無人機航攝中虛擬基站和物理基站PPK精度對比分析

解維果 章漢武 吳建華

(江西師范大學地理與環境學院 江西南昌 330022)

近年來，無人機的快速發展使其在測繪、農業和電力等領域得到十分廣泛的應用。在航空攝影測量方面，無人機已經成為非常重要的一個數據獲取平臺[1]。無人機航空攝影測量中，航片的POS數據是影響成果精度的關鍵因素之一。目前很多無人機航測項目，在作業過程中會結合實時動態(Real Time Kinematic，RTK)技術或動態后處理(Post Processed Kinematic，PPK)技術獲取POS數據。RTK載波相位差分技術可實現實時高精度定位，但是RTK信號很容易受網絡信號和周圍環境等因素的影響，在長時間工作時容易丟失固定解。PPK是 GNSS 的一種差分方式，通過 OTF 初始化快速確定整周模糊度，通過基站(Base Station)和流動站(Rover)同時觀測多個歷元，進行事后基線解算，可以獲得厘米級精度的三維空間位置信息[2]。外業測量時，觀測10～30 s 就可以解算出厘米級的空間三維坐標[3]。與RTK不同，PPK 技術不需要基站和流動站之間的實時數據鏈通信，觀測更為方便、自由，在外業觀測結束后，對流動站與基準站GNSS接收機所采集的原始觀測數據進行事后處理，得到流動站的三維坐標[4]。因此，PPK相對RTK作業距離顯著增加[5]。

在進行無人機航空攝影測量時，使用PPK技術大多是在測區搭建物理基站，在無人機起飛之前開始接收數據，但是在地形復雜、信號較差的地區搭建物理基站很不方便，而且工作安全風險也較大。近些年興起的網絡PPK解算服務，雖然省去了搭建物理基站的麻煩，但網絡PPK解算服務的兼容性差，服務地區也較少，且價格昂貴，對于小型航測項目來說大幅度增加了成本。而虛擬基站技術可以解決以上問題。利用虛擬基站技術，不需要到測區，只需使用開源軟件RTKLIB[6-7]，在室內或者任何一個有網絡的地方搭建虛擬基站，且虛擬基站的位置可以任意指定，在RTKLIB的組件RTKNAVI中輸入指定地點的坐標，即可搭建虛擬基站在電腦上通過 RTKLIB接收觀測數據。在無人機航飛作業完成后，對虛擬基站接收的觀測數據和無人機接收的觀測數據進行PPK解算，得到航片的POS數據。

大疆精靈4 RTK無人機體積小、重量輕，便于攜帶，且帶有RTK模塊，能夠獲取高精度航片和觀測數據。合眾思壯G990 GNSS接收機內置高精度雙頻雙星衛星接收天線，搜星與定位速度快，定位精度高，在非典型環境下抗干擾性與穩定性強。這兩款設備是目前市場上中小型項目中使用較多的設備。本文使用大疆精靈4 RTK 無人機，在測區使用合眾思壯G990 GNSS接收機搭建物理基站，在室內使用RTKLIB搭建虛擬基站，將無人機作為流動站，與兩個基站分別進行PPK解算試驗，對比兩種PPK解算得到的POS數據的精度。

1 試驗設計

1.1 試驗設備及航線設計

為了探究在多種地物類型的場景中各設備獲取數據的精度差異，本次試驗選擇了包含多種地物類型的區域。選擇的試驗區域為平原地形，地形平坦，長約350 m，寬約250 m，區域內地物種類多樣，包含樹林、公路、大型建筑和小面積水域，貼合實際工作場景。本次對比試驗采用的設備包括大疆精靈4 RTK無人機、合眾思壯G990 GNSS接收機和RTKLIB軟件。精靈4 RTK無人機的參數見表1，合眾思壯G990 GNSS接收機的參數見表2。

表1 大疆精靈4 RTK 無人機平臺和內置像機參數Tab.1 Platform and Machine Parameters of DJI Phantom 4 RTK UAV平臺參數數值像機參數數值起飛重量 1 391 g像素/個2 000萬飛行時間25 min影像傳感器1英寸CMOS定位精度 垂直:1.5 cm +D×10-6水平:1 cm +D×10-6圖片格式JPEG

表2 合眾思壯G990 GNSS接收機參數Tab.2 Parameters of UniStrong G990 GNSS Receier參數數 值操作系統Android接收信號GPS/BES/GLONASS/Galilio靜態精度垂直:5.0 mm+ D×10-6;水平:2.5 mm+D×10-6RTK精度垂直:15 mm+ D×10-6;水平:5.0 mm+D×10-6

為探究不同的作業時間、航高、航向重疊率和旁向重疊率對采集數據的精度影響，進行了兩個架次的飛行。其中，第一架次的作業時間為8 min，重點探究物理基站和虛擬基站在短時間內接收的觀測數據的精度；為探究流動站和基站的不同距離對解算數據的影響，設計了兩種航高，分別是150 m和120 m；為探究航向重疊率和旁向重疊率的差異對解算數據的影響，設計了兩種航向重疊率和旁向重疊率。將這些參數添加到航線規劃中，具體飛行參數見表3，航線設計見圖1。

圖1 無人機飛行航線

表3 飛行參數Tab.3 Parameters of Flights飛行架次測區面積/m2航測作業時間/min航高/m航向重疊率/%旁向重疊率/%第一架次75 596.581508070第二架次83 975.8171208585

1.2 試驗參數設置

本次對比試驗需要物理基站和虛擬基站同時接收觀測數據。首先，在測區內搭建物理基站[8]，設置基站坐標和接收模式等相關參數，設置完成后，開始接收觀測數據。同時，在室內打開RTKLIB中的RTKNAVI，在“Options”模塊的“Positions”中設置虛擬基站的坐標(見圖2)，在“Options”的其他菜單項設置其他相關參數。虛擬基站的坐標只需要設置為測區周圍的大概位置即可。設置完成后，開始接收觀測數據。然后，檢查無人機各項指標參數，檢查航測任務的設置，確認之后，在虛擬基站工作數分鐘后，無人機升空，開始正式的航測作業。

圖2 虛擬基站設置

2 POS數據處理與分析

2.1 數據解算

本次試驗物理基站和虛擬基站使用的接收機的型號不同，其數據格式也不一樣。物理基站接收的觀測數據主要是以.dat文件格式存儲在接收機中，虛擬基站接收的觀測數據則是以.rtcm3格式存儲在指定的文件夾中，而精靈4 RTK接收的觀測數據經過轉碼后以.obs格式存放在項目文件夾中。

物理基站和虛擬基站接收的觀測數據并不能直接和精靈4 RTK轉碼后的文件一起進行PPK解算，需要通過RTKCONV[8]轉換成.obs文件?；窘邮盏挠^測數據經過轉碼后，即可在RTKPOST中進行PPK解算。

將轉碼后的觀測數據加載到RTKPOST中，流動站(Rover)添加無人機端的數據，基站(Base Station)分別添加經過轉碼后的物理基站或虛擬基站的觀測數據，并設置基站坐標和高度截止角等參數，如圖3所示，經解算后即可得到相應的POS數據。

圖3 PPK解算中的參數設置

2.2 數據分析

首先將物理基站和虛擬基站接收的觀測數據分別與無人機端數據進行PPK解算，然后進行精度對比[9]。要求把處理后數據由地理坐標轉換為投影坐標，再驗證物理基站和虛擬基站接收的觀測數據的貼合狀況。

試驗中進行對比的數據都已解算得到固定解。圖4分別為8 min和17 min飛行時長下，無人機觀測數據和物理基站/虛擬基站的觀測數據經PPK解算后得到的POS數據在E、N、U方向的差異。

由圖4可知，物理基站接收的觀測數據和虛擬基站接收的觀測數據經PPK解算后得到的POS數據的貼合程度非常高，其貼合程度達到了亞厘米級。本試驗主要以均方根(RMS)指標對兩次試驗經PPK解算的POS數據精度進行評價，并輔以POS差值的平均值和標準差(STD)等參數。其中，均方根用于評價虛擬基站接收的觀測數據與物理基站接收的觀測數據的一致性。

圖4 物理基站和虛擬基站PPK解算后得到的POS數據的差異

通過計算源數據得到均方根值(RMS)、標準差(STD)等數據。表4為兩次飛行架次物理基站和虛擬基站觀測數據經PPK解算后得到的POS數據精度對比。

表4 兩次飛行架次物理基站和虛擬基站觀測數據經PPK解算后POS精度對比 單位:cmTab.4 PPK Solution of Observation Data Received by Physical Base Station and Virtual Base Station 飛行架次歷元數/個X(ΔX)STD(ΔX)RMS(ΔX)Y(ΔY)STD(ΔY)RMS(ΔY)H(ΔH)STD(ΔH)RMS(ΔH)第一架次2 4230.130.250.280.260.220.340.430.620.76第二架次4 986-0.120.140.191.250.201.272.550.682.64

由表4可知，物理基站和虛擬基站解算后得到的POS差值的平均值在E(X)方向分別為0.13 cm和-0.12 cm，在N(Y)方向分別為0.26 cm和1.25 cm，在U(H)方向分別為0.43 cm和2.55 cm，說明基于物理基站和基于虛擬基站獲取的觀測數據，經兩次PPK解算后得到的POS數據之間差異較??；標準差(STD)在E(X)方向分別為0.25 cm和0.14 cm，在N(Y)方向分別為0.22 cm和0.20 cm，在U(H)方向分別為0.62 cm和0.68 cm，數值離散程度較低，兩次PPK解算的POS數據差異波動較??；均方根值(RMS)在E(X)方向分別為0.28 cm和0.19 cm，在N(Y)方向分別為0.34 cm和 1.27 cm，在U(H)方向分別為0.76 cm和2.64 cm，表明物理基站和虛擬基站接收的觀測數據非常貼合。

3 結 語

本文提出了一種新的無人機航空攝影測量的POS數據后處理方法，首先，使用開源軟件RTKLIB在室內或者任何一個有網絡的地方搭建虛擬基站，且虛擬基站的位置可以任意指定，在RTKLIB的組件RTKNAVI中輸入指定地點的坐標，即可搭建虛擬基站并開始接收觀測數據；其次用虛擬基站接收的觀測數據和無人機接收的觀測數據進行PPK后處理，得到航片的POS數據。

通過對比物理基站接收的觀測數據和相同時間無人機接收的觀測數據經PPK解算后得到的航片POS數據，二者吻合度非常高，平均誤差在亞厘米級，滿足航測作業要求。