微型無人機GNSS事后差分應(yīng)用

張禾 周揚 計春祥

摘 要：傳統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)的航空攝影后差分系統(tǒng)，采用通用的GNSS模塊解決了無人機系統(tǒng)中拍攝位置精確定位的問題，實驗結(jié)果表明系統(tǒng)可有效減少外業(yè)相片控制點數(shù)量，系統(tǒng)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(chǎn)，具備一定的實用性。

關(guān)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(shù)經(jīng)過多年的技術(shù)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(shù)量多的情況；大大限制了無人機航空攝影系統(tǒng)的應(yīng)用與推廣；其中主要的技術(shù)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(dǎo)致無人機航空攝影相片數(shù)量大，同時也存在輕小型無人機姿態(tài)穩(wěn)定性不高等因素；綜合以上難點在傳統(tǒng)測繪作業(yè)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(tǒng)作業(yè)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(yè)控制點方才能完成空中三角測量工作；一個項目區(qū)需要測量幾十甚至上百個控制點才能開展后續(xù)測繪工作，而在山區(qū)地面標志點少且不易測量導(dǎo)致無人機航空影像應(yīng)用困難。

在實際應(yīng)用中起飛重量小于7公斤的微型無人機應(yīng)用廣泛，在使用中的蒼穹、成都縱橫研制的差分系統(tǒng)均只能安裝在起飛重量較大的油動無人機上，設(shè)備具備一定的局限性而可應(yīng)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(yè)工作，并提高數(shù)據(jù)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(fā)正式發(fā)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(tǒng)，利用樹莓派的GPIO接口可獲取及控制各種信息與信號實現(xiàn)各種控制功能。樹莓派具備提交小、開發(fā)難度小、硬件成本低、系統(tǒng)運行穩(wěn)定等眾多特點。

樹莓派主要負責(zé)接收GNSS模塊信號、姿態(tài)（IMU）模塊信號、相機拍照信號、工作狀態(tài)顯示工作；本項目中主要軟件開發(fā)在樹莓派中完成，并在樹莓派的LINUX系統(tǒng)中編譯成可執(zhí)行文件，軟件主要負責(zé)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(tǒng)一時間體系；同時還獲取有無人機飛行控制器發(fā)出的相機拍照指令及接收姿態(tài)模塊數(shù)據(jù)，按照統(tǒng)一時間系進行與GNSS數(shù)據(jù)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(zé)檢測GNSS位置單點解情況、衛(wèi)星數(shù)據(jù)量、姿態(tài)模塊工作狀態(tài)、相機模塊工作狀態(tài)，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(wèi)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(shù)據(jù)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(tǒng)上，不改變無人機的其他設(shè)備。GNSS模塊主要負責(zé)接收三個衛(wèi)星星座發(fā)射的無線電波信號，并轉(zhuǎn)換為可以進行后差分計算處理的GNSS觀測數(shù)據(jù)。

（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(tǒng)發(fā)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(shù)據(jù)，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(shù)據(jù)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(shù)。要求解出這 4 個未知數(shù)，至少有 4 個方程式。為此，要實現(xiàn)單點絕對定位必須同時觀測4 顆衛(wèi)星，才能組成定位的基本方程。

（四）GNSS模塊時間系統(tǒng)差檢測

研制過程中發(fā)現(xiàn)GNSS接收模塊存在時間系統(tǒng)誤差；由于無人機系統(tǒng)飛行速度在80120公里/小時，GNSS接收模塊在接收到GNSS衛(wèi)星發(fā)射信號后存在處理、轉(zhuǎn)換、發(fā)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(shù)據(jù)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(tǒng)采用PPS信號進行系統(tǒng)時間對齊，保證系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)上，工作流程見圖1，圖2

二、數(shù)據(jù)測試與對比

（一）試驗區(qū)域情況

試驗區(qū)域選取了近8平方公里的丘陵地帶，試驗區(qū)高差為230米；區(qū)域為高等學(xué)校聚集區(qū)，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(zhì)，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(shè)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(shè)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(dǎo)致位置精度不夠外，其它拍攝點位置中誤差在0.6米以內(nèi)，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(jīng)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(qū)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(jié)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(shù)據(jù)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(yè)特征點測量

試驗區(qū)域采用GNSS設(shè)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(qū)域，三個控制點包括一個底面基站點位置。

在試驗區(qū)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(qū)域內(nèi)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(yè)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(yè)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(yè)成果進行比較計算中誤差。

在試驗中發(fā)現(xiàn)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(tǒng)，在進行空中三角測量后與外業(yè)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(nèi)業(yè)規(guī)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(jié)語

經(jīng)過試驗得出利用微型無人機系統(tǒng)搭載GNSS后差分系統(tǒng)可有效減少外業(yè)相片控制點數(shù)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(tǒng)重量輕，可使用在目前各種類型無人機系統(tǒng)上，而且不需要對無人機系統(tǒng)做大量改造，只需要獲取無人機飛控系統(tǒng)相機拍攝信號即可。

從實驗結(jié)果看采用GNSS后差分系統(tǒng)后，外業(yè)相片控制點數(shù)量可節(jié)省6080%以上的工作量，成果可用于1：2000地形圖成果生產(chǎn)。

參考文獻：

[1]李德仁，李明.無人機遙感系統(tǒng)的而研究進程與應(yīng)用前景[J].武漢大學(xué)學(xué)報（信息科學(xué)版），2014，39（5）：505513.

[2]姬淵，秦志遠，王秉杰，劉曉輝.小型無人機遙感平臺在攝影測量中的應(yīng)用研究[J].測繪技術(shù)裝備， 2008（01）.

[3]杜全葉，陸錦忠.無人飛艇低空攝影測量系統(tǒng)及其DOM制作關(guān)鍵技術(shù)[J].測繪通報，2010（06）.

[4]張建霞，王留召，蔣金豹.基于數(shù)字影像的低空攝影測量研究[J].測繪通報，2006（12）.

[5]龔真春.GPS在微型無人機導(dǎo)航定位中的研究與應(yīng)用[D].浙江大學(xué)，2005.

[6]張勇.GPS事后差分定位數(shù)據(jù)處理理論與應(yīng)用研究[D].安徽理工大學(xué)，2009.

[7]唐敏，李永樹，何敬.無地面控制點無人機影像的相對定向方法[J].西南交通大學(xué)學(xué)報，2011（05）.