CN109828234B - 一种异源光学平台对空间目标融合定位方法 - Google Patents
一种异源光学平台对空间目标融合定位方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种异源光学平台对空间目标融合定位方法，涉及空间定位技术领域，光学平台搭载光学传感器，实时对地进行观测。若地面上空存在空间目标发出光学辐射，且辐射进入光学传感器视场，则利用传感器的成像信息，并结合平台自身位置，可确定空间目标的二维位置信息。若该目标被多个非同轴光学平台的传感器同时发现，则采用空间融合定位算法，融合该目标的多个二维位置信息，即可算出该目标的三维位置信息，即完成目标融合定位，很好的解决了现有技术中为解决智能协同异源光学平台对多尺度距离上运动目标的空间定位的问题。
Description
技术领域
本发明涉及空间定位技术领域，具体的说，是一种异源光学平台对空间目标融合定位方法。
背景技术
空间定位是地理学中重要方法之一。空间定位技术主要是指美国的GPS和俄罗斯的GLONASS全球卫星定位系统。由于美国军方的SA和AS政策仍在起作用故全球的对策是发展广域和局域差分GPS服务体系。对目标的空间定位，虽然现在已经有技术能够做到，但是现有的技术中依然存在有问题，对多尺度距离上运动目标的空间定位上依然存在问题。
所以我们需要一种定位方法来解决现有技术中对尺度距离上运动目标的空间定位上依然存在的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种异源光学平台对空间目标融合定位方法，用于解决现有技术中为解决智能协同异源光学平台对多尺度距离上运动目标的空间定位的问题。
本发明通过下述技术方案解决上述问题：
一种异源光学平台对空间目标融合定位方法，所述方法包括如下步骤：
步骤1：获取空间中任意一点P的地心坐标系坐标Xw＝[xw，yw，zw]，在光学平台上传感器成像的像素坐标Xu＝[u，v]；
步骤2：定义Ri(θ)为绕轴i逆时针旋转θ的转换矩阵，根据传感器坐标系到类地心坐标系的转换关系可得Xw＝Rz(-L)Rz(90)Rx(-90)Rx(-B)Xc+tw，其中Xw为点P在地心坐标系下的三轴坐标，Xc为点P在传感器坐标系下的三轴坐标，tw为传感器坐标系原点在地心坐标系下的三轴坐标；
步骤3：根据步骤2所得的式子进行转换得到Xc＝Rx(B)Rx(90)Rz(-90)Rz(L)Xw+tc，其中tc为地心坐标系原点在传感器坐标系下的三轴坐标，tc＝[0，0，r0+h]T，r0，h分别指地球半径和平台高度；
步骤4：将绕x轴、y轴和z轴的旋转矩阵表示为
和
结合步骤3中的式子得到
步骤5：根据步骤1中任意一点P的地心坐标系坐标Xw＝[xw，yw，zw]和在光学平台上传感器成像的像素坐标Xu＝[u，v]，根据成像关系可以得到
其中dx，dy指传感器的宽、高方向的像元尺寸；
步骤6：定义两个比例系数a，k，
结合步骤4和步骤5中所得的式子，可转换得到
整理消去zw即可得到关于a，k和xw，yw的一条方程式
其中的B，L，r0，h均为已知量，a，k可由传感器成像点的像素位置计算得到。
步骤7：若存在多个非同轴传感器对同一目标P进行成像，则通过最小二乘约束下的解方程组得到P的地心坐标xw，yw，再将结果代入式子
即可得到zw，即得到了P的空间绝对位置[xw，yw，zw]实现了融合定位。
光学平台搭载光学传感器，实时对地进行观测。若地面上空存在空间目标发出光学辐射，且辐射进入光学传感器视场，则利用传感器的成像信息，并结合平台自身位置，可确定空间目标的二维位置信息。若该目标被多个非同轴光学平台的传感器同时发现，则采用空间融合定位算法，融合该目标的多个二维位置信息，即可算出该目标的三维位置信息，即完成目标融合定位，很好的解决了现有技术中为解决智能协同异源光学平台对多尺度距离上运动目标的空间定位的问题，在定位应用上，适用于平台与定位目标在1km～10000km距离尺度，不同姿态、不同感光波段、不同性能的光学传感器之间的融合。还可应用于实物光学传感侦察系统对几公里级目标的融合定位上，采用本方法，无需在光学系统中配置激光测距系统，使用2个以上光学传感系统，即可完成对目标的侦察定位，一次安装标定后，若相对位置不再变化，即可直接应用，光学传感系统的标定可采用合作动目标或者静态标识物锁定跟踪的方式进行。
优选地，所述步骤2中坐标系转换包括如下步骤：
步骤2.1：将该传感器坐标系绕自身的x轴顺时针旋转角度B，B为当前点纬度，坐标系的x轴指向正西，z轴指向正北，y轴与x、z轴构成右手关系；
步骤2.2：将步骤2.1所得坐标系绕x轴顺时针旋转90°，坐标系的x轴指向正西，y轴指向正南，z轴与x、y轴构成右手关系；
步骤2.3：将步骤2.2所得坐标系绕z轴逆时针旋转90°，坐标系的x轴指向正南，y轴指向正东，z轴与x、y轴构成右手关系；
步骤2.4：将步骤2.3所得坐标系绕z轴顺时针选择角度L，L为当前点经度，坐标系变为与地心坐标系对应轴平行的类地心坐标系。
优选地，步骤7中多个非同轴传感器对同一目标P进行成像，P的地心坐标为[xw，yw，zw]，其在传感器的成像点坐标分别为[u1，v1]，…，[uN，vN]，设N个传感器在某时刻的位置分别是[L1，B1，h1]，…，[LN，BN，hN]，则有
结合
可以得到方程组
即为
其中，G为N×2的矩阵，Z为N维矢量，具体形式为：
采用最小二乘方法，可以得到
将xw，yw代入到式子
可得到zw，即得到点P的绝对位置坐标Xc＝[xc，yc，zc]，进而可转换为大地坐标，即实现了融合定位。
本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：
(1)本发明针对不同距离尺度、不同平台、不同光学传感器下的异源光学平台的定位需求，研究了一种空间目标融合定位方法，对方法进行理论建模，提出了一种基于非同轴异源光学平台自身位置和传感器性能参数的定位方法，完成了从传感器对目标成像到目标空间绝对位置的全过程建模，适用于平台与定位目标在1km～10000km距离尺度，不同姿态、不同感光波段、不同性能的光学传感器之间的融合。为验证方法的有效性和实用性，开展了对已知空间目标的融合定位仿真试验，试验以非同轴10000km距离光学平台对目标成像位置为输入，经过本方法的融合处理，输出结果与已知空间目标的位置基本一致，成功应用在某项目仿真系统中。
(2)本发明还可应用于实物光学传感侦察系统对几公里级目标的融合定位上，采用本方法，无需在光学系统中配置激光测距系统，使用2个以上光学传感系统，即可完成对目标的侦察定位，一次安装标定后，若相对位置不再变化，即可直接应用，光学传感系统的标定可采用合作动目标或者静态标识物锁定跟踪的方式进行。
附图说明
图1为本发明的异源光学平台融合定位示意图；
图2为本发明的平台坐标系示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1：
结合附图所示，一种异源光学平台对空间目标融合定位方法，所述方法包括如下步骤：
步骤1：结合图1所示获取空间中任意一点P的地心坐标系坐标Xw＝[xw，yw，zw]，如图2所示，在光学平台上传感器成像的像素坐标Xu＝[u，v]；
步骤2：定义Ri(θ)为绕轴i逆时针旋转θ的转换矩阵，根据传感器坐标系到类地心坐标系的转换关系可得Xw＝Rz(-L)Rz(90)Rx(-90)Rx(-B)Xc+tw，其中Xw为点P在地心坐标系下的三轴坐标，Xc为点P在传感器坐标系下的三轴坐标，tw为传感器坐标系原点在地心坐标系下的三轴坐标，其中坐标系转换过程如下：
步骤2.1：将该传感器坐标系绕自身的x轴顺时针旋转角度B，B为当前点纬度，坐标系的x轴指向正西，z轴指向正北，y轴与x、z轴构成右手关系；
步骤2.2：将步骤2.1所得坐标系绕x轴顺时针旋转90°，坐标系的x轴指向正西，y轴指向正南，z轴与x、y轴构成右手关系；
步骤2.3：将步骤2.2所得坐标系绕z轴逆时针旋转90°，坐标系的x轴指向正南，y轴指向正东，z轴与x、y轴构成右手关系；
步骤2.4：将步骤2.3所得坐标系绕z轴顺时针选择角度L，L为当前点经度，坐标系变为与地心坐标系对应轴平行的类地心坐标系。
步骤3：根据步骤2所得的式子进行转换得到Xc＝Rx(B)Rx(90)Rz(-90)Rz(L)Xw+tc，其中tc为地心坐标系原点在传感器坐标系下的三轴坐标，tc＝[0，0，r0+h]T，r0，h分别指地球半径和平台高度；
步骤4：将绕x轴、y轴和z轴的旋转矩阵表示为
和
结合步骤3中的式子得到
步骤5：根据步骤1中任意一点P的地心坐标系坐标Xw＝[xw，yw，zw]和在光学平台上传感器成像的像素坐标Xu＝[u，v]，根据成像关系可以得到
其中dx，dy指传感器的宽、高方向的像元尺寸；
步骤6：定义两个比例系数a，k，
结合步骤4和步骤5中所得的式子，可转换得到
整理消去zw即可得到关于a，k和xw，yw的一条方程式
其中的B，L，r0，h均为已知量，a，k可由传感器成像点的像素位置计算得到。
步骤7：若存在多个非同轴传感器对同一目标P进行成像，P的地心坐标为[xw，yw，zw]，其在传感器的成像点坐标分别为[u1，v1]，…，[uN，vN]，设N个传感器在某时刻的位置分别是[L1，B1，h1]，…，[LN，BN，hN]，则有
结合
可以得到方程组
即为
其中，G为N×2的矩阵，Z为N维矢量，具体形式为：
采用最小二乘方法，可以得到
将xw，yw代入到式子
可得到zw，即得到点P的绝对位置坐标Xc＝[xc，yc，zc]，进而可转换为大地坐标，即实现了融合定位。
尽管这里参照本发明的解释性实施例对本发明进行了描述，上述实施例仅为本发明较佳的实施方式，本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。
Claims (2)
1.一种异源光学平台对空间目标融合定位方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤:
步骤1：获取空间中任意一点P的地心坐标系坐标Xw＝[xw，yw，zw]，在光学平台上传感器成像的像素坐标Xu＝[u，v]；
步骤2：定义Ri(θ)为绕轴i逆时针旋转θ的转换矩阵，根据传感器坐标系到类地心坐标系的转换关系可得Xw＝Rz(-L)Rz(90)Rx(-90)Rx(-B)Xe+tu，其中Xw为点P在地心坐标系下的三轴坐标，Xc为点P在传感器坐标系下的三轴坐标，tw为传感器坐标系原点在地心坐标系下的三轴坐标；
坐标系转换包括如下步骤：
步骤2.1：将该传感器坐标系绕自身的x轴顺时针旋转角度B，B为当前点纬度，坐标系的x轴指向正西，z轴指向正北，y轴与x、z轴构成右手关系；
步骤2.2：将步骤2.1所得坐标系绕x轴顺时针旋转90°，坐标系的x轴指向正西，y轴指向正南，z轴与x、y轴构成右手关系；
步骤2.3：将步骤2.2所得坐标系绕z轴逆时针旋转90°，坐标系的x轴指向正南，y轴指向正东，z轴与x、y轴构成右手关系；
步骤2.4：将步骤2.3所得坐标系绕z轴顺时针选择角度L，L为当前点经度，坐标系变为与地心坐标系对应轴平行的类地心坐标系；
步骤3：根据步骤2所得的式子进行转换得到Xc＝Rx(B)Rx(90)Rz(-90)Rz(L)Xw+tc，其中tc为地心坐标系原点在传感器坐标系下的三轴坐标，tc＝[0，0，r0+h]T，r0，h分别指地球半径和平台高度；
步骤4：将绕x轴、y轴和z轴的旋转矩阵表示为
和
结合步骤3中的式子得到
步骤5：根据步骤1中任意一点P的地心坐标系坐标Xw＝[xw，yw，zw]和在光学平台上传感器成像的像素坐标Xu＝[u，v]，根据成像关系可以得到
其中dx，dy指传感器的宽、高方向的像元尺寸；
步骤6：定义两个比例系数
结合步骤4和步骤5中所得的式子，可转换得到
整理消去zw即可得到关于a，k和xw，yw的一条方程式
其中的B，L，r0，h均为已知量，a，k可由传感器成像点的像素位置计算得到；
步骤7：若存在多个非同轴传感器对同一目标P进行成像，则通过最小二乘约束下的解方程组得到P的地心坐标xw，yw，再将结果代入式子
即可得到zw，即得到了P的空间绝对位置[xw，yw，zw]实现了融合定位。
2.根据权利要求1所述的异源光学平台对空间目标融合定位方法，其特征在于：步骤7中多个非同轴传感器对同一目标P进行成像，P的地心坐标为[xw，yw，zw]，其在传感器的成像点坐标分别为[u1，v1]，…，[uN，vN]，设N个传感器在某时刻的位置分别是[L1，B1，h1]，…，[LN，BN，hN]，则有
结合
可以得到方程组
即为
其中，G为N×2的矩阵，Z为N维矢量，具体形式为：
采用最小二乘方法，可以得到
将xw，yw代入到式子
可得到zw，即得到点P的绝对位置坐标Xw＝[xw，yw，zw]，进而可转换为大地坐标，即实现了融合定位。
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