微型無人機GNSS事后差分應用

張禾 周揚 計春祥

摘 要：傳統的無人機相片控制測量工作量大，采用目前商用的后差分系統需要無人機提供較大的空間與天線安裝位置；本文提出了一種用于微型無人機系統的航空攝影后差分系統，采用通用的GNSS模塊解決了無人機系統中拍攝位置精確定位的問題，實驗結果表明系統可有效減少外業相片控制點數量，系統獲取拍攝位置精度高，與地面檢查點比較后可以滿足1：2000地形圖成果生產，具備一定的實用性。

關鍵詞：無人機；低空航空攝影；后差分；樹莓派

無人機航空攝影技術經過多年的技術更新目前普及量已很高，但是在實際使用過程中，無人機影像存在處理困難，地面控制點要求高，數量多的情況；大大限制了無人機航空攝影系統的應用與推廣；其中主要的技術難點是民用級照相機拍攝影像變形嚴重，照相機感光元件面積小，單張照片覆蓋面積小，導致無人機航空攝影相片數量大，同時也存在輕小型無人機姿態穩定性不高等因素；綜合以上難點在傳統測繪作業中無人機拍攝影像需要地面測量大量的地面控制點才能進行空中三角測量工作，進而滿足一般測繪需求。

在傳統作業過程中使用無人機航空影像開展1：2000比例尺地形圖測繪，需在地面測量大量控制點，每間隔69張照片測量一對外業控制點方才能完成空中三角測量工作；一個項目區需要測量幾十甚至上百個控制點才能開展后續測繪工作，而在山區地面標志點少且不易測量導致無人機航空影像應用困難。

在實際應用中起飛重量小于7公斤的微型無人機應用廣泛，在使用中的蒼穹、成都縱橫研制的差分系統均只能安裝在起飛重量較大的油動無人機上，設備具備一定的局限性而可應用在微型無人機上的GNSS事后差分裝置幾乎沒有。

研制輕型無人機的GNSS事后差分裝置既可獲取到無人機在飛行過程中拍攝點的準確位置，事后差分的精度可達到公分級；可理解為在飛行過程中就在開展控制點測量工作，采用此中裝置可有效減輕外業工作，并提高數據處理效率及成果精度；同時本裝置具備成本低、精度高、靈活度高等特點，可批量使用和推廣。

一、輕型無人機GNSS事后差分裝置研制

（一）樹莓派微型計算機

樹莓派模塊：樹莓派由注冊于英國的慈善組織“Raspberry Pi 基金會”開發正式發售世界上最小的臺式機，又稱卡片式電腦，外形只有信用卡大小，具有電腦的所有基本功能。

樹莓派可運行Linux 系統，利用樹莓派的GPIO接口可獲取及控制各種信息與信號實現各種控制功能。樹莓派具備提交小、開發難度小、硬件成本低、系統運行穩定等眾多特點。

樹莓派主要負責接收GNSS模塊信號、姿態（IMU）模塊信號、相機拍照信號、工作狀態顯示工作；本項目中主要軟件開發在樹莓派中完成，并在樹莓派的LINUX系統中編譯成可執行文件，軟件主要負責接收GNSS信號，并進行GNSS單點解計算，獲取GPS時間；獲取GPS時間后與樹莓派核對時間，形成統一時間體系；同時還獲取有無人機飛行控制器發出的相機拍照指令及接收姿態模塊數據，按照統一時間系進行與GNSS數據進行記錄，記錄在安裝于樹莓派上的USB存儲器上；軟件同時負責檢測GNSS位置單點解情況、衛星數據量、姿態模塊工作狀態、相機模塊工作狀態，并指揮顯示模塊進行顯示。

（二）小型GNSS接收模塊

GNSS模塊采用瑞士Ublox公司推出的M8系列 GNSS模塊；具有接收美國GPS、中國北斗和俄羅斯GLONASS星座衛星信號能力；模塊具備72通道，同時具備一體化GNSS天線與通用UART接口；在雙模工作模式下（GPS+GLONASS或者GPS+北斗）最高達到5hz數據采用率；增加用于無人機帶有信號抑制板天線后尺寸為85×85×20mm；安裝在微型無人機系統上，不改變無人機的其他設備。GNSS模塊主要負責接收三個衛星星座發射的無線電波信號，并轉換為可以進行后差分計算處理的GNSS觀測數據。

（三）實時GNSS位置計算

利用微型計算機的編制實時GNSS解算程序，同時程序還需要接收無人機飛行控制系統發出的相機曝光信號，并進行記錄。為進行GNSS信號的事后差分計算，GNSS模塊必須輸出原始觀測數據，并由樹莓派微型計算機進行記錄；同時對接收到的原始觀測數據進行單點解解算；

由于接收機測量的是偽距，在觀測值中存在著接收機鐘差，加之測量點的三維坐標為待求值，一共有 4 個未知數。要求解出這 4 個未知數，至少有 4 個方程式。為此，要實現單點絕對定位必須同時觀測4 顆衛星，才能組成定位的基本方程。

（四）GNSS模塊時間系統差檢測

研制過程中發現GNSS接收模塊存在時間系統誤差；由于無人機系統飛行速度在80120公里/小時，GNSS接收模塊在接收到GNSS衛星發射信號后存在處理、轉換、發送等過程，微信計算機存在接收、處理等時間延遲，而無人機的在飛行過程中1毫秒的距離誤差可達到0.0210.033米。

GNSS模塊數據傳輸通過UART模式，UART信號在傳輸過程中存在時間延遲情況；同時GNSS模塊接收及處理過程中也需要消耗一定的時間。

系統采用PPS信號進行系統時間對齊，保證系統獲取相機曝光時間的準確性，同時改正GNSS接收模塊存在時間系統誤差；保證位置計算的準確性。

（五）模塊工作流程

GNSS模塊工作以主控計算機為中心，同時獲取GNSS信號，飛控系統給相機的拍攝信號，時間同步信號；各種信號在飛行過程中記錄在主控計算機的存儲系統上，工作流程見圖1，圖2

二、數據測試與對比

（一）試驗區域情況

試驗區域選取了近8平方公里的丘陵地帶，試驗區高差為230米；區域為高等學校聚集區，地面標志線清晰，故地面檢查點沒有采用拍攝前制作地面標志的方式，直接使用各類交通標志及明顯地物交叉點作為檢查點。

地面平均海拔1200米，最高處高程1300米。

（二）無人機飛行情況

無人機采用微型無人機，EPO泡沫材質，起飛重量5公斤；相機采用SONY a5100微單相機，鏡頭為16mm固定焦距鏡頭；飛行高度設計為552米，地面分辨率為0.12米。飛行航程48公里，覆蓋面積8.59平方公里。

GNSS模塊安裝在無人機電池附近，不改變無人機重心位置，未影響無人機飛行航程。

地面GNSS采用徠卡GS15作為基站，采樣間隔與無人機設置相同；也同時采集GPS與GLONASS信號。

無人機后差分計算后通過軟件平差計算除兩個拍攝點位置由于空中GNSS模塊失鎖導致位置精度不夠外，其它拍攝點位置中誤差在0.6米以內，最大誤差2.06米，最小誤差0.03米；位置誤差見圖3：

圖4為GNSS模塊經過后差分處理后情況，綠色為固定解成果，黃色為浮點解成果，紅色為單點解成果，由于紅色區域無法獲取到固定及浮點解，在空中三角測量中紅色位置的兩個拍攝點誤差也是最大的，分析平差后的結果主要為高程誤差較大。

去掉誤差較大的兩個拍攝點位置數據進行平差后點位誤差集中在第一條與第六條航線上。

（三）外業特征點測量

試驗區域采用GNSS設備以兩個GPS C級點作為起算點，引入三個控制點進入試驗區域，三個控制點包括一個底面基站點位置。

在試驗區采用RTK測量方式采集了18個明顯標志點作為相片控制檢查點，測量310個隨機點作為高程檢查點，同時抽取73個位置明確點作為平面檢查點。

（四）精度比較

1.點位分布位置

試驗區域內隨機采集地面標志點，點位分布見下圖5、圖6，圖中紅色標記位置為采集點，采集使用徠卡GS15 GNSS儀器進行采集。

2.外業散點精度比較

點位位置采用制作生成DOM成果人工刺點后與外業成果進行比較計算中誤差，高程精度采用生成DSM成果與外業成果進行比較計算中誤差。

在試驗中發現地面采用一個控制點參與空中三角測量平差后，平面精度無明顯提升，但高程精度有明顯提升，高程中誤差為0.469米，比無地面控制點空三平差的提高0.188米。

采用研制的GNSS后差分系統，在進行空中三角測量后與外業實測成果比較平面精度可達到GB/T 79302008 《1：500 1：1000 1：2000地形圖航空攝影內業規范》1：2000的要求；高程可達到1：2000山地精度要求，在使用一個地面控制參與空中三角測量平差后成果可達到丘陵地要求。

三、結語

經過試驗得出利用微型無人機系統搭載GNSS后差分系統可有效減少外業相片控制點數量；在使用少量地面點參與平差后成果精度有明顯提升，特別是高程精度；同時本系統重量輕，可使用在目前各種類型無人機系統上，而且不需要對無人機系統做大量改造，只需要獲取無人機飛控系統相機拍攝信號即可。

從實驗結果看采用GNSS后差分系統后，外業相片控制點數量可節省6080%以上的工作量，成果可用于1：2000地形圖成果生產。

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