檢校計算航攝儀Boresight角

樊建強　楊旭

摘要：利用POS系統可以在航空攝影過程中直接測定每張相片的6個外方位元素。通過檢校計算精確測定Boresight角度可以提高POS數據的精度，實現直接定向。本文探討檢校原理與流程，通過實際數據分析驗證。

關鍵詞：POS系統；航空攝影；檢校場

Calculate the Boresight angle of

Aerial Photogrammetry Camera

Abstract： Using POS system can direct determination of 6 exterior orientation in aerial photogrammetry. In camera calibration calculate the boresight angle to improve the accuracy of POS system， achieve the Direct Georeferencing. This paper discusses the principle and process of the calibration， validation through the actual data analysis.

Keywords： POS， aerial photogrammetry， calibration.

1. 背景介紹

攝影測量中解析空中三角測量（空三加密）的內容是解求航攝區域內每張影像的外方位元素X，Y，Z， j，w，k及解算待定點的地面坐標。POS系統的應用初衷，就是在航空攝影中精確測量曝光時的航攝儀位置及姿態信息，進而直接獲取外方位元素，進行POS輔助空中三角測量或者直接定向法。為提高POS解算精度，需要進行檢校計算。

2. 原理分析

2.1 POS系統簡介

POS（Position and Orientation System， 定位定向系統）集合了差分GNSS設備與IMU （慣性導航測量單元）于一體，可以獲取實時空間位置和三軸姿態信息，已廣泛應用于飛機、火箭、輪船等導航定位。POS系統由四部分組成

（1）GNSS接收機：機載移動GNSS接收機及地面基站GNSS接收機，數據采樣頻率大于等于1Hz。POS技術中采用載波相位差分的GNSS動態定位技術解求天線相位中心位置。差分技術就是在一個或幾個已知點位安置接收機為基準站，與機載接收機同步觀測，然后將基準站測定的位置坐標或其它參數與相應的已知結果求差，綜合兩站的觀測數據進行聯合解算。

（2）IMU單元 ：由加速度計、陀螺儀和中央處理器組成。通過組合加速度和角度速率，以獲取IMU相對于地球的位置、速度和方向。

（3）計算控制系統：包含控制計算系統和實時組合導航的計算機。用于配置系統各硬件的性能參數，記錄存儲數據和實時組合導航計算結果為飛行管理系統提供必要信息。

（4）數據后處理軟件：通過處理POS系統在飛行中獲得的IMU和GNSS移動站數據以及基準站數據得到最優的組合導航解。當POS系統用于攝影測量時，最后還需要進行偏心及檢校計算來獲取每張影像在曝光瞬間的外方位元素。

2.2 POS系統應用

POS系統應用于攝影測量有兩種方式：

（1）直接傳感器定向

在已知GPS天線相位中心、IMU及航攝儀三者之間空間關系的前提下，可直接對POS系統獲取的GPS天線相位中心的空間坐標（X，Y，Z）及IMU系統獲取的橫滾角、俯仰角、航跡角進行數據處理，獲取航空影像曝光瞬間的攝站中心三維空間坐標（XS， YS ，ZS）及其航攝儀三個姿態角（j，w，k），從而實現無地面控制條件下直接恢復航空攝影的成像過程。直接定向主要優點是：整個測區不進行空三加密平差計算、不加入地面控制點。與傳統的空中三角測量以及GPS輔助控制三角測量相比，不但節約了很大的費用，同時還極大地提高了生產效率。單獨直接定向的缺點在于：缺少了多余觀測，計算過程中如出現了采用了錯誤的GPS基站坐標之類問題，都將直接影響最終的結果。此外，由于幾何模型、系統誤差和解算數據相關性的影響，直接傳感器定向所能達到的精度仍然難以滿足大比例尺測圖的需要。

（2）集成傳感器定向。

即POS輔助航空攝影測量。通過將GPS/IMU系統獲取的外方位元素作為帶權觀測值引入光束法區域網平差中，以獲取高精度影像定向參數和目標點的空間坐標，實現大幅度減少地面控制點的數量。POS輔助空三加密中，雖然不可避免空中三角測量和加密點量測，但是也具有更好的容錯能力和更高的精度。引入的數據能夠作為初始值提高自動匹配的準確與效率，只需加入少量地面控制點同樣提升了生產效率和降低成本。

以上兩種方式的結果精度差別較大。POS輔助航空攝影測量中加入控制數據聯合平差，精度和穩定性較強。直接傳感器定向主要適用于小比例尺測圖，或對自然災害頻發區、國界及爭議區、自然條件惡劣區等難以開展地面控制測量工作的地區。但是直接定向法條件是需要利用檢校場飛行處理消除POS系統誤差、精確的解求外方位元素。同時檢校數據也會對POS輔助航空攝影的處理精度有所提高。

2.3 檢校參數

要通過原始數據得到外方位元素，還需要量測偏心分量，對于線元素有GPS天線到航攝儀攝影中心的偏心分量和IMU單元到航攝儀攝影中心的偏心分量。目前市面上成熟的數碼航攝儀都提供了偏心量測參考點，由GPS天線到攝影中心用卷尺量測精確到厘米級，內置型IMU與航攝儀攝影中心的偏心參數可以出廠測定精確到毫米。

檢校中我們關注的重點是Boresight角，也就是視準軸誤差。IMU單元記錄的姿態角為IMU本地坐標系在導航坐標系下的橫滾角，俯仰角及航跡角（Roll，Pitch，Heading），而攝影測量中外方位角元素j，w，k為物方坐標系旋轉到像空間坐標系的3個旋轉角，相應軸間的很小夾角即為Boresight角。除了坐標系變換外，具體體現在設備的出廠尺寸和工藝的偏差，安裝IMU時螺絲的松緊，設備間的接縫及劇烈的震動也都可能導致角度有微小不同。所以如經過IMU拆裝、非正常的劇烈震動等情況，也需要重新檢校計算Boresight角。通過一定的檢校流程，使經過檢校場飛行、外業控制和空三加密平差的過程，最終解算出本航攝儀POS系統的Boresight角，來提高POS系統攝影測量中對地目標定位精度。解算軟件使用Applanix公司的POSPac軟件中的CalQC模塊。

3. 實施過程

3.1 檢校飛行

檢校場選在城區，面積為4平方公里，地形高差小于50米。在本檢校場飛行兩次，分別獲取0.1m和0.16m地面分辨率成果。其中0.1m數據航線覆設方向為東西向覆設4條，相對航高1200米；0.16m數據覆設方向為南北向覆設2條航線，相對航高1800m。

航空攝影前在檢校場地面布設了17個地標點，整個測區均勻分布，布設在周圍無遮擋的平地確保影像中可見，尺寸為60cm*60cm的十字標，足以滿足內業判讀。

航攝儀為UltraCamLp，配套POSAV 510系統。使用Trimble R6雙頻GPS架設在檢校場附近的已知基站上，采樣間隔為1s。機載GPS采樣間隔為1s，IMU采樣頻率為200hz。

機載設備開機后靜態同步觀測5min，然后起飛作業。到測區前做8字飛行來激活IMU，防止長時間直線飛行造成精度下降，然后對準基站點平飛進入，作業中要求飛機轉彎時傾斜角度不大于20°。作業完成后對準基站點平飛退出，等飛機落地停穩后仍需繼續觀測5min。

3.2 外業控制

航片沖印后，外業實測地標點并增加部分檢查點。像控點測量采用GPS網配合GPS高程測量。通過GPS網聯測像控點和3個B級GPS控制點，獲取像控點平面坐標。采用區域似大地水準面模型插值改正獲取像控點高程。

3.3 數據解算

在POSPac軟件中CalQC模塊中進行檢校計算。原始數據為機載IMU數據，轉換為標準RENIX格式的基站數據。需加入的附加參數有基站坐標、控制點檢查點坐標、偏心分量、相機參數，將處理后的TIF影像導入軟件并生成金字塔影像

在影像中量測控制點和檢查。在設置航片時要注意kappa角偏移量是否與航攝儀統一。反復平差解算得到符合精度要求的參數。

4. 結論

檢校結果的Boresight角為-12.913′，5.018′，-3.337′。未加入Boresight角與加入Boresight角后某測區1：10000成圖航空攝影直接傳感器定向檢查點中誤差見表1。結果證明經檢校的相片外方位元素可用于正射影像的制作和對精度要求較低的對地目標定位中。

參考文獻：

[1] 袁修孝.機載POS系統視準軸誤差效驗[N].武漢大學學報（信息科學版），2006—12.

[2] 袁修孝.GPS輔助空中三角測量原理及應用[M].北京：測繪出版社，2001.

[3] 李學友，趙榮軍，李英成，等.IMU/DGPS 輔助航測技術在大比例尺航測成圖中的應用[J].測繪科學，2006，vol1.

[4] 趙海濤，左正立，房成法，王光.POS輔助UCD航空攝影測量直接地理定位精度分析[J].測繪信息與工程，2008，33（3）.

[5] 龍?？?，曾慶友，吳珊.POS系統在空三加密中的應用與分析[J].城市勘測，2011，（5）.

[6] 郭如寶. 淺談UCE數碼航攝儀在國家基礎航空攝影項目中的應用[J]. 西部資源， 2014（4）：138-140.