航空摄影测量中pos系统误差的问题和技术研究

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1、航空摄影测量中POS系统误差的问题和技术研究　20世纪90年代，GPS（GlobalPositionSystem，全球定位系统）辅助空中三角测量的方法得到了广泛应用，利用GPS获得的定位信息用来辅助空中三角测量，展现了导航技术在测绘领域的应用前景。GPS技术虽然解决了像片的定位问题，但是无法获取像片的姿态参数，不能彻底摆脱地面控制。随着航空摄影测量技术和惯性导航技术的发展，一种新的方法开始应用于航空摄影测量定位定向系统（PositionandOrientationSystem，简称POS系统）辅

2、助航空摄影。机载POS系统集GPS技术与惯性导航技术于一体，使准确地获取航摄相机曝光时刻的外方位元素（GPS测量得到位置参数，惯性导航系统得到姿态参数）成为可能，从而实现了无（或少量）地面控制点，甚至无需空中三角测量加密工序，即可直接定向测图，从而大大缩短航空摄影作业周期、提高生产效率、降低成本。因此，POS系统的出现，将从根本上改变传统航空摄影的方法，进而引起航空摄影理论与技术的重大飞跃。随着计算机技术的发展及其惯性、GPS器件精度水平的提高，POS无论定位定向精度还是实时数据处理能力都会有质

3、的提高，将会在航空摄影测绘方面发挥越来越重要的作用。POS系统高精度定位定向技术是POS系统应用的关键技术，它的研究可以极大的推动POS系统的发展。　　1POS系统结构组成　　POS系统本质上集惯性导航技术与DGPS（DifferentialGPS，差分GPS）技术一体，主要硬件组成部分包括惯性导航系统、DGPS与POS系统计算机系统，POS还包含一套事后处理软件用于融合数据事后处理，其组成示意图如图1所示。　　其中DGPS通过用户与基站GPS接收机提供实时差分GPS定位信息，惯性导航系统提供载

4、体实时角速度与加速度信息，通过POS计算机系统实时信息融合得到载体位置、速度、姿态等导航信息，同时POS系统采集惯性导航系统与DGPS的数据信息利用POS系统事后处理软件得到载体位置、速度、姿态等导航信息。下面对其中最重要的惯性导航系统和卫星导航系统进行研究，最后对其POS计算机和事后处理软件进行简单介绍。　　1.1惯性导航系统　　惯性导航技术是以牛顿力学定律为基础，利用一组加速度计测量载体的加速度，利用一组陀螺仪测量载体的角运动，经过积分运算求解载体位置、速度和姿态信息的技术。根据惯性导航原理

5、在物理平台中的实现，称为惯性导航系统，依据有无实际物理平台可分为平台式惯性导航系统和捷联式惯性导航系统。与平台式惯导系统相比，捷联式惯性导航系统以数学平台代替了惯性物理平台，因而结构简单，平台，体积、重量和成本大大降低，因此目前已经在各类导航设备中广泛应用。　　捷联惯性导航系统解算原理如图2所示。捷联惯性导航系统和平台惯性导航系统的区别在于捷联惯导系统利用陀螺仪的输出实时计算姿态转移矩阵（即数学平台）和姿态角，其他的解算则与平台惯性导航系统一致。捷联惯性导航系统中，陀螺仪和加速度计的组合体通常称

6、为惯性组件（InertialMeasurementUnit，IMU），IMU对系统而言是开环的，仅仅起到了惯性传感器信号输入的作用，并没有对IMU进行反馈控制，所有的信号处理在计算机内实现，因此实现方便。　　由图2中可看出，捷联惯性导航系统的核心是导航计算机实现的惯性平台，即数学平台。数学平台是用陀螺测量的载体角速度进行姿态矩阵解算，从姿态矩阵中可以得到实时姿态角信息，并用姿态矩阵将加速度计输出从机体坐标系变换到导航坐标系，然后进行导航解算。　　目前捷联惯性导航系统发展比较成熟，尤其是高精度激光

7、、光纤陀螺的出现与逐步成熟，促使捷联惯性导航系统越来越成为航空载体的主流配置，POS系统采用捷联惯性导航系统，便于与航摄相机集成安装，也便于内部器件的维护与更新。但是，惯性导航系统受工作原理所限，导航参数误差随时间发散，长期稳定性较差，故需要其他导航系统对其进行校正，卫星导航系统因其高精度与稳定性好成为POS系统的首选。　　1.2卫星导航系统　　卫星导航系统，即GPS是美国国防部联合海陆空三军研制的导航系统，由空间导航卫星部分、地面监控部分和用户接收机三部分组成。它具有全天候、高精度、自动化、高

8、效益、性能好、应用广等显著特点，能够实时地提供三维的位置、速度和GPS时间等信息。　　GPS定位的基本原理是以GPS卫星和用户GPS接收机天线之间的空间距离作为观测量，根据已知的GPS卫星空间坐标，可以确定用户GPS接收机天线的空间位置。GPS定位方法的实质是以星地空间距离为半径的三球交汇，因此，在一个测站上，需要3个卫星到接收机天线的距离观测量。其定位原理如图3所示。　　GPS导航与无线电导航类似，采用单程测距原理，卫星钟和接收机钟无法保持严格的同步，所以GPS实际的观测量并不是用户接收机天线