无人机北斗定位功能（北斗PPK技术辅助无人机航空摄影测量精度分析）
本文内容来源于《测绘通报》2022年第12期，审图号：GS京（2022）1439号
北斗PPK技术辅助无人机航空摄影测量精度分析王晶1, 王朝阳1, 张峰1, 赵现仁1, 谷祥辉1, 计丞2
1. 国家海洋信息中心, 天津 300171;
2. 天津市自然资源调查与登记中心, 天津 300000
基金项目：国家重点研发计划“科技助力经济2020”重点专项（SQ2020YFF0426316）；国家海洋信息中心青年科学基金（202001003）
关键词：北斗三号, PPK, 无人机, 摄影测量, 精度分析
引文格式：王晶, 王朝阳, 张峰, 等. 北斗PPK技术辅助无人机航空摄影测量精度分析[J]. 测绘通报, 2022(12): 64-69. DOI: 10.13474/j.cnki.11-2246.2022.0358.摘要摘要 ：由于受网络信号和基线长度限制，在南北极、远岸岛礁等地区，常用的GPS RTK技术无法应用于无人机航空摄影测量，且GPS并非我国自主的卫星导航系统，无法确保永久安全可靠。为此，本文探索利用我国自主建设的北斗三号全球卫星导航系统（BDS-3），通过动态后处理（PPK）技术辅助无人机摄影测量，以解决上述问题。以大疆精灵4 RTK无人机为例，分别利用BDS-3、GPS及BDS-3+GPS组合观测值，对无人机POS数据进行PPK处理，分析在无地面控制点条件下，不同导航卫星星源对无人机航空摄影测量平面和高程精度的影响。结果表明：利用BDS、GPS、BDS+GPS组合对无人机单点定位POS数据进行PPK处理后，空三加密点平面定位精度由分米级提升至厘米级，高程精度由米级提升至分米级甚至厘米级，与引入5个地面控制点的定位精度相当。北斗PPK技术辅助无人机航空摄影测量满足平原地区1：500比例尺空中三角测量加密精度要求。
正文无人机航空摄影测量凭借机动灵活、现势性强、高分辨率、成本低廉等优点，与卫星遥感和常规航空摄影形成互补，在海洋测绘领域的应用越来越广泛[1-8]。GNSS可提供全天时、全天候的定位、导航、授时服务，已与航空摄影测量技术共同发展形成GNSS辅助空中三角测量技术[9]，并被广泛应用于航空摄影测量实际生产。利用安置在航空飞行器上的GNSS接收机测定航空摄影仪的光学中心在曝光瞬间的三维坐标，并将其作为附加观测值参与空中三角测量联合平差，可大大减少地面控制点的数量。
目前，采用RTK技术虽然可实时获取飞行器厘米级定位，但其实时差分信号受基线距离、网络覆盖、周边环境等因素的影响。例如，南北极、远岸岛礁等地区因无网络覆盖或信号较差而无法使用RTK技术；测区面积较大时，飞行器与地面基准站之间的距离将超过RTK基线距离限制，导致信号中断。以上因素使得RTK技术辅助航空摄影测量应用受限。为此，有学者探索将动态后处理(post processed kinematic，PPK)技术应用于航空摄影测量[10-15]，无需地面基准站与飞行器之间进行通信，即可获取高精度定位结果，具有灵活机动、作业范围大、成本低等优点。
PPK辅助航空摄影测量的研究和应用多是基于GPS卫星开展的[16-19]。近年来，我国逐步建立了北斗卫星导航系统。文献[20]基于BDS-2分析了BDS辅助无人机航摄影像的空中三角测量的可行性。2020年底，BDS-3全球组网完成，具备全球服务能力。本文以大疆精灵4 RTK无人机为例，从星源和技术手段两方面进行探究，并通过试验验证BDS-3 PPK技术在无人机航空摄影测量中的应用潜力与精度，旨在为南北极、海岸带等特殊地区无人机测绘活动和项目生产提供参考。
1 工作原理与技术流程1.1 PPK测量工作原理
PPK技术利用载波相位进行事后差分的GNSS动态后处理定位，即在已知点上架设GNSS接收机保持静态连续观测，无人机上的GNSS接收机作为流动站同步进行GNSS观测。假设基准站为i，无人机为j，在t1和t2两个历元对卫星p和q进行同步观测，则同一时刻基准站i和无人机j对卫星p的观测方程为[21]
(1)
(2)
式中，；(Xp，Yp，Zp)为该时刻卫星p在空间的三维坐标，由卫星星历给出；(Xi，Yi，Zi)为接收机i的空间三维坐标，为未知数；σip为接收机i对卫星p的载波相位观测值；c为光速；Vti为接收机i的钟差；Vtp为卫星p的钟差；Nip为接收机i对卫星p的载波相位观测值的整周模糊度；f为载波频率；(Vion)i为接收机i到卫星p路径上的电离层延迟；(Vtrop)i为对流层延迟。
在接收机之间进行一次差分，即式(2)-式(1)，可得接收机间的单差观测值为
(3)
式中，Δσijp=σjp-σip；ρijp=ρjp-ρip；Vtij=Vtj-Vti；Nijp=Njp-Nip；(Vion)ijp=(Vion)jp-(Vion)ip；(Vtrop)ijp=(Vtrop)jp-(Vtrop)ip。式(3)中，卫星p的钟差Vtp已通过差分消除。对于短基线，接收机i和j到卫星p路径上的电离层延迟和对流层延迟非常相近，因此，(Vion)ijp和(Vtrop)ijp基本可忽略不计。
同理，接收机i和j对卫星q的单差观测方程为
(4)
在卫星间再进行差分，即式(4)-式(3)，可得接收机和卫星间的双差观测值为
(5)
式(5)中，接收机i和j的钟差影响已通过二次差分消除，对流层和电离层延迟对于短基线可忽略不计，则双差观测方程的未知数只剩下流动站j的三维坐标及整周模糊度参数。假设基准站和无人机接收机分别在2个历元同时接收5颗卫星信号，则可组成10个双差观测方程，足以解算以上未知数。因此，PPK技术解算时，只需要2个历元的共同观测即可解算获取厘米级三维坐标[22]。
1.2 BDS PPK辅助无人机摄影测量技术流程以大疆精灵4 RTK为例，北斗PPK技术辅助无人机航空摄影测量的技术流程为：在无人机上集成可接收BDS、GPS等卫星信号的双频接收机和航摄相机，无人机在航空摄影期间对BDS、GPS、GLONASS、Galileo卫星进行观测，并记录至观测文件中；在曝光时刻将曝光脉冲信号写入GNSS接收机的时标上，以确定相机的曝光时间，再通过单点定位方式，获取曝光时刻GNSS天线相位中心的位置，与曝光时刻、姿态属性、相位中心与相机CMOS传感器中心的改正数等一并写入Timestamp.MRK文件中(即POS文件)；与此同时，在地面基准站进行GNSS同步观测；事后，利用基准站的观测文件、无人机记录的PPK RAW.bin文件进行PPK处理，通过内插获取每张影像曝光时刻GNSS天线相位中心三维坐标(简称摄站坐标)，再将其作为带权观测值引入空中三角测量光束法区域网平差中[21]。由于PPK解算获取的摄站坐标精度较高，因此，生产作业中可减少野外像控点布测。2 测区概况与试验设计2.1 测区概况为了验证BDS-3 PPK技术辅助无人机航空摄影测量可达到的精度，在天津市滨海新区北塘古镇附近开展了无人机航摄试验。试验区紧邻永定新河，距三河岛约790 m。测区呈不规则矩形，具有植被、建筑物、道路、水域、裸地等多种地物类型。利用大疆精灵4 RTK无人机开展试验，搭载的卫星定位模块可同时接收BDS、GPS、GLONASS、Galileo卫星信号，地面基站采用华测CHC170接收机，也可同时接收多种卫星信号。2.2 试验设计2.2.1 获取基准站坐标无人机航飞前，首先在测区附近的大地控制点处架设基准站，量取天线高，以5 Hz的频率进行静态数据采集；然后利用CORS系统获取控制点的CGCS2000坐标和1985国家高程，作为后期PPK解算的基准。2.2.2 飞行获取影像数据
利用大疆精灵4 RTK集成的飞行规划功能进行航线设计，航高设置为100 m，航向重叠度为80%，旁向重叠度为70%，共飞行9条航线，获取航空像片263张。2.2.3 获取像控点坐标为与无地面控制点情况下的PPK辅助无人机摄影测量精度进行对比，基于CORS系统，测得测区内若干像控点坐标，作为地面控制点或检查点。2.3 数据处理2.3.1 PPK解算获取摄站坐标将基准站获取的观测文件与无人机获取的PPKRAW.bin文件作为输入，利用CHC Geomatics Office2软件，采用PPK技术解算摄站坐标。2.3.2 空三加密生成DOM和DSM利用Pix4Dmapper软件进行空三加密测量光束法区域网平差，依次进行数据初始化处理—空三加密运算—点云和纹理提取—DSM和DOM生成等步骤，生成的DOM和DSM分别如图 1、图 2所示。在新建的项目中导入无人机拍摄相片，通过相片头文件自动完成相机型号识别和参数获取。图 1 数字正射影像图 2 数字表面模型3 结果分析与讨论3.1 数据处理方案设计为比较不同数据源和技术手段对摄站坐标和空三加密精度的影响，本文设计了3类方案。(1) 无地面控制点条件下，直接利用单点定位获取的摄站坐标进行空中三角测量。(2) 为验证BDS PPK技术解算的摄站坐标是否满足摄影测量空三加密要求，以及不同导航卫星PPK方案对空三测量的精度影响，选择在无地面控制点条件下，利用PPK解算获取的高精度摄站坐标进行空中三角测量，即分别利用BDS、GPS、BDS+GPS卫星进行PPK解算。(3) 分别引入3个和5个均匀分布的地面控制点，利用单点定位获取的摄站坐标进行空中三角测量光束法区域网平差，作为方案(2)的参照。方案(2)中，在PPK获取的摄站坐标基础上，加上3个角元素(ω，φ，κ)及3个分量精度(N、E、U)，形成标准格式的图像基准文件，导入Pix4Dmapper中，然后运行3DMaps数据处理模块。方案(3)中，通过GCP/MTP管理器，导入像控点坐标，并通过平面编辑器在有像控点的相片上依次刺点。为了节省时间和避免刺点误差对不同方案试验结果的影响，首先一次性完成5个控制点(图 3中全部点)的刺点并进行空三加密，然后导出标记。在3个地面控制点(图 3中圆点)的试验方案中，首先剔除其他2个点，形成这3个控制点的坐标文件和相应的标记文件，然后导入GCP/MTP管理器中，运行3DMaps数据处理模块。图 3 地面控制点分布3.2 PPK解算摄站坐标结果分析方案(2)中，3种PPK解算方案的摄站N、E、U方向标准差分别如图 4—图 6所示。由于无法获取试验PPK求得的摄站坐标真值，为了评定BDS与GPS的PPK精度，将目前公认效果较好的BDS+GPS卫星组合解算结果作为参考进行对比，见表 1。图 4 BDS PPK解算N、E、U方向中误差图 5 GPS PPK解算N、E、U方向中误差图 6 BDS+GPS PPK解算N、E、U方向中误差表1 不同PPK方案固定解N、E、U方向中误差 综上，可得如下结论。(1) BDS卫星初始化时间较长，一旦初始化，飞行期间不容易失锁，GPS反之。飞行初始化阶段，利用BDS卫星耗时4.6 s才能得到固定解，第1、2张相片曝光时刻的精度较差，利用GPS则只需0.6 s；飞行期间，无人机一直保持对BDS卫星的连续跟踪，PPK解算的N、E、U方向精度较稳定，而GPS卫星在飞行中失锁1次，又经历4.6 s才恢复得到固定解，因而GPS PPK解算精度在第131、132张相片的曝光时刻发生了一次较大波动。(2) 仅利用BDS或GPS进行PPK求得的摄站坐标在N、E、U方向的精度相当，利用BDS+GPS卫星组合PPK解算的各方向精度均优于单星源，总体精度水平为1 cm。BDS PPK解算的摄站坐标在N、E、U方向的标准差分别约为1、2、1.2 cm；GPS PPK解算在N、E、U方向的标准差分别约为0.9、1.4、1.2 cm；BDS+GPS解算在N、E、U方向的标准差分别约为0.6、1.1、0.9 cm。(3) 仅利用GPS卫星进行PPK解算与BDS+GPS组合解算的固定解一致性更好，在E、N、U各方向符合性均优于BDS PPK解算结果，但两者间的差异较小，均为毫米级。(4) 分析原因为，试验期间观测到的BDS卫星数量为9~10颗，平均为9.95颗，GPS卫星数量一直为6颗；虽然BDS卫星数量较多，但BDS的平均PDOP值为2.7，GPS的平均PDOP值为1.5，GPS星座几何结构优于BDS。因此，GPS PPK解算的精度总体优于BDS，与BDS+GPS组合解算结果的一致性也优于BDS。3.3 空三加密精度分析对不同试验方案生成的DOM和DSM进行精度评估，提取检查点的平面坐标和高程，并与实测结果进行对比，各方案的精度评定结果见表 2和表 3。表2 各方案平面和高程精度统计表3 BDS PPK方案空三加密精度
(1) 若无地面控制点，也不采用PPK技术进行差分后处理，仅依靠单点定位获取的无人机POS数据，空三加密的平面精度为亚米级，高程精度为米级，无法满足大比例尺测图精度要求。(2) 本文试验中，无论使用何种导航卫星，利用PPK技术获取高精度摄站坐标后，其效果等同于布设3~5个均匀分布的地面控制点，两者的空三加密精度相当；相比于无控单点定位方案，PPK方案的平面和高程精度均提高了1个数量级。(3) 基于BDS PPK解算的摄站坐标进行空三测量，在无地面控制点条件下，平面精度为0.03 m，高程精度为0.1 m，满足《数字航空摄影测量空中三角测量规范》(GB23236—2009)中平地地区1∶500比例尺精度要求，即平面中误差不大于0.18 m，高程中误差不大于0.15 m。(4) 虽然BDS PPK获取的摄站坐标精度较GPS和BDS+GPS低，但经过空中三角测量光束法区域网平差后，三者的精度水平相当，均满足1∶500比例尺精度要求。因此，完全可以利用BDS PPK技术获取高精度摄站坐标，应用于无人机低空摄影测量。4 结语本文利用无人机飞行数据进行了无控单点定位、无控PPK、地面控制点3类6组试验，验证了对于无人机低空航空摄影数据处理而言，利用BDS卫星进行PPK处理，可大幅提升无控条件下的平面和高程精度，其效果等同于均匀布设一定数量的地面控制点，可满足大比例尺空三加密精度要求。考虑试验区域较小，下一步将在南北极地区、远岸岛礁、海岸带区域开展更大范围的应用测试，探索并验证BDS-3 PPK辅助无人机航空摄影测量技术应用的可行性与精度。致谢:金继业、侯辰、郭灿文、王剑等参加了外业数据采集工作，在此一并表示衷心的感谢！作者简介作者简介：王晶(1986-),女,硕士,高级工程师,主要从事极地和海岸带摄影测量、海洋测绘等研究。E-mail:wang-7-jing@qq.com通信作者：张峰。E-mail:olileo@163.com初审：纪银晓复审：宋启凡
终审：金 君资讯
