郭建春+黃志環(huán)
摘要:航空測量及攝影,是依托某一航攝儀器,在飛行狀態(tài)之下連續(xù)予以攝影。它關聯(lián)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(shù)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(tài)、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(tǒng);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(tǒng)(INS)是由IMU和控制系統(tǒng)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(shù)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(tài)角,并給出載體航向,以此實現(xiàn)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(tǒng),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(tǒng)(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(shù),對目標點數(shù)據(jù)進行求差改正,并綜合全部觀測數(shù)據(jù)進行平差計算,獲取精確的三維坐標。IMU可以實現(xiàn)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(tǒng)的導航精度完全取決于自身系統(tǒng)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(xù)定位,誤差不隨工作時長而積累,但采用DGPS技術的系統(tǒng)為非自主系統(tǒng),不能實時提供姿態(tài)參數(shù)等,在運動過程中不易跟蹤和捕獲衛(wèi)星信號,造成定位精度的下降?;诳柭鼮V波方式將二者進行組合,形成互補,通過信息傳遞、數(shù)據(jù)融合和最優(yōu)化求解,獲得運動過程中高精度的導航系統(tǒng)。
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(shù),以此恢復影像的曝光瞬間姿態(tài)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(tài)數(shù)據(jù)等定位參數(shù),經(jīng)過數(shù)據(jù)融合和解算得出曝光瞬間的光束的空間位置和姿態(tài),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(huán)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(qū)域網(wǎng)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(tǒng)與攝站坐標系統(tǒng)之間的轉換問題,其中包括POS直接測定的3個姿態(tài)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(qū)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(tǒng)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(xù)處理。DGPS查驗并搜集多樣的實時數(shù)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(lián)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(shù)。用戶接納了這一參數(shù),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(xù)的運算。糾正開環(huán)偏差,獲取最優(yōu)參數(shù)。
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(shù)據(jù),包含定位數(shù)據(jù)。從這一視角看,定位時的精準性緊密關系著測得的數(shù)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??梢院喕瘧T用的模型,采納事后處理??柭鼮V波表現(xiàn)出來的特性,關系著狀態(tài)維數(shù)、現(xiàn)有的存儲量。因此,應能縮減初始的這類維數(shù)。
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(qū)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(qū)段內的其他關聯(lián)數(shù)值。這類算法精準,適宜系統(tǒng)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(xù)N時段內都應分別去解析誤差,算出估測數(shù)值。經(jīng)過估測以后,儲存這樣的數(shù)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(chuàng)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(chuàng)設系統(tǒng)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(tài)勢下的常數(shù)數(shù)值,考慮白噪聲。事后處理之中,隨時都要存留各時段的狀態(tài)信息,同時存儲濾波??柭鼮V波凸顯的實時特性,關乎存儲總量及設定好的維數(shù)。簡化塑造模型,減小這類維數(shù),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(qū)段,首先予以濾波;經(jīng)過濾波流程,再去量測這一區(qū)段內的一切數(shù)據(jù)。經(jīng)由反向推算,可以明晰各個時點內的估測狀態(tài)。推測平滑濾波,先要估測狀態(tài)、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(lián)的DGPS類別文件。這些文件之內,含有流動數(shù)據(jù)、飛行時的方位、飛行速率狀態(tài),含有同步文件。依照選出來的精準格式來妥善提取數(shù)值,設定雙向濾波。在測驗范疇內,陀螺表現(xiàn)出來的偏差穩(wěn)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(jīng)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(jīng)過驗算可得院雙向濾波顯現(xiàn)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(yōu)良的總精度。飛行試驗含有更大的波動傾向,在局部區(qū)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(tǒng)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(tài),代替了傳統(tǒng)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(jīng)濟效益。然而由于現(xiàn)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(fā)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