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IMU/DGPS辅助航空摄影测量原理、方法及实践

作　者: 李学友
导　师: 张永生
学　校: 解放军信息工程大学
专　业: 摄影测量与遥感
关键词: 惯性测量单元 差分GPS 直接定向法(DG) IMU/DGPS 辅助空中三角测量方法 (ISO) DGPS基站 坐标转换 检校场 误差分析 技术流程
分类号: P231
类　型: 博士论文
年　份: 2005年
下　载: 1436次
引　用: 23次
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内容摘要


本文在系统地总结和阐述IMU／DGPS辅助航空摄影测量的有关原理、方法与关键技术的基础上，结合国内开展的生产实验和工程实践，针对实际应用中检校场和GPS基站布设、坐标转换等问题进行了探讨和实验研究，着重对IMU／DGPS辅助航测成图的综合精度进行了分析和验证，并形成一套完整的IMU／DGPS辅助航空摄影测量实施方案。本文主要研究内容如下： 1、通过对国内外IMU／DGPS辅助航空摄影测量技术相关资料的系统分析和整理，并结合实验研究和生产实践，系统地论述了IMU／DGPS系统姿态测量的基本原理、惯性导航技术与摄影测量中坐标系的角度定义以及相互关系、IMU／DGPS系统的构成及应用。从基本原理出发，对不同坐标系统之间的转换、偏心角的解算、IMU／DGPS辅助空中三角测量数学模型等相关内容进行了阐述。 2、通过对检校场作用的系统分析，提出了检校场的布设方案，并通过大量的实测数据进行了实验验证。 3、提出了IMU／DGPS辅助航空摄影测量中对机载GPS定位精度的要求，结合国内情况，进行了基站布设方案研究。提出了“连续运行参考站式”观测和计算方法解求基站坐标的方案，并进行了精度验证；通过实验验证了DGPS计算精度与基站和飞机距离的关系。在此基础上，提出了最佳的基站布设和解算方案以及DGPS计算方案。 4、提出了一种由WGS84坐标系统到我国基础地理坐标系统的转换方法，即采用包含框架转换的局部区域参数转换法进行ITRF2000框架下的WGS84坐标到1980西安坐标的转换，采用“GPS+似大地水准面”技术实现WGS84大地高转换成1985国家高程基准的高程值。对上述方法进行了实测数据检验。实现了在1980西安坐标系和1985国家高程基准下的定向和测图。 5、对IMU／DGPS辅助航测成图的误差源以及成图精度进行了系统分析，从理论上对IMU／DGPS系统定位及测角精度带来的误差影响进行了探讨，并通过大量实际生产实验对多种比例尺IMU／DGPS辅助航测成图的精度进行了综合验证。 6、在我国首次对如何开展IMU／DGPS辅助航空摄影测量项目进行全面的阐述，并提出了一套完整可行的实施方案。

全文目录


摘要  11-13
ABSTRACT  13-15
第一章 绪论  15-25
  1.1 研究背景  15-16
  1.2 国内外研究现状  16-23
    1.2.1 INS/GPS组合导航及直接地理定位(DG)技术的沿革  16-18
    1.2.2 IMU/DGPS组合系统的优点  18-19
    1.2.3 IMU/DGPS辅助航空摄影测量技术的发展  19-20
    1.2.4 国内外研究情况和发展动态  20-23
  1.3 本文主要研究内容  23-25
第二章 IMU/DGPS辅助航空摄影测量原理与技术方法  25-49
  2.1 IMU/DGPS系统姿态测量的原理  25-32
    2.1.1DGPS精密定位原理  25-27
    2.1.2 IMU姿态测定原理  27-32
      2.1.2.1 惯性系统位置与姿态测定的基本原理  27-28
      2.1.2.2 IMU姿态测定的基本原理  28-30
      2.1.2.3 IMU/DGPS组合系统姿态测量原理  30-32
  2.2 坐标系统和旋转角  32-42
    2.2.1 惯性导航中坐标系和角度定义  32-35
    2.2.2 摄影测量中坐标系和角度定义  35-37
    2.2.3 摄影测量与惯性导航中坐标和姿态角的转换  37-39
    2.2.4 偏心角含义及解算  39-42
  2.3 IMU/DGPS辅助空中三角测量的数学模型  42-44
  2.4 IMU/DGPS系统构成及应用  44-45
    2.4.1 系统构成  44-45
    2.4.2 IMU/DGPS系统应用  45
  2.5 IMU/DGPS辅助航空摄影测量定义、方法及相关术语  45-47
    2.5.1 IMU/DGPS辅助航空摄影测量定义  45-46
    2.5.2 IMU/DGPS辅助航空摄影测量方法  46
      2.5.2.1 直接定向法(Direct Georeferencing)  46
      2.5.2.2 IMU/DGPS辅助空中三角测量方法(Integrated Sensor Orientation)  46
    2.5.3 有关术语  46-47
      2.5.3.1 偏心分量(Lever Arms)  46-47
      2.5.3.2 基站(GPS Base-station)  47
      2.5.3.3 检校场(Calibration Field)  47
  2.6 本章小结  47-49
第三章 检校场布设方案设计与实验研究  49-62
  3.1 检校场的作用和布设方法  49-53
    3.1.1 地球曲率的影响  49-50
    3.1.2 摄影条件差别造成焦距变化的影响  50-51
    3.1.3 检校场的作用  51-52
    3.1.4 检校场的布设方案  52-53
  3.2 生产实验及结果分析  53-61
    3.2.1 偏心角及线元素分量偏移值变化规律实验  54-57
    3.2.2 检校场飞行高度实验  57-58
    3.2.3 IMU/DGPS辅助空三计算时是否需要每架次飞行检校场  58-60
    3.2.4 南京大比例尺摄区检校场布设方案结果验证  60-61
    3.2.5 国内其它摄区检校场布设情况介绍  61
  3.3 本章小结  61-62
第四章 基站布设测量方案及实验研究  62-81
  4.1 IMU/DGPS辅助航测中对机载GPS定位精度的要求  62-63
  4.2 锡林浩特摄区基准站布设方案实验研究  63-76
    4.2.1 GPS基站观测和计算方法实验研究  64-68
      4.2.1.1 实验方案  64
      4.2.1.2 外业观测  64-65
      4.2.1.3 数据处理  65-67
      4.2.1.4 与常规控制测量结果相比较  67-68
    4.2.2 各基站DGPS计算结果分析  68-72
      4.2.2.1 DGPS计算精度与基站和飞机距离的关系  68-71
      4.2.2.2 基站远近对精度的影响实验  71-72
    4.2.3 DGPS计算方案选择实验  72-75
    4.2.4 锡林浩特摄区2003年度各架次DGPS处理情况分析  75-76
  4.3 其它摄区基准站精度验证  76-79
    4.3.1 锡林浩特摄区2004年度各架次DGPS结果分析  76-77
    4.3.2 大兴安岭摄区各架次DGPS结果分析  77-79
  4.4 本章小结  79-81
第五章 坐标转换方案及实验研究  81-88
  5.1 平面坐标转换  81-85
    5.1.1 ITRF与WGS84  81-82
    5.1.2 ITRF93框架与ITRF2000框架下WGS84坐标转换  82-83
    5.1.3 WGS84坐标与1980西安坐标系的坐标转换  83-85
    5.1.4 ITRF2000成果转换到1980西安坐标系  85
  5.2 高程转换  85-87
    5.2.1 高程转换原理及方法  85-86
    5.2.2 高程转换精度验证  86-87
  5.3 坐标转换实验小结  87-88
第六章 IMU/DGPS辅助航空摄影测量成图精度分析  88-116
  6.1 IMU/DGPS辅助航空摄影测量误差分析和精度估计  88-94
    6.1.1 DGPS定位误差的影响  88-89
    6.1.2 系统集成误差的影响  89
    6.1.3 IMU姿态测量精度的影响  89-94
      6.1.3.1 俯仰角(pitch)误差影响  89-91
      6.1.3.2 侧滚角(roll)误差影响  91-92
      6.1.3.3 偏航角(Yaw)误差影响  92-93
      6.1.4 IMU/DGPS辅助航空摄影测量综合精度估计  93-94
  6.2 IMU/DGPS辅助航空摄影测量成图精度验证及结果分析  94-114
    6.2.1 安阳摄区1:1000及1:5000成图比例尺精度验证实验  94-101
      6.2.1.1 实验方案  96
      6.2.1.2 实验结果分析  96-101
      6.2.1.3 安阳实验小结  101
    6.2.2 锡林浩特摄区1:10000及1:50000成图比例尺精度验证实验  101-108
      6.2.1.1 1:1万精度验证样工区验证结果  102-105
      6.2.1.2 1:5万精度验证样区验证结果  105-106
      6.2.1.3 1:1万精度验证样Ⅱ区验证结果  106-108
      6.2.1.4 锡林浩特摄区精度验证情况小结  108
    6.2.3 大兴安岭摄区1:50000成图比例尺精度验证实验  108-111
      6.2.3.1 精度验证情况  109-111
      6.2.3.2 大兴安岭摄区精度验证情况小结  111
    6.2.4 南京摄区1:1000成图比例尺精度验证及生产成果精度情况  111-114
      6.2.4.1 精度验证情况  111-112
      6.2.4.2 机载GPS信号L2波段干扰问题  112-114
      6.2.4.3 南京摄区精度验证情况小结  114
  6.3 本章小结  114-116
第七章 IMU/DGPS辅助航空摄影测量实施方案  116-134
  7.1 IMU/DGPS辅助航空摄影测量实施综述  116-117
  7.2 航摄准备  117-124
    7.2.1 系统安装  117-120
      7.2.1.1 系统组成  117
      7.2.1.2 航摄仪  117-118
      7.2.1.3 机载IMU/GPS系统  118
      7.2.1.4 基站GPS接收机  118
      7.2.1.5 机载GPS信号接收天线安装  118-119
      7.2.1.6 偏心分量测定  119-120
      7.2.1.7 航摄系统检查  120
    7.2.2 航摄设计  120-121
      7.2.2.1 航线敷设与航摄分区  120
      7.2.2.2 航摄方案选择  120-121
    7.2.3 基站布设和测量  121-122
      7.2.3.1 基站设计  121
      7.2.3.2 基站布设  121-122
      7.2.3.3 基站埋石  122
      7.2.3.4 基站测定  122
    7.2.4 检校场布设和控制点测量  122-124
      7.2.4.1 检校场及像片控制点布设  122-123
      7.2.4.2 检校场控制点测量  123-124
    7.2.5 加密分区四角对空地标点布设及坐标测量  124
  7.3 航空摄影  124-127
    7.3.1 飞行前准备  124-125
    7.3.2 航摄飞行实施  125-126
    7.3.3 飞行后质量检查  126
      7.3.3.1 飞行质量和摄影质量检查  126
      7.3.3.2 IMU/DGPS数据质量检查  126
    7.3.4 补摄与重摄  126-127
  7.4 数据后处理  127-129
    7.4.1 IMU/DGPS数据预处  127
    7.4.2 差分GPS计算  127
    7.4.3 IMU/DGPS数据滤波计算  127
    7.4.4 偏心角及位置平移量系统误差改正  127-128
    7.4.5 精度验证样区验证计算  128
    7.4.6 总结报告编写  128
    7.4.7 航摄成果  128-129
      7.4.7.1 航空摄影常规产品  128-129
      7.4.7.2 采用IMU/DGPS技术计算外方位元素的相关成果  129
  7.5 内业测图  129-130
    7.5.1 直接定向法测图  129-130
    7.5.2 IMU/DGPS辅助空中三角测量加密后测图  130
  7.6 IMU/DGPS技术在国内的推广应用  130-133
    7.6.1 引进消化研究阶段  130-131
    7.6.2 规模化生产实验研究阶段  131
    7.6.3 规模化生产阶段  131-133
      7.6.3.1 国家基础航空摄影  131-132
      7.6.3.2 大比例尺航空摄影测量  132-133
    7.6.4 应用展望  133
  7.7 本章小结  133-134
第八章 总结与展望  134-139
  8.1 研究工作总结  134-135
  8.2 总体结论和建议  135-137
  8.3 展望  137-139
主要参考文献  139-148
附录A 各摄区机场、基站、检校场及精度验证区分布示意图  148-153
附录B 攻读博士学位期间完成的工作  153-155
  B.1 获奖情况  153
  B.2 完成项目情况  153-155
附录C 在读期间公开发表学术论文题录  155-156
致谢  156-157

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中图分类: > 天文学、地球科学 > 测绘学 > 摄影测量学与测绘遥感 > 航空摄影测量
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