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摘要：本文以POS系统和传统航摄相机（RC-30）结合为例，介绍了POS系统的运行原理，并通过POS系统在使用过程中遇到的问题，提出了关键注意事项和解决方法，为航片定向的解算提供了新的途径。
關键词：POSIMUPCS
中图分类号：F407文献标识码： A
1 引言
摄影测量中的基本问题是航片的定向问题，只有知道了航片的内、外方位元素才能进行量测工作，长期以来内方位元素通过实验室采用物理方法检定得到，外方位元素（Xs,Ys,Zs,,,）则主要依靠空中三角测量和大量地面控制点来间接解求，这样就要耗费大量的时间和工作。为解决外方位元素的问题，POS系统被引入航空摄影测量领域，并与光学相机获取影像相结合，提供了航片曝光时刻的外方位元素。这种结合方式已逐渐改变了传统摄影测量的作业方式，取得了很大的成功。
现在我们以传统的航空相机（RC-30）加POS系统获取数据为例，了解它的运行原理和误差产生的原因，并提出航摄飞行操作中避免误差的有效措施。
2 POS系统及运行原理
POS（Position and orientation System），位置及方向系统，集成了高精度的惯性感应器、导航卫星测量处理技术和数据处理软件，能够为航空摄影提供地理参考的位置及方位系统，即能够测量每张航片的六个外方位元素，包括绝对位置（X，Y，Z）和姿态参数（,,）。
POS系统由四部分组成：惯性测量单元（IMU），高动态双频GPS接受机，数据处理计算机系统（PCS）和处理软件（POSPAC）。系统核心是积分惯性导航软件，在飞行过程中实时处理搜集的GPS和惯性测量数据，给出惯性导航解及GPS位置坐标。然后飞行完成后通过POSPAC获取每张航片的外方位元素。
2.1惯性测量单元（IMU）
IMU拥有三组加速度计、陀螺仪、数字电路和一个CPU，加速度计和陀螺仪的补偿值作为线加速度和角速度提供给PCS，PCS积分计算出加速度和角速度，最后得出IMU的位置，速度，姿态。
2.2高动态GPS接收机
POS在飞行过程中提供高精度的实时定位数据，它的原始观测值由高动态GPS信号接收机来提供。GPS信号接收机接受信号用来测量，一般有两种观测量：伪距观测量和载波相位观测量。为获得高精度定位结果，一般采用载波相位观测量。
载波相位观测量主要用于飞行事后处理，在POSPAC软件中使用。由于测量中要得到更好精度的定位数据用来实际测量，载波相位差分处理就被发现和使用起来。载波相位观测量是通过对载波信号的恢复以及对载波相位的跟踪观察和测量而得到的。它实际上是由GPS卫星信号和GPS接收机信号的相位比较而获得的相位差值。当GPS接收机捕获卫星信号之后，只要跟踪不中断，接收机便会自动给出跟踪期间载波相位整周数的变化量和所测相位不足一周的小数部分。也就是说，在载波相位测量中。观测得到的相位差是连续记数的，从第一个历元开始，在后继的观察中，其观测量不仅包括相位差的小数部分，而且包括累计的整周数，第一个历元的整周相位数未知，当我们采取措施获得这个整周相位数，就可以通过处理这些关于位置函数的相位信息，校正信号延迟和电离层延迟，获取定位和卫星定轨的数据。研究表明，利用载波相位差分动态定位可以获得厘米级精度结果。
2.3数据处理计算机系统（PCS）
PCS是POS系统集成的数据处理系统，它用来在空中实时处理IMU传感器和GPS收集的数据，记录数据以用于后处理的软件系统。IMU和GPS的初始数据经PCS处理，可以得到带有POS系统（天线相位中心）刚体的绝对位置，传感器姿态（IMU的俯仰roll，翻滚pitch，旋转heading）。
PCS软件包括捷联式惯性导航器（SIN），Kalman滤波器（KF），闭环错误控制器（CLEC），平滑器（SM），前向错误控制器（FEC），飞行中实时定向（IFA）。
PCS收集GPS位置和速度来初始化SIN，并根据垂直方向和地理北极进行定向；以垂直参考为水准定向，以北向参考的为偏航角定向，SIN积分出角速度从而计算出IMU的方向变化。然后利用已知方向解出IMU在该坐标系的线速度，最后积分得到IMU的位置变化。这也意味着任何方向值的误差均造成位置错误。SIN得到的值相对而言是很精确的了，但是用的是积分过程，加速度和陀螺仪的误差累计到逐渐增长的位置，速度和方向误差。
Kalman滤波器用来利用GPS估计SIN中的误差。Kalman滤波主要解求一组模拟IMU仪器误差和其影响的SIN误差的线性离散方程。用GPS的位置与SIN中的位置差别来估计SIN中逐渐增长的误差。
闭环错误控制算法利用Kalman参数重新设置SIN。同样，惯性错误差值用于IMU对角加速度和线加速度的积分，以及对传感器的几何校正。最后的积分惯性导航提高了GPS位置和速度的精度，对惯性误差的校正提高了方向精度。
2.4运行原理
POS系统最重要的作用是解决飞行器空中实时位置和姿态问题，由高动态GPS接收机解决定位问题，IMU传感器完成了姿态测量，而POS系统将两个硬件相结合，运用PCS进行数据校正，内插每个航片的时间点，精确地求出航片的绝对位置和姿态参数。
POS系统空中定向运行原理分三步：粗水平定向，粗偏航角定向，精偏航角定向：
粗水平定向对加速度值进行一次低通滤波得到每个加速度的平均重力信号来估计IMU的翻滚和俯仰角，误差1－2度之间。粗偏航向角定向是利用KF误差模型来描述航偏角的不确定性。导航坐标系中的偏航角误差会造成积分过程中从陀螺仪误差减去的地球自传值的误差，该误差又会累积到速度和位置误差。如果陀螺仪误差够小，地球自转误差造成的位置和方向可利用GPS发现，因为偏航角误差最多只能降低到几度之内。幸运的是偏航角误差造成的IMU加速度变化会产生极大的位置和速度误差，该误差能被GPS值观测出来，这就使KF估计偏航角误差精度达到1度以内。当粗偏航角定向中KF估计偏航角误差10度内时，空中飞行中偏航角精度要求较高（heading<0.3度）航偏角误差主要通过加速度观测。在垂直或水平无加速度（直线飞行）飞行中，航偏角误差增加比率由陀螺仪噪声和残差来决定，一旦有加速度，航偏角会被发现和重置，平滑器会差值运算，这样将减小整个航线的航偏角误差。飞行策略是一条航线飞行要控制在30分钟之内，然后转弯进入航线，航偏角重置，精度提高。
3 POS系统在航空摄影中注意事项
运用POS系统获取每张航片像主点精确坐标和姿态参数，能够省略传统航空摄影测量复杂的地面点控制点等烦杂的工程，降低作业复杂程度，提高摄影测量的效率和周期，但测绘成果的主要误差就集中于POS系统固有的误差。如何在飞行采取有效措施，降低POS系统固有的误差，以求获取更好的精度效果，是我们在航摄中应注意的主要问题。
3.1偏心分量量测
GPS接收机定位反映的是天线相位中心的位置，IMU姿态参数反映的是其单元中心，而我们所需要的是相机焦平面所拍摄的航片的像主点位置和姿态，这样就需要量测天线相位中心到相机焦平面中心的偏心分量和IUM中心到焦平面的中心的偏心分量。
在航摄前，安装好相机和天线，固定好IMU和相机的刚体后，使用平板玻璃测量法可以获得厘米级精度，这一精度同差分GPS定位精度匹配。当固定好IUM和相机的刚体后，IUM的记录姿态正好反映相机的姿态，通过第一个架次的检校场飞行，即可确定航片和IMU各轴夹角，从而确定航片的姿态参数，从这之后尽可能不破坏IMU和相机的刚体连接。当它们之间有变动时，应重飞检校场，获取新的夹角参数。
3.2初始化GPS和POS系统
由于GPS差分运算获取位置信息进行相位差分需要得到第一个历元整周相位数（模糊度），这个相位数通过飞行后至少4分钟的静态观测获得，若静态观测的时间长可以有利于解算和相位差分精度的提高。同时POS收集加速度信息，进行粗水平导航。
由于是使用载波相位差分处理获取高精度定位，在整个架次飞行中要求GPS尽量信号不要失锁，这就要求天线安装在飞机上尽量遮挡少、牢固，不破坏飞机气动性能。同时，飞行时飞机姿态变化尽量小，降低GPS失锁的可能性。
当开始由于空域调节需要没能有足够静态观测时间，在空中正常飞行，尽量避免GPS信号失锁，落地时候要在一直保持飞机供电情况下，保证静态观测时间。
3.3飞行中POS姿态观察及情况处理
飞行过程中注意观察POS显示姿态数据（可以通过电脑运行POSAV软件来观察），其中由于进入航线平稳飞行，IMU加速度变化很小，这样IMU的噪声等会使POS精偏航角定向精度变低（heading值增大），当精偏航角定向精度增大到一定程度（已经不能满足测图要求，比如超过0.3度）就要断开航线，转弯增加IMU中加速度计的方向加速度，这时航偏角会被重置，提高精度。
在POS的IMU2.0版本的最佳定位精度是0.03度，如果在POSAV设置提示里输入0.05的话，POSAV很快就会变红报警，从0.03度到0.091变化大概就4分钟左右，这时航线刚刚进入或者还没有飞完成，转弯增加定向精度，都这样操作就会造成极大浪费，航摄效率非常低。因此，在实际飞行中，可采取以下措施：
(1)在现实情况下，由于在后期数据处理中，航摄比例尺对外方位角度（ξα，ξω，ξκ）的精度要求都在0.517度上，我们可是适当选取报警的域值，取0.6度（最大误差）的一半，即0.3度来表示填入POSAV，作为报警域值，当接近或到这个数值时，报警灯变红，我们再采取措施，从heading的0.03度～0.3度变化时间大概是30分钟，这样可以极大放大飞行航线时间。
(2)如果拍摄平行航线，采取对向飞行。
(3)如果航线不很长，同时增加飞行效率，在进入航线的预备和线时，可以适当在航线左右变化飞行，进入改平点，正常飞行，这样对精度维持改善也会有很好的改善效果。
3.4基站布设
POS解算数据差分定位需要地面基站同步记录数据，所以基站的距离位置对差分定位的精度有很大的影响，一般基站在测区内，距离飞行测线最好不超过200公里距离。如果测区跨度很大，飞行设计方案可以考虑多基站设置。
4 结语
POS系统结合航空相机获取地面数据已经历经许多实践和应用，数据满足直接定向要求，极大地节省了整个航空摄影加密测图的工作和进程所用时间，提高了工作效率。
在航摄过程中，如果因操作或其他因素产生了较大误差，就要通过地面控制点空三加密，这样，整个测量过程就增加了额外的工作，影响作业周期。因此，希望在航摄中发现控制系统的精确性，节约航空摄影的作业流程，减少开支，提高效率，为生产和新技术的运用服务。
参考文献：
[1] 王之卓. 摄影测量原理[M]. 北京:测绘出版社，1984.
[2] 袁修孝. GPS辅助空中三角测量原理及应用[M]. 北京:测绘出版社，2001.
[3] 袁修孝，付建紅，左正立，孙红星. 机载POS系统用于航空遥感直接对地目标定位的精度分析. 武汉大学学报：信息科学版[J]，2006，31(10)：847-850.
[4] 刘军，张永生，王冬红. POS AV510-DG系统外方位元素的计算方法. 测绘技术装备[J]，2004，6(4).
作者简介：郭景仁（1961—），男，高级工程师，主要从事测绘技术研究与应用工作。
關键词：POSIMUPCS
中图分类号：F407文献标识码： A
1 引言
摄影测量中的基本问题是航片的定向问题，只有知道了航片的内、外方位元素才能进行量测工作，长期以来内方位元素通过实验室采用物理方法检定得到，外方位元素（Xs,Ys,Zs,,,）则主要依靠空中三角测量和大量地面控制点来间接解求，这样就要耗费大量的时间和工作。为解决外方位元素的问题，POS系统被引入航空摄影测量领域，并与光学相机获取影像相结合，提供了航片曝光时刻的外方位元素。这种结合方式已逐渐改变了传统摄影测量的作业方式，取得了很大的成功。
现在我们以传统的航空相机（RC-30）加POS系统获取数据为例，了解它的运行原理和误差产生的原因，并提出航摄飞行操作中避免误差的有效措施。
2 POS系统及运行原理
POS（Position and orientation System），位置及方向系统，集成了高精度的惯性感应器、导航卫星测量处理技术和数据处理软件，能够为航空摄影提供地理参考的位置及方位系统，即能够测量每张航片的六个外方位元素，包括绝对位置（X，Y，Z）和姿态参数（,,）。
POS系统由四部分组成：惯性测量单元（IMU），高动态双频GPS接受机，数据处理计算机系统（PCS）和处理软件（POSPAC）。系统核心是积分惯性导航软件，在飞行过程中实时处理搜集的GPS和惯性测量数据，给出惯性导航解及GPS位置坐标。然后飞行完成后通过POSPAC获取每张航片的外方位元素。
2.1惯性测量单元（IMU）
IMU拥有三组加速度计、陀螺仪、数字电路和一个CPU，加速度计和陀螺仪的补偿值作为线加速度和角速度提供给PCS，PCS积分计算出加速度和角速度，最后得出IMU的位置，速度，姿态。
2.2高动态GPS接收机
POS在飞行过程中提供高精度的实时定位数据，它的原始观测值由高动态GPS信号接收机来提供。GPS信号接收机接受信号用来测量，一般有两种观测量：伪距观测量和载波相位观测量。为获得高精度定位结果，一般采用载波相位观测量。
载波相位观测量主要用于飞行事后处理，在POSPAC软件中使用。由于测量中要得到更好精度的定位数据用来实际测量，载波相位差分处理就被发现和使用起来。载波相位观测量是通过对载波信号的恢复以及对载波相位的跟踪观察和测量而得到的。它实际上是由GPS卫星信号和GPS接收机信号的相位比较而获得的相位差值。当GPS接收机捕获卫星信号之后，只要跟踪不中断，接收机便会自动给出跟踪期间载波相位整周数的变化量和所测相位不足一周的小数部分。也就是说，在载波相位测量中。观测得到的相位差是连续记数的，从第一个历元开始，在后继的观察中，其观测量不仅包括相位差的小数部分，而且包括累计的整周数，第一个历元的整周相位数未知，当我们采取措施获得这个整周相位数，就可以通过处理这些关于位置函数的相位信息，校正信号延迟和电离层延迟，获取定位和卫星定轨的数据。研究表明，利用载波相位差分动态定位可以获得厘米级精度结果。
2.3数据处理计算机系统（PCS）
PCS是POS系统集成的数据处理系统，它用来在空中实时处理IMU传感器和GPS收集的数据，记录数据以用于后处理的软件系统。IMU和GPS的初始数据经PCS处理，可以得到带有POS系统（天线相位中心）刚体的绝对位置，传感器姿态（IMU的俯仰roll，翻滚pitch，旋转heading）。
PCS软件包括捷联式惯性导航器（SIN），Kalman滤波器（KF），闭环错误控制器（CLEC），平滑器（SM），前向错误控制器（FEC），飞行中实时定向（IFA）。
PCS收集GPS位置和速度来初始化SIN，并根据垂直方向和地理北极进行定向；以垂直参考为水准定向，以北向参考的为偏航角定向，SIN积分出角速度从而计算出IMU的方向变化。然后利用已知方向解出IMU在该坐标系的线速度，最后积分得到IMU的位置变化。这也意味着任何方向值的误差均造成位置错误。SIN得到的值相对而言是很精确的了，但是用的是积分过程，加速度和陀螺仪的误差累计到逐渐增长的位置，速度和方向误差。
Kalman滤波器用来利用GPS估计SIN中的误差。Kalman滤波主要解求一组模拟IMU仪器误差和其影响的SIN误差的线性离散方程。用GPS的位置与SIN中的位置差别来估计SIN中逐渐增长的误差。
闭环错误控制算法利用Kalman参数重新设置SIN。同样，惯性错误差值用于IMU对角加速度和线加速度的积分，以及对传感器的几何校正。最后的积分惯性导航提高了GPS位置和速度的精度，对惯性误差的校正提高了方向精度。
2.4运行原理
POS系统最重要的作用是解决飞行器空中实时位置和姿态问题，由高动态GPS接收机解决定位问题，IMU传感器完成了姿态测量，而POS系统将两个硬件相结合，运用PCS进行数据校正，内插每个航片的时间点，精确地求出航片的绝对位置和姿态参数。
POS系统空中定向运行原理分三步：粗水平定向，粗偏航角定向，精偏航角定向：
粗水平定向对加速度值进行一次低通滤波得到每个加速度的平均重力信号来估计IMU的翻滚和俯仰角，误差1－2度之间。粗偏航向角定向是利用KF误差模型来描述航偏角的不确定性。导航坐标系中的偏航角误差会造成积分过程中从陀螺仪误差减去的地球自传值的误差，该误差又会累积到速度和位置误差。如果陀螺仪误差够小，地球自转误差造成的位置和方向可利用GPS发现，因为偏航角误差最多只能降低到几度之内。幸运的是偏航角误差造成的IMU加速度变化会产生极大的位置和速度误差，该误差能被GPS值观测出来，这就使KF估计偏航角误差精度达到1度以内。当粗偏航角定向中KF估计偏航角误差10度内时，空中飞行中偏航角精度要求较高（heading<0.3度）航偏角误差主要通过加速度观测。在垂直或水平无加速度（直线飞行）飞行中，航偏角误差增加比率由陀螺仪噪声和残差来决定，一旦有加速度，航偏角会被发现和重置，平滑器会差值运算，这样将减小整个航线的航偏角误差。飞行策略是一条航线飞行要控制在30分钟之内，然后转弯进入航线，航偏角重置，精度提高。
3 POS系统在航空摄影中注意事项
运用POS系统获取每张航片像主点精确坐标和姿态参数，能够省略传统航空摄影测量复杂的地面点控制点等烦杂的工程，降低作业复杂程度，提高摄影测量的效率和周期，但测绘成果的主要误差就集中于POS系统固有的误差。如何在飞行采取有效措施，降低POS系统固有的误差，以求获取更好的精度效果，是我们在航摄中应注意的主要问题。
3.1偏心分量量测
GPS接收机定位反映的是天线相位中心的位置，IMU姿态参数反映的是其单元中心，而我们所需要的是相机焦平面所拍摄的航片的像主点位置和姿态，这样就需要量测天线相位中心到相机焦平面中心的偏心分量和IUM中心到焦平面的中心的偏心分量。
在航摄前，安装好相机和天线，固定好IMU和相机的刚体后，使用平板玻璃测量法可以获得厘米级精度，这一精度同差分GPS定位精度匹配。当固定好IUM和相机的刚体后，IUM的记录姿态正好反映相机的姿态，通过第一个架次的检校场飞行，即可确定航片和IMU各轴夹角，从而确定航片的姿态参数，从这之后尽可能不破坏IMU和相机的刚体连接。当它们之间有变动时，应重飞检校场，获取新的夹角参数。
3.2初始化GPS和POS系统
由于GPS差分运算获取位置信息进行相位差分需要得到第一个历元整周相位数（模糊度），这个相位数通过飞行后至少4分钟的静态观测获得，若静态观测的时间长可以有利于解算和相位差分精度的提高。同时POS收集加速度信息，进行粗水平导航。
由于是使用载波相位差分处理获取高精度定位，在整个架次飞行中要求GPS尽量信号不要失锁，这就要求天线安装在飞机上尽量遮挡少、牢固，不破坏飞机气动性能。同时，飞行时飞机姿态变化尽量小，降低GPS失锁的可能性。
当开始由于空域调节需要没能有足够静态观测时间，在空中正常飞行，尽量避免GPS信号失锁，落地时候要在一直保持飞机供电情况下，保证静态观测时间。
3.3飞行中POS姿态观察及情况处理
飞行过程中注意观察POS显示姿态数据（可以通过电脑运行POSAV软件来观察），其中由于进入航线平稳飞行，IMU加速度变化很小，这样IMU的噪声等会使POS精偏航角定向精度变低（heading值增大），当精偏航角定向精度增大到一定程度（已经不能满足测图要求，比如超过0.3度）就要断开航线，转弯增加IMU中加速度计的方向加速度，这时航偏角会被重置，提高精度。
在POS的IMU2.0版本的最佳定位精度是0.03度，如果在POSAV设置提示里输入0.05的话，POSAV很快就会变红报警，从0.03度到0.091变化大概就4分钟左右，这时航线刚刚进入或者还没有飞完成，转弯增加定向精度，都这样操作就会造成极大浪费，航摄效率非常低。因此，在实际飞行中，可采取以下措施：
(1)在现实情况下，由于在后期数据处理中，航摄比例尺对外方位角度（ξα，ξω，ξκ）的精度要求都在0.517度上，我们可是适当选取报警的域值，取0.6度（最大误差）的一半，即0.3度来表示填入POSAV，作为报警域值，当接近或到这个数值时，报警灯变红，我们再采取措施，从heading的0.03度～0.3度变化时间大概是30分钟，这样可以极大放大飞行航线时间。
(2)如果拍摄平行航线，采取对向飞行。
(3)如果航线不很长，同时增加飞行效率，在进入航线的预备和线时，可以适当在航线左右变化飞行，进入改平点，正常飞行，这样对精度维持改善也会有很好的改善效果。
3.4基站布设
POS解算数据差分定位需要地面基站同步记录数据，所以基站的距离位置对差分定位的精度有很大的影响，一般基站在测区内，距离飞行测线最好不超过200公里距离。如果测区跨度很大，飞行设计方案可以考虑多基站设置。
4 结语
POS系统结合航空相机获取地面数据已经历经许多实践和应用，数据满足直接定向要求，极大地节省了整个航空摄影加密测图的工作和进程所用时间，提高了工作效率。
在航摄过程中，如果因操作或其他因素产生了较大误差，就要通过地面控制点空三加密，这样，整个测量过程就增加了额外的工作，影响作业周期。因此，希望在航摄中发现控制系统的精确性，节约航空摄影的作业流程，减少开支，提高效率，为生产和新技术的运用服务。
参考文献：
[1] 王之卓. 摄影测量原理[M]. 北京:测绘出版社，1984.
[2] 袁修孝. GPS辅助空中三角测量原理及应用[M]. 北京:测绘出版社，2001.
[3] 袁修孝，付建紅，左正立，孙红星. 机载POS系统用于航空遥感直接对地目标定位的精度分析. 武汉大学学报：信息科学版[J]，2006，31(10)：847-850.
[4] 刘军，张永生，王冬红. POS AV510-DG系统外方位元素的计算方法. 测绘技术装备[J]，2004，6(4).
作者简介：郭景仁（1961—），男，高级工程师，主要从事测绘技术研究与应用工作。