基于高精度POS的倾斜航摄光电吊舱

作者：洪勇、曹君、郭晟、李大军

（js1996金沙线路检测信息技术股份有限公司，武汉430233）

摘要：本文从技术实现的角度，结合军事目标侦察、航空测绘、数字城市三方面应用需求，讨论了一种基于直接地理参考定位技术，侦察测绘功能于一体的倾斜航摄光电吊舱。该吊舱基于高精度定位定姿系统（POS），通过集成双轴伺服稳定平台、大面阵航摄相机、倾斜航摄相机、高清摄像机等设备，配备相应处理软件，同时具备侦察目标高精度定位、大比例尺航空测绘、数字城市快速建模三项能力。初步试验结果显示，当飞行高度为1000米时，目标实时定位精度优于6.5米，正射影像后处理定位精度优于0.3米，倾斜影像后处理定位精度优于0.5米。

关键词：组合导航、光电吊舱、倾斜摄影、测绘

中图分类号：P23 文献标志码：A

An Oblique Aerial Photogrammetry Optoelectronic pod Based on High Precision POS

HONG Yong, CAO Jun, GUO Sheng, LI Da-jun

(LEADOR Spatial Information Technology Corporation, Wuhan 430233 ,China)

Abstract: From the view of technique, and combining with three aspects of application requirement——military reconnaissance, aerial mapping, and digital city, an oblique aerial photogrammetry optoelectronic pod based on direct georeferencing positioning technology and Integrated reconnaissance and mapping functions are discussed. Through the integration of biaxial servo stabilized platform, large array aerial camera, oblique aerial equipment, HD video camera, and equipping with corresponding processing software, the pod which is based on high precision positioning and orientation system (POS)has the ability of reconnaissance localization with high precision, large scale aerial surveying, and rapid modeling digital city. Preliminary experiments showed that, when the flying height is 1000 meters, the real-time target localization accuracy is better than 6.5 meters, ortho image post-processing positioning accuracy is better than 0.3 meters,oblique image post-processing positioning accuracy is better than 0.5 meters.

Key Words: integrated navigation,optoelectronic pod,oblique photography,mapping

1引言

地理信息技术发展日新月异，在国防安全、国情监测、数字城市建设等领域形成广泛应用，各领域用户对地理信息要素的几何精度要求越来越高、更新速度要求越来越快、成果应用及展现方式越来越多样化，涉及的专业学科不断交叉、应用需求也不断融合。

为探索直接地理定位技术对目标进行实时高精度定位可行性，解决侦察目标高动态感知与目标高精度定位、航测设备高精度与设备小型化、数字城市建设对数据多样性三个方面存在的问题，开展了基于高精度定位定姿系统（POS)的倾斜航摄光电吊舱研制工作。

基于高精度POS的倾斜航摄吊舱通过在同一飞行平台上搭载多台传感器，同时从一个垂直、四个倾斜五个不同的角度采集影像，将用户引入了符合人眼视觉的真实直观世界。航空倾斜影像不仅能够真实地反应地物情况，而且可通过先进的定位技术，嵌入精确的地理信息、更丰富的影像信息、更高级的用户体验，扩展遥感影像的应用领域，使遥感影像的行业应用更加深入。

图1倾斜航空摄影示意

Fig.1 Sketch map of oblique aerial photography

2基于高精度POS的倾斜航摄光电吊舱总体设计

该吊舱采用两轴两框架（方位和横滚）结构布局，整体为球形，使系统具有更好的气动外形。转塔从结构上分为：安装减震组件、方位组件、横滚组件、POS组件、相机组件和控制组件。同时，为满足倾斜航摄及装机要求，在结构上进行了分窗优化设计，使整个光电转塔的直径减小为φ380mm，整机重量不超过30千克。外形及组成如图2所示。

图2斜航摄光电吊舱组成图

Fig.2 Component diagram of oblique aerial optoelectronic pod

为满足侦测一体的技术要求，吊舱的伺服稳定及跟踪控制支持电气锁止、惯性空间稳定、导航空间稳定以及瞄准线稳定四种工作方式，系统信号流程如图3所示。在地面背景条件复杂、目标成像易受太阳光照、飞行平台的大幅机动、目标被其它物体短时间遮挡等情况下。引入基于POS辅助的直接地理定位提高系统跟踪性能，在不需要大幅增加硬件成本的同时，对目标进行准确的实时定位及状态预测，提高复杂背景下抗干扰性和鲁棒性能。

图3系统信号流程图

Fig.3 Flow chart of system signal

关键件选型上，选用高精度光纤POS,航向精度优于0.005度，水平姿态精度优于0.003度，位置精度优于5厘米，速度精度优于0.005米/秒。

选用8000万像素CCD相机作为航摄影像获取手段，在航高1000米条件下，正射影像地面分辨率优于0.1米；倾斜影像地面分辨率为0.1~0.3米（梯形长短边影响）。

同时，为满足瞄准线稳定跟踪，选用40万像素标清视频摄像头作为观测手段。

倾斜航摄光电吊舱的应用在很大程度上以来数据处理平台的支持。在数据处理平台上，集成POS数据处理软件、POS辅助空三平差标校软件，倾斜影像快速自动建模软件以及空地一体数据应用云平台，满足用户从数据获取、数据处理、数据提取、数据应用、数据管理一系列需求，软件模块组成如图4所示。

图4倾斜航摄光电吊舱配套软件

Fig.4 Corresponding Software of oblique aerial photoelectric pod

3、GNSS/IMU组合导航模型与系统误差检校

直接地理参考定位本质上是传统空中三角测量的延续，传统的航摄影像外方位元素由地面控制点给出，处理复杂困难，而由于传感器设备精度的提高，可以直接由POS提供航摄影像外方位元素，进而可以直接进行空中三角测量，省去了传统方法布设控制点的过程。直接地理定位的优势是不需要对整个测区量测连接点和控制点，直接地理定位的精度主要由POS提供的位置姿态误差以及POS/光学载荷标校误差决定。

图5直接地理定位工作原理

Fig.5 Working Principle of direct georeferencing

3.1GNSS/IMU组合导航误差模型

3.1.1考虑标度系数、安装误差和GPS杆臂误差后的状态模型

结合实际应用条件，建立了包含陀螺和加速度计标度系数误差、安装误差以及杆臂误差的33维SINS/GPS组合导航系统方程，由于旋翼平台框架角变化较小且指向相对恒定，因此为简化误差模型，未引入框架角误差补偿：

（1）

式中系统矩阵

33维状态向量：

其中，为姿态误差、为速度误差、为位置误差，为陀螺随机漂移估计，为加速度计常值偏置误差，、分别为陀螺、加速度计标度系数和交叉耦合误差。

3.1.2量测模型

考虑到实际应用条件卫星信号观测条件良好，因此，未引入GNSS速度、伪距及伪距率作为量测更新，仅采用补偿杆臂值的GNSS位置作为观测量。位置误差测量方程为

（2）

对应的位置量测矩阵为

（3）

其中，

RM，Rn为地球长短半轴，L为当前时刻纬度，h为航高，l为杆臂值。

3.2高精度POS辅助空中三角测量误差模型

系统集成时，GPS（BD）天线、IMU与航摄仪投影中心存在着偏心分量，IMU轴线与航摄仪轴线存在着偏心角，采用空三方法计算出每张像片的外方位元素，含投影中心的位置和姿态角(Φ ,ω,κ)。

传统自检校区域网光束法空中三角测量的共线方程数学模型为：

(4)

(5)

式中:

为像点像平面坐标和相应改正数；

X,Y,Z为物点在地面坐标系中的物方空间坐标；

为像片外方位线元素，即航摄仪投影中心地面坐标系中的空间坐标；

(i=1,2,3)为像方空间坐标系相对于物空间坐标系的旋转矩阵的各元素，是像片外方位角元素 的函数；

为航摄仪内方位元素，分别代表像主点像平面坐标以及标称焦距；为航摄仪内方位元素的改正数；为附加参数的影响。

将POS系统获取的外方位元素数据作为初始值，作为带权观测值参与摄影测量区域网平差，考虑到POS测得外方位元素与摄站外方位元素转换，上述公式可以表述成:

(6)

(7)

其中，代入POS位置测量值：

(8)

代入POS姿态测量值：

(9)

其中，XIMU,YIMU,ZIMU,以及VXIMU,VYIMU,VZIMU为IMU中心在地面坐标系中物方空间坐标及改正数；

,，,以及,,,为载体坐标系与地面坐标系间旋转矩阵元素及改正数；为相机坐标系与地面坐标系间的旋转矩阵；D为到转换的旋转矩阵；T为从旋转矩阵中提取单个角度的变换；，，为IMU到航摄仪间的偏心分量；,,为偏心角；,,为从相机坐标系到载体坐标系偏心角转换旋转矩阵。

除测量位置数据以外，姿态数据存在常值偏差、漂移误差，标校后的相机主点仍存在误差（会导致可补偿的线元素偏差）。因此POS辅助空三平差基于如下模型:

(10)

4系统标定与测试

4.1基于高精度控制场和转台的室内一体化标定

系统标定是保证吊舱精度的关键环节，标定精度决定了机载条件下的目标定位精度。为保证设备内外方位参数准确有效，采用高精度室内控制标定场与高精度三轴位置速度转台相结合的方式，对相机内外参数进行一体化标定，直接获取相机镜头畸变、相机主点、主距内方位参数，以及POS/相机安装视准轴误差、线元素偏差。

图6室内高精度控制场一体化标定

Fig.6 Integrated calibration in high precision indoor control field

4.2外场塔吊测试

塔吊试验场用于测试室内内外参数一体化检校成果，航测检校场布置图如图7所示。测试时，光电吊舱设备距离地面40m，并通过进行机动动作，进一步提高动态摄影测量精度。

图7外场塔吊检校场的布置图

Fig.7 Layout of tower crane calibration field outside

5试验结果

本文所选用的影像为实际飞行数据，飞行区域贵州金阳，相对航高1000米，测试面积307平方公里，总计30个航时，数据采集历时6个月。正射影像单幅画面覆盖范围：976m×734m，分辨率0.1m ；倾斜影像单幅画面覆盖范围：1729m×806m（梯形长短边），分辨率0.1m~0.3m（梯形长短边）。

检校场区域分别均匀选取20个地物特征点为控制点，并进行坐标量测，输出控制点XIAN80平面坐标与WGS84椭球高程数据。经过软件解算，控制点平面中误差为0.38cm，高程中误差为0.49cm。

图8飞行区域及控制点分布

Fig.8 Flight region and distribution of control point

经过室内一体化标定及室外塔吊进行了系统误差检校，并且进行直接对地定位，精度统计情况如表1所示：

表1精度统计

Ta.1 The precision statistics

正射影像精度统计-实时目标侦测精度
	中误差（m）	残差平均值(m)	最大残差(m)
X	0.457	-3.256	3.759
Y	0.573	-4.211	-4.862
平面误差	0.733	5.323	5.438
高程误差	0.438	5.675	6.417
正射影像精度统计-后处理精度
	中误差（m）	残差平均值(m)	最大残差(m)
X	0.089	-0.001	0.176
Y	0.073	-0.004	-0.147
平面误差	0.115	0.106	0.177
高程误差	0.137	0.057	0.376
倾斜影像精度统计-实时目标侦测精度
	中误差（m）	残差平均值(m)	最大残差(m)
X	0.638	3.453	4.352
Y	0.507	-4.394	-5.586
平面误差	0.815	5.588	6.372
高程误差	0.409	6.188	6.543
倾斜影像精度统计-后处理精度
	中误差（m）	残差平均值(m)	最大残差(m)
X	0.117	0.254	0.476
Y	0.051	-0.126	-0.447
平面误差	0.128	0.284	0.563
高程误差	0.309	0.188	0.476

由表1统计情况可以看出，正射影像后处理中误差精度优于0.15米，倾斜影像后处理中误差精度优于0.3米，可以满足1:2000比例尺测图及建筑物纹理自动映射要求。倾斜影像存在0.3米残差平均值，主要由于倾斜相机为非量测型相机，POS和倾斜相机安装失准角存在一定的标校误差。

实时目标侦测精度优于6.5米，实时目标侦测误差主要由POS实时位置和姿态误差导致。由于POS采用单点定位模式，其位置误差为3∽5米，实时航向精度0.015度，姿态精度0.005度姿态误差，如需进一步提高实时目标侦测精度，可采用长基线差分和动态精密单点技术进行辅助（需要机载数据链支持），可使POS位置精度优于1米，实时航向精度提高至0.01度，实时目标侦测精度有望提高至3米。

6结论及展望

利用高精度室内摄影测量控制场和高精度三轴转台对光电吊舱进行一体化标定，并基于室外塔吊控制场进行了参数优化，标定参数具有较好的稳定性（免标定周期12个月），与传统在测区附近预先布设控制点的方案相比，减少了设备后期标定维护工作量，具有很好的工程应用推广价值。

同时，探索了基于高精度POS进行目标直接定位的技术路线，实现了目标识别、惯性空间坐标保持两种目标跟踪模式，验证了POS与相机固联进行实时目标高精度定位的技术可行性，实时目标定位精度优于6.5米，对于提高SAR、红外、高光谱等传感器的目标定位精度具有一定的参考意义。

基于高精度POS的倾斜航摄光电吊舱安装操控简单,具备航向、横滚两轴稳定，体积小重量轻，具备良好的飞行平台适应性。经过实际飞行测试，能够在无需布设控制点的情况下，实现了1:2000大比例尺航摄数据采集，并基于倾斜影像对城市进行三维自动化建模，该成果已经服务于数字城市建设，获得了良好的用户反馈。

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