CN108627142A - 一种结合离线高程和机载光电吊舱的目标定位方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了种结合离线高程和机载光电吊舱的目标定位方法，通过离线高程数据和吊舱的姿态信息实时更新当前目标所在的高程，结合实时更新的地面高程数据，以及机载光电吊舱的位置、姿态信息、目标在成像平面所占的像素位置进行目标位置的实时计算，获得目标定位。通过机载光电吊舱的位置、姿态信息、目标在成像平面中的像素位置以及目标所在地面高度进行定位计算。目前关于地理定位的方法普遍都是针对于固定地面高程来计算的，即假定目标所在地面高度保持不变。这类方法计算效率高，但是当目标运动区域的地面起伏较大时，基于目标所在地面高度保持不变的假设不成立，则基于该假设的目标定位精度将不能保证。
Description
技术领域
本发明涉及一种目标定位方法，具体涉及一种结合离线高程和机载光电吊舱的目标定位方法。
背景技术
使用机载光电吊舱进行目标搜索的过程中，需要快速、准确的对目标进行定位。目标定位的方法主要有两大类。一类是图像匹配，通过光电吊舱获得的实时图像与预先存储的图像进行匹配，以获得目标当前所在的位置。这类方法，对图像实时匹配算法的计算效率要求高，并且预先存储的图像需要占相当大的存储空间，总的来说，对软硬件的要求都很高。另一类是地理地位。通过机载光电吊舱的位置、姿态信息、目标在成像平面中的像素位置以及目标所在地面高度进行定位计算。目前关于地理定位的方法普遍都是针对于固定地面高程来计算的，即假定目标所在地面高度保持不变。这类方法计算效率高，但是当目标运动区域的地面起伏较大时，基于目标所在地面高度保持不变的假设不成立，则基于该假设的目标定位精度将不能保证。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是现有技术不能快速且高精度的对目标进行定位，目的在于提供一种结合离线高程和机载光电吊舱的目标定位方法，解决上述的问题。
本发明通过下述技术方案实现：
一种结合离线高程和机载光电吊舱的目标定位方法，所述方法在固定地面高程的机载光电吊舱的基础上，加入离线地面高程进行实时迭代，所述方法通过机载光电吊舱的位置、姿态信息、目标在成像平面中的像素位置以及目标所在固定地面高度进行计算获得，计算步骤如下：
S1：获得目标在像平面中的坐标位置：其中，xip、yip是目标在图像坐标系下的像元素位置，ox、oy是图像中点的像素位置，Sx、Sy是xy方向每个像素的尺寸；
S2：获取像平面坐标在大地坐标系下的位置：其中，xI、yI和 zI是目标的像平面坐标在大地坐标系下的位置，EFL是光电吊舱所搭载的相机机芯的焦距， xgimbal、ygimbal和zgimbal是吊舱在大地坐标系下的位置，是载机坐标系相对于大地坐标系的坐标转换，是吊舱坐标系相对于载机坐标系的坐标转换；
S3：通过三角形投影获得目标在大地坐标系下的位置，采用相似三角形，根据地面高程数据和像平面目标的位置计算目标在大地坐标系下的位置，获得固定高程的定位，并通过固定高程的定位算法确定目标在真实大地坐标系下的位置；
S4：通过固定高程的定位算法，将目标在真实大地坐标系下的位置的纬度和经度输入到离线高程获取模块中，将获得对应纬度和经度的地面高程数据；
S5：结合步骤S3中的固定高程的定位算法和步骤S4中的离线高程数据进行迭代更新得到实时地面高程，并根据实时地面高程和步骤S3中的定位算法获得高精度的目标位置。其中，大地坐标系的定义为坐标原点在导航起始点，X轴指向北方，Y轴指向东方，Z轴指向大地。其中，载机坐标系的定义为坐标原点在吊舱中心，X轴从机尾指向机头，Y轴垂直于X轴指向右机翼，Z轴垂直于X和Y轴向下。其中，吊舱坐标系与像平面坐标系一致
所述步骤S2中的载机坐标系相对于大地坐标系的坐标转换为：其中θ、φ和ψ是载机的三轴姿态角，俯仰、滚转和偏航。
所述步骤S2中的载机坐标系相对于大地坐标系的坐标转换为：其中，az为吊舱相对于载机的航向角度，el是吊舱相对于载机的俯仰角度。
根据所述步骤3中目标在真实大地坐标系下的位置，若目标在像平面中的位置在M点，则目标在大地坐标系下的位置A的计算方式如下：
其中，HA为固定的地面高程数据。MxI、MyI和MzI是M点在像平面中的坐标，可由步骤S2中的公式获得；SxI、SyI和SzI是吊舱在大地坐标系中的位置，即xgimbal、ygimbal和zgimbal。目标在真实大地坐标系下的位置为(AxI、AyI、HA)。当目标高度HA发生改变时，目标在大地坐标系下的位置AxI、AyI将发生改变，因此需要在当前的定位算法中考虑地面高程的变化。
所述步骤S5中进行迭代更新的过程如下：
S51：输入初始地面高度H0；
S52：根据初始的地面高度H0、吊舱的位置数据、吊舱的姿态数据和载机的姿态数据、目标的像素位置，通过步骤3中的方法获得目标在当前高度下的位置；
S53：将目标在大地坐标下的位置X0和Y0，转化为球面坐标下的位置(Lat0、Lon0)；
S54：将目标的纬度和经度坐标(Lat0、Lon0)输入到高程获取模块中，得到当前经纬度对应的地面高度H1；
S55：获得当前经纬度获的高度与上一地面高度的偏差dH＝H0–H1；
S56：当高度偏差的绝对值小于等于某一设定值时，则认为地面高度H1已在期望的精度范围内，不需要再继续迭代。高度偏差的绝对值大于某一设定值时，当则地面高度已发生变化，不是初始高度值。该设定值可由期望获取的高程精度来决定，在当前高度的基础上加上 dH的某个比例，更新定位算法计算的高度，重新开始从S52进行计算；采用的计算公式为 H0＝H0+K*dH；通过该公式，即能够更新定位算法的计算的高度。
根据迭代后的地面高度，再次根据步骤S3中的方法计算目标的地理位置。该地理位置则为考虑了地面高程变化的准确地理位置。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
1、本发明一种结合离线高程和机载光电吊舱的目标定位方法，满足快速且高精度的目标定位；
2、本发明一种结合离线高程和机载光电吊舱的目标定位方法，通过离线高程数据和吊舱的姿态信息实时更新当前目标所在的高程，结合实时更新的地面高程数据，以及机载光电吊舱的位置、姿态信息、目标在成像平面所占的像素位置进行目标位置的实时计算，获得目标定位。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明目标三角定位示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例一
如图1所示，本发明一种结合离线高程和机载光电吊舱的目标定位方法，一种结合离线高程和机载光电吊舱的目标定位方法，所述方法在固定地面高程的机载光电目标定位方法的基础上，加入离线地面高程进行实时迭代，所述方法通过机载光电吊舱的位置、姿态信息、目标在成像平面中的像素位置以及目标所在固定地面高度进行计算获得，计算步骤如下：
S1：获得目标在像平面中的坐标位置：其中，xi p、yi p是目标在图像坐标系下的像元素位置，ox、oy是图像中点的像素位置，Sx、Sy是xy方向每个像素的尺寸；
S2：获取像平面坐标在大地坐标系下的位置：其中，xI、yI和 zI是目标的像平面坐标在大地坐标系下的位置，EFL是光电吊舱所搭载的相机机芯的焦距， xgimbal、ygimbal和zgimbal是吊舱在大地坐标系下的位置，是载机坐标系相对于大地坐标系的坐标转换，是吊舱坐标系相对于载机坐标系的坐标转换；
S3：通过三角形投影获得目标在大地坐标系下的位置，采用相似三角形，根据地面高程数据和像平面目标的位置计算目标在大地坐标系下的位置，获得固定高程的定位，并通过固定高程的定位算法确定目标在真实大地坐标系下的位置；
S4：通过固定高程的定位算法，将目标在真实大地坐标系下的位置的纬度和经度输入到离线高程获取模块中，将获得对应纬度和经度的地面高程数据；
S5：结合步骤S3中的固定高程的定位算法和步骤S4中的离线高程数据进行迭代更新得到实时地面高程，并根据实时地面高程和步骤S3中的定位算法获得高精度的目标位置。其中，大地坐标系的定义为坐标原点在导航起始点，X轴指向北方，Y轴指向东方，Z轴指向大地。其中，载机坐标系的定义为坐标原点在吊舱中心，X轴从机尾指向机头，Y轴垂直于X轴指向右机翼，Z轴垂直于X和Y轴向下。其中，吊舱坐标系与像平面坐标系一致
所述步骤S2中的载机坐标系相对于大地坐标系的坐标转换为：其中θ、φ和ψ是载机的三轴姿态角，俯仰、滚转和偏航。
所述步骤S2中的载机坐标系相对于大地坐标系的坐标转换为：其中，az为吊舱相对于载机的航向角度，el是吊舱相对于载机的俯仰角度。
根据所述步骤3中目标在真实大地坐标系下的位置，若目标在像平面中的位置在M点，则目标在大地坐标系下的位置A的计算方式如下：
其中，HA为固定的地面高程数据。MxI、MyI和MzI是M点在像平面中的坐标，可由步骤S2中的公式获得；SxI、SyI和SzI是吊舱在大地坐标系中的位置，即xgimbal、ygimbal和zgimbal。目标在真实大地坐标系下的位置为(AxI、AyI、HA)。当目标高度HA发生改变时，目标在大地坐标系下的位置AxI、AyI将发生改变，因此需要在当前的定位算法中考虑地面高程的变化。
所述步骤S5中进行迭代更新的过程如下：S51：输入初始地面高度H0；S52：根据初始的地面高度H0、吊舱的位置数据、吊舱的姿态数据和载机的姿态数据、目标的像素位置，通过步骤3中的方法获得目标在当前高度下的位置；S53：将目标在大地坐标下的位置X0和Y0，转化为球面坐标下的位置(Lat0、Lon0)；S54：将目标的纬度和经度坐标(Lat0、Lon0) 输入到高程获取模块中，得到当前经纬度对应的地面高度H1；S55：获得当前经纬度获的高度与上一地面高度的偏差dH＝H0–H1；S56：当高度偏差的绝对值小于等于某一设定值时，则认为地面高度H1已在期望的精度范围内，不需要再继续迭代。高度偏差的绝对值大于某一设定值时，当则地面高度已发生变化，不是初始高度值。该设定值可由期望获取的高程精度来决定，在当前高度的基础上加上dH的某个比例，更新定位算法计算的高度，重新开始从S52进行计算；采用的计算公式为H0＝H0+K*dH；通过该公式，即能够更新定位算法的计算的高度。
根据迭代后的地面高度，再次根据步骤S3中的方法计算目标的地理位置。该地理位置则为考虑了地面高程变化的准确地理位置。
实施例二
本实施例在实施例一的基础上在固定地面高程的目标定位案例进行验算使用，载机三轴的姿态角分别为-10度，20度，20度，将载机三轴的角度输入算式中，吊舱两轴的姿态角分别为-15度，15度，相机焦距为17mm，飞机三轴位置[0m，0m,500m]，若目标在吊舱搭载的相机的视场中心，若提前得知目标所在海拔高度为300m时，将上述获取的角度、距离带入算式中，则目标在地理空间的位置为[260m,148m,300m]。
实施例三
本实施例是实施例二基础上进行优化，是在准确知道目标所在海拔高度的情况下，若目标所在地的海拔高度不准确，上述案例计算的目标位置将不准确。所以需要进行高程迭代。基本参数与上述实施例二一致。1、假设目标的初始高度为300m；2、根据实施例二计算的目标位置为[260m,148m,300m]；3.根据上步计算的目标位置，结合高程数据进行高程查找，获得的高程数据为350m；4.高度差为50m，则初始高度不准确。需继续进行高程迭代。高度增量可设置为25m；5.将目标高度改为325m时，根据上述案例一获得的目标位置为[228m， 130m,325m]；6.根据上步计算的目标位置，结合高程数据进行高程查找，获得的高程数据为 320m；7.高度差为5m，若预设高度差门限为5m，则认为当前迭代的高度为比较接近的目标高度。8.则准确的目标位置为[228m，130m,325m]；在实施例二中，若第7步获得的高度差大于高度差门限，将重复前面的步骤进行迭代，直到满足高度差要求。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种结合离线高程和机载光电吊舱的目标定位方法，所述方法在固定地面高程的机载光电目标定位方法的基础上，加入离线地面高程进行实时迭代，其特征在于，所述方法通过机载光电吊舱的位置、姿态信息、目标在成像平面中的像素位置以及目标所在地面高度进行计算获得，计算步骤如下：
S1：获得目标在像平面中的坐标位置：
其中，xip、yip是目标在图像坐标系下的像元素位置，ox、oy是图像中点的像素位置，Sx、Sy是xy方向每个像素的尺寸；
S2：获取像平面坐标在大地坐标系下的位置：
其中，xI、yI和zI是目标的像平面坐标在大地坐标系下的位置，EFL是光电吊舱所搭载的相机机芯的焦距，xgimbal、ygimbal和zgimbal是吊舱在大地坐标系下的位置，是载机坐标系相对于大地坐标系的坐标转换，是吊舱坐标系相对于载机坐标系的坐标转换；
S3：通过三角形投影获得目标在大地坐标系下的位置，采用相似三角形，根据地面高程数据和像平面目标的位置计算目标在大地坐标系下的位置，获得固定高程的定位，并通过固定高程的定位算法确定目标在真实大地坐标系下的位置；
S4：通过固定高程的定位算法，将目标在真实大地坐标系下的位置的纬度和经度输入到离线高程获取模块中，将获得对应纬度和经度的地面高程数据；
S5：结合步骤S3中的固定高程的定位算法和步骤S4中的离线高程数据进行迭代更新得到实时地面高程，并根据实时地面高程和步骤S3中的定位算法获得高精度的目标位置。
2.根据权利要求1所述的一种结合离线高程和机载光电吊舱的目标定位方法，其特征在于，所述步骤S2中的载机坐标系相对于大地坐标系的坐标转换为：
其中θ、φ和ψ是载机的三轴姿态角，俯仰、滚转和偏航。
3.根据权利要求1所述的一种结合离线高程和机载光电吊舱的目标定位方法，其特征在于，所述步骤S2中的载机坐标系相对于大地坐标系的坐标转换为：
其中，az为吊舱相对于载机的航向角度，el是吊舱相对于载机的俯仰角度。
4.根据权利要求1所述的一种结合离线高程和机载光电吊舱的目标定位方法，其特征在于，根据所述步骤3中目标在真实大地坐标系下的位置，若目标在像平面中的位置在M点，则目标在大地坐标系下的位置A的计算方式如下：
其中，HA为固定的地面高程数据。MxI、MyI和MzI是M点在像平面中的坐标，可由步骤S2中的公式获得；SxI、SyI和SzI是吊舱在大地坐标系中的位置，即xgimbal、ygimbal和zgimbal。目标在真实大地坐标系下的位置为(AxI、AyI、HA)。
5.根据权利要求1所述的一种结合离线高程和机载光电吊舱的目标定位方法，其特征在于，所述步骤S5进行迭代更新的过程如下：
S51：输入初始地面高度H0；
S52：根据初始的地面高度H0、吊舱的位置数据、吊舱的姿态数据和载机的姿态数据、目标的像素位置，通过步骤3中的方法获得目标在当前高度下的位置；
S53：将目标在大地坐标下的位置X0和Y0，转化为球面坐标下的位置(Lat0、Lon0)；
S54：将目标的纬度和经度坐标(Lat0、Lon0)输入到高程获取模块中，得到当前经纬度对应的地面高度H1；
S55：获得当前经纬度获的高度与上一地面高度的偏差；
S56：当高度偏差的绝对值小于等于设定值时，则认为地面高度H1已在期望的精度范围内，不需要再继续迭代。
6.根据权利要求5所述的一种结合离线高程和机载光电吊舱的目标定位方法，其特征在于，根据迭代后的地面高度，再次根据步骤S3中的方法计算目标的地理位置，该地理位置则为考虑了地面高程变化的准确地理位置。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB02 | Change of applicant information |
Address after: Room 801-805, 8th floor, Building A, No. 200, Tianfu Wujie, Chengdu High-tech Zone, Sichuan Province, 610000 Applicant after: CHENGDU JOUAV AUTOMATION TECHNOLOGY Co.,Ltd. Address before: 610000 No. 1, Tianfu Road, Chengdu hi tech Zone, Sichuan, China Applicant before: CHENGDU JOUAV AUTOMATION TECHNOLOGY Co.,Ltd. |
|
| CB02 | Change of applicant information | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CP03 | Change of name, title or address |
Address after: 7 / F, area a, building 6, No. 200, Tianfu 5th Street, high tech Zone, Chengdu, Sichuan 610000 Patentee after: CHENGDU JOUAV AUTOMATION TECHNOLOGY Co.,Ltd. Country or region after: China Address before: Room 801-805, 8th floor, Building A, No. 200, Tianfu Wujie, Chengdu High-tech Zone, Sichuan Province, 610000 Patentee before: CHENGDU JOUAV AUTOMATION TECHNOLOGY Co.,Ltd. Country or region before: China |
|
| CP03 | Change of name, title or address |