GNSS/INS組合導航在航空攝影中的應用研究

柏春嵐

(河南城建學院測繪工程學院，河南 平頂山 467036)

GNSS/INS組合導航在航空攝影中的應用研究

柏春嵐

(河南城建學院測繪工程學院，河南 平頂山 467036)

主要研究了GNSS/INS組合導航在航空攝影中的應用。介紹了GNSS/INS組合導航的優點和應用理論，在此基礎上，主要研究偏心分量、偏心角的測定，預處理POS數據，GNSS/INS數據聯合處理，檢校場空三解計算與EO文件的輸出等整個GNSS/INS導航在航空攝影的應用，從中體現出該導航應用于航空攝影的優越性。

GNSS INS 組合導航 航空攝影

1 引言

全球導航衛星系統(Global Navigation Satellite System, GNSS)和慣性導航系統(Inertial Navigation System, INS)二者結合，可以在導航系統中體現出控制精度高、穩定性好、可用性和連續性等特點，優于單一的導航系統，已成為導航技術發展的一種新趨勢。尤其是將它應用于航空攝影領域，更能體現它的優勢[1,2,4]。

根據攝影測量的基本理論，每張航片的六個外方位元素即每個攝站點的空間位置S(X、Y、Z)以及航空飛機的瞬間攝影姿態(φ、ω、κ)對影像數據的處理來說，是一組很重要的參數。傳統的攝影測量對這一組參數的確定是通過室內計算(即單像空間后方交會)的方法去求解，此法雖然可行，但卻是一種后處理，不能滿足現階段數字攝影測量對數據處理的實時性的發展要求，所以，隨著攝影測量相近學科的發展，比如將導航系統和航攝儀集成于一體，通過GNSS導航定位原理獲取航攝儀的位置信息以及慣性測量單元量測的航攝儀的三軸姿態信息，經過GNSS、INS數據的聯合后處理，可以直接得到攝影區域內每張航片的6個外方位元素。

2 GNSS/INS組合導航的應用理論

GNSS/INS組合導航集GNSS導航技術與慣性導航技術(INS)于一體，能夠獲得飛機載體的空間位置信息與三軸姿態信息，減少了外業工作量，提高了航空攝影測量的成圖周期，加快了航空影像的進一步發展。因此，GNSS/INS組合導航需要進一步深入研究和完善。

2.1 GNSS/INS組合導航的結構

GNSS/INS組合導航系統的主要功能是將GNSS接收機和慣性測量單元IMU的測量數據實時連續地傳輸給導航計算機，在導航計算機中對兩種數據進行卡爾曼濾波融合，輸出誤差對IMU的導航數據進行校正。由此而知，需要能夠處理大量數據而又能夠進行實時處理數據的系統特點。為了滿足要求，系統在結構設計上，采用了接收板和導航計算機兩個系統共同處理數據。在該系統中采用接收板對GNSS接收機、慣性測量單元IMU的導航數據幀接收，并對其進行相應的處理，然后將每個數據幀中需要導航計算機解算的數據建立一個數據包，通過通信端口傳輸到導航計算機中，導航計算機則完成導航數據的解算與Kalman濾波器算法實現，最后用狀態誤差對IMU導航信息進行校正[7]，如圖1所示。這種系統結構的設計降低了導航計算機的工作量，能夠對數據進行實時處理，提高了整個系統的效率。

2.2 攝影中心空間位置的確定

在GNSS/INS組合導航系統與航攝儀集成時，機載GNSS接收機天線的相位中心A點與航攝儀物鏡的后方節點S點并不完全重合，會產生一個偏心矢量，這個偏心矢量可以通過搭載的儀器測定出來，相當于一個常數[5-7]，如圖2所示。在圖中，機載GNSS接收機天線的相位中心A點和航攝儀攝影中心S在以O為原點的大地直角坐標XYZ中的坐標分別為(XA、YA、ZA)和(XS、YS、ZS)。如果點A在像空間輔助坐標系UVW中的坐標為(U、V、W)，則GNSS接收機天線相位中心坐標A點與航攝儀攝影中心坐標S點的幾何關系為：

(1)

這式(1)是理想情況下的表達式，但是它們之間會有系統誤差，需要進行修正，其修正后的表達式如下

(2)

式中，t—載機任意飛行時間；t0—載機起始飛行時間；aX、aY、aZ、bX、bY、bZ—分別為載機GNSS攝站坐標漂移系統參數誤差修正系數。

2.3 航攝儀姿態參數的確定

由上可知，機載GNSS天線中心位置的確定，需要知道航攝儀在拍攝瞬間的3個姿態，分別是側滾角(φ)、俯仰角(ω)和航偏角(κ)，采用組合導航系統中的慣性測量單元(IMU)可以獲取其參數[3,8-12]。

在系統集成過程中，INS的三軸陀螺坐標系與航攝儀的像空間輔助坐標系之間總存在著角度偏差(Δφ、Δω、Δκ)。所以，航片的姿態參數不能夠直接獲得，需要通過轉角變換才能得到。正交變換矩陣R滿足如下關系式：

(3)

在測算出航攝儀的3個姿態參數后，根據公式(2)即可解算出攝站的空間位置信息，從而得到航攝影像的6個外方位元素。

2.4 GNSS/INS組合導航在航空攝影中的工作方式

GNSS/INS組合導航在航空攝影中的工作方式有直接定向法和輔助空中三角測量法。直接定向法是指在已知GNSS天線相位中心、慣性測量單元IMU及航攝儀三者之間的空間關系的前提下，可直接對POS系統獲取的機載GNSS天線相位中心的三維坐標和INS獲取的俯仰角、側滾角和航偏角進行數據聯合處理，能夠獲得航空影像在曝光瞬間攝影中心的三維坐標與姿態信息，從而實現了在無地面控制點的情況下，直接恢復航空影像的成像過程。而輔助空中三角測量方法是在GNSS天線相位中心、慣性測量單元IMU及航攝儀三者之間的空間關系的前提下，還需要地面提供適當數量的控制點，才可以獲得需要的方位元素。相比前者理論計算較為精確和可靠。因此本文采用GNSS/INS輔助空中三角測量法進行航空攝影的分析。

3 分析GNSS/INS組合導航在航空攝影的應用

3.1 偏心分量的測定

如圖2所示，以航攝儀的攝影中心為原點，建立像空間輔助坐標系，將GNSS和INS相對于原點的空間位置投影到該坐標系中，分解出的三個坐標分量U、V、W分別叫做GNSS和INS的偏心分量。在圖中，機載GNSS天線安裝在飛機的頂部，與相機的距離可以利用精密度高的儀表測定，例如游標卡尺、紅外線電子尺、手持激光測量儀等儀器。采用激光測量儀測量偏心分量，結果如表1所示。

表1 測定偏心分量

3.2 偏心角的測定

由于INS與航攝儀固聯在一起，安裝時雖然盡可能的使INS的各軸與航攝儀的各軸保持平行，但是仍然不能避免它們各軸之間存在一個很微小的角度偏差，該角度就稱為偏心角。通常情況下，認為該角是一個常量。該角的測量不同于偏心分量的測量，而它需要一個飛行校驗場進行測定。飛行校驗場是一個包含有一定數量高精度控制點的飛行區域，可以用來確定像片外方位元素的改正量。其原理是在檢校區域內分別用GNSS/INS輔助空中三角測量方法和常規方法，解算出各自的每張像片的外方位元素，將兩組外方位元素進行比較得出偏心角的最佳估值，其計算結果如表2所示。

表2 測定偏心角

3.3 GNSS/INS數據聯合處理

偏心分量和偏心角測取之后，進行一系列數據處理，將其結果存在EO文件中，其整個數據處理過程，如圖3所示。

(1)預處理POS數據

將地面基準站的GNSS觀測數據和機載的GNSS/INS數據下載，然后運用軟件AERO OFFICE對GNSS/INS數據進行處理，實現IMU數

據、GNSS觀測數據及航攝儀曝光時標的分離。

(2)GNSS觀測數據解算

利用GRAFNAV計算每一張航空影像在攝影瞬間機載GNSS天線相位中心的三維坐標。計算結果如圖4所示。

(3)POS數據的濾波處理

在前兩步的基礎上獲取機載GNSS天線的中心坐標、INS觀測值和曝光時標，在引入偏心分量值，在AERO office下對POS數據進行濾波處理，解算出包括檢校場在內的每張航空影像的外方位元素，其計算結果如圖5所示，其計算精度統計如表3所示。

(4)檢校場空三解計算

采用檢校場空三解計算結果如表4所示。

表3 POS數據精度統計表

表4 校場空三解計算

(5)EO文件的輸出

利用檢校參數對整個測區的POS數據進行處理，并得到每張像片的外方位元素并加以修正，從而得到所需高精度的外方位元素值，并輸出EO文件，即是數據的最終處理結果，如表5所示。

航攝日期位置平移量(m)測區位置誤差(m)偏心角(度)測區角度誤差(度)2013.05.250.01310.452-0.14610.0071-0.15638.7610.06980.0356-0.4780.5420.08940.0402

4 結論

本文主要研究了GNSS/INS組合導航在航空攝影中的應用。分析了GNSS/INS組合導航的

結構、攝影中心空間位置的確定、航攝儀姿態參數的確定以及工作方式。在此基礎上，從偏心分量的測定、偏心角的測定以及GNSS/INS數據聯合處理過程分析了航攝影的數據，驗證了自己編寫的算法與分析方法，證實GNSS/INS組合導航在攝影測量領域的應用優勢，有助于進一步深入研究該組合導航系統。

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Study on Application of Integrated Navigation of GNSS/INS in Aerial Photography

BAI Chun-lan

(College of survey-mapping, Henan University of Urban Construction, Pingdingshan Henan 467036, China)

This paper studies application of integrated navigation of the global navigation satellite system (GNSS) and inertial navigation system (INS) in the aerial photography. It is introduced of the advantages and applications of the theory of GNSS/INS navigation. On this basis, measuring eccentric component, measuring eccentric angle, processing POS data, Processing GNSS/INS data, computing calibration field, outputting EO file and so on, are used to research application of integrated navigation of the GNSS/INS in the aerial photography. It is reasonable and valid, which reflects the advantage of the navigation's applications and superiority of aerial photography's applications.

global navigation satellite system; inertial navigation system; integrated navigation; aerial photography

2016-05-03

P231.2

B

1007-3000(2016)06-4