摘要：20世纪90年代以来，GPS全球定位技术在空中三角测量方面得到了非常广泛的应用，充分展示出了导航技术在测绘领域的应用优势。但是GPS全球定位技术存在着无法获取像片的姿态参数，对于外业像控制点过于依赖的问题，这对GPS全球定位技术的进一步推广和应用造成了很大的阻碍。随着航空航天科技技术的进一步发展，航空摄影测量技术和惯性导航技术在航空摄影测量中得到越来越广泛的应用，POS辅助航空摄影技术开始得到广泛推广应用，POS系统能够实现直接定向测图，摆脱了对地面控制点的依赖，是航空摄影理论与实践的重大研究成果。但是机载POS系统辅助航空摄影在工作过程中会存在一定的误差，对POS系统的性能产生非常大的影响，所以我们有必要对航空摄影测量中POS系统的误差问题进行分析，以便做出更好的处理办法和应对策略。
关键词：航空摄影测量；POS系统；误差
1、卫星导航系统误差
自GPS全球定位技术应用于测绘领域以来，就凭其观察时间短以及定位精度高等优势获得了广泛的应用，但是由于GPS全球定位技术存在着无法获取像片的姿态参数以及对像控点依赖加强等问题，限制了GPS全球定位技术的进一步推广和应用，GPS全球定位技术的误差是影响定位精度的主要因素，引起卫星导航系统误差的因素主要包括卫星时钟误差、卫星星历误差、接收机设备误差、电力层与对流层折射误差以及多路径效应误差等。
卫星时钟误差和卫星星历误差是与GPS卫星关系较大的误差类型，GPS全球定位系统在工作过程中主要依靠卫星信号的传播时间来进行距离的测量，所以一旦卫星时钟出现误差，测距工作就会出现误差[2]。在GPS全球定位系统中，只有各个卫星时钟之间相互同步，并且与地面站的时钟同步才能够达到准确的测距数据，但是在具体的计时过程中很难保证各个时钟之间的绝对同步，即使使用原子时钟也会存在漂移现象，出现一定的误差。由GPS卫星星历所提供的卫星空间位置与实际位置之间存在的误差称之为卫星星历误差，由于地面监控站在向卫星注入星历数据时，会受到卫星测量以及卫星摄动因素等影响，这些因素会造成卫星星历中存在一定的误差，并且误差很难消除。
时钟误差属于GPS全球定位系统的接收机设备误差类型，时钟误差会对GPS全球定位系统的精度造成很大的影响，一般情况下，接收机时钟与卫星时钟之间每出现1s的误差，那么由这个误差所就能够引起上百米的测距误差，在测距要求的精度比较高的情况下，我们一般都会采用外接铷、外接氢等原子时钟，这样能够大大降低时钟误差对测量精度的影响。
电离层与对流层折射误差和多路径效应误差属于GPS信号传播方面的误差，卫星是以电磁波的形式与地面控制中心进行联系的，电磁波在传播过程中，必须要经过电离层和对流层，这时就会是电磁波产生一定的折射，出现延时误差。所以需要建立电离层与对流层的模型，对延时误差进行纠正。多路径效应误差指的是电磁波到达接收机过程中经过不同路径如山地、盆地、建筑物等时产生的误差，造成较大的测距误差出现。
2、惯性导航系统误差
对POS系统的惯性导航系统误差进行分析能够对POS系统的工作情况和器件质量进行评价，针对各种问题做出相应的决策。POS系统的惯性导航系统误差主要包括初始对准误差、IMU仪表误差以及计算误差与运动干扰误差等。
POS系统的惯性导航系统在进行导航解算之前要进行初始对准操作，在进行初始位置和初始速度输入时，可能会存在一定的误差，叫做初始对准误差。POS系统的初始对准能够为后续导航解算提供数学基准，所以为了获得更加准确的导航解算数据，必须减少初始对准误差的出现。POS系统的惯性器件陀螺和加速度计引起的误差称之为IMU仪表误差，包括静态误差和动态误差，由于POS系统的载体机动对惯性器件影响所产生的误差为动态误差类型，这种动态误差类型也是POS的惯性导航系统产生误差的主要原因，为了减少动态误差的出现，我们需要建立合适的模型。数字量化误差、计算过程中出现的舍入误差以及参数设置误差等都属于计算误差，由冲击和振动所引起的误差属于运动干扰误差。计算误差和运动干扰误差也是导致POS系统出现误差的主要因素，所以必须想办法消除这些误差，达到更高的精度。
POS惯性导航系统的误差是引起POS系统出现误差的重要因素，消除POS惯性导航系统误差是POS系统获取高精度姿态的关键因素，所以我们一定要加强精确的数学模型的研究，以便在计算过程中获得更加准确的数值。
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3、航空摄影过程中POS系统内部不同信息源导致的时间同步误差
一般来说，POS系统的输出频率与IMU数据的输出是相同的，在航空摄影的过程中，POS系统负责接收航拍摄像机的曝光脉冲，记录该时刻的jt，但是在工作过程中经常会遇到POS系统输出时刻it与航摄设备jt不同步的现象。飞机在进行航空摄影时需要保持匀速飞行，POS系统能够通过线性内插的方式得到导航参数，由于受到种种因素的影响，飞机在进行航空摄影时很难保持匀速飞行，这时就会出现一定的误差，我们称之为时间同步误差。航摄飞机在短时间内的速度不会出现较大变化，如果线性误差内插误差控制在POS系统输出的1%以内，那么时间同步误差仅为0.3cm左右，这一误差几乎可以忽略不计。
4、POS系统在航空摄影中的应用需求分析
4.1航空摄影对POS系统的应用要求
无论是光学摄影成像、扫描成像还是雷达测距都对POS系统提出了非常苛刻的精度要求。不仅要求POS系统在较短的成像周期内具有很高的绝对精度和相对定位精度，同时某些成像载荷对姿态测量误差更为敏感。
4.1.1IMU器件是POS系统测量姿态角的关键器件，一般来说，IMU测角中误差精度要求：横滚角和俯仰角误差不得大于0.01°，航向角误差不得大于0.02°，记录频率要高于50Hz。所以目前只有精密级惯性器件（陀螺偏移小于0.001°/h）符合要求。
4.1.2差分GPS接收机是POS系统高精度位置获取的主要器件，机载GPS天线安装在航空飞行载体外表面，必须保证其在高机动情况下地正常工作；航空摄影数据需要厘米级的定位精度，故GPS接收机采用高精度动态载波相位差分模式，其基站GPS接收机一般在100km范围内；GPS最小采样间隔一般在1s以内。
4.1.3POS导航计算机是POS系统完成导航解算，输出运动参数的主要部分，其电源系统应满足航摄作业期间无间断供电，导航计算机能够实时记录和存储航摄作业所有IMU数据、GPS数据及其它必要数据。
4.1.4具有同步时间信号时标输入接口，能够将航摄相机快门开启脉冲（即曝光时刻）通过接口准确的传入POS系统，与POS系统进行时间对准，减小时间同步误差的影响。
4.2POS系统在航空摄影中的应用方案对比分析
从POS系统组成可以知道，POS系统本质上是航空摄影应用中的高精度GPS/INS组合导航系统。但是它与导航中的GPS/INS组合系统又有所区别，GPS/INS组合系统主要用于航空、航天、海洋中的运输载体导航定位，它必须实时提供载体的定位信息，完成载体的航行任务；POS系统应用航空摄影主要完成对地球表面的地形、地貌进行摄影定位，因为一段时间内该摄影地区的定位信息不会发生重大变化，因此可以在实时定位的基础上，再对导航信息进行一次离线事后处理，没有时间的限制，综合各方面的信息，能够获得比实时更好的定位精度。
因此针对POS系统辅助航空摄影应用，目前主要由两种应用方案：实时融合与事后处理。实时融合是在航空摄影同时将IMU与DGPS进行实时融合，对POS系统的器件要求比较高；事后处理是在航空摄影同时将IMU与DGPS数据进行存储，利用离线处理算法对保存数据进行信息融合，因为没有时间的限制，可以采用一些耗时但精度较高的算法对其融合处理，能够获得较好的精度。因此，在POS系统的应用和数据处理中，要根据POS系统在不同的应用阶段，设计不同的技术处理方案来完成POS系统辅助航空摄影的任务。
5、结语
在航空摄影测量中，POS系统出现误差的原因有很多种，误差的出现会引起测量结果出现很大的误差，所以在使用POS辅助航空摄影技术进行操作时，一定要对可能出现的误差进行充分分析，并采取各种措施消除或者降低各种误差的出现，获得更加准确的测量结果。
参考文献：
[1]马永健.浅谈POS辅助航空摄影测量技术及应用[J].科技创新与生产力，2017（4）：89-90.
[2]朱正荣.航空摄影测量中POS系统误差分析及应用研究[J].科技创新导报，2014（2）：15-18.
[3]阿裕林.航空摄影测量中POS系统高精度定位技术的探讨[J].地球，2015（12）：143-144.
论文作者:杜冲1,孙恺2,张衍伟3,赵云昌4,刘建明5
论文发表刊物:《基层建设》2020年第2期
论文发表时间:2020/4/30
标签：误差论文; 系统论文; 航空论文; 测量论文; 精度论文; 时钟论文; 惯性论文; 《基层建设》2020年第2期论文;