航空摄影测量中POS系统高精度定位技术

航空摄影测量中POS系统高精度定位技术
摘要：定位定向系统是航空摄影测量设备中的机载基准传感器，由卫星导航系统、POS系统计算机构成，可以实时获取到载体速度、姿态、位置等信息，将POS系统应用在测绘领域之中已经受到了广大专家学者的认可，但是，如何提升POS系统的精度依然是一个难题，本文主要分析航空摄影测量中机载POS系统的
高精度定位定向技术。

关键词：航空摄影测量；机载POS系统；高精度定位定向技术
一、POS辅助航空摄影测量技术的基本原理
惯性导航系统（INS）是由IMU和控制系统组成，IMU又包括3个加速度计、3个自由度陀螺仪以及必要的数字电路和图形处理器（GPU），利用3个加速度
计测量载体在三轴反向上的平移加速度、一次积分获取载体的瞬间速度，同时，
陀螺仪可以记录三轴在导航坐标系中的姿态角，并给出载体航向，以此实现对载
体的导航工作。

GPS是目前应用最为广泛的定位和导航系统，可以为用户提供实
时的空间坐标信息、速度信息和精确授时。

差分全球定位系统（DGPS）技术是在
多个已知点位上安装设置GPS基准站，对目标点位置接收机进行同步观测，基于
各个基准站空间坐标信息和改正参数，对目标点数据进行求差改正，并综合全部
观测数据进行平差计算，获取精确的三维坐标。

IMU可以实现导航的完全自主化，降低了外界信息的依赖性，可以提供较高精度的导航、速度、航向等信息，但采
用IMU的系统的导航精度完全取决于自身系统的精确性，这样就造成定位误差的
时间积累。

DGPS技术定位精度高、可以全天候进行连续定位，误差不随工作时
长而积累，但采用DGPS技术的系统为非自主系统，不能实时提供姿态参数等，
在运动过程中不易跟踪和捕获卫星信号，造成定位精度的下降。

基于卡尔曼滤波
方式将二者进行组合，形成互补，通过信息传递、数据融合和最优化求解，获得
运动过程中高精度的导航系统。

二、POS系统定位方案分析
POS系统是航空摄影载体导航的传感器，也是航空摄影拍摄照片的眼睛，有
着十分重要的作用，POS系统主要由GPS技术与惯性导航系统进行组合与应用，
由于不同拍摄相机对于POS系统精度要求不同，且POS系统误差对于照片的影响
也不一样，因此，不同摄像机对于其拍摄的侧重点与精度的要求也是不同的。

POS系统有着DGPS技术与导航技术的共性，其硬件组成包括POS计算机系统，DGPS系统、惯性导航系统等等，此外，POS系统还有后续的处理软件。

其中，DGPS与GPS能够收集到实时GPS定位信息，而惯性导航系统就能够提供加速度
与实时角速度信息，通过计算机系统就可以得到相关的信息。

在得知到精确坐标
之后，即可将坐标与基站信息进行对比，此时便可以得到GPS误差参数，将此信
息通过广播发送用户便可以接收，经过改正后即可得出最终的定位结果。

POS系统定位算法包括两个步骤，第一步，需要在系统的运行过程中对DGPS
与IMU信息采取卡尔曼滤波算法进行计算，并将滤波量测相关信息储存起来，第
二步，在上述步骤完成之后，即可利用储存的滤波量测相关信息对POS系统采取
平滑滤波算法进行计算，校正开环误差，以便获取到最优的运动参数。

三、航空摄影测量中POS定位技术类型
1、POS直接定向法
利用航空技术为载体的摄影和测量工作，可以根据不同参照物体来确定相对
位置，或者开展内部方向定位、外部方向定位等定位操作。

利用系统来完成定向
定位之后，就可以通过摄像获取的目标形态来分析其具备的各种方位性要素和关
键节点，尤其是内外部定位要素节点以及在空间中的相对位置信息之间存在的关
系是这种直接性质的定向方法内容中的重点关注对象，这些获取的参数和数据信
息能够用来确立测量和摄影的目标对象，并且获得到相应的准确定位信息，根据
数据核算方法和推算就可以得知目标对象在相对的空间位置中的实时状态，对存
在的误差和偏差进行更正以及修改，达到最高的精度标准状态下的相关数据和元
素坐标，这种测量模式和方法最适用在地图测绘比例尺不高，而且摄影测量的工
作环境很差的情况下，以及对于精度方面的要求不是很高的工作中。

2、POS辅助空中三角测量法
这种方法的主要做法就是将系统通过定位分析得出的坐标和元素要点等相关
信息和数据作为已知的带权状态下的观测数值，以此为基础来获得高精准程度的
方位要素，这种方法需要大量的集成性质的传感设备才能实现测量的目标，能够
利用POS系统内部获取的直接测量定向而得到的三个姿态性角元素，以及外部方
位定向元素所代表的三个角元素，将它们进行转化和互换，这种方法关键在于元
素之间的转换，且精度要求比其他方法高。

四、航空摄影测量中POS系统高精度定位技术的应用
1、拟定适当方案
POS范畴内的新颖技术，含有GPS、常用惯性导航，二者被整合在一起。

对
于不同装置，设定好的精度水准都会有着差异；与此同时，POS涵盖着的偏差长度，也会影响照片。

各类的摄像机拟定的侧重点、拍摄得出来的精度都含有差值。

POS融汇了导航思路、DGPS这一新颖思路，拥有二者共性。

它搭配的硬件，含有定位配件、微机处理配件、依托惯性的导航；对应着的软件，设定了后续处理。

DGPS查验并搜集多样的实时数值；惯性导航明晰了加速度、各时段内的飞行角度。

依托微机体系，获取关联的信息。

获取坐标以后，把它与拟定好的坐标予以
对比，获取偏差参数。

用户接纳了这一参数，修正得来最适宜的定位。

POS路径
下的运算定位，含有双重步骤。

在第一步内，可得的信息涵盖了IMU、DGPS双
重的信息。

选取滤波算法以便存留这样的信息。

在第二步中，选取存留下来的这
类信息，依托平滑滤波予以后续的运算。

纠正开环偏差，获取最优参数。

2、创设滤波模型
在POS架构内，依托滤波器来识别明晰的定位，设定精准定位。

创设系统模型，关系着更大范畴的滤波结果。

针对航空背景，拟定误差建模。

POS预设了更
高水准的初始精度，为此必须予以标定补偿。

IMU这样的常用模型，可被简化处理，把它变更为随机态势下的常数数值，考虑白噪声。

事后处理之中，随时都要
存留各时段的状态信息，同时存储滤波。

卡尔曼滤波凸显的实时特性，关乎存储
总量及设定好的维数。

简化塑造模型，减小这类维数，便利了随时去存留信息。

3、查验运算效果
对于双向滤波，查验它的运算成效。

拟定了POS特有的测验体系，搜集了IMU、关联的DGPS类别文件。

这些文件之内，含有流动数据、飞行时的方位、
飞行速率状态，含有同步文件。

依照选出来的精准格式来妥善提取数值，设定双
向滤波。

在测验范畴内，陀螺表现出来的偏差稳定特性为每小时0.1。

加速度累
积得出来的这类偏差，为0.0008克。

接收机有着双频的特性；经过差分处理，获取了每秒0.1米的初始速率、0.1米的方位精度。

运算惯性导航，设定了50Hz这
一精准频率；对应着的输出频率，包含5Hz。

滤波组合周期，设定为0.3秒。

总之，由于现有科技和理论研究的局限性，POS辅助航空摄影测量仍然存在
很多不足，直接影响到观测结果的精度。

随着科技的发展及理论研究和技术研究的逐步深入，POS辅助航空摄影测量技术的工艺会不断改进，精度会不断提高，应用前景将更为广泛。

参考文献：
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[2]朱正荣.航空摄影测量中POS系统误差分析及应用研究[J].科技创新导
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