CN102538820B - 一种航空遥感集成系统检校方法 - Google Patents

Abstract

一种航空遥感集成系统检校方法，它涉及航空遥感集成系统。在高精度的相机检校以及组合导航数据解算的基础上，进行高精度系统航空遥感集成系统检校，检校方法如下：(1)、利用POS记录姿态信息经转换得到影像直接地理定位外方位元素初值、单片后方交会方法获取外方位元素作为真值，解算外方位元素；(2)、采用基于POS的位置姿态参数和基于GPS辅助空三的外方位元素交互验证的方法对多传感器数据进行检核；(3)、利用POS记录姿态信息经转换得到影像直接地理定位外方位元素、及直接利用控制点绝对定向，均匀采集检校场外业检查点，进行验证。它能实现对航空遥感集成系统的高精度检测及校准。

Description

一种航空遥感集成系统检校方法

技术领域：

本发明涉及航空遥感集成系统，具体涉及一种航空遥感集成系统检校方法。

背景技术：

航空遥感集成系统的精度不仅受数字航测相机、LIDAR、POS与惯性稳定平台等核心部件精度的影响，更取决于集成系统中多传感器时空参数和动态变化模型的准确性。目前国内没有高精度的空对地和地对地检校场，多传感器时空参考和飞行环境的复杂性导致遥感集成系统的时空参考和转换参数难以精确确定，使多传感器组合高精度检校成为本课题的关键技术难题。

轻小型航空遥感系统主要由轻小型航空器、遥感载荷、POS与稳定平台、地面数据处理系统等几部分组成。虽然遥感载荷、POS与稳定平台和各个功能部分都经过严格的检校调试，但是作为一个系统总体仍然需要调试检校。一方面，通过系统地面总体联调，验证系统的功能与可靠性。另一方面，通过地面校准设备使得各个功能模块的空间基准和时间基准得到统一，这是系统进行飞行试验的前提。

为了保证轻小型航空遥感系统的整个运行过程包括从数据的获取到存储处理整个链路的贯通，以及整个系统稳定可靠运转，大量的系统测试工作是非常重要的，内容主要包括测试方案的制定，分系统地面独立测试、多系统地面联测、飞行实测、应用项目检验，具体测试除了逻辑连接、遥感功能实现、电能供给、电磁屏蔽等方面外，还应包括温度、湿度、气压等环境适应性指标以及安全性、可靠性、耐久性指标检测。

我国在传统航空遥感影像获取领域的大量仪器长期依赖国外进口，追究其原因有二：一是这些仪器技术难度很高，而且发展很快，我国技术差距较大；二是这些仪器所面向的传统领域市场已被外国厂商垄断控制，我国产品突破很难。近几年我国买进相当数量的航空数码相机和LIDAR系统，其购买量达世界市场总销售量的四分之一左右。

高精度轻小型航空遥感系统是遥感领域的重要组成部分，也是遥感技术的重要发展趋势。高精度POS与稳定平台、轻小型遥感载荷以及高效海量数据快速处理是研制高精度轻小型航空遥感系统的关键。其中高精度POS与稳定平台是核心的技术瓶颈，正因为POS与稳定平台对遥感系统的核心作用，所以尽管该技术在发达国家已经相对成熟，但我国受到技术封锁和产品禁运。我国尚未对高性能POS与稳定平台进行系统研制，仅在机载中高精度POS方面进行了初步尝试。目前对系统核心部件及组合系统的检校技术及方法还处在试验阶段。

发明内容：

本发明的目的是提供一种航空遥感集成系统检校方法，它能实现对航空遥感集成系统的高精度检测及校准。

为了解决背景技术所存在的问题，本发明采取以下技术方案：在高精度的相机检校以及组合导航数据解算的基础上，进行高精度系统航空遥感集成系统检校，检校方法如下：

1、利用POS记录姿态信息经转换得到影像直接地理定位外方位元素初值、单片后方交会方法获取外方位元素作为真值，解算外方位元素；

2、采用基于POS的位置姿态参数和基于GPS辅助空三的外方位元素交互验证的方法对多传感器数据进行检核；

3、利用POS记录姿态信息经转换得到影像直接地理定位外方位元素、及直接利用控制点绝对定向，均匀采集检校场外业检查点，进行验证。

具体步骤如下：

第一步：在航空遥感集成系统检校场检校装置上装载集成系统，模拟多种飞行姿态，获取集成系统检校数据，包括POS获取姿态数据、影像数据(或激光LIDAR数据)、GPS数据；

第二步：应用野外控制点地理数据，采用单片后方交会法求取影像外方位元素值，作为真值；

第三步：解算Pos姿态到像片外方位元素转换需要的偏心角和线元素偏移值；

第四步：组合导航外方位元素和后方交会外方位元素之差进行测量平差，计算的残差和中误差；

第五步：用空三方法解算外方位元素；

第六步：用直接控制点定向方法解算外方位元素；

第七步：通过一至六步数据确定系统外方位元素改正参数值。

本发明一般来说影响DG精度的因素可归纳为三个方面：相机自身检校精度，由Pos姿态到像片外方位元素转换解算精度即系统检校精度，组合导航解算的精度。在实现高精度的相机检校以及组合导航数据解算的基础上，采用三种方法获得的外方为元素在JX-4G立体测图下安置外方位值，建立立体相对，采集控制点(检查点)坐标，进行点位精度比较验证。

本发明应用自行研制的移动靶标、实时云图采集系统、地面检校场、模拟飞行导轨等技术设备、多组合模式集成遥感系统获取复杂地形、复杂姿态的遥感数据，解算多组合模式集成遥感系统的内方位元素修正值、时间同步、空间坐标转换等检校参数，实现对航空遥感集成系统的高精度检测及校准。

附图说明：

图1为本发明中POS各坐标系示意图；

图2为本发明中外方位直线元素图；

图3为本发明中系统图。

具体实施方式：

参照图1-3，本具体实施方式采取以下技术方案：在高精度的相机检校以及组合导航数据解算的基础上，进行高精度系统航空遥感集成系统检校，检校方法如下：

1、利用POS记录姿态信息经转换得到影像直接地理定位外方位元素初值、单片后方交会方法获取外方位元素作为真值，解算外方位元素；

2、采用基于POS的位置姿态参数和基于GPS辅助空三的外方位元素交互验证的方法对多传感器数据进行检核；

3、利用POS记录姿态信息经转换得到影像直接地理定位外方位元素、及直接利用控制点绝对定向，均匀采集检校场外业检查点，进行验证。

具体步骤如下：

第一步：在航空遥感集成系统检校场检校装置上装载集成系统，模拟多种飞行姿态，获取集成系统检校数据，包括POS获取姿态数据、影像数据(或激光LIDAR数据)、GPS数据；

第二步：应用野外控制点地理数据，采用单片后方交会发求取影像外方位元素值，作为真值；

第三步：解算Pos姿态到像片外方位元素转换需要的偏心角和线元素偏移值；

第四步：组合导航外方位元素和后方交会外方位元素之差进行测量平差，计算的残差和中误差；

第五步：用空三方法解算外方位元素；

第六步：用直接控制点定向方法解算外方位元素；

第七步：通过一至六步数据确定系统外方位元素改正参数值。

本具体实施方式的坐标系统定义：

1.1.POS系统相关坐标系

1.POS系统导航坐标系(g-x y z)。也称当地水平坐标系，即地理坐标系，是右手系。一般分两种：东北天坐标系(ENU)和北东地坐标系(NED)。一般，我国习惯用东北天坐标系，即x轴指向地理东向，y轴指向地理北向，z轴与x，y轴正交指向地理天向。

1.2.地心直角坐标系(E-X Y Z)。以参考椭球体的质心为坐标原点，X轴指向赤道与格林尼治子午线的交点，Z轴指向北极，Y轴按右手系规则确定，是一个笛卡尔三维空间直角坐标系。本集成系统中采用GPS中使用的WGS-84世界大地坐标系，是一种国际上采用的地心坐标系。

1.3.IMU本体坐标系(b-x y z)。以IMU传感器的三个视准轴作为坐标轴。x轴指向载体右方，y轴指向载体前方，z轴与x，y两轴正交指向上。

1.2摄影测量坐标系

1.2.1.像空间坐标系S-xyz。该坐标系是一种过渡坐标系，用来表示像点在像方空间的位置，以投影中心S为原点，摄影机的主光轴为z轴，x，y轴分别与像平面坐标系的x，y轴平行。

1.2.2.像空间辅助坐标系S-XYZ。以摄站点S为坐标原点，以铅垂方向为Z轴，取航线方向为X轴，三轴构成右手系。

1.2.3.地面辅助坐标系m-xyz。以某一地面控制点为原点，坐标轴与像空间辅助坐标系平行。

1.2.4.地面测量坐标系O-XYZ。我国习惯采取高斯克鲁格投影的平面直角坐标系和高程系，属于左手系。摄影测量的最后成果习惯上要变换到这个系统中。

1.2.5.航摄仪本体坐标系(c-x y z)。以投影中心为坐标原点,取航线方向为x轴,z轴向上,y轴按右手系规则确定。

各种坐标系间的关系如图1所示。

1.3实现不同坐标系统转换的旋转矩阵

1.3.1.导航坐标系(g)到IMU本体坐标系(b)的旋转矩阵：

POS系统获取的姿态参数航向角(yaw缩写y，yaw＝-heading)，俯仰角(pitch缩写p)，侧滚角(roll缩写r)用于将IMU本体坐标系(b)中的坐标矢量转换到导航坐标系(g)中。

POS系统输出的姿态参数组成旋转矩阵，该矩阵可将POS系统输出的地理坐标系统转换为IMU本体坐标系，如公式(1)所示：

$R_g^b=\left[\begin{array}{ccc}\cos y\cos r-\sin y\sin p\sin r& -\sin y\cos p& \cos y\sin r+\sin y\sin p\cos r\\ \sin y\cos r+\cos y\sin p\sin r& \cos y\cos p& \sin y\sin r-\cos y\sin p\cos r\\ -\cos p\sin r& \sin p& \cos p\cos r\end{array}\right]---\left(1\right)$

1.3.2.像空间坐标系(i)到地面辅助坐标系(m)的旋转矩阵：

摄影测量中的外方位角元素用以确定地面辅助坐标系(m)与像空间坐标系(i)之间的几何关系。由此可以确定像空间坐标系(i)与地面辅助坐标系(m)之间的旋转矩阵。

1.3.3.地心坐标系(E)到地面辅助坐标系(m)的旋转矩阵：

为了避免地球曲率的影响，大面积的摄影测量平差一般在椭球割(切)面坐标系中进行。当地面辅助坐标系选择为测区中央处的椭球切面坐标系时，构成的旋转矩阵。

$R_E^m=\left[\begin{array}{ccc}-\sin L_0& \cos L_0& 0\\ -\cos L_0\sin B_0& -\sin L_0\sin B_0& \cos B_0\\ \cos L_0\cos B_0& \sin L_0\cos B_0& \sin B_0\end{array}\right]---\left(2\right)$

1.3.4.导航坐标系(g)到地心坐标系(E)的旋转矩阵：

将地心坐标系(E)旋转到导航地理坐标系(g)需要经过两个步骤：将E系绕其Z轴逆时针旋转(90+l)度；绕经过一次旋转后的X轴逆时针旋转(90+)度。构成旋转矩为：

$R_g^E=\left[\begin{array}{ccc}-\sin L& -\cos L\sin B& \cos L\cos B\\ \cos L& -\sin L\sin B& \sin L\cos B\\ 0& \cos B& \sin B\end{array}\right]---\left(3\right)$

其中(L，B)为成像瞬间IMU载体中心的经度和纬度，可由GPS/IMU组合导航数据处理得到。

1.3.5.像空间坐标系(i)到航摄仪本体坐标系(c)的旋转：

$R_d^c=\left[\begin{array}{ccc}0& 1& 0\\ -1& 0& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]---\left(4\right)$

1.4外方位元素定义

在恢复了内方位元素(即恢复了摄影光束)的基础上，确定摄影光束在摄影瞬间摄影中心S空间位置和姿态的参数，称为外方位元素。一张像片的外方位元素包括六个参数，其中有三个是直线元素，用于描述摄影中心S的空间位置的坐标值；另外三个是角元素，用于描述像片空间姿态。

1.4.1.三个直线元素

三个直线元素是反映摄影瞬间，摄影中心S在选定的地面空间坐标系中的坐标值，用XS，YS，ZS表示。通常选用地面摄影测量坐标系，其中Xtp轴取与Yt轴重合，Ytp轴取与Xt轴重合，构成右手直角坐标系，如图2所示。

1.4.2.三个角元素

外方位三个角元素可看作是摄影机主光轴从起始的铅垂方向绕空间。

坐标轴按某种次序连续三次旋转形成的。先绕第一轴旋转一个角度，其余两轴的空间方位随同变化；再绕变动后的第二轴旋转一个角度，两次旋转的角度，两次旋转的结果达到恢复摄影机主光轴的空间方位；最后绕经过两次变动后的第三轴(即主光轴)旋转一个角度，亦即像片在其自身平面内绕像主点旋转一个角度。像片由理想姿态到实际摄影时的姿态依次旋转的三个角值，也就是像片的三个外方位角元素。

根据航空遥感系统设计的需要，像片外方位角元素表示方式为以Y轴为主轴系统：

在图3中，S-xyz为像空间坐标系，而OT－XTYTZT为地面辅助坐标系。摄影测量坐标系S-XYZ，使其各轴与地面辅助坐标各轴平行，则三个角元素的定义如下：

(1)以Y轴为主轴系统

－主光轴So在XZ坐标面内的投影与过投影中心的铅垂线之间的夹角，叫做偏角。从铅垂线起算，逆时针方向为正。

－主光轴So与其在XZ坐标面下的投影之间的夹角，叫做倾角。从主光轴在SZ面上的投影起算，逆时针方向为正。

－Y轴沿主光轴So的方向在像平面上的投影与像平面坐标的y轴之间的夹角，叫做旋角。从Y轴在像片上的投影起算，逆时针方向为正。

三个角元素中和ω共同确定了主光轴So的方向，而κ则用来确定像片在像平面内的方位，即光线束绕主光轴的旋转。

本具体实施方式一般来说影响DG精度的因素可归纳为三个方面：相机自身检校精度，由Pos姿态到像片外方位元素转换解算精度即系统检校精度，组合导航解算的精度。在实现高精度的相机检校以及组合导航数据解算的基础上，采用三种方法获得的外方为元素在JX-4G立体测图下安置外方位值，建立立体相对，采集控制点(检查点)坐标，进行点位精度比较验证。

本具体实施方式应用自行研制的移动靶标、实时云图采集系统、地面检校场、模拟飞行导轨等技术设备、多组合模式集成遥感系统获取复杂地形、复杂姿态的遥感数据，解算多组合模式集成遥感系统的内方位元素修正值、时间同步、空间坐标转换等检校参数，实现对航空遥感集成系统的高精度检测及校准。

Claims (1)

1.一种航空遥感集成系统检校方法，其特征在于；在高精度的相机检校以及组合导航数据解算的基础上，进行高精度系统航空遥感集成系统检校，检校方法如下：

(1)、利用POS记录姿态信息经转换得到影像直接地理定位外方位元素初值、单片后方交会方法获取外方位元素作为真值，解算外方位元素；

(2)、采用基于POS的位置姿态参数和基于GPS辅助空三的外方位元素交互验证的方法对多传感器数据进行检核；

(3)、利用POS记录姿态信息经转换得到影像直接地理定位外方位元素、及直接利用控制点绝对定向，均匀采集检校场外业检查点，进行验证；具体步骤如下：

第一步：在航空遥感集成系统检校场检校装置上装载集成系统，模拟多种飞行姿态，获取集成系统检校数据，包括POS获取姿态数据、影像数据、GPS数据；

第二步：应用野外控制点地理数据，采用单片后方交会法求取影像外方位元素值，作为真值；

第三步：解算Pos姿态到像片外方位元素转换需要的偏心角和线元素偏移值；

第四步：组合导航外方位元素值和后方交会外方位元素值之差进行测量平差，计算残差和中误差；

第五步：用空三方法解算外方位元素；

第六步：用直接控制点定向方法解算外方位元素；

第七步：通过一至六步数据确定系统外方位元素改正参数值。