朱正榮

摘 要：該文基于筆者多年從事航空攝影測(cè)量的相關(guān)工作經(jīng)驗(yàn)，以航空攝影測(cè)量中POS系統(tǒng)誤差及應(yīng)用為研究對(duì)象，論文首先分析了POS系統(tǒng)的主要誤差來源，進(jìn)而探討了POS系統(tǒng)在航空攝影中的應(yīng)用需求，并對(duì)POS系統(tǒng)在航空攝影中的應(yīng)用方案進(jìn)行了對(duì)比分析，全文是筆者長(zhǎng)期工作實(shí)踐基礎(chǔ)上的理論升華，相信對(duì)從事相關(guān)工作的同行能有所裨益。

關(guān)鍵詞：航空攝影測(cè)量 POS系統(tǒng) 誤差 應(yīng)用

中圖分類號(hào)：P23 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2014）01（b）-0005-04

20世紀(jì)90年代，GPS（Global Position System，全球定位系統(tǒng)）輔助空中三角測(cè)量的方法得到了廣泛應(yīng)用，利用GPS獲得的定位信息用來輔助空中三角測(cè)量，展現(xiàn)了導(dǎo)航技術(shù)在測(cè)繪領(lǐng)域的應(yīng)用前景。GPS技術(shù)雖然解決了像片的定位問題，但是無法獲取像片的姿態(tài)參數(shù)，不能徹底擺脫地面控制。隨著航空攝影測(cè)量技術(shù)和慣性導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展，一種新的方法開始應(yīng)用于航空攝影測(cè)量——定位定向系統(tǒng)（Position and Orientation System，簡(jiǎn)稱POS系統(tǒng)）輔助航空攝影。機(jī)載POS系統(tǒng)集GPS技術(shù)與慣性導(dǎo)航技術(shù)于一體，使準(zhǔn)確地獲取航攝相機(jī)曝光時(shí)刻的外方位元素（GPS測(cè)量得到位置參數(shù)，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)得到姿態(tài)參數(shù)）成為可能，從而實(shí)現(xiàn)了無（或少量）地面控制點(diǎn)，甚至無需空中三角測(cè)量加密工序，即可直接定向測(cè)圖，從而大大縮短航空攝影作業(yè)周期、提高生產(chǎn)效率、降低成本。因此，POS系統(tǒng)的出現(xiàn)，將從根本上改變傳統(tǒng)航空攝影的方法，進(jìn)而引起航空攝影理論與技術(shù)的重大飛躍。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展及其慣性、GPS器件精度水平的提高，POS無論定位定向精度還是實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理能力都會(huì)有質(zhì)的提高，將會(huì)在航空攝影測(cè)繪方面發(fā)揮越來越重要的作用。POS系統(tǒng)高精度定位定向技術(shù)是POS系統(tǒng)應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)，它的研究可以極大的推動(dòng)POS系統(tǒng)的發(fā)展。

1 POS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

POS系統(tǒng)本質(zhì)上集慣性導(dǎo)航技術(shù)與 DGPS（Differential GPS，差分GPS）技術(shù)一體，主要硬件組成部分包括慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、DGPS與POS系統(tǒng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，POS還包含一套事后處理軟件用于融合數(shù)據(jù)事后處理，其組成示意圖如圖1所示。

其中DGPS通過用戶與基站GPS接收機(jī)提供實(shí)時(shí)差分GPS定位信息，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)提供載體實(shí)時(shí)角速度與加速度信息，通過POS計(jì)算機(jī)系統(tǒng)實(shí)時(shí)信息融合得到載體位置、速度、姿態(tài)等導(dǎo)航信息，同時(shí)POS系統(tǒng)采集慣性導(dǎo)航系統(tǒng)與DGPS的數(shù)據(jù)信息利用POS系統(tǒng)事后處理軟件得到載體位置、速度、姿態(tài)等導(dǎo)航信息。下面對(duì)其中最重要的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)和衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行研究，最后對(duì)其POS計(jì)算機(jī)和事后處理軟件進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。

1.1 慣性導(dǎo)航系統(tǒng)

慣性導(dǎo)航技術(shù)是以牛頓力學(xué)定律為基礎(chǔ)，利用一組加速度計(jì)測(cè)量載體的加速度，利用一組陀螺儀測(cè)量載體的角運(yùn)動(dòng)，經(jīng)過積分運(yùn)算求解載體位置、速度和姿態(tài)信息的技術(shù)。根據(jù)慣性導(dǎo)航原理在物理平臺(tái)中的實(shí)現(xiàn)，稱為慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，依據(jù)有無實(shí)際物理平臺(tái)可分為平臺(tái)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)和捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。與平臺(tái)式慣導(dǎo)系統(tǒng)相比，捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)以數(shù)學(xué)平臺(tái)代替了慣性物理平臺(tái)，因而結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，平臺(tái)，體積、重量和成本大大降低，因此目前已經(jīng)在各類導(dǎo)航設(shè)備中廣泛應(yīng)用。

捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)解算原理如圖2所示。捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)和平臺(tái)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的區(qū)別在于捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)利用陀螺儀的輸出實(shí)時(shí)計(jì)算姿態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣（即“數(shù)學(xué)平臺(tái)”）和姿態(tài)角，其他的解算則與平臺(tái)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)一致。捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中，陀螺儀和加速度計(jì)的組合體通常稱為慣性組件（Inertial Measurement Unit，IMU），IMU對(duì)系統(tǒng)而言是開環(huán)的，僅僅起到了慣性傳感器信號(hào)輸入的作用，并沒有對(duì)IMU進(jìn)行反饋控制，所有的信號(hào)處理在計(jì)算機(jī)內(nèi)實(shí)現(xiàn)，因此實(shí)現(xiàn)方便。

由圖2中可看出，捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的核心是導(dǎo)航計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的慣性平臺(tái)，即“數(shù)學(xué)平臺(tái)”。數(shù)學(xué)平臺(tái)是用陀螺測(cè)量的載體角速度進(jìn)行姿態(tài)矩陣解算，從姿態(tài)矩陣中可以得到實(shí)時(shí)姿態(tài)角信息，并用姿態(tài)矩陣將加速度計(jì)輸出從機(jī)體坐標(biāo)系變換到導(dǎo)航坐標(biāo)系，然后進(jìn)行導(dǎo)航解算。

目前捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展比較成熟，尤其是高精度激光、光纖陀螺的出現(xiàn)與逐步成熟，促使捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)越來越成為航空載體的主流配置，POS系統(tǒng)采用捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，便于與航攝相機(jī)集成安裝，也便于內(nèi)部器件的維護(hù)與更新。但是，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)受工作原理所限，導(dǎo)航參數(shù)誤差隨時(shí)間發(fā)散，長(zhǎng)期穩(wěn)定性較差，故需要其他導(dǎo)航系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行校正，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)因其高精度與穩(wěn)定性好成為POS系統(tǒng)的首選。

1.2 衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，即GPS是美國國防部聯(lián)合海陸空三軍研制的導(dǎo)航系統(tǒng)，由空間導(dǎo)航衛(wèi)星部分、地面監(jiān)控部分和用戶接收機(jī)三部分組成。它具有全天候、高精度、自動(dòng)化、高效益、性能好、應(yīng)用廣等顯著特點(diǎn)，能夠?qū)崟r(shí)地提供三維的位置、速度和GPS時(shí)間等信息。

GPS定位的基本原理是以GPS衛(wèi)星和用戶GPS接收機(jī)天線之間的空間距離作為觀測(cè)量，根據(jù)已知的GPS衛(wèi)星空間坐標(biāo)，可以確定用戶GPS接收機(jī)天線的空間位置。GPS定位方法的實(shí)質(zhì)是以星地空間距離為半徑的三球交匯，因此，在一個(gè)測(cè)站上，需要3個(gè)衛(wèi)星到接收機(jī)天線的距離觀測(cè)量。其定位原理如圖3所示。

GPS導(dǎo)航與無線電導(dǎo)航類似，采用單程測(cè)距原理，衛(wèi)星鐘和接收機(jī)鐘無法保持嚴(yán)格的同步，所以GPS實(shí)際的觀測(cè)量并不是用戶接收機(jī)天線至衛(wèi)星之間的真實(shí)距離，而是含有衛(wèi)星鐘和接收機(jī)鐘同步誤差的距離，因此又稱為偽距。當(dāng)然，衛(wèi)星鐘差是可以通過衛(wèi)星導(dǎo)航電文中所提供的相應(yīng)鐘差參數(shù)加以修正的，而接收機(jī)的鐘差，準(zhǔn)確測(cè)定非常困難，所以，必須將接收機(jī)的鐘差作為一個(gè)未知量與用戶三維位置在數(shù)據(jù)處理中一并解出。因此，在一個(gè)觀測(cè)點(diǎn)上，為了實(shí)時(shí)求解4個(gè)未知參數(shù)（3 維空間坐標(biāo)及一個(gè)GPS接收機(jī)鐘差），至少需要同步觀測(cè)4顆衛(wèi)星。

1.3 POS計(jì)算機(jī)與事后處理軟件

在POS系統(tǒng)中，POS計(jì)算機(jī)系統(tǒng)（POS computer system，PCS）中實(shí)時(shí)運(yùn)行以及在事后處理軟件中的INS/DGPS組合算法是POS系統(tǒng)的核心部分。POS系統(tǒng)中其他模塊如IMU和DGPS都需要以POS計(jì)算機(jī)系統(tǒng)為硬件平臺(tái)，通過軟件算法來完成；用戶對(duì)POS系統(tǒng)的操作和控制也需要通過POS計(jì)算機(jī)系統(tǒng)來完成。

市場(chǎng)上POS產(chǎn)品POS計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的特點(diǎn)與POS應(yīng)用航空攝影的背景，POS計(jì)算機(jī)系統(tǒng)有如下特點(diǎn)：

（1）從性能上看，POS計(jì)算機(jī)系統(tǒng)必須具備強(qiáng)大的計(jì)算能力。POS計(jì)算機(jī)系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)接收并儲(chǔ)存IMU和GPS數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理運(yùn)算，對(duì)POS計(jì)算機(jī)系統(tǒng)提出了較高的要求。

（2）從功能上看，POS計(jì)算機(jī)系統(tǒng)必須具備強(qiáng)大的導(dǎo)航器件兼容性。目前導(dǎo)航器件無論從精度、性能、數(shù)據(jù)格式等方面都不一樣，導(dǎo)航計(jì)算機(jī)需要在條件允許的情況下對(duì)不同的器件給出不一樣的處理方案供用戶選擇，另外POS計(jì)算機(jī)系統(tǒng)需要滿足系統(tǒng)控制、輸出和功能的擴(kuò)展。

（3）從環(huán)境適應(yīng)性上看，POS計(jì)算機(jī)系統(tǒng)必須具備良好的抗震性能。POS系統(tǒng)輔助航空攝影，高機(jī)動(dòng)是其環(huán)境的主要特點(diǎn)，同時(shí)其外形尺寸和功耗也需要嚴(yán)格限制。

事后處理軟件顧名思義就是事后離線處理算法軟件，對(duì)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)采集的IMU數(shù)據(jù)與GPS系統(tǒng)采集的DGPS數(shù)據(jù)進(jìn)行事后處理，經(jīng)過系統(tǒng)解算可獲取高精度像片外方位元素。利用航空攝影中應(yīng)用廣泛的Applanix POS/AV 510自帶事后處理軟件POSPac對(duì)事后處理流程進(jìn)行說明，其流程如圖3所示。

2 航空攝影應(yīng)用中的POS系統(tǒng)主要誤差分析

機(jī)載POS系統(tǒng)輔助航空攝影無論從系統(tǒng)器件精度、集成安裝或其它機(jī)動(dòng)物理特性等環(huán)節(jié)都不可避免存在誤差，這些誤差會(huì)影響POS系統(tǒng)的性能，所以必須對(duì)其誤差進(jìn)行分析。機(jī)載POS系統(tǒng)的誤差源主要有：慣性導(dǎo)航系統(tǒng)誤差，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)誤差，時(shí)間同步誤差。

2.1 慣性導(dǎo)航系統(tǒng)誤差

對(duì)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)誤差分析的目的在于，通過分析確定各種誤差因素對(duì)系統(tǒng)性能的影響，對(duì)POS系統(tǒng)采用慣性器件提出精度要求，尤其是陀螺的精度要求；另外一方面，通過對(duì)慣性系統(tǒng)誤差分析，可以對(duì)POS系統(tǒng)的工作情況和器件質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)誤差根據(jù)其誤差產(chǎn)生的原因和性質(zhì)，大體上可以分為以下幾類：

2.1.1 IMU儀表誤差

IMU儀表誤差是指慣性器件陀螺和加速度計(jì)的誤差，有靜態(tài)誤差和動(dòng)態(tài)誤差兩個(gè)方面。陀螺誤差包括由陀螺常值漂移和隨機(jī)漂移等引起的誤差，以及陀螺溫度特性引起的誤差等；加速度計(jì)誤差包括隨機(jī)漂移和溫度特性引入的誤差等。動(dòng)態(tài)誤差主要是指由于載體機(jī)動(dòng)對(duì)慣性器件的影響帶來的誤差。這是慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的主要誤差源，對(duì)于IMU確定性誤差需進(jìn)行補(bǔ)償，對(duì)于隨機(jī)性誤差需要建立合適的誤差模型來減小其誤差。

2.1.2 初始對(duì)準(zhǔn)誤差

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)在進(jìn)行導(dǎo)航解算前必須進(jìn)行初始對(duì)準(zhǔn)，由于輸入的初始位置、初始速度不準(zhǔn)確引起的初始姿態(tài)不準(zhǔn)確造成的誤差就是初始對(duì)準(zhǔn)誤差。初始對(duì)準(zhǔn)為后續(xù)導(dǎo)航解算給出數(shù)學(xué)平臺(tái)基準(zhǔn)，所以必須盡量減少初始對(duì)準(zhǔn)誤差。

2.1.3 計(jì)算誤差與運(yùn)動(dòng)干擾誤差

計(jì)算誤差包括數(shù)字量化誤差、參數(shù)設(shè)置誤差、計(jì)算中的舍入誤差等。運(yùn)動(dòng)干擾誤差主要是沖擊和震動(dòng)等造成的誤差。這些誤差也是影響捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)精度的重要因素，必須設(shè)法消除或削弱。

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)誤差是POS系統(tǒng)的重要誤差源，是POS系統(tǒng)獲得高精度姿態(tài)方位信息的關(guān)鍵，目前針對(duì)具體的誤差形式，研究精確的數(shù)學(xué)模型是減小慣性導(dǎo)航系統(tǒng)誤差的主要方法。

2.2 衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)誤差

GPS因?yàn)槠溆^察時(shí)間短、定位精度高的特點(diǎn)，在測(cè)繪領(lǐng)域展現(xiàn)了巨大的應(yīng)用前景。但是GPS也有許多與生俱來的缺點(diǎn)限制了它的應(yīng)用，其中GPS誤差就是其高精度定位主要影響因素。目前引起GPS誤差的因素有很多，主要來源包括以下幾部分：

（1）GPS衛(wèi)星有關(guān)的誤差，主要有衛(wèi)星時(shí)鐘誤差、衛(wèi)星星歷誤差、SA誤差等；（2）GPS信號(hào)傳播有關(guān)的誤差，主要有電離層的附加延遲誤差、對(duì)流層的附加延時(shí)誤差和多路徑誤差等；（3）接收機(jī)設(shè)備相關(guān)的誤差，主要包括觀測(cè)誤差、接收機(jī)鐘差、天線相位中心誤差和載波相位觀測(cè)的整周不定性影響等。

針對(duì)GPS影響較大的誤差源具體分析如下所示：

2.2.1 衛(wèi)星時(shí)鐘誤差

GPS系統(tǒng)是通過測(cè)量衛(wèi)星信號(hào)傳播時(shí)間來測(cè)距的，時(shí)鐘的誤差將直接變成測(cè)距誤差。GPS系統(tǒng)中各衛(wèi)星鐘要求互相同步并與地面站同步，即使采用原子鐘計(jì)時(shí)也不可能絕對(duì)穩(wěn)定，而是存在著漂移。接收機(jī)可以通過接收衛(wèi)星導(dǎo)航電文中鐘差參數(shù)直接對(duì)衛(wèi)星時(shí)鐘誤差進(jìn)行改正。

2.2.2 衛(wèi)星星歷誤差

GPS衛(wèi)星星歷提供的衛(wèi)星空間位置與實(shí)際位置之差稱為星歷誤差。星歷數(shù)據(jù)由地面監(jiān)控站注入衛(wèi)星，而監(jiān)控站對(duì)衛(wèi)星測(cè)量的誤差、衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)時(shí)的攝動(dòng)因素等都會(huì)造成星歷中存在誤差，其誤差一直存在，無法消除。

2.2.3 電離層與對(duì)流層折射誤差

衛(wèi)星發(fā)射電波到達(dá)地面接收機(jī)，必須穿過電離層與對(duì)流層才能到達(dá)GPS接收天線。電磁波在不同介質(zhì)中得傳播特性是不同的，電波電離層與對(duì)流層會(huì)發(fā)生折射，從而產(chǎn)生延時(shí)誤差。對(duì)流層折射誤差是指非電離層大氣對(duì)電磁波的折射。對(duì)這種折射誤差一般需要建立電離層與對(duì)流層模型加以改正，目前GPS接收機(jī)中一般都有誤差改正模型。

2.2.4 多路徑效應(yīng)誤差

多路徑效應(yīng)誤差是由于不同的路徑到達(dá)GPS接收機(jī)而產(chǎn)生的誤差，主要由接收機(jī)周圍的地形、地物及各種反射體引起，信號(hào)經(jīng)過多路徑傳播造成測(cè)距誤差。

2.2.5 接收機(jī)設(shè)備誤差

GPS接收機(jī)設(shè)備的誤差主要是時(shí)鐘的誤差，其對(duì)GPS定位精度影響很大，假設(shè)普通接收機(jī)時(shí)鐘與衛(wèi)星時(shí)鐘同步時(shí)間差為1 s，由此引起的等效距離誤差可能達(dá)到上百米，當(dāng)定位精度要求較高時(shí)，應(yīng)該采用外接銣、氫等原子鐘來提高接收機(jī)時(shí)鐘精度。

綜上所述，影響GPS定位誤差的因素很多，利用差分GPS可以對(duì)衛(wèi)星時(shí)鐘和星歷誤差完全消除，對(duì)傳播造成的延遲誤差也能夠大部分消除，但是對(duì)于接收機(jī)相關(guān)的誤差則不能夠消除，但是這些誤差已經(jīng)幾乎很小，可以忽略不計(jì)。

2.3 航空攝影過程中POS系統(tǒng)內(nèi)部不同信息源的時(shí)間同步誤差

DGPS定位輸出頻率一般為1 Hz，而IMU數(shù)據(jù)的輸出頻率可以高達(dá)20～50 Hz，所以POS系統(tǒng)的輸出頻率與IMU數(shù)據(jù)輸出相同。機(jī)載POS系統(tǒng)航空攝影過程中，POS系統(tǒng)接收航攝相機(jī)的曝光脈沖并記錄該時(shí)刻jt，POS系統(tǒng)輸出時(shí)刻it與航攝相機(jī)的曝光時(shí)刻jt往往不同步，如下圖4所示。一般來說，飛機(jī)在航空攝影過程中是勻速飛行，POS系統(tǒng)采用線性內(nèi)插的方法得到導(dǎo)航參數(shù)。當(dāng)飛機(jī)勻速飛行時(shí)，這種內(nèi)插的方法是不會(huì)產(chǎn)生誤差的。但是實(shí)際過程中飛機(jī)不可能完全保持勻速，線性內(nèi)插必然帶來誤差，這種誤差稱為時(shí)間同步誤差。

航攝飛機(jī)的飛行速度一般為 100～200 m/s，由于在短時(shí)間內(nèi)，飛機(jī)速度不可能發(fā)生太大的變化，為了分析問題方便，假設(shè)線性內(nèi)插誤差POS系統(tǒng)輸出頻率的1%。那么對(duì)于飛行速度為150 m/s的航攝飛機(jī)和輸出頻率為50 Hz的POS系統(tǒng)，時(shí)間同步誤差約為0.3 cm。對(duì)于POS系統(tǒng)而言，這一數(shù)量級(jí)的誤差完全是可以忽略不計(jì)的。

3 POS系統(tǒng)在航空攝影中的應(yīng)用需求分析

在分析POS系統(tǒng)組成及其誤差分析的基礎(chǔ)上，有必要針對(duì)其應(yīng)用需求進(jìn)行研究分析。POS系統(tǒng)可以與多種航空攝影器材或航空傳感器集成相連，如ADS40航攝相機(jī)、光學(xué)相機(jī)、SWDC相機(jī)、機(jī)載激光雷達(dá)等，從而實(shí)現(xiàn)傳感器直接定向或輔助定向測(cè)量，如下圖5所示。不同的航攝相機(jī)對(duì)POS系統(tǒng)精度要求不一樣，但是針對(duì)它們對(duì)測(cè)量精度的共性要求研究，對(duì)POS系統(tǒng)應(yīng)用提出具體的技術(shù)要求是非常有必要的。

3.1 航空攝影對(duì)POS系統(tǒng)的應(yīng)用要求

無論是光學(xué)攝影成像、掃描成像還是雷達(dá)測(cè)距都對(duì)POS系統(tǒng)提出了非常苛刻的精度要求。不僅要求POS系統(tǒng)在較短的成像周期內(nèi)具有很高的絕對(duì)精度和相對(duì)定位精度，同時(shí)某些成像載荷對(duì)姿態(tài)測(cè)量誤差更為敏感。

綜合前面對(duì)POS系統(tǒng)組成及其應(yīng)用需求的分析，對(duì)POS系統(tǒng)及其器件在應(yīng)用航空攝影提出以下幾點(diǎn)技術(shù)要求：

（1）IMU器件是POS系統(tǒng)測(cè)量姿態(tài)角的關(guān)鍵器件，一般來說，IMU測(cè)角中誤差精度要求：橫滾角和俯仰角誤差不得大于0.01 °，航向角誤差不得大于0.02 °，記錄頻率要高于50 Hz。所以目前只有精密級(jí)慣性器件（陀螺偏移小于0.001 °/h）符合要求。

（2）差分GPS接收機(jī)是POS系統(tǒng)高精度位置獲取的主要器件，機(jī)載GPS天線安裝在航空飛行載體外表面，必須保證其在高機(jī)動(dòng)情況下地正常工作；航空攝影數(shù)據(jù)需要厘米級(jí)的定位精度，故GPS接收機(jī)采用高精度動(dòng)態(tài)載波相位差分模式，其基站GPS接收機(jī)一般在100 km范圍內(nèi)；GPS最小采樣間隔一般在1 s以內(nèi)。

（3）POS導(dǎo)航計(jì)算機(jī)是POS系統(tǒng)完成導(dǎo)航解算，輸出運(yùn)動(dòng)參數(shù)的主要部分，其電源系統(tǒng)應(yīng)滿足航攝作業(yè)期間無間斷供電，導(dǎo)航計(jì)算機(jī)能夠?qū)崟r(shí)記錄和存儲(chǔ)航攝作業(yè)所有IMU數(shù)據(jù)、GPS數(shù)據(jù)及其它必要數(shù)據(jù)。

（4）具有同步時(shí)間信號(hào)時(shí)標(biāo)輸入接口，能夠?qū)⒑綌z相機(jī)快門開啟脈沖（即曝光時(shí)刻）通過接口準(zhǔn)確的傳入POS系統(tǒng)，與POS系統(tǒng)進(jìn)行時(shí)間對(duì)準(zhǔn)，減小時(shí)間同步誤差的影響。

3.2 POS系統(tǒng)在航空攝影中的應(yīng)用方案對(duì)比分析

從POS系統(tǒng)組成可以知道，POS系統(tǒng)本質(zhì)上是航空攝影應(yīng)用中的高精度GPS/INS組合導(dǎo)航系統(tǒng)。但是它與導(dǎo)航中的GPS/INS組合系統(tǒng)又有所區(qū)別，GPS/INS組合系統(tǒng)主要用于航空、航天、海洋中的運(yùn)輸載體導(dǎo)航定位，它必須實(shí)時(shí)提供載體的定位信息，完成載體的航行任務(wù)；POS系統(tǒng)應(yīng)用航空攝影主要完成對(duì)地球表面的地形、地貌進(jìn)行攝影定位，因?yàn)橐欢螘r(shí)間內(nèi)該攝影地區(qū)的定位信息不會(huì)發(fā)生重大變化，因此可以在實(shí)時(shí)定位的基礎(chǔ)上，再對(duì)導(dǎo)航信息進(jìn)行一次離線事后處理，沒有時(shí)間的限制，綜合各方面的信息，能夠獲得比實(shí)時(shí)更好的定位精度。

因此針對(duì)POS系統(tǒng)輔助航空攝影應(yīng)用，目前主要由兩種應(yīng)用方案：實(shí)時(shí)融合與事后處理。實(shí)時(shí)融合是在航空攝影同時(shí)將IMU與DGPS進(jìn)行實(shí)時(shí)融合，對(duì)POS系統(tǒng)的器件要求比較高；事后處理是在航空攝影同時(shí)將IMU與DGPS數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，利用離線處理算法對(duì)保存數(shù)據(jù)進(jìn)行信息融合，因?yàn)闆]有時(shí)間的限制，可以采用一些耗時(shí)但精度較高的算法對(duì)其融合處理，能夠獲得較好的精度，其中POS系統(tǒng)兩種應(yīng)用方案的特點(diǎn)如下表1所示。因此，在POS系統(tǒng)的應(yīng)用和數(shù)據(jù)處理中，要根據(jù)POS系統(tǒng)在不同的應(yīng)用階段，設(shè)計(jì)不同的技術(shù)處理方案來完成POS系統(tǒng)輔助航空攝影的任務(wù)。

4 結(jié)語

本文首先對(duì)POS系統(tǒng)內(nèi)部?jī)蓚€(gè)最重要部分——慣性導(dǎo)航系統(tǒng)和GPS導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行了介紹，并對(duì)其各自的誤差進(jìn)行了分析，進(jìn)而針對(duì)POS系統(tǒng)輔助航空攝影應(yīng)用的兩種方案及特點(diǎn)進(jìn)行了分析，分別就實(shí)時(shí)處理與事后處理方案進(jìn)行了比較分析。

參考文獻(xiàn)

[1] 甘倬.GPS/SINS組合導(dǎo)航工程實(shí)現(xiàn)及應(yīng)用研究[J].科技資訊，2013（5）：15-18.

[2] 查巖.GPS/INS組合導(dǎo)航系統(tǒng)的平滑濾波應(yīng)用研究[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2013（6）：16-18.

GPS接收機(jī)設(shè)備的誤差主要是時(shí)鐘的誤差，其對(duì)GPS定位精度影響很大，假設(shè)普通接收機(jī)時(shí)鐘與衛(wèi)星時(shí)鐘同步時(shí)間差為1 s，由此引起的等效距離誤差可能達(dá)到上百米，當(dāng)定位精度要求較高時(shí)，應(yīng)該采用外接銣、氫等原子鐘來提高接收機(jī)時(shí)鐘精度。

綜上所述，影響GPS定位誤差的因素很多，利用差分GPS可以對(duì)衛(wèi)星時(shí)鐘和星歷誤差完全消除，對(duì)傳播造成的延遲誤差也能夠大部分消除，但是對(duì)于接收機(jī)相關(guān)的誤差則不能夠消除，但是這些誤差已經(jīng)幾乎很小，可以忽略不計(jì)。

2.3 航空攝影過程中POS系統(tǒng)內(nèi)部不同信息源的時(shí)間同步誤差

DGPS定位輸出頻率一般為1 Hz，而IMU數(shù)據(jù)的輸出頻率可以高達(dá)20～50 Hz，所以POS系統(tǒng)的輸出頻率與IMU數(shù)據(jù)輸出相同。機(jī)載POS系統(tǒng)航空攝影過程中，POS系統(tǒng)接收航攝相機(jī)的曝光脈沖并記錄該時(shí)刻jt，POS系統(tǒng)輸出時(shí)刻it與航攝相機(jī)的曝光時(shí)刻jt往往不同步，如下圖4所示。一般來說，飛機(jī)在航空攝影過程中是勻速飛行，POS系統(tǒng)采用線性內(nèi)插的方法得到導(dǎo)航參數(shù)。當(dāng)飛機(jī)勻速飛行時(shí)，這種內(nèi)插的方法是不會(huì)產(chǎn)生誤差的。但是實(shí)際過程中飛機(jī)不可能完全保持勻速，線性內(nèi)插必然帶來誤差，這種誤差稱為時(shí)間同步誤差。

航攝飛機(jī)的飛行速度一般為 100～200 m/s，由于在短時(shí)間內(nèi)，飛機(jī)速度不可能發(fā)生太大的變化，為了分析問題方便，假設(shè)線性內(nèi)插誤差POS系統(tǒng)輸出頻率的1%。那么對(duì)于飛行速度為150 m/s的航攝飛機(jī)和輸出頻率為50 Hz的POS系統(tǒng)，時(shí)間同步誤差約為0.3 cm。對(duì)于POS系統(tǒng)而言，這一數(shù)量級(jí)的誤差完全是可以忽略不計(jì)的。

3 POS系統(tǒng)在航空攝影中的應(yīng)用需求分析

在分析POS系統(tǒng)組成及其誤差分析的基礎(chǔ)上，有必要針對(duì)其應(yīng)用需求進(jìn)行研究分析。POS系統(tǒng)可以與多種航空攝影器材或航空傳感器集成相連，如ADS40航攝相機(jī)、光學(xué)相機(jī)、SWDC相機(jī)、機(jī)載激光雷達(dá)等，從而實(shí)現(xiàn)傳感器直接定向或輔助定向測(cè)量，如下圖5所示。不同的航攝相機(jī)對(duì)POS系統(tǒng)精度要求不一樣，但是針對(duì)它們對(duì)測(cè)量精度的共性要求研究，對(duì)POS系統(tǒng)應(yīng)用提出具體的技術(shù)要求是非常有必要的。

3.1 航空攝影對(duì)POS系統(tǒng)的應(yīng)用要求

無論是光學(xué)攝影成像、掃描成像還是雷達(dá)測(cè)距都對(duì)POS系統(tǒng)提出了非?？量痰木纫?。不僅要求POS系統(tǒng)在較短的成像周期內(nèi)具有很高的絕對(duì)精度和相對(duì)定位精度，同時(shí)某些成像載荷對(duì)姿態(tài)測(cè)量誤差更為敏感。

綜合前面對(duì)POS系統(tǒng)組成及其應(yīng)用需求的分析，對(duì)POS系統(tǒng)及其器件在應(yīng)用航空攝影提出以下幾點(diǎn)技術(shù)要求：

（1）IMU器件是POS系統(tǒng)測(cè)量姿態(tài)角的關(guān)鍵器件，一般來說，IMU測(cè)角中誤差精度要求：橫滾角和俯仰角誤差不得大于0.01 °，航向角誤差不得大于0.02 °，記錄頻率要高于50 Hz。所以目前只有精密級(jí)慣性器件（陀螺偏移小于0.001 °/h）符合要求。

（2）差分GPS接收機(jī)是POS系統(tǒng)高精度位置獲取的主要器件，機(jī)載GPS天線安裝在航空飛行載體外表面，必須保證其在高機(jī)動(dòng)情況下地正常工作；航空攝影數(shù)據(jù)需要厘米級(jí)的定位精度，故GPS接收機(jī)采用高精度動(dòng)態(tài)載波相位差分模式，其基站GPS接收機(jī)一般在100 km范圍內(nèi)；GPS最小采樣間隔一般在1 s以內(nèi)。

（3）POS導(dǎo)航計(jì)算機(jī)是POS系統(tǒng)完成導(dǎo)航解算，輸出運(yùn)動(dòng)參數(shù)的主要部分，其電源系統(tǒng)應(yīng)滿足航攝作業(yè)期間無間斷供電，導(dǎo)航計(jì)算機(jī)能夠?qū)崟r(shí)記錄和存儲(chǔ)航攝作業(yè)所有IMU數(shù)據(jù)、GPS數(shù)據(jù)及其它必要數(shù)據(jù)。

（4）具有同步時(shí)間信號(hào)時(shí)標(biāo)輸入接口，能夠?qū)⒑綌z相機(jī)快門開啟脈沖（即曝光時(shí)刻）通過接口準(zhǔn)確的傳入POS系統(tǒng)，與POS系統(tǒng)進(jìn)行時(shí)間對(duì)準(zhǔn)，減小時(shí)間同步誤差的影響。

3.2 POS系統(tǒng)在航空攝影中的應(yīng)用方案對(duì)比分析

從POS系統(tǒng)組成可以知道，POS系統(tǒng)本質(zhì)上是航空攝影應(yīng)用中的高精度GPS/INS組合導(dǎo)航系統(tǒng)。但是它與導(dǎo)航中的GPS/INS組合系統(tǒng)又有所區(qū)別，GPS/INS組合系統(tǒng)主要用于航空、航天、海洋中的運(yùn)輸載體導(dǎo)航定位，它必須實(shí)時(shí)提供載體的定位信息，完成載體的航行任務(wù)；POS系統(tǒng)應(yīng)用航空攝影主要完成對(duì)地球表面的地形、地貌進(jìn)行攝影定位，因?yàn)橐欢螘r(shí)間內(nèi)該攝影地區(qū)的定位信息不會(huì)發(fā)生重大變化，因此可以在實(shí)時(shí)定位的基礎(chǔ)上，再對(duì)導(dǎo)航信息進(jìn)行一次離線事后處理，沒有時(shí)間的限制，綜合各方面的信息，能夠獲得比實(shí)時(shí)更好的定位精度。

因此針對(duì)POS系統(tǒng)輔助航空攝影應(yīng)用，目前主要由兩種應(yīng)用方案：實(shí)時(shí)融合與事后處理。實(shí)時(shí)融合是在航空攝影同時(shí)將IMU與DGPS進(jìn)行實(shí)時(shí)融合，對(duì)POS系統(tǒng)的器件要求比較高；事后處理是在航空攝影同時(shí)將IMU與DGPS數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，利用離線處理算法對(duì)保存數(shù)據(jù)進(jìn)行信息融合，因?yàn)闆]有時(shí)間的限制，可以采用一些耗時(shí)但精度較高的算法對(duì)其融合處理，能夠獲得較好的精度，其中POS系統(tǒng)兩種應(yīng)用方案的特點(diǎn)如下表1所示。因此，在POS系統(tǒng)的應(yīng)用和數(shù)據(jù)處理中，要根據(jù)POS系統(tǒng)在不同的應(yīng)用階段，設(shè)計(jì)不同的技術(shù)處理方案來完成POS系統(tǒng)輔助航空攝影的任務(wù)。

4 結(jié)語

本文首先對(duì)POS系統(tǒng)內(nèi)部?jī)蓚€(gè)最重要部分——慣性導(dǎo)航系統(tǒng)和GPS導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行了介紹，并對(duì)其各自的誤差進(jìn)行了分析，進(jìn)而針對(duì)POS系統(tǒng)輔助航空攝影應(yīng)用的兩種方案及特點(diǎn)進(jìn)行了分析，分別就實(shí)時(shí)處理與事后處理方案進(jìn)行了比較分析。

參考文獻(xiàn)

[1] 甘倬.GPS/SINS組合導(dǎo)航工程實(shí)現(xiàn)及應(yīng)用研究[J].科技資訊，2013（5）：15-18.

[2] 查巖.GPS/INS組合導(dǎo)航系統(tǒng)的平滑濾波應(yīng)用研究[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2013（6）：16-18.

GPS接收機(jī)設(shè)備的誤差主要是時(shí)鐘的誤差，其對(duì)GPS定位精度影響很大，假設(shè)普通接收機(jī)時(shí)鐘與衛(wèi)星時(shí)鐘同步時(shí)間差為1 s，由此引起的等效距離誤差可能達(dá)到上百米，當(dāng)定位精度要求較高時(shí)，應(yīng)該采用外接銣、氫等原子鐘來提高接收機(jī)時(shí)鐘精度。

綜上所述，影響GPS定位誤差的因素很多，利用差分GPS可以對(duì)衛(wèi)星時(shí)鐘和星歷誤差完全消除，對(duì)傳播造成的延遲誤差也能夠大部分消除，但是對(duì)于接收機(jī)相關(guān)的誤差則不能夠消除，但是這些誤差已經(jīng)幾乎很小，可以忽略不計(jì)。

2.3 航空攝影過程中POS系統(tǒng)內(nèi)部不同信息源的時(shí)間同步誤差

DGPS定位輸出頻率一般為1 Hz，而IMU數(shù)據(jù)的輸出頻率可以高達(dá)20～50 Hz，所以POS系統(tǒng)的輸出頻率與IMU數(shù)據(jù)輸出相同。機(jī)載POS系統(tǒng)航空攝影過程中，POS系統(tǒng)接收航攝相機(jī)的曝光脈沖并記錄該時(shí)刻jt，POS系統(tǒng)輸出時(shí)刻it與航攝相機(jī)的曝光時(shí)刻jt往往不同步，如下圖4所示。一般來說，飛機(jī)在航空攝影過程中是勻速飛行，POS系統(tǒng)采用線性內(nèi)插的方法得到導(dǎo)航參數(shù)。當(dāng)飛機(jī)勻速飛行時(shí)，這種內(nèi)插的方法是不會(huì)產(chǎn)生誤差的。但是實(shí)際過程中飛機(jī)不可能完全保持勻速，線性內(nèi)插必然帶來誤差，這種誤差稱為時(shí)間同步誤差。

航攝飛機(jī)的飛行速度一般為 100～200 m/s，由于在短時(shí)間內(nèi)，飛機(jī)速度不可能發(fā)生太大的變化，為了分析問題方便，假設(shè)線性內(nèi)插誤差POS系統(tǒng)輸出頻率的1%。那么對(duì)于飛行速度為150 m/s的航攝飛機(jī)和輸出頻率為50 Hz的POS系統(tǒng)，時(shí)間同步誤差約為0.3 cm。對(duì)于POS系統(tǒng)而言，這一數(shù)量級(jí)的誤差完全是可以忽略不計(jì)的。

3 POS系統(tǒng)在航空攝影中的應(yīng)用需求分析

在分析POS系統(tǒng)組成及其誤差分析的基礎(chǔ)上，有必要針對(duì)其應(yīng)用需求進(jìn)行研究分析。POS系統(tǒng)可以與多種航空攝影器材或航空傳感器集成相連，如ADS40航攝相機(jī)、光學(xué)相機(jī)、SWDC相機(jī)、機(jī)載激光雷達(dá)等，從而實(shí)現(xiàn)傳感器直接定向或輔助定向測(cè)量，如下圖5所示。不同的航攝相機(jī)對(duì)POS系統(tǒng)精度要求不一樣，但是針對(duì)它們對(duì)測(cè)量精度的共性要求研究，對(duì)POS系統(tǒng)應(yīng)用提出具體的技術(shù)要求是非常有必要的。

3.1 航空攝影對(duì)POS系統(tǒng)的應(yīng)用要求

無論是光學(xué)攝影成像、掃描成像還是雷達(dá)測(cè)距都對(duì)POS系統(tǒng)提出了非常苛刻的精度要求。不僅要求POS系統(tǒng)在較短的成像周期內(nèi)具有很高的絕對(duì)精度和相對(duì)定位精度，同時(shí)某些成像載荷對(duì)姿態(tài)測(cè)量誤差更為敏感。

綜合前面對(duì)POS系統(tǒng)組成及其應(yīng)用需求的分析，對(duì)POS系統(tǒng)及其器件在應(yīng)用航空攝影提出以下幾點(diǎn)技術(shù)要求：

（1）IMU器件是POS系統(tǒng)測(cè)量姿態(tài)角的關(guān)鍵器件，一般來說，IMU測(cè)角中誤差精度要求：橫滾角和俯仰角誤差不得大于0.01 °，航向角誤差不得大于0.02 °，記錄頻率要高于50 Hz。所以目前只有精密級(jí)慣性器件（陀螺偏移小于0.001 °/h）符合要求。

（2）差分GPS接收機(jī)是POS系統(tǒng)高精度位置獲取的主要器件，機(jī)載GPS天線安裝在航空飛行載體外表面，必須保證其在高機(jī)動(dòng)情況下地正常工作；航空攝影數(shù)據(jù)需要厘米級(jí)的定位精度，故GPS接收機(jī)采用高精度動(dòng)態(tài)載波相位差分模式，其基站GPS接收機(jī)一般在100 km范圍內(nèi)；GPS最小采樣間隔一般在1 s以內(nèi)。

（3）POS導(dǎo)航計(jì)算機(jī)是POS系統(tǒng)完成導(dǎo)航解算，輸出運(yùn)動(dòng)參數(shù)的主要部分，其電源系統(tǒng)應(yīng)滿足航攝作業(yè)期間無間斷供電，導(dǎo)航計(jì)算機(jī)能夠?qū)崟r(shí)記錄和存儲(chǔ)航攝作業(yè)所有IMU數(shù)據(jù)、GPS數(shù)據(jù)及其它必要數(shù)據(jù)。

（4）具有同步時(shí)間信號(hào)時(shí)標(biāo)輸入接口，能夠?qū)⒑綌z相機(jī)快門開啟脈沖（即曝光時(shí)刻）通過接口準(zhǔn)確的傳入POS系統(tǒng)，與POS系統(tǒng)進(jìn)行時(shí)間對(duì)準(zhǔn)，減小時(shí)間同步誤差的影響。

3.2 POS系統(tǒng)在航空攝影中的應(yīng)用方案對(duì)比分析

從POS系統(tǒng)組成可以知道，POS系統(tǒng)本質(zhì)上是航空攝影應(yīng)用中的高精度GPS/INS組合導(dǎo)航系統(tǒng)。但是它與導(dǎo)航中的GPS/INS組合系統(tǒng)又有所區(qū)別，GPS/INS組合系統(tǒng)主要用于航空、航天、海洋中的運(yùn)輸載體導(dǎo)航定位，它必須實(shí)時(shí)提供載體的定位信息，完成載體的航行任務(wù)；POS系統(tǒng)應(yīng)用航空攝影主要完成對(duì)地球表面的地形、地貌進(jìn)行攝影定位，因?yàn)橐欢螘r(shí)間內(nèi)該攝影地區(qū)的定位信息不會(huì)發(fā)生重大變化，因此可以在實(shí)時(shí)定位的基礎(chǔ)上，再對(duì)導(dǎo)航信息進(jìn)行一次離線事后處理，沒有時(shí)間的限制，綜合各方面的信息，能夠獲得比實(shí)時(shí)更好的定位精度。

因此針對(duì)POS系統(tǒng)輔助航空攝影應(yīng)用，目前主要由兩種應(yīng)用方案：實(shí)時(shí)融合與事后處理。實(shí)時(shí)融合是在航空攝影同時(shí)將IMU與DGPS進(jìn)行實(shí)時(shí)融合，對(duì)POS系統(tǒng)的器件要求比較高；事后處理是在航空攝影同時(shí)將IMU與DGPS數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，利用離線處理算法對(duì)保存數(shù)據(jù)進(jìn)行信息融合，因?yàn)闆]有時(shí)間的限制，可以采用一些耗時(shí)但精度較高的算法對(duì)其融合處理，能夠獲得較好的精度，其中POS系統(tǒng)兩種應(yīng)用方案的特點(diǎn)如下表1所示。因此，在POS系統(tǒng)的應(yīng)用和數(shù)據(jù)處理中，要根據(jù)POS系統(tǒng)在不同的應(yīng)用階段，設(shè)計(jì)不同的技術(shù)處理方案來完成POS系統(tǒng)輔助航空攝影的任務(wù)。

4 結(jié)語

本文首先對(duì)POS系統(tǒng)內(nèi)部?jī)蓚€(gè)最重要部分——慣性導(dǎo)航系統(tǒng)和GPS導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行了介紹，并對(duì)其各自的誤差進(jìn)行了分析，進(jìn)而針對(duì)POS系統(tǒng)輔助航空攝影應(yīng)用的兩種方案及特點(diǎn)進(jìn)行了分析，分別就實(shí)時(shí)處理與事后處理方案進(jìn)行了比較分析。

參考文獻(xiàn)

[1] 甘倬.GPS/SINS組合導(dǎo)航工程實(shí)現(xiàn)及應(yīng)用研究[J].科技資訊，2013（5）：15-18.

[2] 查巖.GPS/INS組合導(dǎo)航系統(tǒng)的平滑濾波應(yīng)用研究[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2013（6）：16-18.