微型无人机GNSS事后差分应用

张禾 周扬 计春祥

摘 要：传统的无人机相片控制测量工作量大，采用目前商用的后差分系统需要无人机提供较大的空间与天线安装位置；本文提出了一种用于微型无人机系统的航空摄影后差分系统，采用通用的GNSS模块解决了无人机系统中拍摄位置精确定位的问题，实验结果表明系统可有效减少外业相片控制点数量，系统获取拍摄位置精度高，与地面检查点比较后可以满足1：2000地形图成果生产，具备一定的实用性。

关键词：无人机；低空航空摄影；后差分；树莓派

无人机航空摄影技术经过多年的技术更新目前普及量已很高，但是在实际使用过程中，无人机影像存在处理困难，地面控制点要求高，数量多的情况；大大限制了无人机航空摄影系统的应用与推广；其中主要的技术难点是民用级照相机拍摄影像变形严重，照相机感光元件面积小，单张照片覆盖面积小，导致无人机航空摄影相片数量大，同时也存在轻小型无人机姿态稳定性不高等因素；综合以上难点在传统测绘作业中无人机拍摄影像需要地面测量大量的地面控制点才能进行空中三角测量工作，进而满足一般测绘需求。

在传统作业过程中使用无人机航空影像开展1：2000比例尺地形图测绘，需在地面测量大量控制点，每间隔69张照片测量一对外业控制点方才能完成空中三角测量工作；一个项目区需要测量几十甚至上百个控制点才能开展后续测绘工作，而在山区地面标志点少且不易测量导致无人机航空影像应用困难。

在实际应用中起飞重量小于7公斤的微型无人机应用广泛，在使用中的苍穹、成都纵横研制的差分系统均只能安装在起飞重量较大的油动无人机上，设备具备一定的局限性而可应用在微型无人机上的GNSS事后差分装置几乎没有。

研制轻型无人机的GNSS事后差分装置既可获取到无人机在飞行过程中拍摄点的准确位置，事后差分的精度可达到公分级；可理解为在飞行过程中就在开展控制点测量工作，采用此中装置可有效减轻外业工作，并提高数据处理效率及成果精度；同时本装置具备成本低、精度高、灵活度高等特点，可批量使用和推广。

一、轻型无人机GNSS事后差分装置研制

（一）树莓派微型计算机

树莓派模块：树莓派由注册于英国的慈善组织“Raspberry Pi 基金会”开發正式发售世界上最小的台式机，又称卡片式电脑，外形只有信用卡大小，具有电脑的所有基本功能。

树莓派可运行Linux 系统，利用树莓派的GPIO接口可获取及控制各种信息与信号实现各种控制功能。树莓派具备提交小、开发难度小、硬件成本低、系统运行稳定等众多特点。

树莓派主要负责接收GNSS模块信号、姿态（IMU）模块信号、相机拍照信号、工作状态显示工作；本项目中主要软件开发在树莓派中完成，并在树莓派的LINUX系统中编译成可执行文件，软件主要负责接收GNSS信号，并进行GNSS单点解计算，获取GPS时间；获取GPS时间后与树莓派核对时间，形成统一时间体系；同时还获取有无人机飞行控制器发出的相机拍照指令及接收姿态模块数据，按照统一时间系进行与GNSS数据进行记录，记录在安装于树莓派上的USB存储器上；软件同时负责检测GNSS位置单点解情况、卫星数据量、姿态模块工作状态、相机模块工作状态，并指挥显示模块进行显示。

（二）小型GNSS接收模块

GNSS模块采用瑞士Ublox公司推出的M8系列 GNSS模块；具有接收美国GPS、中国北斗和俄罗斯GLONASS星座卫星信号能力；模块具备72通道，同时具备一体化GNSS天线与通用UART接口；在双模工作模式下（GPS+GLONASS或者GPS+北斗）最高达到5hz数据采用率；增加用于无人机带有信号抑制板天线后尺寸为85×85×20mm；安装在微型无人机系统上，不改变无人机的其他设备。GNSS模块主要负责接收三个卫星星座发射的无线电波信号，并转换为可以进行后差分计算处理的GNSS观测数据。

（三）实时GNSS位置计算

利用微型计算机的编制实时GNSS解算程序，同时程序还需要接收无人机飞行控制系统发出的相机曝光信号，并进行记录。为进行GNSS信号的事后差分计算，GNSS模块必须输出原始观测数据，并由树莓派微型计算机进行记录；同时对接收到的原始观测数据进行单点解解算；

由于接收机测量的是伪距，在观测值中存在着接收机钟差，加之测量点的三维坐标为待求值，一共有 4 个未知数。要求解出这 4 个未知数，至少有 4 个方程式。为此，要实现单点绝对定位必须同时观测4 颗卫星，才能组成定位的基本方程。

（四）GNSS模块时间系统差检测

研制过程中发现GNSS接收模块存在时间系统误差；由于无人机系统飞行速度在80120公里/小时，GNSS接收模块在接收到GNSS卫星发射信号后存在处理、转换、发送等过程，微信计算机存在接收、处理等时间延迟，而无人机的在飞行过程中1毫秒的距离误差可达到0.0210.033米。

GNSS模块数据传输通过UART模式，UART信号在传输过程中存在时间延迟情况；同时GNSS模块接收及处理过程中也需要消耗一定的时间。

系统采用PPS信号进行系统时间对齐，保证系统获取相机曝光时间的准确性，同时改正GNSS接收模块存在时间系统误差；保证位置计算的准确性。

（五）模块工作流程

GNSS模块工作以主控计算机为中心，同时获取GNSS信号，飞控系统给相机的拍摄信号，时间同步信号；各种信号在飞行过程中记录在主控计算机的存储系统上，工作流程见图1，图2

二、数据测试与对比

（一）试验区域情况

试验区域选取了近8平方公里的丘陵地带，试验区高差为230米；区域为高等学校聚集区，地面标志线清晰，故地面检查点没有采用拍摄前制作地面标志的方式，直接使用各类交通标志及明显地物交叉点作为检查点。

地面平均海拔1200米，最高处高程1300米。

（二）无人机飞行情况

无人机采用微型无人机，EPO泡沫材质，起飞重量5公斤；相机采用SONY a5100微单相机，镜头为16mm固定焦距镜头；飞行高度设计为552米，地面分辨率为0.12米。飞行航程48公里，覆盖面积8.59平方公里。

GNSS模块安装在无人机电池附近，不改变无人机重心位置，未影响无人机飞行航程。

地面GNSS采用徕卡GS15作为基站，采样间隔与无人机设置相同；也同时采集GPS与GLONASS信号。

无人机后差分计算后通过软件平差计算除两个拍摄点位置由于空中GNSS模块失锁导致位置精度不够外，其它拍摄点位置中误差在0.6米以内，最大误差2.06米，最小误差0.03米；位置误差见图3：

图4为GNSS模块经过后差分处理后情况，绿色为固定解成果，黄色为浮点解成果，红色为单点解成果，由于红色区域无法获取到固定及浮点解，在空中三角测量中红色位置的两个拍摄点误差也是最大的，分析平差后的结果主要为高程误差较大。

去掉误差较大的两个拍摄点位置数据进行平差后点位误差集中在第一条与第六条航线上。

（三）外业特征点测量

试验区域采用GNSS设备以两个GPS C级点作为起算点，引入三个控制点进入试验区域，三个控制点包括一个底面基站点位置。

在试验区采用RTK测量方式采集了18个明显标志点作为相片控制检查点，测量310个随机点作为高程检查点，同时抽取73个位置明确点作为平面检查点。

（四）精度比较

1.点位分布位置

试验区域内随机采集地面标志点，点位分布见下图5、图6，图中红色标记位置为采集点，采集使用徕卡GS15 GNSS仪器进行采集。

2.外业散点精度比较

点位位置采用制作生成DOM成果人工刺点后与外业成果进行比较计算中误差，高程精度采用生成DSM成果与外业成果进行比较计算中误差。

在试验中发现地面采用一个控制点参与空中三角测量平差后，平面精度无明显提升，但高程精度有明显提升，高程中误差为0.469米，比无地面控制点空三平差的提高0.188米。

采用研制的GNSS后差分系统，在进行空中三角测量后与外业实测成果比较平面精度可达到GB/T 79302008 《1：500 1：1000 1：2000地形图航空摄影内业规范》1：2000的要求；高程可达到1：2000山地精度要求，在使用一个地面控制参与空中三角测量平差后成果可达到丘陵地要求。

三、结语

经过试验得出利用微型无人机系统搭载GNSS后差分系统可有效减少外业相片控制点数量；在使用少量地面点参与平差后成果精度有明显提升，特别是高程精度；同时本系统重量轻，可使用在目前各种类型无人机系统上，而且不需要对无人机系统做大量改造，只需要获取无人机飞控系统相机拍摄信号即可。

从实验结果看采用GNSS后差分系统后，外业相片控制点数量可节省6080%以上的工作量，成果可用于1：2000地形图成果生产。

参考文献：

[1]李德仁，李明.無人机遥感系统的而研究进程与应用前景[J].武汉大学学报（信息科学版），2014，39（5）：505513.

[2]姬渊，秦志远，王秉杰，刘晓辉.小型无人机遥感平台在摄影测量中的应用研究[J].测绘技术装备， 2008（01）.

[3]杜全叶，陆锦忠.无人飞艇低空摄影测量系统及其DOM制作关键技术[J].测绘通报，2010（06）.

[4]张建霞，王留召，蒋金豹.基于数字影像的低空摄影测量研究[J].测绘通报，2006（12）.

[5]龚真春.GPS在微型无人机导航定位中的研究与应用[D].浙江大学，2005.

[6]张勇.GPS事后差分定位数据处理理论与应用研究[D].安徽理工大学，2009.

[7]唐敏，李永树，何敬.无地面控制点无人机影像的相对定向方法[J].西南交通大学学报，2011（05）.