CN102322859A

CN102322859A - 一种航空惯性导航测量系统及姿态校正方法

Info

Publication number: CN102322859A
Application number: CN201110241719A
Authority: CN
Inventors: 熊盛青; 姚国清; 张宗贵; 甘甫平; 汪茂
Original assignee: China Aero Geophysical Survey & Remote Sensing Center For Land And Resources; China University of Geosciences Beijing
Current assignee: China Aero Geophysical Survey & Remote Sensing Center For Land And Resources; China University of Geosciences; China University of Geosciences Beijing
Priority date: 2011-08-23
Filing date: 2011-08-23
Publication date: 2012-01-18
Anticipated expiration: 2031-08-23
Also published as: CN102322859B

Abstract

本发明的航空惯性导航测量系统包括机控导航单元、定位定向单元、姿态校正模块、航空摄影仪。机控导航单元选取飞行航线发送至姿态校正模块。定位定向单元获取位置参数和姿态参数发送至姿态校正模块。航空摄影仪拍摄获取航射像片发送至姿态校正模块。姿态校正模块根据飞行航线、位置参数和姿态参数计算外方位元素；并利用外方位元素对航射像片进行几何校正。本发明还提供一种姿态校正方法。本发明综合利用IMU与GPS的优势，二者互相配合完成对飞机位置参数及姿态参数的采集，提高了位置参数和姿态参数的精准度。本发明还校正飞机飞行过程中因偏航等原因导致拍摄的像片出现的误差，纠正像片内像元的坐标，最大可能的还原像片所代表的地面情形。

Description

一种航空惯性导航测量系统及姿态校正方法

技术领域

本发明涉及一种航空惯性导航测量系统及姿态校正方法。

背景技术

在利用飞机拍摄获取地面影像时，因为飞机飞行过程中会出现偏航、侧滚和俯仰，往往会存在拍摄误差，而与卫星相比飞机的飞行高度要小得多，所以飞机的飞行姿态对拍摄像片的影响就更加大。一般情况下，飞机的航线设计为直线，但实际飞行时，却并不能够飞得那么标准，往往会变成S形；飞机的实际飞行高度和设计的飞行高度也会有差别，并且飞行高度不稳定；此外，飞机实际的飞行速度和设计的飞行速度也会有差别，也存在不稳定性。这些因素都会影响像片内像点的大小以及疏密，导致航射获取的像片出现偏差，影响测量结果。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种能实时获取飞行位置参数和姿态参数，并对姿态参数进行几何校正的航空惯性导航测量系统及校正方法。

作为本发明技术方案的一方面，提供一种航空惯性导航测量系统，包括机控导航单元、定位定向单元、姿态校正模块、航空摄影仪，

所述机控导航单元，用于选取飞行航线，并将所述飞行航线发送至所述姿态校正模块；

所述定位定向单元，用于获取并保存航空摄影仪的位置参数和姿态参数，并发送至所述姿态校正模块；

所述航空摄影仪，用于拍摄获取航射像片，并发送至所述姿态校正模块；

所述姿态校正模块，用于接收所述飞行航线、所述位置参数和姿态参数，计算获得图像的外方位元素；并利用所述外方位元素对所述航空摄影仪发送的航射像片进行几何校正。

进一步地，所述定位定向单元包括：

用于获取所述航空摄影仪的姿态参数的惯性测量单元；

用于获取所述航空摄影仪的位置参数的GPS接收机。

作为本发明技术方案的另一方面，还提供一种姿态校正方法，具体步骤如下：

第一步，将飞行航线、航空摄影仪的位置参数和姿态参数转化为图像的外方位元素；

第二步，利用所述外方位元素对航空摄影仪拍摄的航射像片进行几何校正。

进一步地，对所述航射像片进行几何校正后，还对所述航射像片中的每个像元进行地理坐标定位。

进一步地，所述第二步，按照以下方法对所述航射像片进行几何校正：

利用所述外方位元素，通过共线方程，建立地面坐标与所述航射像片中像元的对应关系，校正飞行姿态引起的图像几何畸变。

进一步地，所述共线方程表示如下：

其中，（x,y）为像元对应的影像坐标；X_A、Y_A、Z_A为像元对应的地面坐标；X_S、Y_S、Z_S为对应摄影中心的地面坐标；f为所述航射像片主距；

a、b、c为由三个角元素定义的3×3旋转矩阵的系数，用于将影像坐标转换为地面坐标系统，a、b、c值满足以下公式：

其中，φ为外方位元素中的俯仰角、ω为外方位元素中的滚动角、κ为外方位元素中的偏航角。

本发明的有益效果是：

本发明综合利用惯性测量单元与GPS接收机的优势，二者互相配合，完成对飞机位置参数以及姿态参数的采集，提高了位置参数和姿态参数的精准度。此外，本发明还校正飞机飞行过程中因偏航等原因导致拍摄的航射像片出现的误差，纠正像片内像元的坐标，最大可能的还原像片所代表的地面情形。本发明的航空惯性导航测量系统通过航射获取地面的地形情况，大大缩短了成图周期，加快了城市地理信息数据库和地形图的更新。尤其对于西部人烟稀少、人员难以涉足或者无法涉足的戈壁滩、沙漠、荒芜等无图地区，本发明的技术方案就显得尤为重要。

附图说明

图1为本发明航空惯性导航测量系统的构成示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

作为本发明技术方案的一方面，提供一种航空惯性导航测量系统，如图1所示，该系统包括机控导航单元10、定位定向单元20、姿态校正模块30、航空摄影仪40。其中，机控导航单元10，用于选取飞行航线，并将飞行航线发送至姿态校正模块30。定位定向单元20，用于获取并保存航空摄影仪40的位置参数和姿态参数，并发送至姿态校正模块30。航空摄影仪40，用于拍摄获取航射像片，并发送至姿态校正模块30。姿态校正模块30，用于接收飞行航线、位置参数和姿态参数，计算获得图像的外方位元素；并利用外方位元素对航空摄影仪40发送的航射像片进行几何校正，也就是说利用外方位元素纠正航射像片中出现偏差的像元，以使航射像片尽量与地面的地表信息保持一致。

其中，外方位元素又称像片外定向元素，是确定摄影光束在物方的几何关系的基本数据。主要用于表征摄影光束在摄影瞬间的空间位置,包括摄影中心在某一空间直角坐标系中的三维坐标值(x,y,z)和确定摄影光束空间方位的3个角定向元素共6个数据。其中，3个角定向元素,常因采用的转角系统不同而用不同的元素表示：当采用以z轴为主轴的转角系统时,即表示为主垂面的方位角、像片的倾斜角口和像片旋角；当采用以y轴为主轴的转角系统时,即表示为航向倾角、旁向倾角和像片旋角；当采用以x轴为主轴的转角系统时,表示为旁向倾角、航向倾角和像片旋角。

进一步地，定位定向单元20包括：用于获取航空摄影仪40的姿态参数的惯性测量单元；用于获取航空摄影仪40的位置参数的GPS接收机。因为GPS不能直接测定飞机飞行的姿态信息，并且数据输出频率低，在高动态环境中可靠性较差。而惯性测量单元IMU可以获取包括速度、姿态、加速度和角速率在内的全部导航参数，但却存在误差随时间迅速积累增长的缺陷。本发明将GPS接收机和IMU结合起来，由GPS数据在运动过程中频繁修正IMU数据以控制IMU测量误差的累计，由短期内高精度的IMU来解决GPS在高动态环境中信号失锁和周跳问题。因此，本发明中的定位定向单元20就可以连续地提供飞机飞行过程中位置参数和姿态参数，以此实现遥感影像的直接地理定位。

第一步，机控导航单元10将其选取的飞机飞行航线发送至姿态校正模块30，定位定向单元20将获取的位置参数和姿态参数发送至姿态校正模块30，由姿态校正模块30将飞行航线、位置参数和姿态参数转化为外方位元素（X_S、Y_S、Z_S、φ、ω、κ）。

第二步，利用外方位元素，通过共线方程，建立地面坐标与航射像片中像元的对应关系，校正因为飞机的飞行姿态引起的图像几何畸变。其中，共线方程表示如下：

其中，（x,y）为像元对应的影像坐标；X_A、Y_A、Z_A为像元对应的地面坐标；X_S、Y_S、Z_S为对应摄影中心的地面坐标；f为航射像片主距；

通过上述遥感影像校正，可以改正原始影像（即原始拍摄的航射像片）的几何变形，产生符合某种地图投影或图形表达要求的新影像，也就是说，将影像数据投影到平面上，使其符合地图投影。

第三步，由于航空摄影仪40在拍摄形成航射像片时，还记录了相应机下点的高精度位置信息，在对航射像片完成上述姿态校正后，可以根据图像参数，完成对航射像片中的每一个像元的地理坐标定位。

以上仅为本发明的较佳实施例子，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。