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        基于同步POS、航攝儀的無人機光束法平差方法的研究

        2019-12-10 09:33:32姚睿趙峻天
        科技創(chuàng)新導報 2019年21期

        姚睿 趙峻天

        摘 ? 要:因GPS、IMU、航攝儀時間異步,導致POS輔助無人機航空攝影測量的實際精度比理論值低,現(xiàn)考慮到GPS、IMU、航攝儀三者時間異步問題,得到基于GPS、IMU、航攝儀時間同步的光束法平差數(shù)學模型,并對復雜地區(qū)的383張無人機序列影像采用7種不同的方案進行空三加密以驗證其可靠性,結(jié)果表明:該光束法平差方法能顯著的提高空三加密精度。

        關(guān)鍵詞:航空攝影測量 ?POS輔助光束法平差 ?時間同步 ?復雜地形

        中圖分類號:P207.2 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼:A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號:1674-098X(2019)07(c)-0064-02

        輕小型無人機,一般只有導航POS系統(tǒng),并無時間同步裝置,即便有也未能消除不同步誤差[1]。盡管機載GPS接收機具有比較準確的秒脈沖輸出功能,而且POS系統(tǒng)能夠根據(jù)GPS的每秒脈沖輸出作為時間基準信號,按照設(shè)定的時間來修正整個導航系統(tǒng)的時間同步。但實際整秒脈沖發(fā)送出的GPS數(shù)據(jù)、IMU測得的數(shù)據(jù)與航攝相機曝光時間仍不能保持嚴格同步[2]。因此,會導致POS系統(tǒng)中GPS、IMU記錄數(shù)據(jù)時間均與航攝儀曝光時間不同步。然而,在POS輔助空中三角測量中,需要知道同一時刻航攝儀曝光點的坐標及影像姿態(tài),因此研究基于時間同步的POS輔助空中三角測量對于提高空三精度,對于進一步推廣無人機測圖技術(shù)在高精度測圖中的應用有重大的現(xiàn)實意義。

        1 ?基于時間同步的POS輔助光束法區(qū)域網(wǎng)平差模型

        圖1為POS與傳感器集成關(guān)系示意圖。GPS天線相位中心、IMU幾何中心以及傳感器投影中心存在矢量偏差;在航空攝影測量中,我們需要知道航攝儀曝光時刻投影中心瞬時坐標及影像的瞬時姿態(tài),而GPS記錄坐標的時間要早于曝光時刻的時間,IMU記錄姿態(tài)的時間也早于曝光時刻的時間。在進行定位時,這些誤差必須加以補償[3]。

        在地面坐標系P-XYZ中,設(shè)GPS天線相位中心坐標為(XG,YG,ZG);投影中心S坐標為(XS,YS,ZS);地面點A坐標為(XA,YA,ZA);GPS相位中心到IMU中心偏移矢量為(u1,v1,w1);GPS相位中心到投影中心S偏移矢量為(u,v, w);IMU與P-XYZ坐標系之間的旋轉(zhuǎn)矩陣為RIM(?,θ,ψ),其中?,θ,ψ為IMU獲取IMU的姿態(tài)參數(shù);IMU與傳感器坐標系之間旋轉(zhuǎn)偏角構(gòu)成的旋轉(zhuǎn)矩陣為RSI(ex,ey,ez),其中ex,ey,ez為IMU坐標系與像空間輔助坐標系之間的偏差;像空間坐標系與P-XYZ坐標系之間的旋轉(zhuǎn)矩陣為R(φ,ω,κ),其中φ,ω,κ為航攝像片的3個角元素?,F(xiàn)以曝光時刻為時間基準,設(shè)GPS記錄坐標的時間早曝光時刻t1s,IMU記錄姿態(tài)的時間早曝光時刻t2s。由于GPS接收到飛控信號的時刻與航攝儀曝光時刻之間的時間差很小,故在這個很小的時間差中,飛機的運行可看作勻速直線運動??紤]到航攝儀曝光時間、GPS記錄時間不同步問題,為了消除時間差引起的誤差,可知曝光時刻GPS記錄的坐標與GPS接收到飛控系統(tǒng)的信號開始記錄的坐標之間存在如下關(guān)系:

        2 ?實驗方案設(shè)計及精度分析

        現(xiàn)對甘肅省西和縣洛峪鎮(zhèn)、大橋鄉(xiāng)進行無人機航拍,搭載相機為CanonEOS5DS,選取同一架次8條航帶,共383張序列影像作為實驗數(shù)據(jù),試驗區(qū)內(nèi)地形起伏較大,其面積為28.087km2,實驗區(qū)內(nèi)最小高程為840.5m,最大高程為1570.2m,實驗區(qū)共布設(shè)像控點12個。

        2.1 實驗方案設(shè)計

        為了證明本文提到的基于POS、航攝儀時間同步的無人機光束法平差法的可行性,現(xiàn)采用7種方案進行比較分析,具體方案如下。

        方案1:采用經(jīng)典光束法區(qū)域網(wǎng)平差法,實驗區(qū)四角各布設(shè)一個像控點,中心位置布設(shè)一個控制點,其余7個點作為檢查點。方案2:采用傳統(tǒng)POS輔助光束法平差法,實驗區(qū)四角各布設(shè)一個像控點,其余8個點作為檢查點。方案3:采用本文提出的基于POS、航攝儀時間同步的光束法平差法,像控點布設(shè)方案與方案2相同。方案4:采用傳統(tǒng)POS輔助光束法平差法,像控點布設(shè)方案與方案1相同。方案5:采用本文提出的基于POS、航攝儀時間同步的無人機光束法平差法,像控點布設(shè)方案與方案4相同。方案6:采用經(jīng)典光束法區(qū)域網(wǎng)平差法,實驗區(qū)四角各布設(shè)一個像控點,內(nèi)部均勻布設(shè)3個控制點,其余5個點作為檢查點。方案7:采用傳統(tǒng)POS輔助光束法平差法,像控點布設(shè)方案與方案6相同。

        2.2 實驗精度分析

        此次實驗共采用經(jīng)典光束法,傳統(tǒng)POS輔助光束法,基于POS、航攝儀時間同步的無人機光束法區(qū)域網(wǎng)3種平差法以及7種像控點布設(shè)方案對實驗區(qū)進行空中三角測量,各方案檢查點的精度統(tǒng)計如表1所示。

        從實驗結(jié)果可知:在相同的像控點布設(shè)方案下,基于POS、航攝儀時間同步的無人機光束法平差法的精度高于傳統(tǒng)POS輔助無人機光束法平差法的精度,傳統(tǒng)POS輔助無人機光束法平差法的精度高于經(jīng)典光速法平差法的精度;在本文提出的平差方法中,選用5個像控點的空三精度均高于經(jīng)典光速法平差和傳統(tǒng)POS輔助光束法平差中選用7個像控點的空三精度,且平面精度、高程精度均高于1cm;從方案3、5可知,在地形復雜的測區(qū),選用本文提出的平差法,在測區(qū)四角布設(shè)像控點的同時,在測區(qū)中心附近再布設(shè)一個像控點,則空三精度有明顯的提升。

        3 ?結(jié)語

        本文針對無人機攝影測量GPS、IMU、航攝儀三者時間異步問題,以航攝儀曝光時間為基準,推導出一種基于GPS、IMU、航攝儀時間同步的無人機光束法聯(lián)合平差模型,其解算精度在傳統(tǒng)POS輔助光束法區(qū)域網(wǎng)平差方法的基礎(chǔ)上有了較大提高,這為因地形高差起伏過大且不便布設(shè)像控點的復雜地區(qū)的航空攝影測量提供了很大的幫助。

        參考文獻

        [1] 石平,張文安.IMU/GPS 輔助航空攝影測量技術(shù)方法應用研究——以貴陽市航空攝影測量項目為例[J].測繪通報,2016(1):88-90,94.

        [2] 劉帥,孫付平,陳坡,等.GPS/INS組合導航系統(tǒng)時間同步方法綜述[J].全球定位系統(tǒng),2012,37(1):53-57.

        [3] 李學友.IMU/DGPS輔助航空攝影測量綜述[J].測繪科學,2005,30(5):110-113.

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