CN102322859B - 一种航空惯性导航测量系统及姿态校正方法 - Google Patents

一种航空惯性导航测量系统及姿态校正方法 Download PDF

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Abstract

本发明的航空惯性导航测量系统包括机控导航单元、定位定向单元、姿态校正模块、航空摄影仪。机控导航单元选取飞行航线发送至姿态校正模块。定位定向单元获取位置参数和姿态参数发送至姿态校正模块。航空摄影仪拍摄获取航射像片发送至姿态校正模块。姿态校正模块根据飞行航线、位置参数和姿态参数计算外方位元素；并利用外方位元素对航射像片进行几何校正。本发明还提供一种姿态校正方法。本发明综合利用IMU与GPS的优势，二者互相配合完成对飞机位置参数及姿态参数的采集，提高了位置参数和姿态参数的精准度。本发明还校正飞机飞行过程中因偏航等原因导致拍摄的像片出现的误差，纠正像片内像元的坐标，最大可能的还原像片所代表的地面情形。

Description

一种航空惯性导航测量系统及姿态校正方法
技术领域
本发明涉及一种航空惯性导航测量系统及姿态校正方法。
背景技术
在利用飞机拍摄获取地面影像时，因为飞机飞行过程中会出现偏航、侧滚和俯仰，往往会存在拍摄误差，而与卫星相比飞机的飞行高度要小得多，所以飞机的飞行姿态对拍摄像片的影响就更加大。一般情况下，飞机的航线设计为直线，但实际飞行时，却并不能够飞得那么标准，往往会变成S形；飞机的实际飞行高度和设计的飞行高度也会有差别，并且飞行高度不稳定；此外，飞机实际的飞行速度和设计的飞行速度也会有差别，也存在不稳定性。这些因素都会影响像片内像点的大小以及疏密，导致航射获取的像片出现偏差，影响测量结果。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种能实时获取飞行位置参数和姿态参数，并对姿态参数进行几何校正的航空惯性导航测量系统及校正方法。
作为本发明技术方案的一方面，提供一种航空惯性导航测量系统，包括机控导航单元、定位定向单元、姿态校正模块、航空摄影仪，
所述机控导航单元，用于选取飞行航线，并将所述飞行航线发送至所述姿态校正模块；
所述定位定向单元，用于获取并保存航空摄影仪的位置参数和姿态参数，并发送至所述姿态校正模块；
所述航空摄影仪，用于拍摄获取航射像片，并发送至所述姿态校正模块；
所述姿态校正模块，用于接收所述飞行航线、所述位置参数和姿态参数，计算获得图像的外方位元素；并利用所述外方位元素对所述航空摄影仪发送的航射像片进行几何校正。
进一步地，所述定位定向单元包括：
用于获取所述航空摄影仪的姿态参数的惯性测量单元；
用于获取所述航空摄影仪的位置参数的GPS接收机。
作为本发明技术方案的另一方面，还提供一种姿态校正方法，具体步骤如下：
第一步，将飞行航线、航空摄影仪的位置参数和姿态参数转化为图像的外方位元素；
第二步，利用所述外方位元素对航空摄影仪拍摄的航射像片进行几何校正。
进一步地，对所述航射像片进行几何校正后，还对所述航射像片中的每个像元进行地理坐标定位。
进一步地，所述第二步，按照以下方法对所述航射像片进行几何校正：
利用所述外方位元素，通过共线方程，建立地面坐标与所述航射像片中像元的对应关系，校正飞行姿态引起的图像几何畸变。
进一步地，所述共线方程表示如下：
Figure 758663DEST_PATH_IMAGE001
其中，（x,y）为像元对应的影像坐标；XA、YA、ZA为像元对应的地面坐标；XS、YS、ZS为对应摄影中心的地面坐标；f为所述航射像片主距；
a、b、c为由三个角元素定义的3×3旋转矩阵的系数，用于将影像坐标转换为地面坐标系统，a、b、c值满足以下公式：
Figure 488853DEST_PATH_IMAGE002
其中，φ为外方位元素中的俯仰角、ω为外方位元素中的滚动角、κ为外方位元素中的偏航角。
本发明的有益效果是：
本发明综合利用惯性测量单元与GPS接收机的优势，二者互相配合，完成对飞机位置参数以及姿态参数的采集，提高了位置参数和姿态参数的精准度。此外，本发明还校正飞机飞行过程中因偏航等原因导致拍摄的航射像片出现的误差，纠正像片内像元的坐标，最大可能的还原像片所代表的地面情形。本发明的航空惯性导航测量系统通过航射获取地面的地形情况，大大缩短了成图周期，加快了城市地理信息数据库和地形图的更新。尤其对于西部人烟稀少、人员难以涉足或者无法涉足的戈壁滩、沙漠、荒芜等无图地区，本发明的技术方案就显得尤为重要。
附图说明
图1为本发明航空惯性导航测量系统的构成示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
作为本发明技术方案的一方面，提供一种航空惯性导航测量系统，如图1所示，该系统包括机控导航单元10、定位定向单元20、姿态校正模块30、航空摄影仪40。其中，机控导航单元10，用于选取飞行航线，并将飞行航线发送至姿态校正模块30。定位定向单元20，用于获取并保存航空摄影仪40的位置参数和姿态参数，并发送至姿态校正模块30。航空摄影仪40，用于拍摄获取航射像片，并发送至姿态校正模块30。姿态校正模块30，用于接收飞行航线、位置参数和姿态参数，计算获得图像的外方位元素；并利用外方位元素对航空摄影仪40发送的航射像片进行几何校正，也就是说利用外方位元素纠正航射像片中出现偏差的像元，以使航射像片尽量与地面的地表信息保持一致。
其中，外方位元素又称像片外定向元素，是确定摄影光束在物方的几何关系的基本数据。主要用于表征摄影光束在摄影瞬间的空间位置,包括摄影中心在某一空间直角坐标系中的三维坐标值(x,y,z)和确定摄影光束空间方位的3个角定向元素共6个数据。其中，3个角定向元素,常因采用的转角系统不同而用不同的元素表示：当采用以z轴为主轴的转角系统时,即表示为主垂面的方位角、像片的倾斜角口和像片旋角；当采用以y轴为主轴的转角系统时,即表示为航向倾角、旁向倾角和像片旋角；当采用以x轴为主轴的转角系统时,表示为旁向倾角、航向倾角和像片旋角。
进一步地，定位定向单元20包括：用于获取航空摄影仪40的姿态参数的惯性测量单元；用于获取航空摄影仪40的位置参数的GPS接收机。因为GPS不能直接测定飞机飞行的姿态信息，并且数据输出频率低，在高动态环境中可靠性较差。而惯性测量单元IMU可以获取包括速度、姿态、加速度和角速率在内的全部导航参数，但却存在误差随时间迅速积累增长的缺陷。本发明将GPS接收机和IMU结合起来，由GPS数据在运动过程中频繁修正IMU数据以控制IMU测量误差的累计，由短期内高精度的IMU来解决GPS在高动态环境中信号失锁和周跳问题。因此，本发明中的定位定向单元20就可以连续地提供飞机飞行过程中位置参数和姿态参数，以此实现遥感影像的直接地理定位。
作为本发明技术方案的另一方面，还提供一种姿态校正方法，具体步骤如下：
第一步，机控导航单元10将其选取的飞机飞行航线发送至姿态校正模块30，定位定向单元20将获取的位置参数和姿态参数发送至姿态校正模块30，由姿态校正模块30将飞行航线、位置参数和姿态参数转化为外方位元素（XS、YS、ZS、φ、ω、κ）。
第二步，利用外方位元素，通过共线方程，建立地面坐标与航射像片中像元的对应关系，校正因为飞机的飞行姿态引起的图像几何畸变。其中，共线方程表示如下：
其中，（x,y）为像元对应的影像坐标；XA、YA、ZA为像元对应的地面坐标；XS、YS、ZS为对应摄影中心的地面坐标；f为航射像片主距；
a、b、c为由三个角元素定义的3×3旋转矩阵的系数，用于将影像坐标转换为地面坐标系统，a、b、c值满足以下公式：
其中，φ为外方位元素中的俯仰角、ω为外方位元素中的滚动角、κ为外方位元素中的偏航角。
通过上述遥感影像校正，可以改正原始影像（即原始拍摄的航射像片）的几何变形，产生符合某种地图投影或图形表达要求的新影像，也就是说，将影像数据投影到平面上，使其符合地图投影。
第三步，由于航空摄影仪40在拍摄形成航射像片时，还记录了相应机下点的高精度位置信息，在对航射像片完成上述姿态校正后，可以根据图像参数，完成对航射像片中的每一个像元的地理坐标定位。
以上仅为本发明的较佳实施例子，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种航空惯性导航测量系统，其特征在于，
包括机控导航单元、定位定向单元、姿态校正模块、航空摄影仪，
所述机控导航单元，用于选取飞行航线，并将所述飞行航线发送至所述姿态校正模块；
所述定位定向单元，用于获取并保存航空摄影仪的位置参数和姿态参数，并发送至所述姿态校正模块；
所述航空摄影仪，用于拍摄获取航射像片，并发送至所述姿态校正模块；
所述姿态校正模块，用于接收所述飞行航线、所述位置参数和姿态参数，计算获得图像的外方位元素；并利用所述外方位元素对所述航空摄影仪发送的航射像片进行几何校正。
2.按照权利要求1所述的航空惯性导航测量系统，其特征在于，
所述定位定向单元包括：
用于获取所述航空摄影仪的姿态参数的惯性测量单元；
用于获取所述航空摄影仪的位置参数的GPS接收机。
3.一种姿态校正方法，其特征在于，
第一步，将飞行航线、航空摄影仪的位置参数和姿态参数转化为图像的外方位元素；
第二步，利用所述外方位元素对航空摄影仪拍摄的航射像片进行几何校正，对所述航射像片进行几何校正后，还对所述航射像片中的 每个像元进行地理坐标定位。
4.按照权利要求3所述的姿态校正方法，其特征在于，
所述第二步，按照以下方法对所述航射像片进行几何校正：
利用所述外方位元素，通过共线方程，建立地面坐标与所述航射像片中像元的对应关系，校正飞行姿态引起的图像几何畸变。
5.按照权利要求4所述的姿态校正方法，其特征在于，
所述共线方程表示如下：
Figure FDA0000317396991
其中，（x,y）为像元对应的影像坐标；XA、YA、ZA为像元对应的地面坐标；XS、YS、ZS为对应摄影中心的地面坐标；f为所述航射像片主距；
a、b、c为由三个角元素定义的3×3旋转矩阵的系数，用于将影像坐标转换为地面坐标系统，a、b、c值满足以下公式：
Figure FDA0000317396992
其中，φ为外方位元素中的俯仰角、ω为外方位元素中的滚动角、κ 为外方位元素中的偏航角。 
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106846446A (zh) * 2017-01-24 2017-06-13 南宁市勘察测绘地理信息院 一种真实环境下建筑效果图制作方法

Families Citing this family (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102721410B (zh) * 2012-06-20 2014-04-09 唐粮 一种基于gps/imu定位定向技术的海岛空中三角测量方法
CN103344252B (zh) * 2013-06-17 2016-02-24 北京航空航天大学 一种航空高光谱成像系统定位误差分析方法
KR102016551B1 (ko) * 2014-01-24 2019-09-02 한화디펜스 주식회사 위치 추정 장치 및 방법
CN104820984B (zh) * 2015-04-24 2018-11-30 国家测绘地理信息局卫星测绘应用中心 一种卫星遥感三线阵立体影像处理系统及方法
CN105865422A (zh) * 2016-03-24 2016-08-17 北京林业大学 一种无人机林火夜间定位方法
CN105841676A (zh) * 2016-03-24 2016-08-10 北京林业大学 一种林火夜间定位地面摄影测量方法
CN106550188B (zh) * 2016-10-13 2019-04-02 中国科学院上海技术物理研究所 一种基于惯导信息的长线列红外电子稳像方法
US10502819B2 (en) * 2017-12-21 2019-12-10 GM Global Technology Operations LLC Systems and methods for aligning an inertial measurement unit in a vehicle
FR3075987B1 (fr) * 2017-12-21 2019-12-13 Thales Procede et systeme d'harmonisation duale d'un systeme d'affichage tete haute avec un dispositif inertiel d'attitude amovible dans le cockpit
CN109272462B (zh) * 2018-09-05 2021-08-27 中国地质大学（武汉） 适用于金属工件识别的图像自校正方法、设备及存储设备
WO2020107174A1 (zh) * 2018-11-26 2020-06-04 深圳市大疆创新科技有限公司 地面点云地图精度评估方法、装置、系统及无人机
CN116045917B (zh) * 2022-11-17 2024-04-26 西北工业大学 一种航空图像获取精度测试系统及测试方法

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1693851A (zh) * 2005-06-08 2005-11-09 中国科学院上海技术物理研究所 一种航空线阵ccd影像几何粗纠正算法
CN1959343A (zh) * 2005-10-31 2007-05-09 北京师范大学 机载多角度成像测高技术
CN101319902A (zh) * 2008-07-18 2008-12-10 哈尔滨工程大学 一种低成本组合式定位定向装置及组合定位方法

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003083745A (ja) * 2001-09-12 2003-03-19 Starlabo Corp 航空機搭載撮像装置および航空撮像データ処理装置
JP5127128B2 (ja) * 2004-12-21 2013-01-23 韓國電子通信研究院 カメラの位置及び姿勢情報補正方法及びその装置

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1693851A (zh) * 2005-06-08 2005-11-09 中国科学院上海技术物理研究所 一种航空线阵ccd影像几何粗纠正算法
CN1959343A (zh) * 2005-10-31 2007-05-09 北京师范大学 机载多角度成像测高技术
CN101319902A (zh) * 2008-07-18 2008-12-10 哈尔滨工程大学 一种低成本组合式定位定向装置及组合定位方法

Non-Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
JP特开2003-83745A 2003.03.19
于长春等.数字地形模型数据获取方法及精度分析.《物探与化探》.2001,第25卷(第3期),第198-202页.
我国航空物探现状与展望;熊盛青;《中国地质》;19991231(第9期);第18-22页 *
数字地形模型数据获取方法及精度分析;于长春等;《物探与化探》;20010630;第25卷(第3期);第198-202页 *
熊盛青.我国航空物探现状与展望.《中国地质》.1999,(第9期),第18-22页.

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106846446A (zh) * 2017-01-24 2017-06-13 南宁市勘察测绘地理信息院 一种真实环境下建筑效果图制作方法

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