CN109959365A - 一种基于位姿信息测量的海天线定位方法 - Google Patents

一种基于位姿信息测量的海天线定位方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于位姿信息测量的海天线定位方法，利用GPS/INS组合导航系统及双轴云台测量信息解算相机姿态及海拔高度，进而计算出海面图像中海天线的位置，并利用Rüeger公式对大气折射效应造成的海天线定位误差进行修正。本发明定位精度高，并且不涉及图像处理过程，对气象、水文条件变化具有抗干扰能力。

Description

一种基于位姿信息测量的海天线定位方法
技术领域
本发明涉及一种海洋背景图像标定技术领域，具体地说是一种基于位姿信息测量的海天线定位方法。
背景技术
在海洋监控、海洋资源调研等应用场合，经常要利用飞机搭载相机在空中对海面进行拍摄操作，所得图像中常包含海面与天空。如果能够快速、准确的定位海面与天空的分界位置(即海天线)，则有助于对海面图像进行后续的分析、处理。
现有的海天线定位方法基于各种图像处理技术，在获取的海面图像中计算、定位海天线。此类方法的问题是图像中经常包含云雾、船只、海水分层、鱼鳞光等多种场景，一些极端情况下甚至无法在图像中观察到海天线，造成海天线定位结果误差大，可信度低。
发明内容
针对现有方法存在的问题，本发明的目的在于提供一种准确、鲁棒的海天线定位方法。
本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：
一种基于位姿信息测量的海天线定位方法，包括以下步骤：
步骤1：利用GPS/INS组合导航系统及双轴云台获得相机的海拔高度并解算出相机的姿态；
步骤2：计算海面图像中海天线的位置；
步骤3：对大气折射效应造成的海天线定位误差进行修正。
所述的利用GPS/INS组合导航系统及双轴云台测量值解算相机姿态基于公式P＝R4R3R2R1P'，其中
可得：
相机俯仰角
相机横滚角
其中
by＝cos(y_angle)sin(d_roll_angle)，
x_angle为双轴云台方位角，y_angle为双轴云台俯仰角，d_down_angle为GPS/INS系统俯仰角，d_roll_angle为GPS/INS系统横滚角。
所述计算海面图像中海天线的位置：
其中，P″为海天线上点坐标，(x″0,y″0)为光轴与像平面交点在O″X″Y″坐标系下坐标，β＝down_angle+alpha_angle，height为相机海拔高度，Re为地球半径，hor为相机水平视场角，ver为相机竖直视场角，im_width为相机图像宽度，im_height为相机图像高度，down_angle为相机光轴俯仰角，roll_angle为相机光轴横滚角。
对大气折射效应造成的海天线定位误差进行修正为：采用Rüeger公式估计大气折射率，确定大气折射曲率半径，并将alpha_angle修正为其中Rr为大气折射曲率半径。
所述大气折射率为：
其中，n为大气折射率，λ为光学波长，p为大气压强，T为环境温度，e为水汽压。由此可得h为海拔高度，进而有大气折射曲率半径为
本发明具有以下有益效果及优点：
本发明提出一种基于位姿信息测量的海天线定位方法，能够在海面图像中定位海天线，该方法对海天线的定位精度高，可信性大，且不受气象、水文条件变化影响。
附图说明
图1是本发明的方法流程图；
图2是本发明的大地坐标系示意图；
图3是本发明的图像坐标系示意图；
图4是本发明的地球近似球体示意图；
图5是本发明的海天线检测结果示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。
如图1所示为本发明的方法流程图。
本发明提出一种基于位姿信息测量的海天线定位方法，用于在海面图像中定位海天线。该方法需要用到GPS/INS组合导航系统和双轴云台，并将GPS/INS组合导航系统、相机分别与双轴云台固连，并保证GPS/INS组合导航系统坐标系、相机光学坐标系与双轴云台坐标系平行。
如图2所示为本发明的大地坐标系示意图。
定义大地坐标系OXYZ，O为GPS/INS系统所在点，X轴为GPS/INS系统方向轴，向上为正，Y轴为俯仰轴，Z轴为横滚轴，Y轴与Z轴在水平面内，Z轴与GPS/INS系统中心线在竖直面内，与相机指向成锐角，OXYZ为右手坐标系。OXYZ通过先后旋转俯仰轴与横滚轴可得到相机坐标系O'X'Y'Z'。
如图3所示为本发明的图像坐标系示意图。
定义图像坐标系O″X″Y″，O″为图像左上角，X″轴为图像水平轴，向右为正，Y″轴为图像竖直轴，向下为正。定义hor为相机水平视场角，ver为相机竖直视场角，im_width为图像宽度，im_height为图像高度，down_angle为相机光轴俯仰角，向上观察为正，roll_angle为相机光轴横滚角，向前观察顺时针选转为正。
1.利用GPS/INS组合导航系统及双轴云台解算相机姿态：
首先确定4个相关的旋转矩阵：
双轴云台方位轴旋转矩阵
双轴云台俯仰轴旋转矩阵
GPS/INS系统横滚轴旋转矩阵
GPS/INS系统俯仰轴旋转矩阵其中x_angle为双轴云台方位角，y_angle为双轴云台俯仰角，d_roll_angle为GPS/INS系统横滚角，d_down_angle为GPS/INS系统俯仰角。
相机坐标系下某点坐标P'与GPS/INS系统坐标系下该点坐标P对应关系为P＝R4R3R2R1P'。令P′1＝[1 0 0]T，P′2＝[0 0 1]T，则相机俯仰角down_angle为与X轴夹角，相机横滚角roll_angle为与X轴、所在平面夹角，即
by＝cos(y_angle)sin(d_roll_angle)，
2.计算海面图像中海天线位置：
如果将地球视为球体，则海天线可视为相机所在点到大地球体切线圆上的一段圆弧。因为地球直径很大，所以该段圆弧可近似为直线段，如图4所示。
相机俯仰轴旋转矩阵为
相机横滚轴旋转矩阵为
海天线上某点在OXYZ坐标系下坐标为P，该点在O'X'Y'Z'坐标系下为P'，在O″X″Y″坐标系下为P″。有P＝[-lsin(alpha_angle)t lcos(alpha_angle)]T，其中alpha_angle为GPS/INS系统所在点与上述切线圆组成圆锥的底角，l为GPS/INS系统到切线圆上一点的距离，t为自变量。其中height为相机海拔高度，Re为地球半径，Re可取地球半径平均值6371km。
根据坐标系变换关系有P'＝BAP， 其中β＝down_angle+alpha_angle，(x″0,y″0)为光轴与像平面交点在O″X″Y″坐标系下坐标。
解得当t＝0时有
可以得到O″X″Y″坐标系中海天线直线方程为：
由此可以在海面图像中定位海天线。
3.对大气折射效应造成的海天线定位误差进行修正：
海面图像中海天线位置对入射光线角度较敏感，需要考虑不同海拔高度下大气折射率的变化，对光线折射偏角进行修正，本发明采用Rüeger公式估计大气折射率：
其中n为大气折射率，λ为光学波长，p为大气压强，T为环境温度，e为水汽压。由此可得在标准大气条件下有其中h为海拔高度，大气折射曲率半径为根据余弦定理可将alpha_angle修正为
4.实施例
实施例1.海天线定位结果
为了说明本发明方法的有效性，利用该方法进行了实地试验，使用的相机视场角为6.1°×4.88°，相机输出图像为320×256，成像海拔高度为10m与2800m。
如图5所示为本发明的海天线检测结果示意图。其中(c)为未对大气折射效应进行修正的检测结果，(a)、(b)、(d)为进行了修正的检测结果。
其中白色线段为定位的海天线。(a)、(b)海拔高度为10m，(c)、(d)为2800m，(c)中结果未对大气折射误差进行修正，定位结果与真实位置有一定误差，(d)中结果对大气折射误差进行了修正，定位结果准确。

Claims (5)

1.一种基于位姿信息测量的海天线定位方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：利用GPS/INS组合导航系统及双轴云台获得相机的海拔高度并解算出相机的姿态；
步骤2：计算海面图像中海天线的位置；
步骤3：对大气折射效应造成的海天线定位误差进行修正。
2.根据权利要求1所述的基于位姿信息测量的海天线定位方法，其特征在于：所述的利用GPS/INS组合导航系统及双轴云台测量值解算相机姿态基于公式P＝R4R3R2R1P'，其中
可得：
相机俯仰角
相机横滚角
其中
by＝cos(y_angle)sin(d_roll_angle)，
x_angle为双轴云台方位角，y_angle为双轴云台俯仰角，d_down_angle为GPS/INS系统俯仰角，d_roll_angle为GPS/INS系统横滚角。
3.根据权利要求1所述的基于位姿信息测量的海天线定位方法，其特征在于：所述计算海面图像中海天线的位置：
其中，P”为海天线上点坐标，(x”0,y”0)为光轴与像平面交点在O”X”Y”坐标系下坐标，β＝down_angle+alpha_angle，height为相机海拔高度，Re为地球半径，hor为相机水平视场角，ver为相机竖直视场角，im_width为相机图像宽度，im_height为相机图像高度，down_angle为相机光轴俯仰角，roll_angle为相机光轴横滚角。
4.根据权利要求1或3所述的基于位姿信息测量的海天线定位方法，其特征在于：对大气折射效应造成的海天线定位误差进行修正为：采用Rüeger公式估计大气折射率，确定大气折射曲率半径，并将alpha_angle修正为其中Rr为大气折射曲率半径。
5.根据权利要求4所述的基于位姿信息测量的海天线定位方法，其特征在于：所述大气折射率为：
其中，n为大气折射率，λ为光学波长，p为大气压强，T为环境温度，e为水汽压，由此可得h为海拔高度，进而有大气折射曲率半径为
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