CN105910582B - 一种基于gnss/mems定位定向的无地面参考低空三角测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于GNSS/MEMS定位定向的无地面参考低空三角测量方法，利用GNSS芯片与MEMS芯片组合制成组合芯片模块，组合芯片模块数据能同步采集、存储GNSS卫星的接收机数据和MEMS传感器发来的数据；对其进行观测后处理、反馈校正，得到高精度的位置信息以及姿态角信息，再使用测区处的坐标转化软件得到测图坐标系的位置；将求得的位置信息、姿态角信息作为起算数据，经过偏心距改正、偏心角改正后，提供航空摄影测量中所需的外方位元素，实现无须地面控制的低空三角测量。本发明减少飞行的旁向重叠度，提高工作效率，降低成本，降低无人机测绘时户外作业人员的工作量；解决了在地形恶劣区域开展无人机测绘无法通过设置地面控制点保障测绘精度的难题。

Description

一种基于GNSS/MEMS定位定向的无地面参考低空三角测量 方法

技术领域

本发明涉及低空摄影测量领域，具体是一种基于GNSS/MEMS定位定向的无地面参考低空三角测量方法。

背景技术

传统的航空摄影测量多是用来解决大区域小比例尺的成图，针对近年来测量领域中出现的小区域大比例尺成图问题，若仍使用常规航空摄影时常会出现成本高、机动灵活性差、受天气影响大等问题，所以基于低空无人飞行器和常规数码相机的低空三角测量技术是近年来摄影测量领域的热点问题。通常其采用的数据采集装置一般是低空摄影平台(无人机、无人飞艇等)和普通的多镜头集成的小型数据相机，前者因其质量小、飞行航高低等特点，所以极易受气流的影响、航线保持困难且弯曲度大、像片旋偏角相对于常规的航空摄影测量较大、影像的重叠度规律性小；后者在获取影像时其幅面较小(Nikon D100相机的像幅为23.7mm×15.6mm，Canon 5D相机的像幅为35.8mm×23.9mm)，数量多、影像的倾角过大(根据统计κ角在±35度之间)、重叠度不规则(存在航向重叠度≤30％，旁向重叠度≤20％)等问题，相对应的地面覆盖范围有限。这就导致相同测区面积下其像片的个数会多于常规的空中三角测量时的像片数，加密时的像片连接点的个数也会多于常规的空中三角测量，此时若依旧按照传统的空中角测量的要求来布设地面像控点时，就会极大的增加外业、内业的工作量。

另一方面无人机航拍时影像的旁向重叠度一般比较大，本身无人机的续航时间较短，这就进一步减小了无人机一次飞行时的区域面积。

为了实时的查看飞行器的姿态状态，一般的飞行器上均安装有MEMS(微机电系统，Micro-Electro-Mechanical System)传感器，使用采集到的三轴陀螺器件数据、三轴加速度计器件数据实时发送给飞行控制系统，计算出飞行器的姿态角，这种姿态角的精度一般很低，不能直接用来替代影像的外方位角元素，此外飞行控制系统中通常不会存储IMU数据，因而不能通过测量后处理方法来提高姿态角的测量精度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种提高工作效率、降低成本、大幅度降低了无人机测绘时户外作业人员工作量、提高精度的基于GNSS/MEMS定位定向的无地面参考低空三角测量方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于GNSS/MEMS定位定向的无地面参考低空三角测量方法，由以下步骤组成：

(1)根据待测绘区域的地理参数，在地面飞行控制系统中绘制航带、曝光点位置，选择出合适的GNSS基站安置位置；

(2)GNSS芯片与MEMS芯片组合制成组合芯片模块，将含有组合芯片模块的天线安装在相机的正上方，GNSS基站的接收机还接受地面飞行控制系统或者相机在曝光点处发出的脉冲信号；

(3)完成无人飞行器起飞前的检查工作之后，让GNSS基站的接收机开始记录观测数据，组合芯片模块数据能同步采集、存储GNSS卫星的接收机数据和MEMS传感器发来的数据；

(4)无人飞行器依据观测之前在地面飞行控制系统中设置的航线进行飞行，地面飞行控制系统实时查看无人飞行器所处的位置、姿态信息，当无人飞行器飞至指定的位置时向相机发出脉冲信号，相机完成一次拍照，同时组合芯片模块同步记录该脉冲信号，并将脉冲信号转化成相应的时间数据；

(5)飞行完成后，收集组合芯片模块中记录的GNSS卫星的数据、MEMS传感器的数据、GNSS基站的接收机数据，利用POS后处理软件进行观测后处理，实时对MEMS传感器中陀螺和加速度计的器件误差进行反馈校正，得到高精度的位置信息以及姿态角信息，再使用测区处的坐标转化软件得到测图坐标系的位置；

(6)将求得的位置信息、姿态角信息作为起算数据，经过偏心距改正、偏心角改正后，采用SITF特征匹配与金字塔影像匹配相结合的转点策略，自动提取测绘航线间的自动转点，采用相应的系统误差补偿模型利用影像量测程序进行统一光束法区域网平差。

作为本发明进一步的方案：组合芯片模块中GNSS芯片与MEMS芯片采集数据时间同步精度达到1μs。

作为本发明进一步的方案：组合解算后的位置需要经坐标转化成测图坐标系，位置经过偏心距改正、姿态角经过偏心角改正后，才能导入空三软件。

本发明的原理：

GNSS基站数据、移动站数据、MEMS传感器的数据的差分组合定位定向处理，通过卡尔曼滤波递推算法，实时校正出MEMS传感器中的器件误差，求出每一个观测历元机载GNSS天线的空间坐标和无人飞行器的姿态角。

机载GNSS接收机能在相机曝光时同时收到触发脉冲，并将脉冲信号转化记录成GPS时，利用插值方法，由相邻两个历元的机载GNSS天线位置内插航摄仪曝光时刻GNSS摄站坐标。

以转化后的位置和姿态角为起算数据，进行光束法区域网统一平差，其一般通用的方程形式如下：

式中，[X_A Y_A Z_A]^T是GNSS摄站坐标，[X_S Y_S Z_S]^T是外方位线元素，R是有外方位角元素构成的3维旋转矩阵，[u v w]^T是机载GNSS接收机天线和相机的偏心距，[a_X a_Y a_Z]^T、[b_Xb_Y b_Z]^T是GNSS移动站位置漂移误差。

基于GNSS/MEMS定位定向的无地面参考低空三角测量方法，系统精度主要受到三个方面的影响。一是无人机本身稳定差，飞行高度低、载荷低等特点；而是使用的相机属于非量测型相机，相机畸变大；三是MEMS传感器较传统的光纤惯导、激光惯导来说，精度低很多。以上三方面的原因共同决定了，按照目前本发明中使用的器材精度水平来说，一般能达到1:2000的数字正摄影像(DLG)的精度。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

针对目前低空无人飞行器中MEMS设备数据仅单次实时利用，且仍沿用传统空三加密控制的方法，本发明提出一种基于GNSS/MEMS定位定向的无地面参考低空三角测量方法。以集成GNSS/MEMS于一体的组合芯片模块为主要单元的传感器一方面把数据发给地面飞行控制系统实时计算出位置、姿态角，另一方面存储起来，用于事后组合处理计算出高精度位置参数作为航片的外方位线元素，高精度姿态角信息作为航片的外方位角元素，直接提供航空摄影测量中所需的外方位元素，实现无须地面控制的低空三角测量。另一方面本发明可减少飞行的旁向重叠度，提升了每次飞行作业的最大飞行区域，不仅提高了工作效率，而且大大降低了成本，大幅度降低了无人机测绘时户外作业人员的工作量；解决了在山地、丘陵等地形恶劣区域开展无人机测绘无法通过设置地面控制点保障测绘精度的难题。

附图说明

图1是基于GNSS/MEMS定位定向的无地面参考低空三角测量方程流程图；

图2是基于GNSS/MEMS组合的无地面参考空三测量原理图。

图3是含构架航线的某次测试飞行轨迹图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

本发明实施例中，一种基于GNSS/MEMS定位定向的无地面参考低空三角测量方法，采用的技术步骤包括：

(1)根据待测绘区域的地理参数，包括位置、形状、面积等，在地面飞行控制系统中绘制航带、曝光点位置等，选择出合适的GNSS基站位置。

为减少测区内像控点的布设，通常需加飞若干条与测图航线近似垂直的航线，即构架航线。其主要作用是在基本航线的两端起到高程控制点的作用，通过四角平高控制点加2条垂直构架航线的地面控制方案来改正GNSS摄站的坐标系统漂移误差。它在保证精度的基础上，尽量减少外业工作量。构架航线的间隔基线数应保持在基本航线上不超过30条基线布设1条。构架航线的航高比常规航线高15％，航向覆盖超出边界4条基线，旁向覆盖超出边界像幅的50％。常规航线航向平均重叠度为64％，旁向平均重叠度为32％；构架航线航向平均重叠度为80％。

(2)将一体化GNSS/MEMS组合芯片为主要模块构成的轻巧紧凑型设备的天线安装在相机的正上方，接收机还接受地面飞行控制系统或者相机的在曝光点处发出的脉冲信号。

(3)完成无人飞行器起飞前的检查工作之后，让GNSS基站的接收机开始记录观测数据，组合芯片模块数据能同步采集、存储GNSS卫星的数据和MEMS传感器发来的数据。

(4)无人飞行器依据事先在地面飞行控制系统中上传的航线飞行，地面飞行控制系统可实时查看出无人飞行器所处的位置、姿态等各项指标，当飞至指定的位置时向相机发出脉冲信号，相机完成一次拍照，同时组合芯片同步记录该脉冲信号，并转化成相应的时间数据。

(5)飞行完成后，收集机载GNSS的接收机中记录的卫星数据、MEMS传感器的数据、GNSS基站数据等其他参数，对数据进行后处理。本发明中采用21阶的卡尔曼滤波器，使用GNSS/INS的松散组合，以地固坐标系做为导航坐标系，因系统的状态方程是非线性方程，所以先线性化误差状态方程可写成：

式中：δr^e位置误差，δV^e速度误差，ε姿态误差，d、b、K_b、K_d依次是陀螺和加表的零偏和刻度因子，被表示成一阶马尔科夫过程；F^e是比力f^e的反对称矩阵，N^e是三维位置量的函数，是地球自转角速度的反对称矩阵，是载体坐标系转到地固坐标系的旋转矩阵，f^b是加表输出的比力观测值，w^b是陀螺输出的角速度，A、B、C、D是相关时间，w_b、w_d、w_kb、w_kd是白噪声。状态量由21维向量构成。

公式可简写成：

X^e(t)＝F^e(t)X^e(t)+G^eW (3)

式中：F^e是连续时间形式下的状态转移矩阵，G是噪声增益矩阵，G^eW是系统噪声。

公式的离散化形式如下(即公式所对应的解)：

X_K+1/K＝Φ_K+1/KX_K/K+Γ_K+1/KW_k/k (5)

式中，Γ是离散形式下的系统噪声增益矩阵。

GNSS/INS组合系统中的量测更新观测值是GNSS和INS在地固坐标系下的位置和速度的差：

量测更新系数矩阵为：

H＝[I₆ 0_6×15]

按照公式和公式把滤波进行下去，实时对MEMS传感器中陀螺和加速度计的器件误差进行反馈校正，提高了姿态的可观测性和估计精度，得到高精度的位置量、姿态角。表3给出了在不同的组合模式下系统的精度。可以看出仅使用GNSS单点定位做组合，得到的米级位置精度、俯仰角和横滚角精度是0.3°、航向角0.3°，对相同的数据进行后处理后，位置精度提升到厘米级、俯仰角和横滚角是0.025°、航向角0.08°。

(6)将求得的位置量、姿态角作为起算数据，位置经过偏心距改正、姿态角经过偏心角改正后，采用SITF特征匹配与金字塔影像匹配相结合的转点策略，自动提取测绘航线间的自动转点，采用相应的系统误差补偿模型利用影像量测程序进行统一光束法区域网平差。

本发明采用了集成GNSS的OEM板卡和MEMS惯性测量单元于一体的微芯片技术。表1和表2中列出了MEMS惯性测量单元的性能指标参数，表3是不同组合模式下系统的精度水平。图3是某次飞行航线的示意图，表4列出了该次飞行下GNSS/MEMS组合解算时曝光瞬间天线坐标和姿态角的部分数据。第1至549号点是常规航线的曝光点信息，第550至617号点是构架航线上的曝光点信息，可以看出构架航线的航高比普通航线高15％。

一体化的集成芯片操作简单、产品化程度高，稳定性高，同时也大幅度降低了系统的整体质量，产品体积约在105mm×70mm×30mm，重量仅380g，这种轻巧紧凑型的设计满足无人机上应用的特点。本发明中在地面架设GNSS基站，采用差分定位的模式最大程度的提高系统精度，节省了在常规无人机测绘领域需要人工到测区采集校正点校正拼图误差的工作。另一方面因本发明对GNSS/MEMS数据采用后处理的模式，姿态角精度大幅图提升，所以本发明在飞行作业时，可减少飞行的旁向重叠度，提升了每次飞行作业的最大飞行区域，不仅提高了工作效率，而且大大降低了成本，大幅度降低了无人机测绘时户外作业人员的工作量；解决了在山地、丘陵等地形恶劣区域开展无人机测绘无法通过设置地面控制点保障测绘精度的难题。

表1 MEMS传感器中加速度计指标

表2 MEMS传感器中陀螺仪指标

备注：GNSS输出频率5Hz，惯导输出频率200Hz。

表3 GNSS/MEMS组合性能参数指标(RMS)

表4某次飞行下GNSS/MEMS组合解算曝光瞬间天线坐标和姿态角的部分数据

针对目前低空无人飞行器中MEMS设备数据仅单次实时利用，且仍沿用传统空三加密控制的方法，本发明提出基于GNSS/MEMS定位定向的无地面参考低空三角测量方法。MEMS传感器一方面把数据发给地面飞行控制系统进行实时计算姿态角信息，另一方面将数据进行存储，以便用于GNSS事后组合处理，进而计算位置参数作为航片的外方位线元素，姿态角信息作为航片的外方位角元素，从而解决航空摄影测量中所需要的外方位元素，实现无须地面控制的低空三角测量。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (1)

1.一种基于GNSS/MEMS定位定向的无地面参考低空三角测量方法，其特征在于，由以下步骤组成：

(1)根据待测绘区域的地理参数，在地面飞行控制系统中绘制航带、曝光点位置，选择出合适的GNSS基站安置位置；

(2)GNSS芯片与MEMS芯片组合制成组合芯片模块，将含有组合芯片模块的天线安装在相机的正上方，GNSS基站的接收机还接受地面飞行控制系统或者相机在曝光点处发出的脉冲信号；

(3)完成无人飞行器起飞前的检查工作之后，让GNSS基站的接收机开始记录观测数据，组合芯片模块数据能同步采集、存储GNSS卫星的接收机数据和MEMS传感器发来的数据；

(4)无人飞行器依据观测之前在地面飞行控制系统中设置的航线进行飞行，地面飞行控制系统实时查看无人飞行器所处的位置、姿态信息，当无人飞行器飞至指定的位置时向相机发出脉冲信号，相机完成一次拍照，同时组合芯片模块同步记录该脉冲信号，并将脉冲信号转化成相应的时间数据；

(5)飞行完成后，收集组合芯片模块中记录的GNSS卫星的数据、MEMS传感器的数据、GNSS基站的接收机数据，利用POS后处理软件进行观测后处理，实时对MEMS传感器中陀螺和加速度计的器件误差进行反馈校正，得到高精度的位置信息以及姿态角信息，再使用测区处的坐标转化软件得到测图坐标系的位置；

(6)将求得的位置信息、姿态角信息作为起算数据，经过偏心距改正、偏心角改正后，采用SITF特征匹配与金字塔影像匹配相结合的转点策略，自动提取测绘航线间的自动转点，采用相应的系统误差补偿模型利用影像量测程序进行统一光束法区域网平差；

组合芯片模块中GNSS芯片与MEMS芯片采集数据时间同步精度达到1μs；

组合解算后的位置需要经坐标转化成测图坐标系，位置经过偏心距改正、姿态角经过偏心角改正后，才能导入空三软件。