一种无人机航摄站点坐标求解装置及方法与流程

本发明属于航空摄影测量技术领域，具体涉及一种无人机航摄站点坐标求解装置及方法。

背景技术：

近年来，轻小型测绘无人机以其成本低、灵活机动强、获取的影像分辨率高等特点，已广泛应用在应急测绘数据获取、海岛礁测绘、困难地区测绘等领域，是我国测绘航摄的重要手段和装备。GPS辅助空中三角形测量技术是提高无人机的作业效率的常用手段，为了实现GPS辅助空中三角形测量，就必须能够实现GPS设备与航测相机之间的同步，在现有的无人机航空摄影技术中，为了实现航摄相机与GPS设备的同步所采用的主要解决方案有以下三种：一、利用Y型线，将航摄相机和GPS设备并联到一起，但是由于GPS设备得到的信号时刻并不是航摄相机曝光的时刻，由于快门打开的时间并不是确定的，周围环境的改变相应的快门曝光时间也会有变化，造成GPS设备获取的时间精度误差大，从而影响到曝光点的坐标精度；二、通过航摄相机闪光灯的信号实现航摄相机和GPS设备的同步，这种方式在一定程度上提高了同步的精度，使得时间误差仅仅存在于航摄相机快门曝光的误差，有较高的精度；三、从航摄相机CCD处直接获得航摄相机曝光瞬间的信号，将此信号供给GPS设备，这种方式是精度最好的方式，能够直接获取航摄相机感光瞬间的信号，从而精确求得摄站点的坐标，但是这种方式需要专业的航摄相机才能够实现对于一般测绘公司来说应用成本过高。

为了解决上述问题，提出了一种航摄相机和GPS设备独立工作的无人机航摄站点坐标求解装置，通过GPS设备测量的飞行轨迹约束航摄相机测量得到的飞行相似轨迹，可算出航摄相机曝光点的坐标，不需要使用信号线进行连接，能够避免航摄相机和GPS设备之间因为信号影响产生的同步误差，同时也能降低硬件使用时的难度，使用效果好。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种无人机航摄站点坐标求解装置及方法，其结构简单、设计合理，通过GPS设备测量的GPS飞行轨迹约束航摄相机测量得到的自由网下飞行轨迹，采用事后计算的方法来获取摄站点坐标，不需要使用信号线进行连接，能够避免航摄相机和GPS设备之间因为信号影响产生的同步误差，实用性强，使用效果好，便于推广使用。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种无人机航摄站点坐标求解装置，其特征在于：包括无人机搭载机构和地面基准站，所述无人机搭载机构上设置有机载GPS接收机和航摄数据采集单元，所述地面基准站上设置有地面GPS接收机和用于进行数据处理的计算机，所述机载GPS接收机包括第一微控制器和飞机GPS天线，所述飞机GPS天线与第一微控制器之间接有飞机GPS芯片，所述第一微控制器接有飞机GPS数据存储器，所述飞机GPS数据存储器与计算机通过通信接口连接；所述航摄数据采集单元包括用于采集测区影像信息的航摄相机和用于存储航摄相机信息的存储卡，所述存储卡与计算机通过通信接口连接；所述地面GPS接收机包括第二微控制器和地面GPS天线，所述地面GPS天线和第二微控制器之间接有地面GPS芯片，所述第二微控制器接有地面GPS数据存储器，所述地面GPS数据存储器与计算机通过通信接口连接。

上述的一种无人机航摄站点坐标求解装置，其特征在于：所述飞机GPS天线和飞机GPS芯片采用屏蔽线连接，所述地面GPS天线和地面GPS芯片采用屏蔽线连接。

上述的一种无人机航摄站点坐标求解装置，其特征在于：所述通信接口为USB接口。

利用上述的装置进行航摄站点坐标求解的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、GPS测量的飞行轨迹获取：

步骤101、机载GPS数据获取：

步骤1011、获取无人机与卫星之间的伪距：利用飞机GPS天线和飞机GPS芯片获取卫星发出的与无人机位置相关的GPS信号：

其中i表示卫星的个数且i≥3，表示飞机GPS天线与第i颗卫星之间的伪距，C表示电磁波的传播速度，dδ_u表示飞机GPS芯片的时钟偏差；表示第i颗卫星的时钟偏差；表示第i颗卫星的星历引起的机载GPS数据误差；dρ_uion表示高空大气层中电离层效应引起的机载GPS数据偏差；dρ_utrop表示高空大气层中对流层时延引起的机载GPS数据偏差；dM_u表示多路径效应引起的机载GPS数据偏差；v_u表示机载GPS接收机的噪声值，表示计算得到的无人机与第i颗卫星之间的真实距离，其中，(x_u，y_u，z_u)表示飞机GPS天线的坐标位置，表示第i颗卫星的坐标位置；

步骤1012、将步骤1011中获得的GPS信号存储在飞机GPS数据存储器中；

步骤102、地面GPS数据获取：

步骤1021、获取地面基准站与卫星之间的伪距：利用地面GPS天线和地面GPS芯片获取卫星发出的与地面基准站位置相关的距离信号：

其中，表示测量到的地面基准站与第i颗卫星之间的伪距，表示计算得到的地面基准站到第i颗卫星的真实距离；dδ_b表示地面GPS芯片的时钟偏差；表示第i颗卫星的时钟偏差；表示第i颗卫星的星历引起的地面GPS数据误差；dρ_bion表示电离层效应引起的地面GPS数据偏差；dρ_btrop表示对流层时延引起的地面GPS数据偏差；dM_b表示多路径效应引起的地面GPS数据偏差；v_b表示地面GPS接收机噪声值；

步骤1022、将步骤2011中获得的数据存储在地面GPS数据存储器中；

步骤103、伪距修正：

步骤1031、获取伪距修正值：计算机调用地面GPS数据存储器中的数据，进行计算：其中表示地面基准站测得的地面基准站与第i颗卫星之间的伪距修正值；

步骤1032、改正无人机与卫星之间的伪距：

当无人机距离地面基准站的距离小于1000km时，dρ_uion≈dρ_bion，dρ_utrop≈dρ_btrop，设Δdρ＝C(dδ_u-dδ_b)+(dM_u-dM_b)+(v_u-v_b)，因此，

步骤104、获得GPS飞行轨迹：求解得到：GPS飞行轨迹U(t)＝(x_u,y_u,z_u)，

步骤二、自由网情况下飞行轨迹的获取：

步骤201、影像信息获取：利用航摄相机对相应的像点摄像得到像点照片，并存储在存储卡中，计算机利用立体设备求得像点照片的像点坐标(x_j,y_j)，通过工作人员在测区地面采集测区地面点影像信息(X_j,Y_j,Z_j)，其中，j＝1,2，3；

步骤202、计算机对影像信息进行空三处理：

其中，

其中，表示拍摄像点照片时无人机机头所指方向和地面的夹角，ω表示拍摄像点照片时无人机机头所指方向在地面上的投影和正北方向的夹角、κ表示拍摄像点照片时无人机机翼的倾斜角，f表示拍摄像点照片时航摄相机的焦距；

步骤203、获得自由网下飞行轨迹：求解得到自由网下飞行轨迹：设S(t)＝(X_S,Y_S,Z_S)，S(t)表示自由网情况下摄站点的坐标。

步骤三、空间直线参数提取：

步骤301、提取GPS飞行轨迹空间直线参数：在GPS飞行轨迹U(t)上任取两个轨迹点和表示t_h时刻的GPS飞行轨迹点，表示t_h+1时刻的GPS飞行轨迹点，利用向量描述GPS飞行轨迹：表示单位向量，表示垂直于单位向量的法向量；

步骤302、提取自由网下飞行轨迹空间直线参数：在自由网下飞行轨迹S(t)上任取两个轨迹点和表示t_j时刻的自由网下飞行轨迹点，表示t_j+1时刻的自由网下飞行轨迹点，利用向量描述自由网下飞行轨迹：表示轨迹点和轨迹点在空间内的单位向量，表示垂直于单位向量的法向量；

步骤303、求解相似变换参数：相似变换参数其中μ表示自由网下的轨迹转换到GPS轨迹时的尺度因子，θ表示自由网下的轨迹转换到GPS轨迹时的旋转矩，q表示自由网下的轨迹转换到GPS轨迹时的平移参数，利用最小二乘法求解，得到T(μ,θ,q)；

步骤四、曲线拟合得到摄站点坐标：

步骤401、自由网下飞行轨迹空间坐标转换：对自由网情况下摄站点的坐标(X_S,Y_S,Z_S)进行坐标转换，其中S(t)'＝(X′_S,Y′_S,Z′_S)表示相似转换后的自由网下飞行轨迹空间坐标；

步骤402、建立曲线拟合模型：建立曲线拟合模型其中U(t)'表示曲线拟合后得到的GPS飞行轨迹点坐标，N_h,k(t)为K阶B样条基函数，t_h为GPS飞行轨迹点的对应时间，N_h,1(t)表示1阶B样条基函数在第h段区间上的值；

步骤403：求摄站点坐标的准确值：根据最小二乘优化公式求摄站点坐标P的准确值，得到：

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明的结构简单、设计合理，实现及使用操作方便。

2、本发明通过设置飞机GPS数据存储器将测量过程中得到的机载GPS数据进行保存，通过设置地面GPS数据存储器将测量过程中得到的地面GPS数据进行保存，测量结束后，对测量得到的机载GPS数据和地面GPS数据进行事后计算，不需要使用信号线进行连接，避免了实时差分中存在的由于数据传输以及整周跳变对测量精度的影响。

3、本发明对航摄相机和GPS设备之间的曲线拟合采用事后计算，避免因为信号影响产生的同步误差，提高了摄站点坐标精度，同时也能降低硬件使用时的难度，使用效果好。

4、本发明以地面GPS数据作为差分基准站数据，通过对机载GPS数据和地面GPS数据进行差分计算，得到GPS飞行轨迹，对航摄相机采集的影像数据进行空三处理，得到自由网下飞行轨迹，通过对两条飞机飞行轨迹进行曲线拟合，通过GPS飞行轨迹约束自由网下飞行轨迹，得到摄站点坐标的准确值，提高了摄站点坐标精度。

综上所述，本发明结构简单、设计合理，通过GPS设备测量的GPS飞行轨迹约束航摄相机测量得到的自由网下飞行轨迹，采用事后计算，不需要使用信号线进行连接，并且能够避免航摄相机和GPS设备之间因为信号影响产生的同步误差，实用性强，使用效果好，便于推广使用。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明无人机航摄站点坐标求解装置的电路框图。

图2为本发明无人机航摄站点坐标求解方法的流程框图。

附图标记说明:

1—飞机GPS数据存储器； 2—飞机GPS天线；

3—飞机GPS芯片； 4—第一微控制器； 5—存储卡；

6—航摄相机； 7—地面GPS天线； 8—地面GPS芯片；

9—第二微控制器；10—地面GPS数据存储器；

11—计算机。

具体实施方式

如图1所示的一种无人机航摄站点坐标求解装置，包括无人机搭载机构和地面基准站，所述无人机搭载机构上设置有机载GPS接收机和航摄数据采集单元，所述地面基准站上设置有地面GPS接收机和用于进行数据处理的计算机11，所述机载GPS接收机包括第一微控制器4和飞机GPS天线2，所述飞机GPS天线2与第一微控制器4之间接有飞机GPS芯片3，所述第一微控制器4接有飞机GPS数据存储器1，所述飞机GPS数据存储器1与计算机11通过通信接口连接；所述航摄数据采集单元包括用于采集测区影像信息的航摄相机6和用于存储航摄相机6信息的存储卡5，所述存储卡5与计算机11通过通信接口连接；所述地面GPS接收机包括第二微控制器9和地面GPS天线7，所述地面GPS天线7和第二微控制器9之间接有地面GPS芯片8，所述第二微控制器9接有地面GPS数据存储器10，所述地面GPS数据存储器10与计算机11通过通信接口连接。

本实施例中，所述飞机GPS天线2和飞机GPS芯片3采用屏蔽线连接，所述地面GPS天线7和地面GPS芯片8采用屏蔽线连接。

采用屏蔽线连接可以有效屏蔽外界对导线中传输信号的干扰。

本实施例中，所述通信接口为USB接口。

如图1和如图2所示，本发明一种无人机航摄站点坐标求解方法，包括以下步骤：

步骤一、GPS测量的飞行轨迹获取：

步骤101、机载GPS数据获取：

步骤1011、获取无人机与卫星之间的伪距：利用飞机GPS天线2和飞机GPS芯片3获取卫星发出的与无人机位置相关的GPS信号：

其中i表示卫星的个数且i≥3，表示飞机GPS天线2与第i颗卫星之间的伪距，C表示电磁波的传播速度，dδ_u表示飞机GPS芯片3的时钟偏差；表示第i颗卫星的时钟偏差；表示第i颗卫星的星历引起的机载GPS数据误差；dρ_uion表示高空大气层中电离层效应引起的机载GPS数据偏差；dρ_utrop表示高空大气层中对流层时延引起的机载GPS数据偏差；dM_u表示多路径效应引起的机载GPS数据偏差；v_u表示机载GPS接收机的噪声值，表示计算得到的无人机与第i颗卫星之间的真实距离，其中，(x_u，y_u，z_u)表示飞机GPS天线2的坐标位置，表示第i颗卫星的坐标位置；

需要说明的是，步骤1011中，dρ_uion、dρ_utrop、dM_u和的单位均为米，C的单位为米/秒，dδ_u和单位均为ppm；v_u的单位为分贝。

步骤1012、将步骤1011中获得的GPS信号存储在飞机GPS数据存储器1中；

步骤102、地面GPS数据获取：

步骤1021、获取地面基准站与卫星之间的伪距：利用地面GPS天线7和地面GPS芯片8获取卫星发出的与地面基准站位置相关的距离信号：

其中，表示测量到的地面基准站与第i颗卫星之间的伪距，表示计算得到的地面基准站到第i颗卫星的真实距离；dδ_b表示地面GPS芯片8的时钟偏差；表示第i颗卫星的时钟偏差；表示第i颗卫星的星历引起的地面GPS数据误差；dρ_bion表示电离层效应引起的地面GPS数据偏差；dρ_btrop表示对流层时延引起的地面GPS数据偏差；dM_b表示多路径效应引起的地面GPS数据偏差；v_b表示地面GPS接收机噪声值；

需要说明的是，步骤1021中，dρ_bion、dρ_btrop和dM_b的单位均为米，dδ_b的单位为ppm；v_b的单位为分贝。

步骤1022、将步骤2011中获得的数据存储在地面GPS数据存储器10中；

步骤103、伪距修正：

步骤1031、获取伪距修正值：计算机11调用地面GPS数据存储器10中的数据，进行计算：其中表示地面基准站测得的地面基准站与第i颗卫星之间的伪距修正值；

步骤1032、改正无人机与卫星之间的伪距：

当无人机距离地面基准站的距离小于1000km时，dρ_uion≈dρ_bion，dρ_utrop≈dρ_btrop，设Δdρ＝C(dδ_u-dδ_b)+(dM_u-dM_b)+(v_u-v_b)，因此，

步骤104、获得GPS飞行轨迹：求解得到GPS飞行轨迹U(t)＝(x_u,y_u,z_u)，

步骤二、自由网情况下飞行轨迹的获取：

步骤201、影像信息获取：利用航摄相机6对相应的像点摄像得到像点照片，并存储在存储卡5中，计算机11利用立体设备求得像点照片的像点坐标(x_j,y_j)，通过工作人员在测区地面采集测区地面点影像信息(X_j,Y_j,Z_j)，其中，j＝1,2，3；

步骤202、计算机11对影像信息进行空三处理：

其中，

表示拍摄像点照片时无人机机头所指方向和地面的夹角，ω表示拍摄像点照片时无人机机头所指方向在地面上的投影和正北方向的夹角、κ表示拍摄像点照片时无人机机翼的倾斜角，ω和κ三个角度表示像点照片的空间姿态，f表示拍摄像点照片时航摄相机6的焦距。

步骤203、获得自由网下飞行轨迹：求解得到自由网下飞行轨迹设S(t)＝(X_S,Y_S,Z_S)，S(t)表示自由网情况下摄站点的坐标。

步骤三、空间直线参数提取：

步骤301、提取GPS飞行轨迹空间直线参数：在GPS飞行轨迹U(t)上任取两个轨迹点和表示t_h时刻的GPS飞行轨迹点，表示t_h+1时刻的GPS飞行轨迹点，利用向量描述GPS飞行轨迹：表示单位向量，表示垂直于单位向量的法向量；

步骤302、提取自由网下飞行轨迹空间直线参数：在自由网下飞行轨迹S(t)上任取两个轨迹点和表示t_j时刻的自由网下飞行轨迹点，表示t_j+1时刻的自由网下飞行轨迹点，利用向量描述自由网下飞行轨迹：表示轨迹点和轨迹点在空间内的单位向量，表示垂直于单位向量的法向量；

步骤303、求解相似变换参数：相似变换参数其中μ表示自由网下的轨迹转换到GPS轨迹时的尺度因子，θ表示自由网下的轨迹转换到GPS轨迹时的旋转矩，q表示自由网下的轨迹转换到GPS轨迹时的平移参数，利用最小二乘法求解，得到T(μ,θ,q)；

步骤四、曲线拟合得到摄站点坐标：

步骤401、自由网下飞行轨迹空间坐标转换：对自由网情况下摄站点的坐标(X_S,Y_S,Z_S)进行坐标转换，其中S(t)'＝(X′_S,Y′_S,Z′_S)表示相似转换后的自由网下飞行轨迹空间坐标；

步骤402、建立曲线拟合模型：建立曲线拟合模型其中U(t)'表示曲线拟合后得到的GPS飞行轨迹点坐标，N_h,k(t)为K阶B样条基函数，t_h为GPS飞行轨迹点的对应时间，N_h,1(t)表示1阶B样条基函数在第h段区间上的值；

步骤403：求摄站点坐标的准确值：根据最小二乘优化公式求摄站点坐标P的准确值，得到：

具体实施时，将飞机GPS数据存储器1、飞机GPS天线2、飞机GPS芯片3、第一微控制器4、航摄相机6和存储卡5都搭设在无人机上。通过航摄相机6依据相关的航测规范采集测区影像信息，存储卡5用于存储测区影像信息。利用飞机GPS天线2和飞机GPS芯片3接收卫星信号，并通过第一微控制器4将卫星信号存储在飞机GPS数据存储器1上，利用地面GPS天线7和地面GPS芯片8在地面上接收卫星信号，并通过第二微控制器9将卫星信号存储在地面GPS数据存储器10上，飞机GPS芯片3和地面GPS芯片8采集GPS数据的数据更新率均为10Hz，使得机载GPS数据和地面GPS数据频率对应。GPS数据采集和测区影像信息采集之间不需要进行数据通讯，完全独立工作进行数据采集，能够避免测区影像信息采集和GPS数据采集之间因为信号影响产生的同步误差。

在GPS数据采集和测区影像信息采集结束以后，计算机11调用地面GPS数据存储器10、飞机GPS数据存储器1和存储卡5中的数据，对测量得到的机载GPS数据和地面GPS数据进行事后计算，不需要使用信号线进行连接，避免了实时差分中存在的由于数据传输以及整周跳变对测量精度的影响。将地面站作为差分基准站，将测得的机载GPS数据与已知的地面GPS数据进行比较，确定误差，得出准确的改正值，得到GPS飞行轨迹U(t)＝(x_u,y_u,z_u)，即为事后差分GPS的工作过程。

计算机11对影像信息进行空三处理，得到自由网情况下摄站点的坐标S(t)＝(X_S,Y_S,Z_S)，S(t)即为自由网情况下飞行轨迹。由于GPS飞行轨迹U(t)和自由网情况下飞行轨迹S(t)在空间内是两条相似的三维曲线，计算得到两条三维曲线的相似变换参数T(μ,θ,q)，对GPS飞行轨迹U(t)和自由网情况下飞行轨迹S(t)进行空间直线参数提取，对所得的直线进行相似变换，求取尺度因子μ、旋转矩阵初值θ和平移参数q，其中μ为尺度因子，θ为3阶正交矩阵旋转矩阵，q为3×1矩阵。根据相似变换参数T(μ,θ,q)，求出自由网情况下飞行轨迹S(t)转换到GPS飞行轨迹U(t)上的转换坐标S(t)'＝(X′_S,Y′_S,Z′_S)。采用B样条曲线N_h,k(t)进行曲线拟合，时间t_h在B样条曲线N_h,k(t)上进行滑动，当曲线拟合后得到的GPS飞行轨迹点坐标U(t)'与相似转换后的自由网下飞行轨迹空间坐标S(t)'距离最近的时候，得到摄站点坐标P，将摄站点坐标P用非线性最小二乘法优化，最终得到相应的摄站点坐标P的准确值。

以上所述，仅是本发明的实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。