IMU-DGPS辅助航空摄影技术规定(试行)

1:10000、1:50000地形图IMU/DGPS辅助航空摄影技术规定（试行）国家测绘局2004年12月目次前言1范围........................................................................12规范性引用文件..............................................................13术语........................................................................14航摄系统....................................................................35航摄设计....................................................................56航摄飞行....................................................................97数据处理...................................................................118上交成果....................................................................13附录A（规范性附录）偏心分量测定表............................................16附录B（规范性附录）航摄飞行IMU/DGPS记录表...................................17附录C（规范性附录）IMU/DGPS辅助航摄飞行数据预处理结果分析表..................18附录D（规范性附录）基站同步观测情况记录单....................................19前言摄影测量的原理就是摄影光束相交得到地面点的点位。确定投影光束（像片）的姿态需要有三个线元素和三个角元素（合称外方位元素）。传统航测成图的方法利用地面控制点并通过空三加密反求光束的外方位元素，该方法严重依赖地面控制点。在测区无法涉足（如中国西南部一些地区）或找不到合适的地面控制点（如沙漠、戈壁、森林及大草原）的地区，该成图方法受到了严重限制。同时，传统航空摄影测量中像控测量的工作量和费用占很大的比重。因此直接获取投影光束（像片）的外方位元素，无需大量的野外控制测量，一直是摄影测量工作者孜孜以求的目标。自80年代后期，GPS（全球定位系统）应用于航空摄影测量后，GPS辅助空三方法可直接测量出投影光束的三个线元素，通过空三的方法进而获取角元素，部分实现了直接获取。而开始于90年代，成熟于2000年左右的IMU/DGPS（惯性测量单元/差分GPS）技术辅助航测成图方法可直接获取三个线元素和三个角元素，实现了航空摄影后直接进入内业成图工序。从航摄像片直接测定地面点的坐标是摄影测量发展的一大趋势。为适应航空摄影测量技术的发展、满足国家基础测绘生产中制作和更新1:10000与1:50000地形图对航摄资料的要求，依据有关航空摄影、航空摄影测量内、外业等规范和规定，并充分考虑基于IMU/DGPS技术进行航空摄影的特点与要求，制定本规定。本规定的制定尽可能考虑了目前IMU/DGPS辅助航空摄影测量的发展水平和国内有关基础设施和技术的情况，在现阶段可以采用本规定。随着技术的不断发展和提高以及基础设施的完善，待条件成熟，将对本规定进一步修订和完善。本规定附录A、B、C、D为规范性附录。本规定由国家测绘局提出。本规定由国家测绘局国土测绘司归口。本规定由中国测绘科学研究院负责起草。国家测绘局测绘标准化研究所参与了讨论和格式修改工作。本规定主要起草人：李学友、李英成、朱武、曾云、郭童英、薛艳丽。1:10000、1:50000地形图IMU/DGPS辅助航空摄影技术规定1范围本规定规定了采用IMU/DGPS技术进行1:10000与1:50000地形图航空摄影测量时，对航摄系统、航摄设计、航摄飞行、IMU/DGPS数据处理、成果提交的基本要求。本规定适用于1:10000与1:50000地形图IMU/DGPS辅助航空摄影，其他比例尺地形图航空摄影可参照执行。类似技术航空遥感应用可参照此规定执行。2规范性引用文件下列文件中的条款通过本规定的引用而成为本规定的条款。凡是注日期的引用文件，其随后所有的修改单（不包括勘误的内容）或修订版均不适用于本规定。然而，鼓励根据本规定达成协议的各方研究是否可使用这些文件的最新版本。凡是不注日期的引用文件，其最新版本适用于本规定。GB123411:25000、1:50000、1:100000地形图航空摄影测量外业规范GB/T139771:5000、1:10000地形图航空摄影测量外业规范GB/T156611:5000、1:10000、1:25000、1:50000、1:100000地形图航空摄影规范GB/T183141全球定位系统(GPS)测量规范GB/T19294航空摄影技术设计规范CH8016全球定位系统(GPS)测量型接收机检定规程国家基础航空摄影产品检查验收和质量评定实施细则（试用稿），国家测绘局，2001年国家基础航空摄影补充技术规定，国家测绘局，2003年3术语3.1IMU/DGPS辅助航空摄影测量IMU/DGPS辅助航空摄影测量是指利用装在飞机上的GPS接收机和设在地面上的一个或多个基站上的GPS接收机同步而连续地观测GPS卫星信号，通过GPS载波相位测量差分定位技术获取航摄仪的位置参数，应用与航摄仪紧密固连的高精度惯性测量单元（IMU,InertialMeasurementUnit）直接测定航摄仪的姿态参数，通过IMU、DGPS数据的联合后处理技术获得测图所需的每张像片高精度外方位元素的航空摄影测量理论、技术和方法。IMU/DGPS辅助航空摄影测量方法主要包括：1）直接定向法DirectGeoreferencing利用高精度差分GPS和惯性测量单元（IMU）,在航空摄影的同时获得差分GPS（DGPS,DifferentialGPS）数据和姿态数据，通过事后GPS差分处理及姿态测量数据处理，获取摄影时刻航摄仪精确位置坐标和姿态，通过对系统误差的校正，进而得到每张像片的高精度外方位元素。2）IMU/DGPS辅助空中三角测量方法IntegratedSensorOrientation将基于IMU/DGPS技术直接获取的每张像片的外方位元素，作为带权观测值参与摄影测量区域网平差，获得更高精度的像片外方位元素成果。3.2偏心分量LeverArms分别将IMU测量中心、机载GPS天线相位中心与航摄仪投影中心的空间偏移投影在以航摄仪摄影中心为原点的像空间辅助坐标系上（以铅垂方向为Z轴，航线方向为X轴）,分解为六个坐标分量,称为偏心分量（见图A.1），包括IMU偏心分量U-IMU、V-IMU、W-IMU以及GPS偏心分量U-GPS、V-GPS、W-GPS，其中：U-GPS代表GPS天线相位中心与航摄仪摄影中心的空间偏移投影在X轴上的偏心分量，取飞行方向为正；V-GPS代表GPS天线相位中心与航摄仪摄影中心的空间偏移投影在Y轴上的偏心分量，取飞行左侧方向为正；W-GPS代表GPS天线相位中心与航摄仪摄影中心的空间偏移投影在Z轴上的偏心分量，取天顶方向为正；U-IMU代表IMU测量中心与航摄仪摄影中心的空间偏移投影在X轴上的偏心分量，取飞行左侧方向为正；V-IMU代表IMU测量中心与航摄仪摄影中心的空间偏移投影在Y轴上的偏心分量，取飞行左侧方向为正；W-IMU代表IMU测量中心与航摄仪摄影中心的空间偏移投影在Z轴上的偏心分量，取天顶方向为正。3.3基站GPSBase-station设立在测区内或测区附近、具有作为整个测区首级控制点精度、用于与飞机上机载高精度GPS接收机同步进行GPS观测的GPS地面观测站。3.4偏心角BoresightmisalignmentangleIMU与航摄仪各轴指向及姿态角度定义见图1。IMU与航摄仪紧密固联后，各轴指向之间形成的角度称作偏心角，可分解为三个方向上的角度值（θx,θy,θz），见图2。图1IMU及航摄仪各轴指向及姿态角示意图图2偏心角示意图3.5检校场CalibrationField为确定偏心角以及摄站坐标与空中三角测量结果间的系统差，在摄区或摄区附近选取包含两条航线的区域（如图3所示），采用其他方法（如空中三角测量）精确确定外方位元素，从而进行系统校正。用于系统校正的区域称为检校场。4航摄系统4.1系统组成航摄系统由航摄仪、机载IMU/GPS系统与基站GPS接收机组成。4.2航摄仪IMU/DGPS辅助航空摄影对航摄仪要求如下：a)符合GB/T15661和“国家基础航空摄影补充技术规定”中要求的所有技术指标；b)带有曝光信号传感器，能稳定输出曝光脉冲信号；4.3机载IMU/GPS系统机载IMU/GPS系统应满足如下要求：a)机载GPS接收机为高精度动态测量型双频双P码GPS接收机，最小采样间隔不大于1s；b)IMU测角中误差精度要求：侧滚角（Roll）和俯仰角（Pitch）不得大于0.01º；航偏角（Yaw）不得大于0.02º,记录频率要高于50Hz；c)具有信号时标输入器（EventMarker）接口，能够将航摄仪快门开启脉冲(即曝光时刻)通过接口准确写入GPS数据流，脉冲延时不得大于5ms；d)机载GPS信号接收天线必须采用航空型产品，具有高动态、高精度双频数据接收能力，并有精确定义和稳定的相位中心，保证能在高飞行高度、高速度情况下正常工作；e)电源系统应满足航摄作业无间断供电；f)机内存储系统能够记录和存储航摄作业所有IMU数据、GPS数据以及时标(EventMark)数据及其他必要数据。4.4基站GPS接收机为保证IMU/DGPS辅助航空摄影飞行，必须在基站架设高精度GPS接收机，与飞机上机载高精度GPS接收机同步进行GPS观测。基站GPS接收机的性能应与机载GPS接收机性能相匹配，且满足如下要求：a)基站GPS接收机为高精度测量型双频双P码GPS接收机，最小采样间隔不大于1s；b)具有带抑径板或抑径圈的GPS信号接收天线；c)配有充足的电池或电源系统，能保证航摄作业中供电不间断；d)配有能适应满架次作业所需地面观测数据存储要求的存储器；4.5机载GPS信号接收天线安装机载GPS信号接收天线安装应满足如下要求：a)稳定安装在飞机顶部外表中轴线附近，尽量靠近飞机重心和航摄仪主点位置；当航摄仪没有实时旋偏角记录装置时，天线相位中心与航摄仪主点位置偏差不大于20cm；b)安装位置应方便偏心分量的测量；c)飞机转弯时机翼可能对天线造成的遮挡最小；d)尽量使安装后的天线在飞机平飞状态时处于水平；e)尽量避免来自飞机无线电信号源的串扰。天线安装前，应在计划安装的位置进行GPS静态观测来验证该位置是否满足上述要求。方法是：在飞机附近无遮挡的适当位置，采用同类型GPS接收机，与机载GPS接收机进行同步静态观测，观察机载GPS接收机与飞机附近GPS接收机收到的卫星情况并进行分析。4.6偏心分量测定机载IMU/GPS系统与航摄仪连接安装完毕后，应精确测定偏心分量，并填写偏心分量测定表（见附录A）。偏心分量的测量误差应不大于lcm。4.7航摄系统检查航摄系统所有设备均应按照有关规定进行性能检测或检定。航摄系统安装、连接后，应在地面对整个系统进行航摄模拟试验或进行试验飞行，检查IMU、GPS接收机、航摄仪、电源系统、记录系统等工作是否正常。5航摄设计IMU/DGPS辅助航空摄影的航摄设计工作按照GB/T15661和GB/T19294有关规定执行。5.1航摄方案选择及航线设计5.1.1技术方案选择1:50000比例尺航测成图时，可采用直接定向法或IM