CN110411449B - 一种航空侦察载荷目标定位方法、系统及终端设备 - Google Patents
一种航空侦察载荷目标定位方法、系统及终端设备 Download PDFInfo
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Abstract
Description
技术领域
本发明涉及航空定位技术领域,尤其涉及一种航空侦察载荷目标定位方法、系统及终端设备。
背景技术
随着军事侦察需求不断提升与工程技术持续发展,越来越多的航空侦察载荷需要具备广域侦察、局域搜索及定点跟踪能力。为了满足上述功能,航空侦察载荷应保证所拍摄图像在条带内每帧图片之间及条带与条带之间具有恒定重叠率,并且图像本身具有高分辨率。这就要求航空侦察载荷在视轴控制及像移补偿方面拥有较高精度,进而需要对视轴指向目标进行定位。在传统的定位算法中,载机与目标之间的距离是由激光测距设备完成的。但激光测距作用距离通常不高于30km,当视距超过30km时仍需要定位就遇到困难,另外其它定位算法也有基于DEM定位的,根据此类算法具体原理可知,都难以完全保证收敛于唯一正确目标,即存在错误定位的风险。
发明内容
针对上述现有技术中的不足之处,本发明提供了一种航空侦察载荷目标的定位方法、系统及终端设备,该定位方法可以精准的确定目标位置。
本发明实施例第一方面提供一种航空侦察载荷目标的定位方法,所述定位方法包括:
获取规划任务,根据所述规划任务获取目标区域地形数据(DEM),所述地形数据为目标区域内的经度、纬度、海拔;
根据所述地形数据提取当前最低海拔Altmin和最高海拔Altmax;
将落入更新后目标区域的最高/低海拔平面内的视轴矢量,依据定位精度要求进行等分,并记录等分点GPS坐标;
将所得等分点按照海拔从高到低依次与之相同经纬度DEM数据点进行比较,直至等分点海拔低于DEM数据点海拔;
根据比较过程中最后两个等分点与相应DEM数据点确定目标地理位置。
可选地,所述根据比较过程中最后两个等分点与相应DEM数据点确定目标区域地理坐标范围,包括:
所述比较过程中最后两个等分点及DEM数据点GPS坐标组成相似三角形;
根据所述相似三角形确定所述目标地理位置。
可选地,在所述将落入更新后目标区域的最高/低海拔平面内的视轴矢量,依据定位精度要求进行等分之前,还包括:
从纬度方向缩小所述目标区域,直至更新后目标区域海拔最大值与最小值变化量总和小于一预设阈值,即将上述目标区域(Lonmin:Lonmax,Latmin:Latmax) 更新为(Lonmin:Lonmax,);
可选地,所述计算视轴矢量与最高/低海拔平面交点,包括:
获取当前载机位姿(位置姿态)、侦察载荷框架角、目标坐标像素;
所述载机位姿、目标坐标像素根据载机姿态、侦察载荷框架角经坐标转换后结合WGS-84椭球模型,计算得到视轴矢量与最高/低海拔平面交点。
可选地,在所述获取规划任务之前还包括:
建立与DEM数据库的连接,相应地,所述根据所述规划任务获取目标区域的地形数据,包括:
从所述DEM数据库中获取所述目标区域的地形数据。
本发明实施例第二方面提供一种航空侦察载荷目标定位系统,所述定位系统包括:
数据获取模块,用于获取规划任务,根据所述规划任务获取目标区域的地形数据,所述地形数据为目标区域内的经度、纬度、海拔;还用于根据所述地形数据提取当前最低海拔Altmin和最高海拔Altmax;
比较模块,用于将落入更新后目标区域的最高/低海拔平面内的视轴矢量,依据定位精度要求进行等分,并记录等分点GPS坐标,将所得等分点按照海拔从高到低依次与之相同经纬度DEM数据点进行比较,直至等分点海拔低于 DEM数据点海拔;
位置确定模块,用于根据比较过程中最后两个等分点与相应DEM数据点确定目标地理位置。
可选地,所述位置确定模块具体用于:
将比较过程中最后两个等分点及DEM数据点GPS坐标组成相似三角形;
根据所述相似三角形确定所述目标地理位置。
可选地,所述航空侦察载荷目标的定位系统还包括:
目标区域调整模块,用于从纬度方向缩小所述目标区域,直至更新后目标区域海拔最大值与最小值变化量总和小于一预设阈值,即将上述目标区域 (Lonmin:Lonmax,Latmin:Latmax)更新为(Lonmin:Lonmax,);同理,从经度方向缩小目标区域,将目标区域(Lonmin:Lonmax,)更新为
本发明实施例第三方面提供了一种终端设备,包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序,所述处理器执行所述计算机程序时实现如上述航空侦察载荷目标定位方法中任一项所述方法。
本发明实施例第四方面提供了一种可读存储介质,所述可读存储介质存储有计算机程序,所述计算机程序被处理器执行时实现如上述航空侦察载荷目标定位方法中任一项所述方法。
本发明实施例与现有技术相比存在的有益效果是:
在本发明中,首先,基于现有任务规划区域DEM数据及目标定位时刻载机位姿、侦察载荷框架角、目标像素坐标值结合WGS-84椭球模型,计算视轴矢量与最高/低海拔平面交点地理坐标,然后,可选择地从纬度/经度方向对目标区域进行缩小更新,最后,将落入更新后目标区域的最高/低海拔平面内的视轴矢量等分,并与相应DEM数据点进行比较,直至等分点海拔低于DEM数据点海拔,根据最后两个等分点及DEM数据点GPS坐标来计算目标地理位置。与现有技术相比,通过本发明实施例可以规避激光测距设备的难度及现有定位方法定位错误的风险,且本发明定位速度快,具有较强的易用性和实用性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动性的前提下,还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1是本发明实施例提供的一种航空侦察载荷目标定位方法的流程示意图;
图2是本发明实施例提供的一种航空侦察载荷目标定位方法相关坐标系与目标成像原理示意图;
图3是本发明实施例提供的一种航空侦察载荷目标定位方法缩小目标区域原理示意图;
图4是本发明实施例提供的一种航空侦察载荷目标定位方法最终定位原理示意图;
图5是本发明另一实施例提供的航空侦察载荷目标定位系统结构示意图;
图6是本发明实施例四提供的终端设备结构示意图。
具体实施方式
以下描述中,为了说明而不是为了限定,提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节,以便透彻理解本发明实施例。然而,本领域的技术人员应当清楚,在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中,省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明,以免不必要的细节妨碍本发明的描述。
为了说明本发明所述的技术方案,下面通过具体实施例来进行说明。
实施例一
图1是本发明实施例一提供的一种航空侦察载荷目标定位方法的流程示意图,该方法可以包括以下步骤:
S101:获取规划任务,根据所述规划任务获取目标区域的地形数据,所述地形数据为目标区域内的经度、纬度、海拔。
在所述获取规划任务之前还包括:
建立与DEM数据库的连接,相应地,所述根据所述规划任务获取目标区域的地形数据,包括:
从所述DEM数据库中获取所述目标区域的地形数据。
S102:根据所述地形数据提取当前的最低海拔Altmin和最高海拔Altmax。
该步骤中根据任务规划区域的最小经度Lonmin、最大经度Lonmax与最小纬度Latmin、最大纬度Latmax,从现有DEM数据库内提取目标区域地形数据,并存储于侦察载荷硬盘内备用。根据上述提取数据获取目标区域最高海拔与最低海拔。
S103:计算视轴矢量与最高/低海拔平面交点 其中,Lonmin、Lonmax分别为所述目标区域的最小经度和最大经度、Latmin、Latmax分别为所述目标区域的最小纬度和最大纬度,根据所述交点更新目标区域为其中“A:B”仅表示“A”与“B”之间的范围,并不表示“A”小于“B”。
优选地,所述计算视轴矢量与最高/低海拔平面交点,包括:
获取当前的载机位姿、侦察载荷框架角、目标像素坐标;
所述载机位置、目标像素坐标根据载机姿态、侦察载荷框架角经坐标转换后结合WGS-84椭球模型,计算得到视轴矢量与最高/低海拔平面交点。
该步骤中,为进行目标区域范围的定位,需先进行坐标系变换。具体涉及以下坐标系,其几何关系如图2,一种航空侦察载荷目标定位方法相关坐标系与目标成像原理示意图:
a)地球坐标系ECEF,原点OE位于地球球心;地球自转轴为ZE,指向北极;本初子午面与赤道交线为XE,指向本初子午线;YE符合右手定则。
b)当地地理坐标系NED,原点OS位于载机质心;当地正北方向为XN,当地正东方向为YEA,ZD符合右手定则,沿当地椭球面法线指向地面。
c)载机坐标系AC,原点OS位于载机质心(与NED系原点重合);原点指向机头为XP,原点指向载机右翼为YP,ZP符合右手定则。
d)相机系S,原点OS与NED系及AC系原点重合;若侦察载荷即航空相机的两框架轴均为0°,则相机系S与载机系AC完全重合。
e)探测器系CCD,原点OCCD位于CCD像面中心,其三坐标轴与S系一致。
为便于说明,此处定义为坐标系A到B的变换矩阵,则为的逆阵。结合已定义坐标系有:为ECEF系到NED系的变换矩阵,通过载机地理位置参数构造;为NED系到AC系的变换矩阵,通过载机姿态参数构造;为AC系到S系的变换矩阵,通过侦查载荷框架角构造;为S系到CCD系的变换矩阵,通过相机内方位元素构造。
设目标图像在CCD系下的像素位置为(x,y,z)CCD,变换至ECEF系下为载机地理位置为(λ,h),变换至ECEF系下为目标在ECEF系下的位置为此为未知量。根据成像原理与WGS-84 椭球模型有:
式中RE为椭球长轴,RP为椭球短轴,hT为预装海拔。上式中包含三个未知量,两个线性方程,一个非线性方程,由此可求得视轴与预装海拔平面交点坐标。
优选地,在所述将落入更新后的目标区域的最高/低海拔平面内的视轴矢量,依据定位精度要求进行等分之前,还包括:
从纬度方向缩小所述目标区域,直至更新后的目标区域海拔最大值与最小值变化量总和小于一预设阈值,即将上述目标区域(Lonmin:Lonmax,Latmin:Latmax) 更新为(Lonmin:Lonmax,);
综上,求得视轴与原始目标区域最高海拔与最低海拔平面交点地理坐标此处以从纬度方向缩小进行说明,另一方向同理。将原目标区域(Lonmin:Lonmax,Latmin:Latmax)更新为 (Lonmin:Lonmax,)。将 两点连成直线。提取新目标区域最高海拔与最低海拔,并在上述直线上按照线性比例求出视轴与新目标区域最高海拔与最低海拔平面的交点。重新更新目标区域,依此不断重复,直至最高海拔与最低海拔变化量总和小于一阈值。
上述过程中初次求解视轴矢量与目标区域海拔最高/低平面交点时是基于 WGS-84模型,即求解非线性方程得到,其它交点均通过上述所求两点GPS坐标,按照线性比例来求得,即忽略了笛卡尔坐标与GPS坐标之间的非线性关系,在该区域内可认为GPS坐标也是线性的。
S104:将落入更新后的目标区域的最高/低海拔平面内的视轴矢量,依据定位精度要求进行等分,并记录等分点GPS坐标。
S105:将所得到的等分点按照海拔从高到低依次与之相同经纬度DEM数据点进行比较,直至等分点海拔低于DEM数据点海拔。
S106:根据比较过程中最后两个等分点与相应DEM数据点确定目标地理位置。
优选地,所述根据比较过程中最后两个等分点与相应DEM数据点确定目标地理位置,包括:
所述比较过程中最后两个等分点及DEM数据点GPS坐标组成相似三角形;
根据所述相似三角形确定所述目标区域的地理坐标范围,直观地如图4,一种航空侦察载荷目标定位方法最终定位原理示意图。
将上述最终求得的视轴与目标区域最高海拔/最低海拔平面的交点连线等分,等分间隔满足定位精度要求。对等分点按照海拔高到低依次与相同经纬度的DEM数据点比较,直至等分点海拔低于DEM数据点海拔。记最后一组等分点与DEM数据点为倒数第二组等分点与DEM 数据点为则目标定位为直线 与直线的交点。
本发明提供的航空侦察载荷目标定位方法是基于DEM数据库、当前载机位姿、载荷框架角及目标图像信息来获取目标地理位置的。首先,根据此次飞行侦察任务规划,从现有DEM数据库中提取任务目标区域DEM数据,并获取该目标区域内最高海拔与最低海拔值。当侦查载荷需要目标定位时,由载机组合导航提供GPS位置及姿态角信息,据此可以构造矩阵;由侦察载荷编码器提供框架角信息,据此可以构造矩阵;通过地面标定可以事先获得侦察载荷光学系统内方位元素,据此可以构造矩阵。然后,由拍摄图像获取目标图像像素坐标,并结合上述变换矩阵将像点坐标转换至ECEF系下,与此同时将载机GPS地理坐标转换至ECEF系下,同待求目标位置坐标一起列写两个线性方程与一个椭球方程,并求解获得视轴与目标区域最大海拔/最小海拔平面交点坐标,并转换为地理坐标,此两点地理坐标连线构成视轴矢量,定位目标点必定在此之间。然后,以交点坐标中经度或纬度更新原始目标区域,如此不断缩小目标区域,当新目标区域中海拔最大值与最小值变化量小于一阈 值即停止,此间在求视轴与平面交点可按照上述视轴矢量根据线性比例直接获得,无需求解非线性方程。将视轴与最新目标区域中最高海拔/最低海拔平面的交点间连线进行等分,然后按照海拔高到低顺序依次与相应DEM数据点比较,直至等分点海拔低于DEM数据点海拔。最终,通过最后两组比较点,求解等分点连线与DEM数据点连线交点,作为目标定位点。
本发明方法与现有技术相比,通过本发明实施例可以规避激光测距设备的难度及现有定位方法定位错误的风险,且本发明定位速度快,具有较强的易用性和实用性。
实施例二
图5是本发明实施例提供的航空侦察载荷目标定位系统的结构示意图,为了便于说明,仅示出了与本发明实施例相关的部分。
对应于上述实施例一,该航空侦察载荷目标定位系统可以是内置于终端设备的软件单元、硬件单元或者软硬结合的单元,包括:
数据获取模块51,用于获取规划任务,根据所述规划任务获取目标区域的地形数据,所述地形数据为目标区域内的经度、纬度、海拔;还用于根据所述地形数据提取当前最低海拔Altmin和最高海拔Altmax;
计算模块52,用于计算视轴矢量与最高/低海拔平面交点 其中,Lonmin、Lonmax分别为所述目标区域的最小经度和最大经度、Latmin、Latmax分别为所述目标区域的最小纬度和最大纬度;根据所述交点更新目标区域为
比较模块53,用于将落入更新后目标区域的最高/低海拔平面内的视轴矢量,依据定位精度要求进行等分,并记录等分点GPS坐标,将所得等分点按照海拔从高到低依次与之相同经纬度DEM数据点进行比较,直至等分点海拔低于 DEM数据点海拔;
位置确定模块54,用于根据比较过程中最后两个等分点与相应DEM数据点确定目标地理位置。
可选地,所述位置确定模块具体用于:
将比较过程中最后两个等分点及DEM数据点GPS坐标组成相似三角形;
根据所述相似三角形确定所述目标地理位置。
可选地,所述航空侦察载荷目标定位系统还包括:
目标区域调整模块,用于从纬度方向缩小所述目标区域,直至更新后的目标区域海拔最大值与最小值变化量总和小于一预设阈值,即将上述目标区域 (Lonmin:Lonmax,Latmin:Latmax)更新为(Lonmin:Lonmax,);同理,从经度方向缩小目标区域,将目标区域(Lonmin:Lonmax,)更新为
实施例三
图6是本发明一实施例提供的终端设备示意图。如图6所示,该终端设备 6包括:处理器60、存储器61以及存储在所述存储器61中并可在所述处理器 60上运行的计算机程序62。所述处理器60执行所述计算机程序62时实现上述各个目标定位方法实施例中的步骤,例如图1所示的步骤S101至S106。
示例性的,所述计算机程序62可以被分割成一个或多个模块/单元,所述一个或者多个模块/单元被存储在所述存储器61中,并由所述处理器60执行,以完成本发明。所述一个或多个模块/单元可以是能够完成特定功能的一系列计算机程序指令段,该指令段用于描述所述计算机程序62在所述设备6中的执行过程。
所述终端6设备可包括,但不仅限于,处理器60、存储器61。本领域技术人员可以理解,图6仅仅是设备6的示例,并不构成对设备6的限定,可以包括比图示更多或更少的部件,或者组合某些部件,或者不同的部件,例如所述设备6还可以包括输入输出设备、网络接入设备、总线等。
所称处理器60可以是中央处理单元(Central Processing Unit,CPU),还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor,DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit,ASIC)、现成可编程门阵列 (Field-Programmable Gate Array,FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。
所述存储器61可以是所述设备6的内部存储单元,例如设备6的硬盘或内存。所述存储器61也可以是所述设备6的外部存储设备,例如所述设备上配备的插接式硬盘,智能存储卡(Smart Media Card,SMC),安全数字(Secure Digital, SD)卡,闪存卡(Flash Card)等。进一步地,所述存储器61还可以既包括所述设备6的内部存储单元也包括外部存储设备。所述存储器61用于存储所述计算机程序以及所述设备所需的其他程序和数据。所述存储器61还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的数据。
在上述实施例中,对各个实施例的描述都各有侧重,某个实施例中没有详述或记载的部分,可以参见其它实施例的相关描述。
本领域普通技术人员可以意识到,结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤,能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行,取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能,但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
所述集成的模块/单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时,可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解,本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程,也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成,所述的计算机程序可存储于一可读存储介质中,该计算机程序在被处理器执行时,可实现上述各个方法实施例的步骤。其中,所述计算机程序包括计算机程序代码,所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质可以包括:能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(ROM,Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM,RandomAccess Memory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。需要说明的是,所述计算机可读介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减,例如在某些司法管辖区,根据立法和专利实践,计算机可读介质不包括电载波信号和电信信号。
以上所述实施例仅用以说明本发明的技术方案,而非对其限制;尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种航空侦察载荷目标定位方法,其特征在于,所述定位方法包括:
获取规划任务,根据所述规划任务获取目标区域地形数据,所述地形数据为目标区域内的经度、纬度、海拔,最小经度Lonmin、最大经度Lonmax、最小纬度Latmin以及最大纬度Latmax;
根据所述地形数据提取当前最低海拔Altmin和最高海拔Altmax;
计算视轴矢量与最高、最低海拔平面交点 其中,为更新后目标区域的最大经度,为更新后目标区域的最小经度,为更新后目标区域的最大纬度,为更新后目标区域的最小纬度,为更新后目标区域的最高海拔,为更新后目标区域的最低海拔;
将落入更新后目标区域的最高最、低海拔平面内的视轴矢量,依据定位精度要求进行等分,并记录等分点GPS坐标;
将所得到的等分点按照海拔从高到低依次与之相同经纬度DEM数据点进行比较,直至等分点海拔低于DEM数据点海拔;
根据比较过程中最后两个等分点与相应DEM数据点确定目标地理位置。
2.根据权利要求1所述的航空侦察载荷目标定位方法,其特征在于,所述根据比较过程中最后两个等分点与相应DEM数据点确定目标地理位置,包括:
所述比较过程中最后两个等分点及DEM数据点GPS坐标组成相似三角形;
根据所述相似三角形确定所述目标地理位置。
4.根据权利要求1所述的航空侦察载荷目标定位方法,其特征在于,所述计算视轴矢量与最高、最低海拔平面交点,包括:
获取当前载机位姿、侦察载荷框架角、目标坐标像素;
所述载机位姿、目标坐标像素根据载机姿态、侦察载荷框架角经坐标转换后结合WGS-84椭球模型,计算得到视轴矢量与最高、最低海拔平面交点。
5.根据权利要求1-4任一项所述的航空侦察载荷目标定位方法,其特征在于,在所述获取规划任务之前还包括:
建立与DEM数据库的连接,相应地,所述根据所述规划任务获取目标区域的地形数据,包括:
从所述DEM数据库中获取所述目标区域的地形数据。
6.一种航空侦察载荷目标定位系统,其特征在于,所述定位系统包括:
数据获取模块,用于获取规划任务,根据所述规划任务获取目标区域的地形数据,所述地形数据为目标区域内的经度、纬度、海拔;还用于根据所述地形数据提取当前最低海拔Altmin和最高海拔Altmax;
计算模块,用于计算视轴矢量与最高、最低海拔平面交点 其中,为更新后目标区域的最大经度,为更新后目标区域的最小经度,为更新后目标区域的最大纬度,为更新后目标区域的最小纬度,为更新后目标区域的最高海拔,为更新后目标区域的最低海拔,根据所述交点更新目标区域为
比较模块,用于将落入更新后目标区域的最高、最低海拔平面内的视轴矢量,依据定位精度要求进行等分,并记录等分点GPS坐标,将所得等分点按照海拔从高到低依次与之相同经纬度DEM数据点进行比较,直至等分点海拔低于DEM数据点海拔;
位置确定模块,用于根据比较过程中最后两个等分点与相应DEM数据点确定目标地理位置。
7.根据权利要求6所述的航空侦察载荷目标定位系统,其特征在于,所述位置确定模块具体用于:
将比较过程中最后两个等分点及DEM数据点GPS坐标组成相似三角形;
根据所述相似三角形确定所述目标地理位置。
9.一种终端设备,包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序,其特征在于,所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1至5任一项所述方法。
10.一种可读存储介质,所述可读存储介质存储有计算机程序,其特征在于,所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至5任一项所述方法。
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