2.3机载POS系统对地定位.pptx
成都航空职业技术学院Chengdu Aeronautic PolytechnicSCHOOL OF UAV INDUSTRY Copyright 2022 CAP.All rights reserved.无人机航空摄影测量数据获取与处理（活页式）教材PPT模块二：解析空中三角测量任务3：机载POS系统对地定位无人机操控与应用教研室无人机操控与应用教研室李艳李艳成都航空职业技术学院Chengdu Aeronautic PolytechnicSCHOOL OF UAV INDUSTRY Copyright 2022 CAP.All rights reserved.无人机航空摄影测量数据获取与处理（活页式）教材PPT1机载机载机载机载POS POS 系统的认识系统的认识系统的认识系统的认识知识点2机载机载机载机载POS POS 系统测量原理系统测量原理系统测量原理系统测量原理3POS POS 与无人机摄影测量系统集成与无人机摄影测量系统集成与无人机摄影测量系统集成与无人机摄影测量系统集成4POS POS 系统对地定位的主要误差源系统对地定位的主要误差源系统对地定位的主要误差源系统对地定位的主要误差源知识点成都航空职业技术学院Chengdu Aeronautic PolytechnicSCHOOL OF UAV INDUSTRY Copyright 2022 CAP.All rights reserved.无人机航空摄影测量数据获取与处理（活页式）教材PPT情景创建据传说，当年黄帝部落与蚩尤部落在涿鹿大战，突起狂风暴雨，由于有指南车的指引，黄帝的军队在大风雨中依然能够辨别方向，最终打败蚩尤。此外，还有张骞从长安出使西域，长途跋涉的骆驼队首次开拓“丝绸之路”，这些事例证明了导航定位十分重要。自古以来，人们可利用天上的星体来导航，从过去的罗盘、六分仪到现代的惯性导航设备、卫星导航设备等导航系统，性能上不断地提高。随着无人机技术的不断发展，无人机在航空摄影中扮演着越来越重要的角色，无人机如何准确、快速地获取目标区域的位置和姿态信息，实现特定的要求作业，例如无人机高精度跟随飞行、高精度定点等，是航空摄影测量面临的新的挑战。单一的导航系统已经不能满足发展及应用的需求，为提高无人机定位、定向系统整体的性能，需要将两种或两种以上的导航系统结合使用，优势互补。成都航空职业技术学院Chengdu Aeronautic PolytechnicSCHOOL OF UAV INDUSTRY Copyright 2022 CAP.All rights reserved.无人机航空摄影测量数据获取与处理（活页式）教材PPT任务实施请同学们思考：仅通过卫星导航系统，能实现无人机高精度跟随飞行、高精度定点等功能吗？请列举身边两个或两个以上的装置组合后达到更好作用和效果的案例。成都航空职业技术学院Chengdu Aeronautic PolytechnicSCHOOL OF UAV INDUSTRY Copyright 2022 CAP.All rights reserved.无人机航空摄影测量数据获取与处理（活页式）教材PPT知识点1：机载POS 系统的认识定位定向系统（Positioning and Orientation System，POS）是基于全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System,GNSS）和惯性测量装置（IMU）的直接测定影像外方位元素的现代航空摄影导航系统，通过GNSS 获取位置数据作为初始值，通过惯性测量装置获取姿态变化增量，应用卡尔曼滤波器、反馈误差控制迭代运算，为无人机提供位置和姿态的轨迹数据。POS 系统的硬件组成主要包含GPS 接收机、惯性测量单元（Inertial Measurement Unit，IMU）、计算机控制系统（Computer Control System，CCS）。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（Real-Time Kinematic，RTK）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；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，质量足够轻；CCS 给传感器提供采样时间标识，它和GPS接收机、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。成都航空职业技术学院Chengdu Aeronautic PolytechnicSCHOOL OF UAV INDUSTRY Copyright 2022 CAP.All rights reserved.无人机航空摄影测量数据获取与处理（活页式）教材PPT知识点1：机载POS 系统的认识机载POS 系统不仅可以获取摄影相机的外方位元素和飞机的绝对位置，在减少或省略空中三角测量的地面控制点的情况下实现高精度对地定位（Direct Georeferencing,DG），还可以与任何量测类型的传感器、航摄像机、机载激光雷达（Light Detection and Ranging,LIDAR）、高光谱成像仪、机载合成孔径雷达（Synthetic Aperture Radar,SAR）和机载干涉雷达（Interferometric Synthetic Aperture Radar,InSAR）等直接连接使用。该技术和方法还广泛用于高空分辨率卫星影像的几何处理中，大量研究集中在稀少控制点和无控制点条件下如何提高影像的平面和高程精度。机载POS 系统测量原理成都航空职业技术学院Chengdu Aeronautic PolytechnicSCHOOL OF UAV INDUSTRY Copyright 2022 CAP.All rights reserved.无人机航空摄影测量数据获取与处理（活页式）教材PPT知识点2：机载POS 系统测量原理1.差分GPS测量原理差 分 GPS（Differential GPS，DGPS）是在正常的GPS 外附加（差分）修正信号，能够对GPS 进行更加准确地定位。DGPS是利用已知精确三维坐标的地面基准站上安置GPS 接收机，求得基准站与卫星之间的距离改正数，与无人机上的GPS 接收机进行同步观测，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。成都航空职业技术学院Chengdu Aeronautic PolytechnicSCHOOL OF UAV INDUSTRY Copyright 2022 CAP.All rights reserved.无人机航空摄影测量数据获取与处理（活页式）教材PPT知识点2：机载POS 系统测量原理2.IMU测量原理IMU 是测量无人机三轴姿态角、角速率以及加速度的装置。常用的IMU 包含了三个单轴的加速度计和三个单轴的陀螺，加速度计检测物体在载体坐标系统独立三轴的加速度信号，而陀螺检测无人机相对于导航坐标系的角速度信号，测量物体在三维空间中的角速度和加速度，并以此解算出无人机飞行的姿态。IMU 的基本工作原理是以牛顿力学定律为基础，通过陀螺仪建立空间导航坐标系，建立一个分别指向东、北、天三个方向的直角坐标系（X 轴指东、Y 轴指北、Z 轴指天），在各坐标轴上安装加速度计，将运动加速度转换到导航坐标系，经过两次积分运算，最终确定出载体的位置和速度等运动参数。成都航空职业技术学院Chengdu Aeronautic PolytechnicSCHOOL OF UAV INDUSTRY Copyright 2022 CAP.All rights reserved.无人机航空摄影测量数据获取与处理（活页式）教材PPT知识点2：机载POS 系统测量原理3.GPS/IMU组合系统测量原理GPS/IMU 组合系统测量可以实现不同导航系统之间的优势互补，提高无人机定位、定姿精度。GPS 卫星导航系统覆盖范围广，可以全天候地提供精确的时间、速度以及位置等信息，并且这些信息的误差不会随着时间的积累而增加。将GPS 和IMU 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IMU 容易产生累计误差这一缺点，还可以用来校正IMU 提供的速度和位置等误差参数，而IMU 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。成都航空职业技术学院Chengdu Aeronautic PolytechnicSCHOOL OF UAV INDUSTRY Copyright 2022 CAP.All rights reserved.无人机航空摄影测量数据获取与处理（活页式）教材PPT1.POS 与无人机航测系统集成机载POS 系统必须将IMU、航摄仪、GPS 接收机稳固安装在飞机上，保证在航空摄影过程中三者之间的相对位置关系不变，如图2-3-8 所示。航摄仪（XSens、YSens、ZSens）、GPS 天线（XGPS、YGPS、ZGPS）和IMU（XIMU、YIMU、ZIMU）三者之间的空间坐标变换可以通过坐标变换实现。图2-3-7 中XGPS、YGPS、ZGPS 和XSens、YSens、ZSens6 个常量需要在飞行摄影之前或摄影完成之后进行测定。为了保证获取航摄仪曝光瞬间摄影中心的空间位置和姿态信息，航摄仪应该提供或加装曝光传感器及脉冲输出装置。知识点3：POS 与无人机摄影测量系统集成成都航空职业技术学院Chengdu Aeronautic PolytechnicSCHOOL OF UAV INDUSTRY Copyright 2022 CAP.All rights reserved.无人机航空摄影测量数据获取与处理（活页式）教材PPT知识点3：POS 与无人机摄影测量系统集成2.GPS、IMU 及航摄仪三者之间空间关系的确定GPS、IMU 及航摄仪三者之间空间关系的确定按照摄影测量共线方程的原理，物方空间坐标与像方空间坐标存在如下关系：由此可知，确定物方空间坐标的关键在于精确确定摄影中心的空间位置（XS，YS，ZS）及航摄仪曝光瞬间的姿态参数（，）。成都航空职业技术学院Chengdu Aeronautic PolytechnicSCHOOL OF UAV INDUSTRY Copyright 2022 CAP.All rights reserved.无人机航空摄影测量数据获取与处理（活页式）教材PPT3.机载POS 系统对地定位的主要方法直接地理定位DG知识点3：POS 与无人机摄影测量系统集成在已知GPS 天线相位中心（XGPS、YGPS、ZGPS）、IMU（XIMU、YIMU、ZIMU）及航摄仪（XSens、YSens、ZSens）3 者之间的空间关系时，通过对GPS 天线相位中心的位置坐标（X，Y，Z）及IMU 系统获取姿态信息（侧滚角、俯仰角、航迹角）进行数据处理，可获取航空影像曝光瞬间的像主点（空中摄站中心）三维空间坐标（X、Y、Z）及其3 个姿态角（，），从而实现在无地面控制点的情况下直接恢复航空摄影的成像过程。成都航空职业技术学院Chengdu Aeronautic PolytechnicSCHOOL OF UAV INDUSTRY Copyright 2022 CAP.All rights reserved.无人机航空摄影测量数据获取与处理（活页式）教材PPT3.机载POS 系统对地定位的主要方法集成传感器定向ISO知识点3：POS 与无人机摄影测量系统集成当GPS、IMU 与航摄仪三者之间的空间关系未知时，需要有适当数量的地面控制点，通过将POS 系统获取的三空间坐标与3 个姿态数据直接作为空中三角测量的附加观测值参与区域网平差，从而高精度获取每张影像的6个外方位元素，实现大幅度减少地面控制点的效果。成都航空职业技术学院Chengdu Aeronautic PolytechnicSCHOOL OF UAV INDUSTRY Copyright 2022 CAP.All rights reserved.无人机航空摄影测量数据获取与处理（活页式）教材PPT3.机载POS 系统对地定位的主要方法知识点3：POS 与无人机摄影测量系统集成成都航空职业技术学院Chengdu Aeronautic PolytechnicSCHOOL OF UAV INDUSTRY Copyright 2022 CAP.All rights reserved.无人机航空摄影测量数据获取与处理（活页式）教材PPT知识点4：POS 系统对地定位的主要误差源1.传感器误差GPS 误差主要包括卫星钟差、星历误差、大气电离层误差、观测噪声、多路径效应、接收机钟误差，如右图所示。IMU 姿态测量误差主要包括元件误差、安装误差、初始条件误差、原理误差、外干扰误差。GPS/IMU 的卡尔曼滤波误差。成都航空职业技术学院Chengdu Aeronautic PolytechnicSCHOOL OF UAV INDUSTRY Copyright 2022 CAP.All rights reserved.无人机航空摄影测量数据获取与处理（活页式）教材PPT2.时间同步误差机载GPS、IMU 及航摄仪的工作是相互独立的，GPS 信号的历元时刻ti 与航摄仪的曝光时刻tj 往往不同步。由于飞机航速较大，很小的时间偏移会造成较大的距离误差；同时，航摄仪曝光脉冲记录的IMU 姿态参数也会由于时间不同步而存在误差，从而影响定位精度。一般认为，飞机在航空摄影的较短时间内是匀速飞行的，可以采用线性内插或低阶多项式拟合的方法来消除时间偏移。试验表明，如果GPS 信号接收机的数据更新频率大于1 次/s，由两个相邻GPS 历元ti 和ti+1（titjti+1）的天线位置线性内插出的tj 时刻天线位置，可以满足航空摄影测量的精度要求。知识点4：POS 系统对地定位的主要误差源成都航空职业技术学院Chengdu Aeronautic PolytechnicSCHOOL OF UAV INDUSTRY Copyright 2022 CAP.All rights reserved.无人机航空摄影测量数据获取与处理（活页式）教材PPT3.系统校准误差由于直接传感器定向不利用地面控制点，而仅仅是通过投影中心外推获得地面点坐标的，因此系统校正是进行传感器定向不可缺少的一项主要工作。系统校正的精确程度将极大地影响所获得的地面点坐标精度，右图为IMU 与传感器系统校准情况。由此，在实际作业中，对于系统校正必须给予充分的重视。系统校正分为两个部分：单传感器校正和传感器间的校正。知识点4：POS 系统对地定位的主要误差源成都航空职业技术学院Chengdu Aeronautic PolytechnicSCHOOL OF UAV INDUSTRY Copyright 2022 CAP.All rights reserved.无人机航空摄影测量数据获取与处理（活页式）教材PPT课后任务（1）机载POS 系统的工作原理是什么？与无人机摄影测量系统是怎样集成工作的？（2）总结机载POS 系统在对地定位中的主要误差。工作中可采用何种方式减小误差？作业
