POS在航空摄影测量中的辅助应用探讨

李思

吉林省航测遥感院吉林长春130051

摘要：传统航空摄影测量都需要使用若干地面控制点并通过空三角测量加密工序来求解像片的外方位元素，但这就给野外航空摄影测量带来了很大障碍与困难。因此，航空摄影测量如何减少、甚至摆脱对地面控制点的依赖，将是航空摄影测量亟待解决的重要难题之一。POS，是集GPS技术与惯性导航技术为一体的机载系统，就可以很好的解决航空摄影测量脱离对地面控制点以及空三角测量加密工序依赖的需求。因此，本文基于笔者多年的工作经验，主要从POS构成及其工作原理、POS辅助航空摄影测量方法以及POS在航空摄影测量辅助应用中的误差这三个方面对POS在航空摄影测量中的辅助应用进行了分析与探讨。

关键词：POS；航空摄影测量；应用

一、引言

航空摄影测量是获取地理信息数据非常重要的技术手段，也是制作、更新地图的基本数据来源之一。传统航空摄影测量都需要使用若干地面控制点并通过空三角测量加密工序来求解像片的外方位元素[1]。这不仅会消耗大量的人力、财力以及物力，也会给野外航空摄影测量带来很大的障碍与困难。特别是在沙漠、大草原、戈壁、密林区等无法涉足或者难以进行地面控制的地区，要想获取地面控制点是非常困难的。因此，要想实现野外的航空摄影测量，只能减少野外控制点数量，进而导致航空摄影测量的精度不高。因此，航空摄影测量如何减少、甚至摆脱对地面控制点的依赖，将是航空摄影测量亟待解决的重要难题之一。POS，是集GPS技术与惯性导航技术为一体的机载系统，就可以很好的解决航空摄影测量脱离对地面控制点以及空三角测量加密工序依赖的需求。因此，本文基于笔者多年的工作经验，主要从POS组成、POS辅助航空摄影测量方法以及POS在航空摄影测量辅助应用中的误差这三个方面对POS在航空摄影测量中的辅助应用进行了分析与探讨，以期对POS在航空摄影测量中的辅助应用实践起到一点参考与借鉴价值，即本文的研究具有一定的现实意义。

二、POS构成及其工作原理

（一）POS构成

随着航空摄影测量技术以及惯性导航技术的发展，POS辅助航空摄影测量这一新方法也随之诞生。POS是集GPS技术与惯性导航技术于一体的机载系统，其由INS（惯性导航系统）、（差分全球定位系统）、POS计算机系统以及一套事后处理软件构成，如图1所示。

通过POS，DGPS可以提供位置参数，INS可以提供姿态参数，从而使得航空摄影测量获得外方位元素，无需通过地面控制点以及空三角测量加密工序，就可以直接定向测图，可以大大降低航空摄影测量的作业期以及成本，并在很大程度上提高航空摄影测量的生产效率。

（二）POS工作原理

（1）INS工作原理：INS是一个以牛顿力学定律为基础的惯性导航技术，通过加速度计与陀螺仪这两个载体并经过姿态矩阵计算、姿态角计算、导航算法等一系列积分运算就可以得到载体位置、载体速度等姿态信息，如图2所示。目前，发展比较成熟且成为主流配置的INS就是捷联惯性导航系统，应用捷联惯性导航系统的POS可以很好的和航空摄影相机进行集成与安装，内部器件的更新与维护也非常便利。但是，由于受到工作原理的限制，捷联惯性导航系统也存在一些不足，比如导航参数误差会随着时间发散，而且其长期稳定性并不好，其还需要高精度、稳定性较好的卫星导航系统加以校正。

（2）DGPS工作原理：DGPS是美国研制的卫星导航系统，其由地面监控、空间导航卫星以及用户接收机三部分组成，具有全天候、自动化、高精度、高效益、应用广、性能好等优点，可以实时提供三维的位置与速度以及GPS时间等信息[2]。DGPS的工作原理和无线电导航类似，采用的是单程测距原理。但是因为卫星钟与接收机钟无法严格保持同步，GPS实际的观测量并不是导航卫星到用户接收机天线间的实际距离，存在同步误差距离，即伪距，但是可以通过钟差参数进行修正。另外要想准确测定接收机钟差还是比较困难的，因此可以将接收机钟差当作一个未知量，和用户三维位置在数据处理中一起计算出，这就意味着在同一个位置上需要至少四个导航卫星进行同步观测。

（3）POS计算机与事后处理软件工作原理：在POS计算机系统以及事后处理软件中运行的INS/DGPS组合算法是POS的核心构成部分。其中POS计算机系统负责实现用户对POS的控制与操作，事后处理软件系统则负责对DGPS提供的位置数据以及INS提供的姿态数据进行计算处理。

三、POS辅助航空摄影测量的方法

POS在航空摄影测量中的辅助应用，发展至今主要有POS直接定向法与POS辅助空三角测量法这两种辅助应用方法[3]。以POS直接定向法为例，在航空摄影测制地图前最重要的工作就是定向，恢复影像曝光时刻的姿态与位置。定向工作的主要内容就是获取航空摄影的内方位元素与外方位元素以及影像曝光时刻的像主点坐标。一般而言，影像的内方位元素由实验室进行认定并标出，并将影像的内方位元素默认为已经确定参数，但是这一切的前提条件是要在航空摄影前对航空摄影仪进行检测与校验。航空摄影测量定向的重中之重是对影像曝光时刻的影像外方位元素进行高精度解算。

POS直接定向法是指在航空摄影时对通过POS获取的位置数据以及姿态数据等定位信息进行融合处理，直接解算出摄影曝光时刻航空摄影仪的姿态与位置参数，而且同一时刻高精度的中心点三维坐标和方位元素需要对系统误差进行消差与改正后得出，从而完全排除野外航空摄影测量地面控制点的作业过程，可以直接进行定向测图。

应用POS进行直接定位定向时，需要进行偏心分量与偏心角的测量[4]。航天摄影仪与IMU与GPS天线的投影中心相互错开，GPS相位中心与惯性导航单元中心的投影和航天摄影仪中心间的偏差即为偏心分量；惯性导航单元三轴坐标与航空摄影仪坐标轴间存在偏心角。如果在POS直接定向法中，忽略偏心分量与偏心角，就会导致影像外方位元素解算失真，最终导致航空摄影测量直接定向工作失败。另外，空三角测量加密与单片后方交比POS直接定向法的精度要高。因此，POS直接定向法只适用于小比例尺、测量环境恶劣以及精度要求低情况下的航空摄影测量。

四、POS在航空摄影测量中的辅助应用误差

POS在航空摄影测量中的应用也不是十全十美的，其也存在卫星导航系统误差、惯性导航系统误差、时间同步误差等，而且这些误差都会影响POS的性能。因此，要想在航空摄影测量中科学的应用POS，就必须分析这些误差。

（一）惯性导航系统误差

通过分析惯性导航系统的误差了解与确定对POS产生影响的误差因素，从而对惯性器件、特别是陀螺仪的精度提出要求。其次，分析惯性导航系统误差，也可以对POS的器件质量以及工作情况进行评价。基于惯性导导航系统误差的成因及性质，可以将惯性导航系统误差分为初始对准误差、IMU仪表误差、计算误差与运动干扰误差这三种类型。

（二）卫星导航系统误差

GPS凭借其较短观察时间以及高精度定位的优势，在测绘领域得到了非常广泛的应用。但是误差也是GPS天生的缺陷，并对其应用产生了一定限制。目前，卫星导航系统误差主要包括卫星时钟误差、卫星星历误差、电离层与对流层折射误差等三种类型。

（1）卫星时钟误差：GPS是通过测量卫星信号传播时间进行测量距离的，因此卫星时钟误差也会演变为所测距离误差。即使应用原子钟进行计时，也不能绝对稳定的保持各卫星时钟与地面站时钟完全同步，而是存在漂移现象。但地面接收机可以通过接受卫星导航电文中的时钟差参数对卫星时钟误差直接进行修正。

（2）卫星星历误差：所谓卫星星历误差是指GPS卫星星历提供的卫星空间位置和卫星实际位置之间的误差。通过地面监控站将星历数据注入GPS卫星，但是地面监控站对卫星测量的误差、卫星运动时的摄动因素等都会导致GPS卫星星历中存在误差，而且这种误差无法消除。

（3）电离层与对流层折射误差：GPS卫星要想发射电波达到地面接收机，必须穿过电离层和对流层才能达到GPS接收天线。但是电磁波在不同的传播介质中具有不同的传播特征，电磁波通过对流层以及电离层时都会发生折射现象，从而导致电离层与对流层折射误差的产生。针对电离层与对流层折射误差，可以建立电离层与对流层模型加以改正。

综上所述，卫星导航误差具有多种类型，应用DGPS可以完全消除卫星时钟误差与卫星星历误差，对电离层与对流层折射误差也可以消除很大一部分，但是无法消除接收机相关误差，不过接收机相关误差都是非常小的，完全可以忽略。

（三）时间同步误差

DGPS定位输出频率为1Hz，但是IMU数据的输出频率高达20Hz到50Hz，因此，POS的输出频率和IMU数据输出频率相同。POS在辅助航空摄影测量的过程中，POS接收航空摄影相机的曝光脉冲并且记录此时的时刻为jt，但是jt常常与POS输出时刻it不同步，如图3所示。

一般情况下，飞机在航空摄影过程中是匀速飞行的，POS应用线性内插的方法取得导航参数，且是不会有误差产生的[5]。但是飞机不可能在实际飞行过程中都是匀速飞行，这必然也会导致误差的产生，即所谓的时间同步误差。飞行速度在100m/s到200m/s的航空摄影飞机在较短飞行时间内，其飞行速度是不太可能发生较大变化的。因此，为了方便我们分析问题，假设线性内插误差POS输出频率的1%，那么对于飞行速度为150m/s的航空摄影飞机与50Hz输出频率的POS而言，其时间同步误差为0.3厘米，对于POS而言，0.3厘米的时间同步误差是完全可以忽略不计的。

五、总结

本文首先介绍了POS的构成与工作原理，然后对POS在航空摄影测量中的辅助应用方法进行了介绍，然后主要对POS在航天摄影测量中的辅助应用误差进行了分析。本文认为，POS可以有效降低航空摄影测量的成本以及提高生产效率。而且，笔者认为，随着计算机技术以及科学技术的不断发展与提高，一定可以不断提升惯性惯性导航系统、GPS器件的精度水平，POS的直接定位定向精度以及实时数据处理能力也会有质的提升，其在航空摄影测量领域中的应用作用也会越来越大，非常值得推广与应用。

参考文献：

[1]孔超，段福洲.地面检校场POS辅助航空摄影测量检校方法[J].测绘科学.2013（03）

[2]镇姣，王伟.POS辅助数码航摄直接定位精度分析[J].测绘与空间地理信息.2012（04）

[3]黄刚，关艳玲，任国庆，张艳亭.利用动力伞的POS辅助航空摄影测量试验分析[J].测绘科学.2013（04）

[4]韩晓慧.POS辅助航空摄影测量应用试验研究[J].科技资讯.2013（35）

[5]邓忠军，杨娜，关艳玲，姚继峰.国产POS直接地理定位精度分析[J].测绘科学.2012（03）