航空攝影測量中POS系統高精度定位技術

郭建春+黃志環

摘要：航空測量及攝影，是依托某一航攝儀器，在飛行狀態之下連續予以攝影。它關聯著地表選出來的控制點，選取立體測繪。這類獨特測量，可獲取最為精準的數值，屬于必要手段。在這之中，POS含有定向及定位，它是機載架構下的傳感器，含有導航體系。依托POS體系，隨時獲取傳遞過來的載體姿態、載體飛行速率、各類方位信息，定位十分精準。依照相位差分，可以擬定0.1米以內的精度偏差。為此，有必要明晰POS這樣的精準定位，摸索定位技術。

關鍵詞：航空；攝影測量；POS系統；高精度；定位技術

1 POS輔助航空攝影測量技術的基本原理

慣性導航系統（INS）是由IMU和控制系統組成，IMU又包括3個加速度計、3個自由度陀螺儀以及必要的數字電路和圖形處理器（GPU），利用3個加速度計測量載體在三軸反向上的平移加速度、一次積分獲取載體的瞬間速度，同時，陀螺儀可以記錄三軸在導航坐標系中的姿態角，并給出載體航向，以此實現對載體的導航工作。GPS是目前應用最為廣泛的定位和導航系統，可以為用戶提供實時的空間坐標信息、速度信息和精確授時。差分全球定位系統（DGPS）技術是在多個已知點位上安裝設置GPS基準站，對目標點位置接收機進行同步觀測，基于各個基準站空間坐標信息和改正參數，對目標點數據進行求差改正，并綜合全部觀測數據進行平差計算，獲取精確的三維坐標。IMU可以實現導航的完全自主化，降低了外界信息的依賴性，可以提供較高精度的導航、速度、航向等信息，但采用IMU的系統的導航精度完全取決于自身系統的精確性，這樣就造成定位誤差的時間積累。DGPS技術定位精度高、可以全天候進行連續定位，誤差不隨工作時長而積累，但采用DGPS技術的系統為非自主系統，不能實時提供姿態參數等，在運動過程中不易跟蹤和捕獲衛星信號，造成定位精度的下降。基于卡爾曼濾波方式將二者進行組合，形成互補，通過信息傳遞、數據融合和最優化求解，獲得運動過程中高精度的導航系統。

1航空攝影測量中POS定位技術類型

1.1 POS直接定向法

航空攝影測量中最為重要的工作為定向，包括內定向、外定向、相對定向等，通過定向獲取影像的內方位元素、外方位元素、相對空間位置關系、瞬間像主點坐標等相關參數，以此恢復影像的曝光瞬間姿態和空間坐標。在航空攝影測量過程中，POS可以直接獲取空間位置信息和姿態數據等定位參數，經過數據融合和解算得出曝光瞬間的光束的空間位置和姿態，通過誤差消除和改正，獲取高精度的像主點坐標和外方位元素。該方法適用于比例尺較小、觀測環境較差、精度要求低的情況。

1.2 POS輔助空中三角測量法

POS輔助空中三角測量法是將POS獲取的外方位元素當成已知帶權觀測值，參與區域網平差，獲取更高精度的外方位元素的技術方法，又稱為集成傳感器定向法。在應用過程中，該方法存在POS坐標系統與攝站坐標系統之間的轉換問題，其中包括POS直接測定的3個姿態角元素與外方位元素的3個角元素之間的轉換，POS直接獲取的三維坐標與外方位元素的坐標之間的轉換。與POS直接定向法相比，兩者最大的區別在于是否進行了空中三角測量加密解算。

2航空攝影測量中POS系統高精度定位技術的應用

2.1擬定適當方案

航空攝影之中，POS被設定成必備的載體，可以拍攝照片，它凸顯了不可替換的攝影價值。POS范疇內的新穎技術，含有GPS、常用慣性導航，二者被整合在一起。對于不同裝置，設定好的精度水準都會有著差異；與此同時，POS涵蓋著的偏差長度，也會影響照片。各類的攝像機擬定的側重點、拍攝得出來的精度都含有差值。POS融匯了導航思路、DGPS這一新穎思路，擁有二者共性。它搭配的硬件，含有定位配件、微機處理配件、依托慣性的導航；對應著的軟件，設定了后續處理。DGPS查驗并搜集多樣的實時數值；慣性導航明晰了加速度、各時段內的飛行角度。依托微機體系，獲取關聯的信息。獲取坐標以后，把它與擬定好的坐標予以對比，獲取偏差參數。用戶接納了這一參數，修正得來最適宜的定位。POS路徑下的運算定位，含有雙重步驟。在第一步內，可得的信息涵蓋了IMU、DGPS雙重的信息。選取濾波算法以便存留這樣的信息。在第二步中，選取存留下來的這類信息，依托平滑濾波予以后續的運算。糾正開環偏差，獲取最優參數。

2.2定位必備的濾波運算

2.2.1新式定位濾波

在定位體系內，卡爾曼特有的濾波裝置查驗得到多樣的數據，包含定位數據。從這一視角看，定位時的精準性緊密關系著測得的數值，凸顯偏大影響。除此以外，IMU這樣的精度也被提升，應當標定補償。可以簡化慣用的模型，采納事后處理。卡爾曼濾波表現出來的特性，關系著狀態維數、現有的存儲量。因此，應能縮減初始的這類維數。

2.2.2解析平滑濾波

對于搜集信息，可以事后解析。飛行攝影之中，POS緊密銜接起了各時段的搜集信息，充分予以運用。在很大程度上，它增添了固有的體系精度。固定區間以內，采納平滑算法，延展得出新穎的流程及算法。著手去運算時，還應算出原有的卡爾曼濾波。在這種根基上，算出這一區段內的其他關聯數值。這類算法精準，適宜系統運算。詳細而言，設定了N這樣的導航時段、t這樣的時間隔斷。在初始時點上，后續N時段內都應分別去解析誤差，算出估測數值。經過估測以后，儲存這樣的數值，以便算出固定范疇內的平滑值。采納這類途徑，要求微機之內含有更大的存留空間，常用事后處理。

2.3創設濾波模型

在POS架構內，依托濾波器來識別明晰的定位，設定精準定位。創設系統模型，關系著更大范疇的濾波結果。針對航空背景，擬定誤差建模。POS預設了更高水準的初始精度，為此必須予以標定補償。IMU這樣的常用模型，可被簡化處理，把它變更為隨機態勢下的常數數值，考慮白噪聲。事后處理之中，隨時都要存留各時段的狀態信息，同時存儲濾波。卡爾曼濾波凸顯的實時特性，關乎存儲總量及設定好的維數。簡化塑造模型，減小這類維數，便利了隨時去存留信息。

卡爾曼的濾波，只考量了某一時點的測得信息、前一時段信息。然而，POS添加了事后的解析，對于得出來的飛行階段，都可運用信息，提升了總體架構內的體系精度。構建在這種根基之上的平滑算法，含有事后解析。選出固定區段，首先予以濾波；經過濾波流程，再去量測這一區段內的一切數據。經由反向推算，可以明晰各個時點內的估測狀態。推測平滑濾波，先要估測狀態、估測得到最精準的均方差。它整合了反向濾波、卡爾曼這樣的濾波，被看成雙向的濾波。

2.4查驗運算效果

對于雙向濾波，查驗它的運算成效。擬定了POS特有的測驗體系，搜集了IMU、關聯的DGPS類別文件。這些文件之內，含有流動數據、飛行時的方位、飛行速率狀態，含有同步文件。依照選出來的精準格式來妥善提取數值，設定雙向濾波。在測驗范疇內，陀螺表現出來的偏差穩定特性為每小時0.1。；加速度累積得出來的這類偏差，為0.0008克。接收機有著雙頻的特性；經過差分處理，獲取了每秒0.1米的初始速率、0.1米的方位精度。運算慣性導航，設定了50Hz這一精準頻率；對應著的輸出頻率，包含5Hz。濾波組合周期，設定為0.3秒。

經過驗算可得院雙向濾波顯現出來的整體偏差，對比前向偏差是顯著縮減的，誤差均方差也被縮減。這類縮小偏差，含有濾波位置、相關速率信息。這就可以表明：雙向濾波凸顯了更為優良的總精度。飛行試驗含有更大的波動傾向，在局部區段內改善并不凸顯；但綜合來識別，可以提升精度。

結束語：POS輔助航空攝影測量是對傳統攝影測量技術的重要革新，融合了IMU慣性測量和差分GPS定位技術，在攝影測量過程中，可以直接獲取攝影光束曝光瞬間的空間位置和姿態，代替了傳統攝影測量野外控制點的布設和觀測工作，降低了制圖成本，提高了經濟效益。然而由于現有科技和理論研究的局限性，POS輔助航空攝影測量仍然存在很多不足，直接影響到觀測結果的精度。隨著科技的發展及理論研究和技術研究的逐步深入，POS輔助航空攝影測量技術的工藝會不斷改進，精度會不斷提高，應用前景將更為廣泛。endprint