imudgps組合導(dǎo)航技術(shù)在航空攝影中的應(yīng)用

imudgps組合導(dǎo)航技術(shù)在航空攝影中的應(yīng)用

0imu/gps組合智能模式隨著全球定位技術(shù)和慣性導(dǎo)航技術(shù)的快速發(fā)展，新系統(tǒng)允許直接接收符合攝影精度要求的位置和方向參數(shù)，這為航空航天成像帶來(lái)了新的發(fā)展方向。由于IMU/GPS組合導(dǎo)航系統(tǒng)的總體性能明顯優(yōu)于各自獨(dú)立的系統(tǒng),因此,普遍認(rèn)為,IMU/GPS組合導(dǎo)航系統(tǒng)是今后進(jìn)行空中、海上和陸地導(dǎo)航和定位更為理想的系統(tǒng)。1995年,卡爾加里大學(xué)的Schwarz教授提出了應(yīng)用IMU/GPS集成技術(shù)解決攝影測(cè)量基本問(wèn)題的思路。目前,面向航空遙感領(lǐng)域的組合導(dǎo)航商業(yè)產(chǎn)品已經(jīng)推出,開展基于IMU/GPS技術(shù)的多傳感器集成、基于IMU/GPS組合導(dǎo)航數(shù)據(jù)的航空遙感對(duì)地目標(biāo)精確定位等方面的研究,是國(guó)際攝影測(cè)量界的一個(gè)研究熱點(diǎn)。1imu和gps組合智能模式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(InertialNavigationSystem,INS)和全球定位系統(tǒng)(GPS)廣泛應(yīng)用于航空、航天、航海和地面移動(dòng)載體的導(dǎo)航定位。它們都有各自的優(yōu)點(diǎn),同時(shí)亦具有自身的缺陷。INS的主要部件由陀螺、加速度計(jì)以及相關(guān)的輔助電路構(gòu)成,稱為慣性測(cè)量單元IMU(InertialMeasuringUnit)。IMU能夠不依賴外界信息,完全獨(dú)立自主地提供較高精度的導(dǎo)航參數(shù)(位置、速度、姿態(tài)等),具有抗電子干擾、大機(jī)動(dòng)飛行、隱蔽性好的特點(diǎn)。然而,IMU導(dǎo)航參數(shù)的誤差,尤其是位置誤差,隨時(shí)間而累積,不適合長(zhǎng)時(shí)間單獨(dú)導(dǎo)航。GPS則是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng),能夠在全球范圍內(nèi)進(jìn)行統(tǒng)一地理基準(zhǔn)的定位,它的明顯優(yōu)點(diǎn)是定位精度與時(shí)間無(wú)關(guān),可以全天候連續(xù)作業(yè),采用差分GPS技術(shù)(DGPS)可以進(jìn)一步提高定位精度。但是,GPS接收機(jī)的載體在做高動(dòng)態(tài)的運(yùn)動(dòng)時(shí),常使GPS接收機(jī)不易捕獲和跟蹤衛(wèi)星載波信號(hào),產(chǎn)生所謂“周跳”現(xiàn)象。顯然,INS和GPS具有優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的特點(diǎn),將兩者組成一個(gè)組合導(dǎo)航系統(tǒng),必定可以提高系統(tǒng)的整體導(dǎo)航精度和性能?，F(xiàn)代控制理論的成就,尤其是最優(yōu)估計(jì)理論的數(shù)據(jù)處理方法,為組合導(dǎo)航系統(tǒng)提供了理論基礎(chǔ)?？柭鼮V波器在組合導(dǎo)航系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)中有著卓有成效的應(yīng)用,其實(shí)質(zhì)為一種遞推線性最小方差估計(jì)方法。利用卡爾曼濾波器設(shè)計(jì)IMU/GPS組合導(dǎo)航系統(tǒng),主要有硬件組合和軟件組合兩種方法,兩種組合方法也可以混合應(yīng)用。1.1卡爾曼濾波進(jìn)行渠道估計(jì)和校正將GPS接收機(jī)嵌入到IMU中,構(gòu)成硬件一體化的組合導(dǎo)航系統(tǒng)。組合系統(tǒng)導(dǎo)航過(guò)程中,GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)和IMU導(dǎo)航參數(shù)經(jīng)時(shí)間同步后,進(jìn)行卡爾曼濾波,得到該狀態(tài)矢量的最優(yōu)估計(jì),并反饋回IMU,對(duì)IMU的陀螺漂移、加速度計(jì)的零漂和刻度因子誤差進(jìn)行校正。被校正后的IMU在一段時(shí)間內(nèi),即使GPS接收機(jī)對(duì)衛(wèi)星信號(hào)失鎖,IMU獨(dú)立輸出的導(dǎo)航參數(shù)仍能達(dá)到較高精度,此時(shí)純IMU輸出的導(dǎo)航參數(shù)可以用于預(yù)報(bào)GPS接收機(jī)天線的位置和速度,由此預(yù)報(bào)偽距及其變化率和頻率搜索窗口,從而提高GPS接收機(jī)捕獲衛(wèi)星信號(hào)的速度。1.2gps發(fā)射過(guò)程和IMU/GPS硬件一體化組合相比,軟件組合方法比較容易實(shí)施,應(yīng)用也比較普遍。軟件組合導(dǎo)航系統(tǒng)的工作模式是:在導(dǎo)航過(guò)程中,將GPS接收機(jī)的輸出信息和INS導(dǎo)航參數(shù)打上時(shí)間標(biāo)志并存儲(chǔ)起來(lái),由計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行實(shí)時(shí)或測(cè)量后處理。其處理過(guò)程是:首先進(jìn)行兩套數(shù)據(jù)的時(shí)間同步;然后利用卡爾曼濾波方法進(jìn)行最優(yōu)組合處理。GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)可以來(lái)自差分工作模式下的兩臺(tái)GPS接收機(jī),此時(shí)的導(dǎo)航系統(tǒng)也可以稱為IMU/DGPS導(dǎo)航系統(tǒng)。1.3gps組合應(yīng)用軟件IMU/DGPS組合導(dǎo)航系統(tǒng)的顯著優(yōu)點(diǎn)是可以應(yīng)用于高動(dòng)態(tài)環(huán)境,并提高系統(tǒng)的可靠性和導(dǎo)航精度。因此,IMU/DGPS組合導(dǎo)航系統(tǒng)在航空遙感領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。目前,面向航空遙感領(lǐng)域的IMU/DGPS組合導(dǎo)航系統(tǒng)主要有兩套:加拿大Applanix公司生產(chǎn)的ApplanixPOS/AV系統(tǒng)和德國(guó)IGI公司生產(chǎn)的AEROControlIID型系統(tǒng)。表1是兩套系統(tǒng)的性能比較表,可以看出,兩套系統(tǒng)定位定向的標(biāo)稱精度達(dá)到了相當(dāng)高的水平。2imu和dphs輔助航空成像技術(shù)2.1u/dgps組合IMU/DGPS組合導(dǎo)航系統(tǒng)由4個(gè)主要部分組成:IMU、雙頻低噪GPS接收機(jī)、控制中心和數(shù)據(jù)處理軟件。如圖1所示,將GPS天線安裝在飛機(jī)頂部,IMU固定安裝在航攝儀側(cè)面或上面。在假定三者之間具有相對(duì)固定空間位置關(guān)系的前提下,可以建立以下關(guān)系式[XAYAΖA]=[XSYSΖS]+R?[uvw](1)???XAYAZA???=???XSYSZS???+R????uvw???(1)式中,(XA,YA,ZA)和(XS,YS,ZS)分別是GPS天線相位中心和航攝儀投影中心在攝影測(cè)量坐標(biāo)系M-XYZ中的坐標(biāo);(u,v,w)是GPS天線相位中心在像空間輔助坐標(biāo)系中的坐標(biāo);R是航攝像片的3個(gè)姿態(tài)角φ、ω和κ所構(gòu)成的正交變換矩陣,它與IMU/DGPS組合導(dǎo)航系統(tǒng)測(cè)定的姿態(tài)參數(shù)(φI,ωI,κI)滿足以下關(guān)系式R=R(φΙ?ωΙ?κΙ)?ΔR(Δφ?Δω?Δκ)(2)R=R(φI?ωI?κI)?ΔR(Δφ?Δω?Δκ)(2)式中,(Δφ,Δω,Δκ)是IMU和航攝儀之間的角度偏差。實(shí)際工程中,系統(tǒng)集成安裝完成后,可以粗略量測(cè)(u,v,w)的近似值(u0,v0,w0),空間偏移(Δu,Δv,Δw)是客觀存在的,而IMU和航攝儀之間的角度偏差(Δφ,Δω,Δκ)不易直接量取,一般通過(guò)檢校場(chǎng)來(lái)對(duì)上述6個(gè)參數(shù)進(jìn)行檢校,或者作為未知量通過(guò)聯(lián)合平差解求。空間偏移(Δu,Δv,Δw)和角度偏差(Δφ,Δω,Δκ)確定后,集成系統(tǒng)之間的空間關(guān)系就建立起來(lái),從而可以根據(jù)IMU/DGPS聯(lián)合導(dǎo)航參數(shù),由公式(1)和(2)直接計(jì)算出像片的外方位元素。2.2imu-dggs輔助觀測(cè)值的應(yīng)用方法IMU/DGPS測(cè)定的定位定向參數(shù)在數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量中有以下兩種應(yīng)用方法。(1)直接地理定位將定位定向參數(shù)直接用于立體像對(duì)的前方交會(huì),以確定像點(diǎn)的地面坐標(biāo)達(dá)到測(cè)圖或制作正射影像的目的。(2)圖控制點(diǎn)的地面坐標(biāo)將定位定向參數(shù)引入到攝影測(cè)量區(qū)域網(wǎng)平差中,采用統(tǒng)一的數(shù)學(xué)模型和算法,以獲得精確的影像外方位元素和立體測(cè)圖控制點(diǎn)的地面坐標(biāo)。比較而言,第一種方法相對(duì)簡(jiǎn)單,測(cè)區(qū)內(nèi)無(wú)須地面控制點(diǎn),可以降低成本,提高作業(yè)效率,在野外作業(yè)困難地區(qū)有著廣泛的應(yīng)用前景,但其要進(jìn)行嚴(yán)格的系統(tǒng)參數(shù)檢校,以提高精度;第二種方法比較復(fù)雜,實(shí)質(zhì)為攝影測(cè)量區(qū)域網(wǎng)聯(lián)合平差,因?yàn)橐肓硕ㄎ欢ㄏ騾?shù),因此,利用少量的地面控制點(diǎn)即可獲得很高的定位精度。3gps系統(tǒng)誤差I(lǐng)MU/DGPS輔助航空遙感的主要誤差源有:①像片畸變;②地球曲率引起的誤差;③大氣折光差;④IMU/DGPS和航攝儀集成系統(tǒng)誤差;⑤IMU/DGPS系統(tǒng)的漂移誤差。其中,前3個(gè)誤差源不是IMU/DGPS輔助航空遙感所特有的,在傳統(tǒng)攝影測(cè)量學(xué)中已經(jīng)建立了嚴(yán)密改正模型和經(jīng)驗(yàn)公式;后兩個(gè)誤差源是采用直接地理定位方法必須首先解決的問(wèn)題。如圖2所示,一般是通過(guò)檢校場(chǎng)確定集成系統(tǒng)誤差參數(shù)和IMU/DGPS系統(tǒng)的漂移誤差參數(shù),并用來(lái)改正整個(gè)測(cè)區(qū)的觀測(cè)結(jié)果。3.1imu/dgps組合2組合智能模式通過(guò)傳統(tǒng)空三或聯(lián)合平差方法解算檢校場(chǎng)航片的外方位元素,將其視為真值,和IMU/DGPS組合導(dǎo)航系統(tǒng)獲取的航片外方位元素進(jìn)行比較,利用IMU/DGPS組合導(dǎo)航系統(tǒng)和航攝儀的空間位置關(guān)系,直接計(jì)算系統(tǒng)誤差參數(shù),這是常規(guī)檢校法的基本思路。IMU/DGPS組合導(dǎo)航系統(tǒng)和航攝儀的空間位置關(guān)系可以用公式(1)和(2)表達(dá)?？紤]組合導(dǎo)航系統(tǒng)的漂移誤差[XAYAΖA]=[XA0YA0ΖA0]+n∑i=0[aibici]?ti(3)[φΙωΙκΙ]=[φΙ0ωΙ0κΙ0]+n∑i=0[αiβiηi]?ti(4)在較短的航攝飛行中,可以認(rèn)為漂移誤差與航攝時(shí)間t成線性比例關(guān)系,即(3)和(4)式中只考慮常數(shù)項(xiàng)和一次項(xiàng)。常規(guī)檢校算法步驟:(1)聯(lián)立公式(2)和(4),按照最小二乘的原理計(jì)算3個(gè)偏心角參數(shù)和姿態(tài)角的漂移誤差參數(shù);(2)聯(lián)立公式(1)和(3),并利用第(1)步求出的參數(shù),按照最小二乘的原理計(jì)算3個(gè)空間偏移參數(shù)和漂移誤差參數(shù)。3.2空間誤差模型常規(guī)檢校方法簡(jiǎn)單實(shí)用,但是傳統(tǒng)空三或聯(lián)合平差方法解算的航片外方位元素是存在誤差的,將其視為真值顯然不夠嚴(yán)密。嚴(yán)密檢校法是利用共線條件方程,建立像點(diǎn)坐標(biāo)和地物點(diǎn)攝影測(cè)量坐標(biāo)之間的空間關(guān)系,即[XYΖ]=[XSYSΖS]+λ?R?[xy-f](5)將公式(1)～(4)代入式(5),即可建立像點(diǎn)坐標(biāo)、地物點(diǎn)坐標(biāo)、IMU/DGPS導(dǎo)航參數(shù)、集成系統(tǒng)誤差和漂移誤差參數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系式。對(duì)該關(guān)系式進(jìn)行線性化,以像點(diǎn)坐標(biāo)為觀測(cè)值,以空間偏移、角度偏差和漂移誤差參數(shù)為未知量,建立誤差方程,根據(jù)最小二乘平差的原理,解算集成系統(tǒng)誤差和漂移誤差參數(shù)。更嚴(yán)密的檢校方法應(yīng)該考慮地球曲率和大氣折光差的改正,并計(jì)算膠片畸變參數(shù)。4檢校場(chǎng)飛行測(cè)試IMU/DGPS和航攝儀集成系統(tǒng)的檢校是直接地理定位的關(guān)鍵問(wèn)題。為了研究系統(tǒng)誤差的大小及其檢校方法,2004年7月在甘肅酒泉開展了IMU/DGPS輔助航空遙感數(shù)據(jù)獲取試驗(yàn)。本次試驗(yàn)采用的IMU/DGPS組合導(dǎo)航系統(tǒng)是德國(guó)IGI公司的AEROControl-IID系統(tǒng),在獎(jiǎng)狀飛機(jī)上和RMKTOP15型航攝儀進(jìn)行集成安裝。對(duì)試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行了1︰25000黑白航空攝影。測(cè)區(qū)及其附近范圍布設(shè)3個(gè)地面基站,分別架設(shè)一臺(tái)AshtechZ-X型雙頻GPS接收機(jī),以采樣間隔為1s的頻率進(jìn)行同步觀測(cè)。試驗(yàn)區(qū)位于河西走廊西端,以戈壁、沙漠地形為主。測(cè)區(qū)內(nèi)共敷設(shè)7條航線,每條航線29張航片,航向重疊60%,旁向重疊32%。其中,7月3日(0703)對(duì)檢校場(chǎng)進(jìn)行了試驗(yàn)飛行,7月9日(0709)以不同飛行方案重復(fù)飛行了檢校場(chǎng)。檢校場(chǎng)位于測(cè)區(qū)內(nèi),飛行高度和整個(gè)測(cè)區(qū)一致。兩架次檢校場(chǎng)飛行示意如圖3、4所示。在數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量軟件VirtuoZoAAT下,對(duì)以上3個(gè)檢校場(chǎng)開展空中三角測(cè)量,得到像片外方位元素L,將其和IMU/DGPS組合導(dǎo)航系統(tǒng)獲取的外方位元素L′進(jìn)行比較,求偏差Δ=L-L′,結(jié)果見(jiàn)圖5、圖6。圖中空間偏移的單位為m,姿態(tài)偏差的單位為度。結(jié)合圖3、4,從圖5、6中可以得出以下結(jié)論:(1)POS系統(tǒng)空間位置的觀測(cè)誤差受集成系統(tǒng)誤差、漂移誤差和偶然誤差的綜合影響,其中,系統(tǒng)誤差占主導(dǎo)地位。系統(tǒng)誤差主要由集成系統(tǒng)的偏心分量和POS系統(tǒng)本身的觀測(cè)誤差構(gòu)成,這一點(diǎn)在Z方向上的觀測(cè)誤差表現(xiàn)較為明顯。本次試驗(yàn)量測(cè)的Z方向的偏心分量為1.782m,而Z方向的觀測(cè)誤差在2m附近抖動(dòng)。(2)POS系統(tǒng)的觀測(cè)誤差不僅表現(xiàn)為較強(qiáng)的系統(tǒng)性,同時(shí)具有明顯的規(guī)律性,尤其是姿態(tài)參數(shù)。從圖6可以看出,西向東的航線Δφ為正值,東向西的航線Δφ則為負(fù)值,而Δω則正好相反。像片旋角Δκ則比較穩(wěn)定,不隨航向改變符號(hào)。(3)從上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)看,觀測(cè)誤差和時(shí)間的線性相關(guān)系數(shù)很小,尤其姿態(tài)參數(shù),空間位置參數(shù)最大的漂移誤差速率是3mm/s。對(duì)于較長(zhǎng)的航線,漂移誤差的影響不容忽視。(4)圖5(左和右)為同一檢校場(chǎng)不同飛行架次的結(jié)果,兩者之間存在一定差異,所以系統(tǒng)的穩(wěn)定性是值得注意的問(wèn)題。(5)圖7、8是考慮漂移誤差,利用常規(guī)檢校法對(duì)上述數(shù)據(jù)進(jìn)行檢校,并利用檢校結(jié)果消除集成系統(tǒng)誤差和漂移誤差后的結(jié)果。檢校后空間偏移基本控制在0.4m以內(nèi),而姿態(tài)偏差基本控制在0.0286°以內(nèi),且主要以隨機(jī)誤差的形式分布。因此,常規(guī)檢校法可以有效地對(duì)IM