向必銀

貴州省地礦局測繪院，貴州貴陽 550018

1 差分GNSS原理

目前機載差分GNSS工作原理為，地面上設置固定GNSS接收機接收衛(wèi)星信號，飛機上也搭載GNSS信號接收機，一般機載GNSS記錄頻率較高（目前多數(shù)是5～20Hz），機載GNSS記錄固定時刻衛(wèi)星信號，同時精確記錄相機曝光時刻時間，飛行結(jié)束后將機載GNSS信號與地面站GNSS做差分解算，解算出機載GNSS固定頻率時刻的坐標，然后以時間為變量建立線性模型（x,y,z）=f(t)，將相機曝光時刻時間（t）作為變量輸入該模型，解算出相機曝光時刻坐標(xt,yt,zt)，將該數(shù)值作為相片的三個線元素用于輔助空三。由此可見，相機曝光時刻坐標是通過時間為線索內(nèi)插計算得到的，不是直接觀測值，誤差渠道較多，不利于控制，又沒有多余的觀測值來檢核，系統(tǒng)穩(wěn)健性較差，當出現(xiàn)“丟星”現(xiàn)象時，則直接無法解算。但可以通過在飛機起飛前后，在地面上用機載GNSS標記點位，然后用RTK等儀器測出該標記點位坐標，用以檢測空中飛行時機載GNSS數(shù)據(jù)的質(zhì)量.機載差分工作流程圖。

圖1 機載差分工作流程圖

2 P8機載差分設備簡介

在滿足測圖精度前提下減少像控點數(shù)量，本文選擇武漢蒼穹電子生產(chǎn)的輕巧型、高性能、高精度的GNSS接收機—蒼穹機載航空GNSS(P8)。它采用高精度GNSS OEM主板，具有高達20Hz的采樣頻率，可以跟蹤觀測BDS、GPS、GLONASS衛(wèi)星信號。同時可根據(jù)無人機機型及載重情況，分別搭配高性能航空陶瓷天線、高性能航空螺旋天線（僅重140g/18g），滿足各種機型航測需求。通過配套處理軟件KGO進行解算，使之更好地實現(xiàn)了厘米級動態(tài)差分定位和動態(tài)精密單點定位。無人機航測通過搭載蒼穹數(shù)碼P8設備提供的高精度差分定位結(jié)果可以輔助空三加密快速生產(chǎn)4D產(chǎn)品，采用三維建模手段可以迅速生產(chǎn)出高清影像、三維地表模型等資料，使得工作決策科學、精準。同時P8/KGO與空三軟件配套工作，是針對GNSS輔助空中三角測量，可以減少地面像控點數(shù)量，提高作業(yè)效率，降低生產(chǎn)成本。P8目前可支持多種空三軟件，同時適用于多個品牌的無人機。

3 差分GNSS系統(tǒng)在貴州山區(qū)航測應用

2016年上半年，P8機載設備在貴州某測區(qū)進行測試，測區(qū)21km2，設計飛行分辨率0.1m，影像899張，獲取的原始影像數(shù)據(jù)信息豐富，照片色彩基本一致。顏色飽和度逼真，反差適中，紋理清晰。差分數(shù)據(jù)經(jīng)過KGO差分解算，固定解率達到98.07%，數(shù)據(jù)質(zhì)量極佳。

按照全野外控制點無差分、少量控制點+輔助GNSS差分輔助空三平差結(jié)果進行對比分析，測試結(jié)果見表1。

表1 測試結(jié)果對比

從上表不難看出，全野外26個像控點布控平面精度0.251m、高程點位中誤差0.082m，符合測圖標準。當野外控制點數(shù)減少到5個，有差分GNSS輔助時，其余21點作為檢查點，滿足基本的像控點布設要求，平面點位中誤差0.388m，高程中誤差為0.423m，滿足規(guī)范要求。

通過參考《低空數(shù)字航空攝影測量內(nèi)業(yè)規(guī)范》，本次測試獲得的技術結(jié)論如下：

（1）差分全野外26個控制點平差結(jié)果中，加密點位中誤差在0.2米左右，高程誤差在0.2m左右，符合國家規(guī)范要求。

（2）利用GNSS輔助空三平差，即P8設備，選取其中5個點作為控制點，其余21個點作為檢查點，其檢核點按照地物點誤差精度進行統(tǒng)計，平面以及高程中誤差均在0.4m左右，滿足國家規(guī)范要求(注：高程誤差較大點基本是房角點)，并且減少了80.07%的像控點。

針對GNSS輔助空中三角測量，P8/KGO與空三軟件配套形成了一套無人機高精度定位解決方案，它可以減少地面像控點數(shù)量80%以上，大幅提高作業(yè)效率，降低生產(chǎn)成本。由此得出，差分數(shù)據(jù)在保證輸出成果精度達標前提下能減少空三對像控點數(shù)量上的依賴。

4 差分GNSS系統(tǒng)+構(gòu)架航線優(yōu)化航線設計

如果在航線兩端布設構(gòu)架航線，精度會進一步提高。為了驗證構(gòu)架航線對無人機差分GNSS輔助空三能在1∶1000大比例尺地形測繪中對提高精度有幫助，本文選擇如下測區(qū)測試。

測試區(qū)位于貴州某縣，測區(qū)面積約27km2，影像1421張，航向重疊80%，旁向重疊51%,地面分辨率0.1m，航攝時間于2016年下半年，搭載佳能5D Mark Ⅲ相機和蒼穹P8設備，地面基站為P8配套設備，共20條航帶其中構(gòu)架航線2條，航帶東西向長約5.5km，測區(qū)南北寬5km，無人機航跡見圖2。

圖2 無人飛行器航跡圖

數(shù)據(jù)處理方面，GNSS定位解算采用蒼穹公司高精度GNSS差分后處理軟件KGO；空三軟件使用inpho7.0數(shù)字攝影測量系統(tǒng)，支持無人機影像相機自檢校及高精度GPS輔助空三解算；精度檢查采用航天遠景MapMatrix4.1軟件。

4.1 像控布點及空三加密

采用inpho7.0軟件，結(jié)合P8差分設備和構(gòu)架航線構(gòu)成強度較高的像點網(wǎng)，本次測試中，僅在測區(qū)四角布設了4個平高地面控制點。

4.2 精度驗證

MapMatrix軟件 在導入inpho7.0軟件加密成果后，自動構(gòu)建立體模型，在立體環(huán)境下人工讀取檢查點三維坐標，并與對應的7個野外實測檢查點對比。檢查點誤差見表2。

表2 檢查點誤差單位（m）

從上表可知，檢查點的平面位置中誤差為0.163m、高程中誤差為0.097m。7個檢查點的平面位置誤差均小于0.25m，高程誤差均小于0.15m。平差結(jié)果明顯好于我國現(xiàn)行數(shù)字航空攝影測量規(guī)范對1∶1000地形測圖航測內(nèi)業(yè)加密檢查點的平面位置中誤差≤0.50m、高程中誤差≤0.28m的要求。

（1）在27km2測區(qū)，使用差分GNSS設備空三采用“構(gòu)架航線+測區(qū)四角平高控制點”的控制方案，區(qū)域四角4個平高控制點進行加密，加密結(jié)果利用檢查點檢查后完全滿足平地1∶1000地形測圖航測加密的精度要求。

（2）如果采用常規(guī)密周邊布點光束法區(qū)域網(wǎng)平差加密方法，測試區(qū)要達到1∶1000地形測圖規(guī)范要求，區(qū)域網(wǎng)周邊需要每隔4條基線布設1個平高地面控制點、區(qū)域網(wǎng)內(nèi)部需要每隔4條基線布設1個高程地面控制點，約需設置80個平面控制點和390個高程控制點，而采用差分GNSS+構(gòu)架航線輔助空三技術后，僅需要區(qū)域四角4個平高地面控制點，與密周邊布點的光束法區(qū)域網(wǎng)平差相比，GNSS輔助光束法區(qū)域網(wǎng)平差的平面控制點減少了95.0%、高程控制點減少了99.0%。

（3）差分GNSS輔助無人機空三能夠在滿足1∶1000地形測圖精度的條件下，減少工作量，縮短了工作周期，降低了生產(chǎn)成本，其推廣應用價值是十分巨大的。

5 結(jié)語

GNSS輔助空三可以大量減少地面控制點,而且?guī)У孛婵刂频腉NSS輔助光束法區(qū)域網(wǎng)平差精度能夠滿足1∶1000地形圖生產(chǎn)。無論平地區(qū)域還是丘陵地、 山地區(qū)域,采用GNSS輔助光束法區(qū)域網(wǎng)平差,精度達能到自檢校光束法區(qū)域網(wǎng)平差的精度。

GNSS輔助空三已經(jīng)成為一種極為實用、經(jīng)濟的攝影測量加密方法,其在測繪生產(chǎn)中的應用已經(jīng)逐漸改變了航空攝影測量一貫遵循的“航空攝影—外業(yè)控制聯(lián)測—內(nèi)業(yè)測圖”的長周期作業(yè)模式。它在縮短航測成圖周期、節(jié)省外業(yè)控制工作量、減輕勞動強度等方面已經(jīng)創(chuàng)造出了巨大的經(jīng)濟和社會效益。

[1] 張麗麗.事后差分技術在大地鷹無人機航測空三中的應用分析[J].測繪技術裝備，2017，19（2）：11-4.

[2] 陳興杰.IMU/DGPS無人機系統(tǒng)集成及數(shù)據(jù)處理精度研究[J].礦山測量，2017，45（2）：48-51.

[5] CH/Z 3003—2010，低空數(shù)字航空攝影測量內(nèi)業(yè)規(guī)范[S].

[6] CH/T 3006—2011，數(shù)字航空攝影測量控制測量規(guī)范[S].