毕 业 设 计 [论 文]
题 目：GNSS/INS 组合导航在航空遥感中的应用 学 院： 测绘工程学院 专 业： 测绘工程 姓 名： 张铁棒 学 号： 061410248 指导老师： 李军杰 完成时间： 2014年5月4日
河南城建学院本科毕业设计（论文） 目录
目 录
摘 要 ......................................................................................................................... I ABSTRACT ..................................................................................................................... II 第一章 绪论 .................................................................................................................... 1
1.1 引言 ................................................................................................................... 1 1.2 课题的背景及意义 ........................................................................................... 2 1.2 国内外研究现状 ............................................................................................... 3 1.3 本文的主要研究内容 ....................................................................................... 5 第二章 GPS/INS组合导航系统基本原理 .................................................................... 6
2.1 差分GPS基本原理 ........................................................................................ 6
2.1.1 差分GPS定位原理 ............................................................................... 7 2.1.2 GPS系统定位误差来源及分析 .......................................................... 7 2.2 INS基本原理 .................................................................................................. 9
2.2.1常用的导航坐标系 ................................................................................. 9 2.2.2 INS原理、模型 .................................................................................... 10 2.3 组合导航系统基本原理 ................................................................................. 12 2.4 GPS/INS组合导航的优势 ........................................................................... 13 2.5 GPS/INS组合导航的组合模式 ................................................................... 14
2.5.1 组合模式概述 ...................................................................................... 14 2.5.2 非耦合组合 .......................................................................................... 14 2.5.3 松散耦合组合 ...................................................................................... 15 2.5.4 紧耦合组合 .......................................................................................... 16 2.5.5 超紧耦合组合 ...................................................................................... 19
第三章 GPS/INS辅助航空摄影测量的方法 .............................................................. 21
3.1 GPS/INS直接定向法 ................................................................................... 21
3.1.1 GPS/INS直接定向概述 ....................................................................... 21 3.1.2 GPS/INS直接定向的原理 ................................................................... 21 3.1.3 GPS/INS直接定向精度评估 ............................................................... 22 3.2 GPS/INS辅助空中三角测量法 ................................................................... 22
3.2.1 GPS/INS辅助空中三角测量概述 ....................................................... 22 3.2.2 GPS/INS辅助空中三角测量的原理 ................................................... 23 3.2.3 GPS/INS辅助空中三角测量的精度评估 ........................................... 25 3.2.4 GPS/INS辅助航空摄影测量的主要误差源 ....................................... 26
第四章 GPS/INS组合导航在航空摄影测量测量中应用 .......................................... 28 第五章 结论 .................................................................................................................. 33 参考文献 ........................................................................................................................ 34 致 谢 ........................................................................................................................ 36
河南城建学院本科毕业设计（论文） 摘要
摘 要
传统的航空摄影测量都需要使用地面控制点并通过空三加密求解像片的外方位元素。尽量减少乃至摆脱对野外控制点的依赖，是摄影测量的重要研究课题。GPS/INS组合系统被引入摄影测量。由于GPS/INS辅助航空摄影测量能直接给出航摄仪曝光瞬间的外方位元素，因此将大量减少甚至完全免除野外控制点，从而大大提高航空摄影测量的效率，同时也带来很大的经济效益。
本文主要论述了差分GPS基本原理、惯性导航系统（INS）基本原理及GPS/INS组合导航基本原理；着重分析了组合导航的组合模式。在此基础上对目前GPS/INS辅助航空摄影测量的两种主要使用方法，即GPS/INS辅助空中三角测量法和GPS/INS直接定向法进行论述。最后，该文简单介绍了GPS/INS组合导航在航空摄影测量中的应用，并对数据结果进行分析评价，得出结论。
关键词:差分GPS,惯性导航系统，GPS/INS组合导航系统，直接定向，GPS/INS辅助空中三角测量
随着全球定位系统GPS使用的不断成熟以及惯性导航系统INS成本的降低。
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河南城建学院本科毕业设计（论文） ABSTRACT
ABSTRACT
Traditionally, the geocoding or georeferencing is solved indirectly applying a number of well known ground control points. In classical photogrammetry this task is solved with aerial triangulation (AT) for multiple images. Try hard to reduce and even shake off the dependent of ground control points involved in photogrammetric mapping has been the important subject of extensive research over the past time. With the availability of the Global Position System (GPS) and with the decreasing costs of inertial navigation system (INS), the integrated GPS/INS has been used in aerial photography and remote sensing. Performance of integrated GPS/INS system in aerial photography and remote sensing allows the direct measurement of the position and attitude parameters of the sensor stations during the time of exposure, so it enables a variety of mapping products with minimal ground control, even without the use of traditional ground control .Using integrated GPS/INS systems many applications can be realized more efficiently and economically.
This paper mainly discusses the difference of GPS basic principle, the principle of the inertial navigation system and basic principle of GPS/INS integrated navigation,and focuses on the analysis of the pattern of integrated navigation.On the basis of the GPS/INS supported photogrammetry two main method of use，namely GPS/INS supported aerial triangulation method and the GPS/INS direct method are discussed.Finally, this paper introduces the application of GPS/INS integrated navigation in aerial photogrammetry, and analyzes and evaluates the results, and come to the conclusion.
Key words: Differential GPS, Inertial Navigation System (INS), Integrated GPS/INS
System, GPS/INS-assisted Aerotriangulation, Direct Georeferencing
II
河南城建学院本科毕业设计（论文） 第一章 绪论
第一章 绪论
1.1 引言
摄影测量最基本的任务之一就是利用立体像对上每对同名像点的投影光线进行交会，获得对应地物点的空间坐标。为了得到正确的交会结果，必须恢复摄影影像上每一条投影光线在摄影时刻的空间位置与方向，而其空间位置与方向是由航摄仪的内方位元素和摄影时刻的外方位元素所决定的。解求摄影时刻航摄仪内、外方位元素的过程分别称为内定向和外定向。内定向可以通过航摄仪鉴定来完成，外定向则要用其它更复杂的技术途径来解决。传统航空摄影测量都需要使用野外控制点(FCPs: Field control points)并通过空三加密求解外方位元素，而野外控制点的测量历来是一项工作量大、作业成本高的测量过程，特别是在荒漠、森林、高山等困难地区更是如此。因此，尽量减少野外控制点数量、甚至实现无野外控制点定位一直是摄影测量的重要研究方向之一。为此，人们一直试图在航空 摄影飞行过程中记录或确定航摄仪的位置和方向，并利用这些定向数据实现航摄像片的绝对定向。我国著名学者王之卓院士早就提出“人们将努力摆脱地面控制，设计一种不需要在地面上进行测量而进行摄影测图的系统”的基本思想。在对前期的一些航空摄影辅助定位设备(如测高仪等)研究的基础上，结合全球定位系统和惯性导航系统的发展，王之卓院士又提出“对今后空中三角测量特别有前途的将是对惯性量测系统(ISS)和全球定位系统(GPS)等辅助数据的利用。
近20年来，全球定位系统(GPS)的精度大大提高，同时惯性导航系统(INS)在精度不断提高的同时成本也在不断降低。GPS和INS性能的互补性和客观应用的需要，促使两者走向了一起;而计算机技术的迅速发展，提供了运算速度高、存储量大的机载计算设备，为组合系统的发展创造了一个很好的技术条件;现代控制理论的成就，特别是最优估计理论的数据处理方法，为组合系统提供了理论基础。GPS/INS组合系统的出现为各种导航与制导需求提供了强大的技术支持，也为无地面控制的航空摄影测量与遥感的实现提供了可能。组合系统在空中测得的位置数据和姿态数据，经过校验和预处理之后，可以直接给出传感器曝光瞬间的外方位元素，从而部分乃至全部摆脱传统摄影测量对地面控制点的依赖。这样一来，几十年来在摄影测量学中间接确定像片定向参数的方法便将被彻底改变，从而引起摄影测量理论和技术的重大飞跃。
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