差分GNSS系統在貴州山區應用于無人機航攝的探索

向必銀

貴州省地礦局測繪院，貴州貴陽 550018

1 差分GNSS原理

目前機載差分GNSS工作原理為，地面上設置固定GNSS接收機接收衛星信號，飛機上也搭載GNSS信號接收機，一般機載GNSS記錄頻率較高（目前多數是5～20Hz），機載GNSS記錄固定時刻衛星信號，同時精確記錄相機曝光時刻時間，飛行結束后將機載GNSS信號與地面站GNSS做差分解算，解算出機載GNSS固定頻率時刻的坐標，然后以時間為變量建立線性模型（x,y,z）=f(t)，將相機曝光時刻時間（t）作為變量輸入該模型，解算出相機曝光時刻坐標(xt,yt,zt)，將該數值作為相片的三個線元素用于輔助空三。由此可見，相機曝光時刻坐標是通過時間為線索內插計算得到的，不是直接觀測值，誤差渠道較多，不利于控制，又沒有多余的觀測值來檢核，系統穩健性較差，當出現“丟星”現象時，則直接無法解算。但可以通過在飛機起飛前后，在地面上用機載GNSS標記點位，然后用RTK等儀器測出該標記點位坐標，用以檢測空中飛行時機載GNSS數據的質量.機載差分工作流程圖。

圖1 機載差分工作流程圖

2 P8機載差分設備簡介

在滿足測圖精度前提下減少像控點數量，本文選擇武漢蒼穹電子生產的輕巧型、高性能、高精度的GNSS接收機—蒼穹機載航空GNSS(P8)。它采用高精度GNSS OEM主板，具有高達20Hz的采樣頻率，可以跟蹤觀測BDS、GPS、GLONASS衛星信號。同時可根據無人機機型及載重情況，分別搭配高性能航空陶瓷天線、高性能航空螺旋天線（僅重140g/18g），滿足各種機型航測需求。通過配套處理軟件KGO進行解算，使之更好地實現了厘米級動態差分定位和動態精密單點定位。無人機航測通過搭載蒼穹數碼P8設備提供的高精度差分定位結果可以輔助空三加密快速生產4D產品，采用三維建模手段可以迅速生產出高清影像、三維地表模型等資料，使得工作決策科學、精準。同時P8/KGO與空三軟件配套工作，是針對GNSS輔助空中三角測量，可以減少地面像控點數量，提高作業效率，降低生產成本。P8目前可支持多種空三軟件，同時適用于多個品牌的無人機。

3 差分GNSS系統在貴州山區航測應用

2016年上半年，P8機載設備在貴州某測區進行測試，測區21km2，設計飛行分辨率0.1m，影像899張，獲取的原始影像數據信息豐富，照片色彩基本一致。顏色飽和度逼真，反差適中，紋理清晰。差分數據經過KGO差分解算，固定解率達到98.07%，數據質量極佳。

按照全野外控制點無差分、少量控制點+輔助GNSS差分輔助空三平差結果進行對比分析，測試結果見表1。

表1 測試結果對比

從上表不難看出，全野外26個像控點布控平面精度0.251m、高程點位中誤差0.082m，符合測圖標準。當野外控制點數減少到5個，有差分GNSS輔助時，其余21點作為檢查點，滿足基本的像控點布設要求，平面點位中誤差0.388m，高程中誤差為0.423m，滿足規范要求。

通過參考《低空數字航空攝影測量內業規范》，本次測試獲得的技術結論如下：

（1）差分全野外26個控制點平差結果中，加密點位中誤差在0.2米左右，高程誤差在0.2m左右，符合國家規范要求。

（2）利用GNSS輔助空三平差，即P8設備，選取其中5個點作為控制點，其余21個點作為檢查點，其檢核點按照地物點誤差精度進行統計，平面以及高程中誤差均在0.4m左右，滿足國家規范要求(注：高程誤差較大點基本是房角點)，并且減少了80.07%的像控點。

針對GNSS輔助空中三角測量，P8/KGO與空三軟件配套形成了一套無人機高精度定位解決方案，它可以減少地面像控點數量80%以上，大幅提高作業效率，降低生產成本。由此得出，差分數據在保證輸出成果精度達標前提下能減少空三對像控點數量上的依賴。

4 差分GNSS系統+構架航線優化航線設計

如果在航線兩端布設構架航線，精度會進一步提高。為了驗證構架航線對無人機差分GNSS輔助空三能在1∶1000大比例尺地形測繪中對提高精度有幫助，本文選擇如下測區測試。

測試區位于貴州某縣，測區面積約27km2，影像1421張，航向重疊80%，旁向重疊51%,地面分辨率0.1m，航攝時間于2016年下半年，搭載佳能5D Mark Ⅲ相機和蒼穹P8設備，地面基站為P8配套設備，共20條航帶其中構架航線2條，航帶東西向長約5.5km，測區南北寬5km，無人機航跡見圖2。

圖2 無人飛行器航跡圖

數據處理方面，GNSS定位解算采用蒼穹公司高精度GNSS差分后處理軟件KGO；空三軟件使用inpho7.0數字攝影測量系統，支持無人機影像相機自檢校及高精度GPS輔助空三解算；精度檢查采用航天遠景MapMatrix4.1軟件。

4.1 像控布點及空三加密

采用inpho7.0軟件，結合P8差分設備和構架航線構成強度較高的像點網，本次測試中，僅在測區四角布設了4個平高地面控制點。

4.2 精度驗證

MapMatrix軟件 在導入inpho7.0軟件加密成果后，自動構建立體模型，在立體環境下人工讀取檢查點三維坐標，并與對應的7個野外實測檢查點對比。檢查點誤差見表2。

表2 檢查點誤差單位（m）

從上表可知，檢查點的平面位置中誤差為0.163m、高程中誤差為0.097m。7個檢查點的平面位置誤差均小于0.25m，高程誤差均小于0.15m。平差結果明顯好于我國現行數字航空攝影測量規范對1∶1000地形測圖航測內業加密檢查點的平面位置中誤差≤0.50m、高程中誤差≤0.28m的要求。

（1）在27km2測區，使用差分GNSS設備空三采用“構架航線+測區四角平高控制點”的控制方案，區域四角4個平高控制點進行加密，加密結果利用檢查點檢查后完全滿足平地1∶1000地形測圖航測加密的精度要求。

（2）如果采用常規密周邊布點光束法區域網平差加密方法，測試區要達到1∶1000地形測圖規范要求，區域網周邊需要每隔4條基線布設1個平高地面控制點、區域網內部需要每隔4條基線布設1個高程地面控制點，約需設置80個平面控制點和390個高程控制點，而采用差分GNSS+構架航線輔助空三技術后，僅需要區域四角4個平高地面控制點，與密周邊布點的光束法區域網平差相比，GNSS輔助光束法區域網平差的平面控制點減少了95.0%、高程控制點減少了99.0%。

（3）差分GNSS輔助無人機空三能夠在滿足1∶1000地形測圖精度的條件下，減少工作量，縮短了工作周期，降低了生產成本，其推廣應用價值是十分巨大的。

5 結語

GNSS輔助空三可以大量減少地面控制點,而且帶地面控制的GNSS輔助光束法區域網平差精度能夠滿足1∶1000地形圖生產。無論平地區域還是丘陵地、 山地區域,采用GNSS輔助光束法區域網平差,精度達能到自檢校光束法區域網平差的精度。

GNSS輔助空三已經成為一種極為實用、經濟的攝影測量加密方法,其在測繪生產中的應用已經逐漸改變了航空攝影測量一貫遵循的“航空攝影—外業控制聯測—內業測圖”的長周期作業模式。它在縮短航測成圖周期、節省外業控制工作量、減輕勞動強度等方面已經創造出了巨大的經濟和社會效益。

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