完整版GNSSINS 组合导航在航空遥感中的应用测绘工程毕业论文.docx

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完整版GNSSINS组合导航在航空遥感中的应用测绘工程毕业论文

毕业设计[论文]

题目：

GNSSINS组合导航在航空遥感中的应用

学院：

测绘工程学院

专业：

测绘工程

姓名：

张铁棒

学号：

指导老师：

李军杰

完成时间：

2014年5月4日

摘要I

ABSTRACTII

第一章绪论1

1.1引言1

1.2课题的背景及意义2

1.2国内外研究现状3

1.3本文的主要研究内容5

第二章GPSINS组合导航系统基本原理6

2.1差分GPS基本原理6

2.1.1差分GPS定位原理7

2.1.2GPS系统定位误差来源及分析7

2.2INS基本原理9

2.2.1常用的导航坐标系9

2.2.2INS原理、模型10

2.3组合导航系统基本原理12

2.4GPSINS组合导航的优势13

2.5GPSINS组合导航的组合模式14

2.5.1组合模式概述14

2.5.2非耦合组合14

2.5.3松散耦合组合15

2.5.4紧耦合组合16

2.5.5超紧耦合组合19

第三章GPSINS辅助航空摄影测量的方法21

3.1GPSINS直接定向法21

3.1.1GPSINS直接定向概述21

3.1.2GPSINS直接定向的原理21

3.1.3GPSINS直接定向精度评估22

3.2GPSINS辅助空中三角测量法22

3.2.1GPSINS辅助空中三角测量概述22

3.2.2GPSINS辅助空中三角测量的原理23

3.2.3GPSINS辅助空中三角测量的精度评估24

3.2.4GPSINS辅助航空摄影测量的主要误差源25

第四章GPSINS组合导航在航空摄影测量测量中应用28

第五章结论32

参考文献33

致谢35

摘要

传统的航空摄影测量都需要使用地面控制点并通过空三加密求解像片的外方位元素。

尽量减少乃至摆脱对野外控制点的依赖，是摄影测量的重要研究课题。

随着全球定位系统GPS使用的不断成熟以及惯性导航系统INS成本的降低。

GPSINS组合系统被引入摄影测量。

由于GPSINS辅助航空摄影测量能直接给出航摄仪曝光瞬间的外方位元素，因此将大量减少甚至完全免除野外控制点，从而大大提高航空摄影测量的效率，同时也带来很大的经济效益。

本文主要论述了差分GPS基本原理、惯性导航系统（INS）基本原理及GPSINS组合导航基本原理；着重分析了组合导航的组合模式。

在此基础上对目前GPSINS辅助航空摄影测量的两种主要使用方法，即GPSINS辅助空中三角测量法和GPSINS直接定向法进行论述。

最后，该文简单介绍了GPSINS组合导航在航空摄影测量中的应用，并对数据结果进行分析评价，得出结论。

关键词:

差分GPS,惯性导航系统，GPSINS组合导航系统，直接定向，GPSINS辅助空中三角测量

ABSTRACT

Traditionally,thegeocodingorgeoreferencingissolvedindirectlyapplyinganumberofwellknowngroundcontrolpoints.Inclassicalphotogrammetrythistaskissolvedwithaerialtriangulation（AT）formultipleimages.Tryshakeoffthedependentofgroundcontrolpointsinvolvedinphotogrammetricmappingtheimportantsubjectofextensiveresearchoverthepasttime.WiththeavailabilityoftheGlobalPositionSystem（GPS）andwiththedecreasingcostsofinertialnavigationsystem（INS）,theintegratedGPSINSusedinaerialphotographyandremotesensing.PerformanceofintegratedGPSINSsysteminaerialphotographyandremotesensingallowsthedirectmeasurementofthepositionandattitudeparametersofthesensorstationsduringthetimeofexposure,soitenablesavarietyofmappingproductswithminimalgroundcontrol,evenwithouttheuseoftraditionalgroundcontrol.UsingintegratedGPSINSsystemsmanyapplicationscanberealizedmoreefficientlyandeconomically.

ThispapermainlydiscussesthedifferenceofGPSbasicprinciple,theprincipleoftheinertialnavigationsystemandbasicprincipleofGPSINSintegratednavigation,andfocusesontheanalysisofthepatternofintegratednavigation.OnthebasisoftheGPSINSsupportedphotogrammetrytwomainmethodofuse，namelyGPSINSsupportedaerialtriangulationmethodandtheGPSINSdirectmethodarediscussed.Finally,thispaperintroducestheapplicationofGPSINSintegratednavigationinaerialphotogrammetry,andanalyzesandevaluatestheresults,andcometotheconclusion.

Keywords:

DifferentialGPS,InertialNavigationSystem（INS）,IntegratedGPSINS

System,GPSINS-assistedAerotriangulation,DirectGeoreferencing

第一章绪论

1.1引言

摄影测量最基本的任务之一就是利用立体像对上每对同名像点的投影光线进行交会，获得对应地物点的空间坐标。

为了得到正确的交会结果，必须恢复摄影影像上每一条投影光线在摄影时刻的空间位置与方向，而其空间位置与方向是由航摄仪的内方位元素和摄影时刻的外方位元素所决定的。

解求摄影时刻航摄仪内、外方位元素的过程分别称为内定向和外定向。

内定向可以通过航摄仪鉴定来完成，外定向则要用其它更复杂的技术途径来解决。

传统航空摄影测量都需要使用野外控制点（FCPs:

Fieldcontrolpoints）并通过空三加密求解外方位元素，而野外控制点的测量历来是一项工作量大、作业成本高的测量过程，特别是在荒漠、森林、高山等困难地区更是如此。

因此，尽量减少野外控制点数量、甚至实现无野外控制点定位一直是摄影测量的重要研究方向之一。

为此，人们一直试图在航空

摄影飞行过程中记录或确定航摄仪的位置和方向，并利用这些定向数据实现航摄像片的绝对定向。

我国著名学者王之卓院士早就提出“人们将努力摆脱地面控制，设计一种不需要在地面上进行测量而进行摄影测图的系统”的基本思想。

在对前期的一些航空摄影辅助定位设备（如测高仪等）研究的基础上，结合全球定位系统和惯性导航系统的发展，王之卓院士又提出“对今后空中三角测量特别有前途的将是对惯性量测系统（ISS）和全球定位系统（GPS）等辅助数据的利用。

近20年来，全球定位系统（GPS）的精度大大提高，同时惯性导航系统（INS）在精度不断提高的同时成本也在不断降低。

GPS和INS性能的互补性和客观应用的需要，促使两者走向了一起;而计算机技术的迅速发展，提供了运算速度高、存储量大的机载计算设备，为组合系统的发展创造了一个很好的技术条件;现代控制理论的成就，特别是最优估计理论的数据处理方法，为组合系统提供了理论基础。

GPSINS组合系统的出现为各种导航与制导需求提供了强大的技术支持，也为无地面控制的航空摄影测量与遥感的实现提供了可能。

组合系统在空中测得的位置数据和姿态数据，经过校验和预处理之后，可以直接给出传感器曝光瞬间的外方位元素，从而部分乃至全部摆脱传统摄影测量对地面控制点的依赖。

这样一来，几十年来在摄影测量学中间接确定像片定向参数的方法便将被彻底改变，从而引起摄影测量理论和技术的重大飞跃。

1.2课题的背景及意义

目前，基本比例尺地形图的测制全部是利用摄影测量方法完成的，从测图过程讲，摄影测量主要分为控制测量、地物地貌采集及编辑三大工序。

作为摄影测量重要组成部分的控制测量，担负着为地物地貌采集提供其必需的像片控制的任务。

控制测量由野外控制测量和室内计算机加密两个步骤共同完成。

导航是将航行体从起始点导引到目的地的技术或方法；能够向航行体的位置、速度、航向等即时运动状态的系统称为导航系统。

GNSS（全球导航卫星系统）包括美国的GPS、俄罗斯的GLONASS、欧洲的Galileo系统和中国的北斗卫星导航系统COMPASS。

GNSS是全球、全天候、多功能、高精度、实时的卫星导航系统，由于其导航定位的全球性和高精度，使之成为一种先进的导航系统和设备。

但是GNSS接收机的导航测量值噪声相对较大、信号易受干扰、在一些场合使用信号会被遮挡，不能为载体提供连续不断的导航信息。

INS（惯性导航系统）是利用惯性敏感器（陀螺仪和加速度计）测量得到的载体运动的角速率和加速度，依据惯性定律计算载体位置、速度、姿态等运动参数的装置或系统。

也就是说惯性导航是利用惯性敏感器件的测量信息来计算航行体位置、速度和航向的导航方法。

由于惯性导航具有高度自主性、抗干扰性、高的短期精度、高的数据输出率、完备的导航信息、适应范围广等特点，在航空航天航海和许多民用领域得到了广泛的应用，成为目前应用于各种导航体上的一种重要导航手段。

其主要缺点是导航定位误差随时间积累，因而难以长时间的独立工作。

解决这一问题的主要途径有两种，一种是提高惯导系统（INS）本身的精度，另一种是采用组合导航技术。

提高惯性导航的精度主要依靠采用新材料、新工艺、新技术，提高惯性敏感器件的精度，或研制新型高精度的惯性器件或惯性仪表。

实践证明，这需要花费很大的人力和财力，且惯性敏感器件精度的提高也是有限的。

而组合导航利用两个或多个导航和测量系统的互补特性，在现有的敏感器或设备的基础上，利用导航误差不随时间积累的外部参考信息源，定期或不定期地对惯导系统进行综合校正和对惯性敏感器的误差进行补偿，以便产生一个比任何一个独立的分系统性能更好的集成系统。

它主要是通过算法和软件技术来提高导航精度的。

GPSINS数据在摄影测量中的应用非常广泛。

当用于传统框幅式航空相机时，通过对其数据的精确后处理，可以直接获取相机中心点在曝光瞬间的坐标位置及主光轴的姿态信息，从而实现无地面控制点或只需极少量地面控制点的航空摄影测量。

当同线阵CCD相机联合使用时，可以获取线阵图像连续变化的位置和姿态，这样可抛弃传统的多项式拟合方法，完成线阵CCD图像的准确定位。

若与高精度激光扫描仪集成，可实现实时三维测量，自动生成数据表面模型，并推算数字高程模型。

另外还可应用于SAR图像的精确几何校正。

因此，研究GPSINS辅助下的航空摄影及数据处理方法，对摄影测量的发展具有十分重大的意义，且推广应用前景广阔。

1.2国内外研究现状

在摄影测量中利用航摄仪定向数据的历史要追溯到60多年前。

芬兰最早将高差仪和地平摄影机观测数据用于相片纠正以减少所需的地面控制点。

不久，这些观测数据又被用于模拟航带空中三角测量以控制模型连接误差的二次累积。

二次大战以后，人们的注意力又开始转向使用空中断面记录仪（APR）。

但总的来说，这些航摄仪定向数据的实际效果是很有限的，其精度还不能达到可在仪器上直接安置的水平。

上世纪50年代，出现了机载无线电定位系统和惯性平台，然而，尽管这些装置集中了当时最先进的技术，但精度仍然不高且成本十分昂贵，未能在摄影测量实践中广泛应用。

此后与航摄仪定向数据的联合平差方面的研究进展缓慢，这主要是由于航空摄影辅助设备的类型比较单一且精度低而成本高。

此外还出现了多种高精度的机载导航设备，航摄仪定向数据的利用再度引起国际摄影测量界的高度重视。

从1984年Ackermann报道利用CPNS（计算机控制的像片导航系统）数据进行联合平差的实验结果起，Schwarz（1984）,Lucas（1986）,Ackermann（1986）,Friess（1986）,李德仁等（1989）先后报道了利用GPS数据进行区域网平差的模拟实验结果，从而在理论上对利用摄影机定向数据的区域网平差有了新的认识。

同时，由于全球定位系统、惯性导航系统的不断发展以及GPSINS组合技术的不断改进，20世纪80年代以来，美、英、法等国的一些主要惯性导航系统制造厂纷纷投入力量研制GPSINS组合导航系统。

美国霍尼韦尔（Honeywell）公司研制了激光陀螺惯性基准GPS组合系统一-GAINS，用于装备该公司的波音飞机。

法国SAGEM公司研制出用于ATL.2海上巡逻机的GPS和框架式惯性基准的组合导航系统ULISS-46，目的是为了改进战术导航性能。

美国费伦第（Ferranti）公司研制出为FIN3020战斗机所用的激光惯导和GPS组合系统，并将向欧洲战斗机提供。

此外，GPSINS组合系统将有可能在全世界范围内进行海上定位，在适当的气候条件和良好的卫星几何条件下近海定位可以达到5m的精度。

美国航天飞机的导航系统是以惯性导航为主的组合系统，在轨道段和下降段GPS系统能将定位精度分别提高1-2个数量级和1-4个数量级。

由于GPSINS组合系统还可广泛应用于航空重力测量、航空摄影测量和陆地交通道路测量等领域，因此引起了测量界的广泛兴趣，尤其是国内外对利用GPSINS组合系统进行像片控制测量的研究和使用非常重视。

20世纪90年代，一些发达国家意识到单靠GPS虽然能极大地减少控制点的数量，但是平面精度和高程精度仍显不足，且稳定性和可靠性难以得到保障;同时随着陀螺精度的提高且成本不断降低，开始将精密陀螺与卫星定位系统联合应用于航空摄影测量中。

德国斯图加特（Stuttgart）大学、德国IGI公司、美国俄亥俄州立大学（OhioStateUniversity）、加拿大Applanix公司、卡尔加里（Calgary）大学等相继开发研制了这类专用于航空摄影测量的导航设备，并作了大量的测图试验工作。

随着GPSINS组合精度的不断提高，使得GPSINS解算的外方位元素用于直接定向（DG）成为可能。

如美国俄亥俄州立大学研制了航空组合测图系统（AirborneIntegratedMappingSystem,AIMS）用于大比例尺测图，经过后处理可得到5-7cm的位置精度和小于10秒的方位精度。

采用此技术进行航空摄影测量可实现无需或只需极少数的地面控制点，对中小比例尺成图可不做空三（大比例尺成图时也只需做自动空三即可）。

欧洲摄影测量试验研究组织（OEEPE:

TheEuropeanOrganisationforExperimentalResearch）较早着手进行GPSINS辅助空中三角测量研究。

它们通过实验分别采用GPS辅助空三，直接定向法以及IMUDGPS辅助空三方法进行比较，验证各种方法所能达到的精度。

目前国际上使用比较成熟的商用GPSINS系统主要有两种，一种是加拿大Applanix公司的POSAV系统，还有一种是德国IG工公司的AEROControl。

Applanix公司于1996年生产其专用于航空系列产品POSAV系列，先后生产POSAV210,POSAV310,POSAV410和POSAV510,POSAV510系统中的IMU采用的是LittonLN200光纤陀螺和硅加速度计组成，但由于出口限制的原因，进入国内市场的是法国的SAGEM陀螺，采样频率250Hz。

实时位置精度0.5-2.0米，实时方位精度俯仰和倾斜0.008º航向0.05º。

后处理位置精度0.05-0.30米，实时方位精度俯仰和倾斜0.005º、航向0.008º。

IGI公司生产AEROcontrolIIb系统中IMU采用的是光纤陀螺和机械式加速度计，采样频率为64-256Hz。

后处理位置精度0.1-0.2米，实时方位精度俯仰和倾斜0.005º、航向0.008º。

两种GPSINS系统硬件主要包括:

惯性测量单元IMU、机载双频GPS接收机及高性能机载GPS天线、地面GPS接收机（基准站）、机载计算机以及存储设备。

软件包括差分GPS数据处理软件、Kalman滤波处理软件以及空三加密、检校计算软件等。

由于惯性测量技术，特别是陀螺仪生产技术相对比较落后，国内目前对定位定向在航空摄影测量和遥感上应用的研究还处在起步阶段，基本是引进消化国外比较成熟的设备。

2002年底，中国测绘科学研究院首次从德国IGI公司引进了高精度航空定位导航姿态测量系统AEROcontrol，并在河南省安阳市成功地进行了航空摄影测量实验。

此次实验的内容包括:

在12.5平方公里的平原地区进行航摄比例尺为1:

4000、成图比例尺为1:

1000的航测成图工作;在308平方公里的丘陵和平原地区进行航摄比例尺为1:

20000、成图比例尺为1:

5000的航测成图工作。

实验采用GPSINS航空摄影测量与常规摄影测量方法同时进行。

初步验证了GPSINS系统的精度，探索出了适合我国国情的GPSINS航空摄影测量方法和流程。

近两年，中科院上海技术物理所、中科院遥感应用所、中科院电子学所、武汉大学遥感信息工程学院、太原通用航空公司、西安国测航摄遥感有限公司等单位也相继引进了加拿大Applanix公司的POSAV系统并进行了相应的试验和生产，取得了一些相关成果。

但要将GPSINS组合系统大规模用于基础航空摄影测量并形成一套比较完善的工作和工艺流程还需要进一步探索总结。

1.3本文的主要研究内容

本文首先论述了差分GPS基本原理、惯性导航系统（INS）基本原理及GPSINS组合导航基本原理；分析组合导航的组合模式。

在此基础上对目前GPSINS辅助航空摄影测量的两种主要使用方法，即GPSINS辅助空中三角测量法和GPSINS直接定向法进行论述。

论文的组织及内容安排如下:

第一章绪论。

该章主要介绍了本文的研究背景和意义，GPSINS辅助航空摄影测量的国内外研究现状和发展动态。

第二章GPSINS组合导航系统基本原理。

该章分别介绍了差分GPS、惯性导航系统及GPSINS组合系统的工作原理，分析了GPS导航的误差来源，并讨论了常用的导航坐标系。

论述了组合导航的优势和组合导航的组合模式。

第三章GPSINS辅助航空摄影测量的方法。

该章从基本原理出发，分析了GPSINS组合导航数据的两种主要使用方法，即直接定向法和GPSINS辅助空中三角测量方法的数学模型，同时讨论了GPSINS辅助航空摄影测量的误差来源及控制。

第四章GPSINS组合导航在航空摄影测量测量中应用。

该章论述了一个GPSINS组合导航在航空摄影测量中的应用案例，简单的论述了应用的情况。

第五章结论

第二章GPSINS组合导航系统基本原理

现代组合导航系统是20世纪70年代在航海、航空与航天等领域，随着现代高科技的发展应运而生的。

随着电子计算机技术特别是微电子技术的迅猛发展和现代控制系统理论的进步，从20世纪70年代开始，组合导航技术就已开始迅猛发展起来。

为了提高导航定位精度和可靠性，出现了多种组合导航的方式，如惯性导航与多普勒组合导航系统、惯性导航与测向测距（VORDME）组合导航系统、惯性导航与罗兰（LORAN）组合导航系统，以及惯性导航与全球定位系统（INSGPS）组合导航系统。

这些组合导航系统把各具特点的不同类型的导航设备匹配组合，扬长避短，加之使用卡尔曼滤波技术等数据处理方法，使系统导航能力、精度、可靠性和自动化程度大为提高，成为目前导航技术发展的方向之一。

在众多的组合导航系统中，以GPSINS组合导航系统最为先进，应用最为广泛。

2.1差分GPS基本原理

1973年12月，美国国防部批准其陆、海、空三军联合研制新的卫星导航系统:

NAVSTARGPS（NavigationSatelliteTimingandRangingGlobalPositioningSystem），即“卫星授时与测距导航全球定位系统”，简称GPS。

该系统是一种以卫星为基础的无线电导航系统，具有提供全球性、全天候、连续性和实时性的导航、定位和定时的功能。

能为各类用户提供精密的三维坐标、速度和时间信息。

全球定位系统主要由空间部分、地面监控部分和用户设备部分这三大部分组成。

其采用多星、高轨、测距体制，以距离作为基本观测量。

通过对四颗卫星同时进行观测，即可解算出接收机的位置。

但其定位精度要受到空间卫星误差、接收机误差及外界条件误差的影响。

由于差分定位在两站或多站同步跟踪相同的GPS卫星，而卫星星历误差、卫星钟差、电离层和对流层迟延误差，对同一颗卫星的两站观测值的影响是相同的或基本相同。

因此，通过差分定位可有效地消除或减弱这些误差的影响，提高定位精度。

因为GPSINS组合系统中都使用差分技术，下面首先介绍一下差分GPS（DifferentialGPS，简称DGPS）。

2.1.1差分GPS定位原理

差分GPS的基本原理是，在一个或几个有己知坐标的位置设置GPS接收机作为基准站，与运动载体上的接收机进行同步观测，然后将已知点上GPS测定的位置坐标或其它参数与相应的已知结果求差，再通过通讯设备将已知点（基准站）的差分信息传至载体上的运动接收机，综合两站的观测数据进行联合解算。

差分GPS分为两大类:

伪距差分和载波相位差分。

其中，伪距差分以伪距作为观测量进行差分处理，能得到米级定位精度;载波相位差分处理两个测站载波相位观测量，可使定位精度达到厘米级，大量应用于需要高精度位置的领域。

在GPSINS辅助航空摄影测量中主要采用载波相位差分技术。

载波相位测量的观测量是通过对载波信号的恢复以及对载波相位的跟踪和测量而得到的。

它实际上是由对GPS卫星信号和GPS信号接收机参考信号的相位比较而获得的相位差值。

由于不使用码信号，不受码控制的影响，属非码量测系统。

设GPS卫星j在GPS时系T时刻发播信号的相位为（T）,GPS信号接收机k在接收机钟面时界时刻接收到卫星j载波信号的相位值为，此时，接收机k的本机参考信号相位为，则载波相位观测量可表示为:

差分的方法有多种，如单差、双差和三差分等。

单差法可以消除常数误差，但仍有一部分系统误差无法抵消;双差法可以进一步消除接收机的时钟误差，也可减少轨道星