和高程中誤差的精度要求。但從表4不同地形和不同方案對精度的滿足程度來看，三種定位方法無明顯優(yōu)劣。

3.4 作業(yè)過程對比

對于地面基站、CORS和PPP三種GPS定位方式，由于作業(yè)模式不同，在工程應用中具有各自不同的特點。

基站定位技術需架設地面基站，實現(xiàn)地面基站GPS與機載IMU／GPS同步觀測，在航飛結束后即可獲取內業(yè)處理數(shù)據(jù)，同步觀測采用差分計算方法可消除兩站接收機公共系統(tǒng)誤差，提高基站定位精度。地面基站架設位置靈活機動，但隨著機載IMU／GPS至基站距離的增加又出現(xiàn)了無法用差分計算方法消除的系統(tǒng)誤差的問題，因此對于基站定位方式，單個基站覆蓋范圍有限。差分GPS計算精度與基站與飛機間的距離有關系，基站與機載IMU／GPS距離越大，用GPS差分得到的位置精度越低［10］。實際工程應用時按照每100km線路布設1個地面基站，航飛工作結束后即可進行數(shù)據(jù)后處理，數(shù)據(jù)獲取周期短。但對于上千公里長的輸電線路工程而言，全線架設地面基站數(shù)量較多，加之跨度長，途徑地區(qū)天氣情況復雜，協(xié)調事宜較多，需要較多測量人員和設備在現(xiàn)場待命，費用成本較高。

CORS定位外業(yè)工作更輕松便捷，在IMU／DGPS輔助航空攝影中，不需另外架設地面基準站，直接將區(qū)域內CORS站點作為地面基準站進行聯(lián)合平差，省去了外業(yè)架設地面基站的工作。CORS站呈網(wǎng)狀分布，在有效覆蓋范圍內大致均勻，與離開最近參考站的距離沒有明顯的相關性，有效地避免了架設基站產生的粗差，從而降低系統(tǒng)誤差，同時CORS系統(tǒng)擺脫了無線電技術的束縛，使差分信號的傳輸不受距離限制，增加了有效的作業(yè)范圍，其成果可靠，費用較低，提高了外業(yè)作業(yè)效率，節(jié)約了外業(yè)成本核算。但是由于目前國內CORS站建設不完善，覆蓋區(qū)域不完整，工程應用申請手續(xù)繁瑣等因素導致目前國內單純依靠CORS站作業(yè)的方式很少應用，特別是對于輸電線路工程來說，其形狀呈帶狀分布，選擇合適的CORS站點也存在一定的困難。

PPP定位技術無需架設地面基站，僅需單臺雙頻GPS接收機即可實現(xiàn)高精度定位，其解算成果中解算點位精度均勻、無誤差累積、直接獲得最新的ITRF框架的三維地心坐標。PPP定位技術可在全球范圍內使用，不受區(qū)域限制，且節(jié)約了外業(yè)地面基準站架設的成本，提高了外業(yè)作業(yè)效率。但其進行內業(yè)數(shù)據(jù)解算時必須依賴于IGS服務組織提供的精密衛(wèi)星星歷文件（衛(wèi)星精密軌道數(shù)據(jù)和精密衛(wèi)星鐘差數(shù)據(jù)），而精密衛(wèi)星星歷文件的獲取需要大概11～14天時間延遲等待，無法實時獲取，獲取周期較長。

4 結論

本文通過對多個工程實例的對比試驗，分析了地面基站、CORS站、PPP三種不同定位方式對數(shù)據(jù)成果精度的影響分析，并根據(jù)精度分析結果結合三種定位方式的不同特點探討了其各自的使用條件。得出以下結論：

地面基站、CORS站、PPP三種定位方式獲取的數(shù)據(jù)經與IMU聯(lián)合解算、檢校場檢校后的精度滿足規(guī)范要求；利用三種定向方式獲取的像片外方位元素值用于直接定向不能滿足輸電線路工程1∶2000的精度要求；通過IMU／DGPS輔助空中三角測量的方法，每條航帶只需布設首中尾三個像片控制點就能滿足規(guī)范要求；三種定位方式對IMU／DGPS輔助空中三角測量的成果精度的影響無明顯差異。

對比分析了地面基站、CORS站、PPP三種定位方式適用性。在實際工程應用中，可根據(jù)工程的工期要求、人員和設備情況以及沿線CORS站分布綜合考慮選擇單一的定位方式或多種方式相互補充。