POS系统及其在航空摄影中的应用

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POS 系统系统描述及运行原理
1．1 POS 系统描述
POS，Position and orientation System 英文的字首缩写，测姿定位系统，为航空摄影 提供地理参考的位置及方位系统，测量每个航片的六个外方位元素即绝对位置（X，Y，Z） 和姿态参数（ , , ） 。这个系统集合了高精度的惯性感应器，GPS 测量处理技术和数据处 理软件。 POS 系统由四部分组成：惯性测量单元（IMU） ，双频 GPS 接受机，数据处理计算机系 统（PCS）和处理软件（POSPAC） 。系统核心是积分惯性导航软件，在飞行过程中实时处理 搜集的 GPS 和惯性测量数据，给出惯性导航解及 GPS 位置坐标。然后飞行完成后通过
的数据处理的基础，为了确保精度，在实际的生产中需要在项目前后各进行一次检校飞行。
2．2 初始化 POS 及 GPS
由于 GPS 差分运算获取位置信息进行相位差分需要得到第一个历元整周相位数（模糊 度） 这个相位数通过飞行前后地面至少 4 分钟的静态观测获得， 如果静态观测的时间长可以 有利于解算和相位差分精度的提高，同时 POS 收集加速度信息，进行粗水平导航，由于是 使用载波相位差分处理获取高精度定位，在整个架次飞行中要求 GPS 尽量信号不要失锁， 避免信号失锁的办法是：天线安装在飞机上尽量遮挡少，飞行时飞机姿态变化尽量小，同时 要牢固，不破坏飞机气动性能。 当开始由于特殊原因在起飞前没能有足够静态观测时间， 在空中正常飞行， 尽量避免信 号失锁，落地时候要在一直保持飞机供电情况下，做够时间静态观测时间。
POS 系统及其在航空摄影中的应用
杨成 白石 西安中飞航空遥感技术有限公司 陕西省西安市 710089
摘要：描叙了 POS 系统的运行原理，并结合原理分析了 POS 系统在航空摄影应用时应该注意的偏心分量测 量、pos 设备初始化、数据精度控制问题及基站架设等问题，最终结合实际的航摄飞行要求提出预防措施 和解决办法。 关键词：POS 运行原理 应用 IMU DGPS
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POS 系统在航空摄影中应用的注意事项
POS 应用来获得航摄过程中每张航片的尽量精确姿态参数和航片像主点精确坐标，以 求来省略传统航空摄影复杂的地面点控制测量等烦杂的工程， 以最佳效果来直接定向， 进行 适宜比例尺的地图量测。除了 POS 系统固有的误差，需要在飞行时采取有效措施，以求获 取更好的精度效果。
0 引言
航空摄影测量从模拟摄影测量到解析摄影测量到现在的数字摄影测量来获取数据，已 经走过了一个半世纪的时间， 传统的航空摄影获取数据需要大量的地面控制点， 通过空三解 求航片的内外方位元素，然后完成数据获取。随着新技术的出现和发展，这种传统的测图方 式，正逐渐吸收新技术，获得了全面的发展和提高，随着它们结合优越性的体现，已经逐渐 成熟和完善起来。摄影测量中的基本问题是航片的定向问题，只有知道了航片的内、外方位 元素才能进行量测工作， 长期以来内方位元素通过实验室采用物理方法检定得到， 外方位元 素（Xs, Ys, Zs, , , ）则主要依靠空中三角测量和大量地面控制点来间接解求，这样 就要耗费大量的时间和工作，应其所求，POS 系统被逐渐应用到这个领域，并且逐渐解决 了体积，精度的问题。结合了光学相机获取影象，POS 系统提供航片曝光时刻的外方位元 素，这种结合方式正逐渐改变了传统摄影测量的作业方式，取得了很大的成功。现在我们分 析讨论一下传统的航空相机（RC-30）加 POS 系统获取数据的运行原理和误差的产生，及我 们航摄飞行操作中避免误差的有效措施。在这套系统获取数据过程中，RC-30 相机获取地物 影像，而 POS 系统获取点位数据和角度数据。
POSPAC 获取每张航片的外方位元素。 1．1.1 惯性测量单元（IMU）
图 1 惯性测量单元示意图 IMU 拥有三组加速度计和陀螺仪，数字电路和一个 CPU，加速度和陀螺仪的补偿值作 为线加速度和角速度提供给 PCS， PCS 积分计算出加速度和角速度， 最后得出 IMU 的位置， 速度，姿态。 1．1．2 GPS 接收机 POS 在飞行过程中提供高精度的实时定位数据， 它的原始观测值由 GPS 接收机来提供， 这里使用高动态 GPS 信号接受机，接受 C/A 码来进行解算。GPS 信号接收机接受信号用来 测量，一般有两种观测量：伪距观测量和载波相位观测量。GPS 接收机接到卫星发射的时 钟信号，比较信号，测出本机信号延迟量，得出卫星到接收机相位中心的距离，由于传播介 质和时钟的延迟，此距离并非卫星和接收机的准确距离，这种观测量为伪距观测量，通过伪 距观测量差分处理获得 POS 空中动态定位数据， 这种动态定位差分数据可获得 7 米的精度。 另一种为载波相位观测量，这种观测量用于飞行事后处理，在 POSPAC 软件中使用。由于 测量中要得到更好精度的定位数据用来实际测量，载波相位差分处理就被发现和使用起来。 载波相位观测量是通过对载波信号的恢复以及对载波相位的跟踪观察和测量而得到的。 它实 际上是由 GPS 卫星信号和 GPS 接收机信号的相位比较而获得的相位差值。 当 GPS 接收机捕 获卫星信号之后， 只要跟踪不中断， 接收机便会自动给出跟踪期间载波相位整周数的变化量 和所测相位不足一周的小数部分。也就是说，在载波相位测量中。观测得到的相位差是连续 记数的，从第一个历元开始，在后继的观察中，其观测量不仅包括相位差的小数部分，而且 包括累计的整周数，第一个历元的整周相位数未知，当我们采取措施获得这个整周相位数， 就可以通过处理这些关于位置函数的相位信息， 校正信号延迟和电离层延迟， 获取定位和卫 星定轨的数据。研究表明，利用载波相位可以获得厘米级精度差分动态定位结果。
仪器误差和其影响的 SIN 误差的线性离散方程。用 GPS 的位置与 SIN 中的位置差别来估计 SIN 中逐渐增长的误差。 闭环错误控制算法利用 Kalman 参数重新设置 SIN。 同样， 惯性错误差值用于 IMU 对角 加速度和线加速度的积分，以及对传感器的几何校正。最后的积分惯性导航提高了 GPS 位 置和速度的精度，对惯性误差的校正提高了方向精度。 POS 系统最重要的作用是来空中实时定向，这样通过后续处理，内差每个航片的时间 点，利用 POS 系统的实时定向，精确地求出航片的绝对位置和姿态参数。POS 系统空中定 向分三步走：粗水平定向，粗偏航角定向，精偏航角定向。粗水平定向对加速度值进行一次 低通滤波得到每个加速度的平均重力信号来估计 IMU 的翻滚和俯仰角，误差 1－2 度之间。 粗偏航向角定向用 KF 误差模型来描述航偏角的不确定性。 导航坐标系中的偏航角误差会造 成积分过程中从陀螺仪误差减去的地球自传值的误差。该误差又会累积到速度和位置误差。 如果陀螺仪误差够小，地球自转误差造成的位置和方向可利用 GPS 发现，因为偏航角误差 最多只能降低到几度之内。幸运的是偏航角误差造成的 IMU 加速度变化会产生极大的位置 和速度误差，该误差能被 GPS 值观测出来。这就使 KF 估计偏航角误差精度达到一度以内。 粗偏航角定向中 KF 估计偏航角误差 10 度内。 空中飞行中偏航角精度要求较高 （heading<0.3 度）航偏角误差主要通过加速度观测。在垂直或水平无加速度（直线飞行）飞行中，航偏角 误差增加比率由陀螺仪噪声和残差来决定，一旦有加速度，航偏角会被发现和重置，平滑器 会差值运算，这样将减小整个航线的航偏角误差。飞行策略是一条航线飞行要控制在 30 分 钟之内，然后转弯进入航线，航偏角重置，精度提高。
2．3 飞行中 POS 姿态观察及情况处理
飞行过程中注意观察 POS 显示姿态数据（可以通过电脑运行 POSAV 软件来观察） ，其 中由于进入航线平稳飞行， IMU 加速度变化很小， 这样 IMU 的噪声等会使 POS 精偏航角定 向精度变低（heading 值增大） ，当精偏航角定向精度增大到一定程度（已经不能满足测图要 求，比如超过 0.3 度）就要断开航线，转弯以增加 IMU 中加速度计的方向加速度，这时航 偏角会被重置，就会增加精度。 在 POS 的 IMU2.0 版本的最佳定位精度是 0.03 度， 如果在 POSAV 设置提示里输入 0.05 的话，POSAV 很快就会变红报警，从 0.03 度到 0.091 变化大概就 4 分钟左右，这时航线刚 刚进入或者还没有飞完成，转弯增加定向精度，都这样操作就会造成极大浪费，航摄效率非 常低。 为减少浪费，提高航摄效率，可采取下面的有效措施以提高 POS 系统精度，减少非必 要断开航线转弯： 1) 在现实情况下，由于在后期数据处理中，航摄比例尺对外方位角度（ξ α ，ξ ω ， ξ κ ）的精度要求都在 0.517 度上，我们可是适当选取报警的域值，取 0.6 度（最大误差） 的一半，即 0.3 度来表示填入 POSAV，作为报警域值，当接近或到这个数值时，报警灯变 红，我们再采取措施，从 heading 的 0.03 度到 0.3 度变化时间大概是 30 分钟，这样可以极 大放大飞行航线时间。 2) 在每架次飞行首条航线前，应进行“8”飞行，改善 POS 精度。 3) 如果是平行航线，可采取对向飞行，使得邻接的两条航线改变飞行方向，可有效提 高定位精度。 4) 如果航线不是特别长，同时为增加飞行效率，可在进入航线的预备航线时，适当在 航线左右变化飞行方向，飞“S”型曲线，进入改平点后，再正常平飞，这样对精度的维持 与改善会有很好的效果。
2．1 偏心分量量测
航摄仪 天线 POS
图 2 POS 系统连接图 航摄中，天线，POS 系统，相机（和 IMU 刚性连接）如上图，在工作过程中，POS 系 统反映天线相位中心的位置，及 IMU 姿态参数，我们要获得相机焦平面所拍摄的航片的像 主点位置和姿态，这样就要量测天线相位中心到相机焦平面中心的偏心分量，和 IUM 中心 到焦平面的中心的偏心分量，在航摄前，安装好相机和天线，固定好 IMU 和相机的刚体后， 使用平板玻璃测量法可以获得厘米级精度，和差分 GPS 定位精度匹配。当固定好 IUM 和相 机的刚体后，IUM 的记录姿态正好反映相机的姿态，通过第一个架次的检校场飞行，就可 确定航片和 IMU 各轴夹角，从而确定航片的姿态参数，从这之后不要破坏 IMU 和相机的刚 体连接，它们之间有有变动时，重飞检校场，获取新的夹角参数。IMU 的姿态参数是后期