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路人甲
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POS系统在无人机航空摄影中的应用

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更多 发布于:2018-08-10 14:55
随着计算机和通信技术的发展,人们对无人机航空摄影定位定向的精度提出了更高的要求,将POS系统定位定向技术应用于无人机航空摄影中,能够得到载体实时性强、准确度高的位置和姿态信息。本文首先对POS系统的硬件组成进行了相关介绍,然后对POS系统在无人机进行航拍过程中的定位定向原理进行了分析,最后针对目前POS系统在航空摄影中的实际应用。
1 POS 系统硬件及各部分功能介绍
POS系统的硬件组成主要包含计算机控制系统、惯性测量单元IMU,以及GPS接收机。GPS接收机可以提供距离与波段等数据信息,当观测到4颗卫星以上时,采用载波相位差分动态定位技术,将地面基准站和机载GPS的相位信息进行处理,最后得到机载GPS的空间位置信息;惯性测量单元IMU附着在传感器的中心,它由数字化电路、陀螺仪、加速度计以及进行温度补偿与信号调解的处理器组成,IMU用于获取其相对地面的速度、位置和姿态数据,为了减小测量数据的误差,IMU通常需要保证其体积足够小,重量足够轻;计算机控制系统给传感器提供采样时间标识,它和GPS接收机、惯性测量单元IMU以及传感器协同工作,可以在无人机进行航拍的时刻,同时获取位置和空间姿态数据。
2 POS 系统测量原理
2.1 GPS测量原理
差分GPS定位技术(DGPS)主要分为伪距差分和载波相位差分两大类,它是一种新发展起来的GPS 定位技术,能够对GPS进行更加准确地定位,如图1所示,DGPS原理主要是通过将多台安置在地面基准站上的GPS接收机,与无人机上的GPS接收机进行同步观测,通过量测地面基准站的坐标,从而计算得到基准站与卫星之间的距离改正数,机载GPS则以地面基准站实时发送出去的距离改正数作为参考,然后对自身的定位结果进行改正,以此提高定位精度。
1 DGPS的原理

2.2 IMU 测量原理
惯性导航系统是利用加速度计和陀螺等惯性元件测量目标载体运动中的角速度和加速度,再通过积分运算即可得到目标载体的速度和位置信息。它的实现原理是在IMU内部安置一个稳定平台,以平台为参考水平面,建立一个分别指向东、北、天三个方向的直角坐标系,在各坐标轴上安装加速度计,然后对目标载体运动过程中沿三个轴的加速度分量进行积分,即可得到相对应的速度分量:
                                    1)

图片:公式1.png


式中,为目标载体在运动过程中初始时刻的速度向量,t时刻的加速度,然后对(1)式中的三个坐标轴方向的速度分量进行积分,即可得到目标载体在t 时刻的瞬时位置向量为:
                                   2)

图片:公式2.png


式(2)中, 表示在目标载体在初始时刻 的位置向量。
2.3 GPS/IMU 组合系统测量原理
GPS可以全天候地提供目标载体精确的时间、速度以及位置等信息,并且它的误差不会随着时间的积累而增加,但是GPS严在动态环境中的性能表现较差,并且可靠性会因为外界环境和无线电等因素的干扰而降低,因而极易产生周跳和失锁等系列问题;而惯性导航系统不受气候、地点等外部因素的影响,也不会产生信号丢失的问题,但是容易因为时间的累积而增大导航误差。所以将GPS和惯性导航系统组合起来,可以利用二者各自的优势和劣势达到取长补短的效果,GPS有较高的定位精度,并且在长时间内也能保持较好的稳定性,因此采用GPS不仅可以弥补惯导系统容易产生累计误差这一缺点,还可以用来校正惯性导航系统提供的速度和位置等误差参数,而惯性导航系统又可以向GPS提供相关初始速度和位置等信息,以增加GPS的定向操作性能,使之能够快速获取卫星信号。
3 PoS系统在航空摄影中的实际应用
本文以际上导航AGS200为例,选取测区位于广州黄埔,测区面积1平方公里,核心区地势较平整利用霹雳星无人机大比例尺倾斜摄影测量系统(如图2所示)航线规划软件制定测区飞行计划,地面采样距离6厘米,航向重叠度85%,最小航向重叠度75%,旁向重叠度65%,飞行高度约300米飞行平均速度17米/秒。根据以上参数设置,此次实验共飞行一个架次,飞行时间约30分钟。并用与霹雳星无人机大比例尺倾斜摄影测量系统相对应的数据处理软件GGPoS处理相关数据结果如3所示

图片:图片1.png

2 霹雳星无人机大比例尺倾斜摄影测量系统
3 GGPoS数据结算

利用Smart3D后处理软件,将影像和POSAGS200)数据导入,设置坐标系统、中央子午线、投影方法、数据处理精度等相关参数,自动化处理,可生成DOM、DSM、点云和三维实景模型等数据成果,数据成果如图4所示

图片:POS.png

4 局部图

采用际上导航差分GNSS高精度定位系统AGS200。在测区内布置了像控点/检查点,并在通过RTK独立测量了两次。空三解算时,将AGS200后处理软件GGPoS处理结果和地面像控点一起输入空三软件系统,处理结果如下表。

图片:表1.png

图片:表1.png


检查点平面及高程精度表    单位:米

由此表各点较差计算可得:
1.只使用GNSS控制建模,在模型图上量测的检查点(地物点)与实际测量坐标较差,平面坐标和高程坐标较差完全满足绝对定向 1:500 数字线划图(B 类)、1:500 数字正射影像图(B 类)检查点较差最大限值 。
2.通过GNSS辅助,只使用50%的控制点,三维建模即可达到乃至超过全使用地面控制点建模所达到的精度。
3.微型倾斜摄影系统,集成后差分GNSS定位系统后,会大量减少或不使用地面布设控制点进行三维建模,从而降低外业和内业的作业成本。
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