POS系統(tǒng)在無人機(jī)航空攝影中的應(yīng)用

王賢

摘要：隨著計(jì)算機(jī)和通信技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)無人機(jī)航空攝影定位定向的精度提出了更高的要求，將POS系統(tǒng)定位定向技術(shù)應(yīng)用于無人機(jī)航空攝影中，能夠得到載體實(shí)時(shí)性強(qiáng)、準(zhǔn)確度高的位置和姿態(tài)信息。本文首先對(duì)POS系統(tǒng)的硬件組成進(jìn)行了相關(guān)介紹，然后對(duì)POS系統(tǒng)在無人機(jī)進(jìn)行航拍過程中的定位定向原理進(jìn)行了分析，最后針對(duì)目前POS系統(tǒng)在航空攝影中的實(shí)際應(yīng)用，介紹了POS系統(tǒng)未來的發(fā)展趨勢(shì)和應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：POS系統(tǒng)；無人機(jī)；航空攝影

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2018）06-0222-03

無人機(jī)具有控制方便，飛行靈活等特點(diǎn)，因此成為航空攝影中一種十分重要的飛行平臺(tái)，尤其對(duì)于人類無法涉足的危險(xiǎn)區(qū)域，比如地震、火災(zāi)等緊急狀況突發(fā)地區(qū)，無人機(jī)可以提供有效的現(xiàn)場(chǎng)信息，實(shí)時(shí)傳回緊急事件發(fā)生地區(qū)的影像資料，人們根據(jù)無人機(jī)反饋的現(xiàn)場(chǎng)信息以便快速展開救援工作。隨著城市的智能化發(fā)展，無人機(jī)在航空攝影中扮演越來越重要的角色，因此，無人機(jī)如何準(zhǔn)確、快速地獲取目標(biāo)區(qū)域的位置和姿態(tài)信息，是航空攝影測(cè)量面臨的新的挑戰(zhàn)。

近些年來，隨著多種新型傳感器的涌現(xiàn)和計(jì)算機(jī)通信技術(shù)的快速發(fā)展，將POS系統(tǒng)應(yīng)用于無人機(jī)航空攝影中，為目標(biāo)地區(qū)影像數(shù)據(jù)的獲取提供了新的技術(shù)手段，能夠?qū)崿F(xiàn)快速、準(zhǔn)確地獲取航拍區(qū)域有效信息的目標(biāo)。

1 POS系統(tǒng)硬件及各部分功能介紹

POS系統(tǒng)的硬件組成主要包含計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、慣性測(cè)量單元IMU，以及GPS接收機(jī)。GPS接收機(jī)可以提供距離與波段等數(shù)據(jù)信息，當(dāng)觀測(cè)到4顆衛(wèi)星以上時(shí)，采用載波相位差分動(dòng)態(tài)定位技術(shù)，將地面基準(zhǔn)站和機(jī)載GPS的相位信息進(jìn)行處理，最后得到機(jī)載GPS的空間位置信息；慣性測(cè)量單元IMU附著在傳感器的中心，它由數(shù)字化電路、陀螺儀、加速度計(jì)以及進(jìn)行溫度補(bǔ)償與信號(hào)調(diào)解的處理器組成，IMU用于獲取其相對(duì)地面的速度、位置和姿態(tài)數(shù)據(jù)，為了減小測(cè)量數(shù)據(jù)的誤差，IMU通常需要保證其體積足夠小，重量足夠輕；計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)給傳感器提供采樣時(shí)間標(biāo)識(shí)，它和GPS接收機(jī)、慣性測(cè)量單元IMU以及傳感器協(xié)同工作，可以在無人機(jī)進(jìn)行航拍的時(shí)刻，同時(shí)獲取位置和空間姿態(tài)數(shù)據(jù)。

2POS系統(tǒng)測(cè)量原理

2.1 GPS測(cè)量原理

差分GPS定位技術(shù)（DGPS）主要分為偽距差分和載波相位差分兩大類，它是一種新發(fā)展起來的GPS定位技術(shù)，能夠?qū)PS進(jìn)行更加準(zhǔn)確地定位，如圖1所示，DGPS原理主要是通過將多臺(tái)安置在地面基準(zhǔn)站上的GPS接收機(jī)，與無人機(jī)上的GPS接收機(jī)進(jìn)行同步觀測(cè)，通過量測(cè)地面基準(zhǔn)站的坐標(biāo)，從而計(jì)算得到基準(zhǔn)站與衛(wèi)星之間的距離改正數(shù)，機(jī)載GPS則以地面基準(zhǔn)站實(shí)時(shí)發(fā)送出去的距離改正數(shù)作為參考，然后對(duì)自身的定位結(jié)果進(jìn)行改正，以此提高定位精度。

載波相位差分是無人機(jī)航空攝影主要采用的定位技術(shù)，其觀測(cè)量為GPS接收機(jī)k在時(shí)刻T所接收的衛(wèi)星信號(hào)j與本地參考信號(hào)的相位差值，可表示為：

2.3 GPS/IMU組合系統(tǒng)測(cè)量原理

GPS可以全天候地提供目標(biāo)載體精確的時(shí)間、速度以及位置等信息，并且它的誤差不會(huì)隨著時(shí)間的積累而增加，但是GPS嚴(yán)重依賴天氣、地點(diǎn)、目標(biāo)載體機(jī)動(dòng)等外界條件，它在動(dòng)態(tài)環(huán)境中的性能表現(xiàn)較差，并且可靠性會(huì)因?yàn)橥饨绛h(huán)境和無線電等因素的干擾而降低，因而極易產(chǎn)生周跳和失鎖等系列問題；而慣性導(dǎo)航系統(tǒng)能夠避免GPS容易受外部環(huán)境影響而降低性能的這一缺點(diǎn)，它不受氣候、地點(diǎn)等外部因素的影響，也不會(huì)產(chǎn)生信號(hào)丟失的問題，但是容易因?yàn)闀r(shí)間的累積而增大導(dǎo)航誤差。將GPS和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)組合起來，可以利用二者各自的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)達(dá)到取長補(bǔ)短的效果，GPS有較高的定位精度，并且在長時(shí)間內(nèi)也能保持較好的穩(wěn)定性，因此采用GPS不僅可以彌補(bǔ)慣導(dǎo)系統(tǒng)容易產(chǎn)生累計(jì)誤差這一缺點(diǎn)，還可以用來校正慣性導(dǎo)航系統(tǒng)提供的速度和位置等誤差參數(shù)，而慣性導(dǎo)航系統(tǒng)又可以向GPS提供相關(guān)初始速度和位置等信息，以增加GPS的定向操作性能，使之能夠快速獲取衛(wèi)星信號(hào)。

3 POS系統(tǒng)在航空攝影中的實(shí)際應(yīng)用

3.1 GPS的實(shí)際應(yīng)用

通常情況下，在GPS接收機(jī)確定的歷元時(shí)刻進(jìn)行量測(cè)，并對(duì)衛(wèi)星信號(hào)保持跟蹤，即可得到相位變化差值，但是，由于起始?xì)v元的整周模糊度以及GPS接收機(jī)與衛(wèi)星振蕩器的相位初值未知，所以只能作為未知參數(shù)在數(shù)據(jù)處理中計(jì)算求解。載波相位差分的定位方式依賴于整周模糊度，可以通過整周模糊度在航解算（OTF）這種方法計(jì)算動(dòng)態(tài)環(huán)境中的整周模糊度，然后代入載波信號(hào)相位觀測(cè)方程式，即可得到導(dǎo)航結(jié)果。在無人機(jī)航空攝影實(shí)際作業(yè)中，通常采用雙頻GPS接收機(jī)來提高定位精度，采用這種方式能夠更加準(zhǔn)確、迅速地計(jì)算出整周模糊度。

3.2 IMU的實(shí)際應(yīng)用

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中分為捷聯(lián)式和平臺(tái)式兩大類，由于捷聯(lián)式具有成本低、體積小、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于無人機(jī)航空攝影中。捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)將加速度計(jì)和陀螺兩大核心部件安置在目標(biāo)載體上，陀螺測(cè)量目標(biāo)載體在運(yùn)動(dòng)中相對(duì)于慣性參考系的角速度，并計(jì)算出載體坐標(biāo)系與導(dǎo)航坐標(biāo)系之間的變換矩陣，并把加速度計(jì)測(cè)量得到的加速度信息通過該變換矩陣換算到導(dǎo)航坐標(biāo)系中，以得到目標(biāo)載體的導(dǎo)航定位和姿態(tài)角等信息參數(shù)，如圖2所示：

陀螺也是IMU的核心部件之一，用于導(dǎo)航和確定姿態(tài)參數(shù)的陀螺主要有三種：DTG（DryTuned Gvros，固態(tài)調(diào)協(xié)陀螺），尺寸小，低噪聲，漂移穩(wěn)定性0.01°-0.05°/h；RLG（Ring Laser Gy-ros，環(huán)型激光陀螺），精度高，尺寸過大，漂移穩(wěn)定性0.001°/h；FOG（Fibre Optic Gvros，光纖陀螺），尺寸較小，低噪聲，漂移穩(wěn)定性0.01°-10°/h。FOG和DTG由于具有低噪聲、尺寸小，飄移小等特眭，在無人機(jī)航空攝影中應(yīng)用最為廣泛。

3.3 GPS/IMU組合系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用

GPS和慣性導(dǎo)航組合系統(tǒng)通常采用卡爾曼濾波技術(shù)，根據(jù)組合的深度分為松散和緊密組合濾波兩大類，松散組合濾波方式是將GPS定位結(jié)果當(dāng)做慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的初值輸入，來校正慣導(dǎo)系統(tǒng)的誤差，以提高定位精度，這種組合方法實(shí)現(xiàn)簡單，但因?yàn)镚PS的定位誤差具有歷元間相關(guān)這一特性，會(huì)導(dǎo)致最終定位結(jié)果和姿態(tài)參數(shù)存在系統(tǒng)誤差；緊密組合濾波是將GPS和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)協(xié)同起來工作，他們分別將偽距、偽距率、角速度以及加速度等信息輸入組合濾波器，從而得到整個(gè)系統(tǒng)的導(dǎo)航結(jié)果，這種組合方式計(jì)算量大，并且容易受濾波器穩(wěn)定性的影響。針對(duì)兩種濾波方式的優(yōu)缺點(diǎn)，在實(shí)踐中可以設(shè)計(jì)一個(gè)復(fù)合濾波器，根據(jù)具體情況來動(dòng)態(tài)地處理觀測(cè)值信息，松散組合適合處理觀測(cè)衛(wèi)星數(shù)較多的情況，這種濾波方式可以由GPS獨(dú)立計(jì)算得到精度較高的位置與速度信息；當(dāng)觀測(cè)衛(wèi)星數(shù)量較少時(shí)，此時(shí)由于GPS無法進(jìn)行獨(dú)立定位，所以采用緊密組合方法，復(fù)合濾波器可以充分利用兩種組合方式的優(yōu)勢(shì)，既能保證導(dǎo)航系統(tǒng)定位精度，又能使系統(tǒng)具有一定的穩(wěn)定性和可靠性。

4結(jié)語

隨著計(jì)算機(jī)和通信技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的無人機(jī)航空攝影定位定向技術(shù)已經(jīng)不能滿足人們的需求，POS系統(tǒng)將GPS接收機(jī)和IMU慣性測(cè)量單元組合在一起，可以充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)，達(dá)到取長補(bǔ)短的效果。將POS系統(tǒng)應(yīng)用于無人機(jī)航空攝影，可以提高目標(biāo)區(qū)域定位定向的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性，并且GPS/IMU組合導(dǎo)航系統(tǒng)能夠直接提供影像數(shù)據(jù)的位置和姿態(tài)信息，從而性能也能得到大幅度提高。將POS系統(tǒng)定位定向技術(shù)融入無人機(jī)航空攝影是計(jì)算機(jī)和通信技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)，隨著GPS精密單點(diǎn)定位技術(shù)的發(fā)展及多種新型傳感器的涌現(xiàn)，POS系統(tǒng)定位定向技術(shù)將在無人機(jī)航空攝影中扮演著越來越重要的角色。