CN113074722B - 基于视觉辅助技术对地形参考导航精度提升定位修正方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了基于视觉辅助技术对地形参考导航精度提升定位修正方法，在航空器飞行过程中，用数字地图提供参考信息，通过视觉辅助对其参考信息进行精度提升，共同辅助校正惯性导航系统，达到提高导航精度，増强系统可靠性等目标的一种精确导航的技术。

Description

基于视觉辅助技术对地形参考导航精度提升定位修正方法
技术领域
本发明涉及航空电子系统技术与数据分析技术，尤其是航空器中广泛应用的导航定位技术中涉及的辅助导航定位技术，此类系统包括但不限于惯性导航系统、视觉辅助导航技术及地形参考导航定位技术等具体产品。
技术背景
视觉辅助导航技术（Vision Navigation System，简称VNS）是一种用于不良视觉导航环境下的惯性导航定位和视觉导航定位的组合导航方法。通过将摄像机的测量图像与存储的图像或地图的存储信息或地标的焦平面测量信息或 利用摄像机所拍的连续图像之间距离来确定飞机的运动的导航定位技术。
地形参考导航定位技术（Terrain Aided Navigation，简称TAN）是全球导航系统（Global Positioning System，简称GPS）是用数字地图提供参考信息，来辅助校正惯性导航系统，达到提高导航精度，増强系统可靠性等目标的一种精确导航的技术，俗称地形匹配。
地形参考导航定位技术技术在地形特征明显的区域，具有较高的导航精度，对战斗机近空支援、低空强击、突防、截击等战术飞行也十分有用。
通过组合视觉辅助导航技术和地形参考导航定位技术两种导航定位系统，并辅以卡尔曼滤波误差估计，实现对惯性导航系统（Inertial Navigation System，简称INS）的导航定位修正，为航空器提供高精度的导航定位。
发明内容
本发明公开了一种基于视觉辅助技术对地形参考导航精度提升的定位修正方法，在航空器飞行过程中，用数字地图提供参考信息，通过视觉辅助对其参考信息进行精度提升，共同辅助校正惯性导航系统，达到提高导航精度，増强系统可靠性等目标的一种精确导航的技术。
本发明提供了一种基于视觉辅助技术对地形参考导航精度提升的定位修正方法，包括以下步骤：一种基于视觉辅助技术对地形参考导航精度提升的定位修正方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤A，视觉传感器获取图像信息vision；
步骤B，视觉导航系统生成焦平面上的测量值与地标坐标值之间的关系uk,vk，,其中uk=f(yc k/xc k), vk=f(yc k/zc k),x,y,z分别表示焦平面上的投影坐标，相机的焦平面上的界标测量获得导航输出的导航等式,pn k- pn u=rkcn bcb cpc k,下标k表示地标的索引，而pn k是地标的已知位置矢量，b，c和n分别表示航空器框架，相机框架和导航框架。pn u是导航框架中车辆的三维位置矢量，rk 是焦平面上的投影地标与相机帧中的实际地标的距离比，cn b和cb c是从主体框架到导航框架的方向余弦矩阵和从相机框架到主体框架的方向余弦矩阵，cb c是一个常数矩阵；
步骤C，地形测量系统将获取的实测地形高度hs发送给数字地图模块；
步骤D，结合地形测量系统发送的获取的实测地形高度hs，数字地图模块生成地形剖面；
步骤E，视觉导航系统发送焦平面上的测量值与地标坐标值之间的关系uk,vk给地形匹配系统；
步骤F，数字地图模块发送生成的地形剖面给地形匹配系统；
步骤G，地形匹配系统对接收到的焦平面上的测量值与地标坐标值之间的关系uk,vk和地形剖面进行分析，输出位置修正信息；
步骤H，地形匹配系统将步骤F生成的位置修正信息发送给惯性导航系统；
步骤I，雷达高度表将测得的实时雷达高度数据h发送给计算机；
步骤J，大气数据计算机将测得的实时大气飞行数据信息（包括空速v1，真空速v2，马赫数Ma、大气静温c、迎角α等）发送给计算机；
步骤K，惯性导航系统对地形匹配系统发来的位置修正信息进行分析计算处理，得到位置p,速度v,姿态s信息；
步骤L，惯性导航系统将得到的位置p,速度v,姿态s信息发送给计算机；
步骤M，计算机对由惯性导航系统得到的位置p,速度v,姿态s信息和由雷达高度表测得的实时雷达高度数据h以及大气数据计算机测得的实时大气飞行数据信息（包括空速v1，真空速v2，马赫数Ma、大气静温c、迎角α等）三者进行综合计算分析；
步骤N，计算机将分析结果分别发送给惯性导航系统和卡尔曼滤波计算模块，用于更新航空器实时位置信息；
步骤O，卡尔曼滤波计算模块将估计误差分别返回给视觉导航系统和惯性导航系统；
步骤P，重复步骤A至步骤O，对航空器的位置进行持续实时修正。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：该方法与惯性导航系统INS结合，在导航定位设备中实现，为航空器提供精确导航定位、紧急威胁回避、智能贴地告警、精确武器投放等诸多功能，其导航定位结果用于修正惯性导航系统INS误差，以实现各种航行器对对高精度导航定位的需要。
附图说明
以下将结合附图对本发明作进一步说明。
图1图示了根据本发明的实施例的典型流程。
具体实施方式
以下通过较佳实例对本发明的技术方案进行说明，但下述实例并不能限制本发明的保护范围。
本发明所提供的基于视觉辅助技术对地形参考导航精度提升的定位修正方法能够以软件的形式内置于航空器上的航空电子装置，如导航定位系统、飞行控制系统、飞行管理系统等航电设备。此外，本发明提供的高精度的航空器导航定位方法不仅可用于战斗机，也可应用于攻击机、用于作战的无人机等。
附图1为根据本发明的一个实施例形成的单周期典型流程图。在每周期内，方法按照附图1所示顺序执行。
参照图1，在方块101处，视觉传感器获取图像信息vision，并将图像信息发送给视觉导航系统；
参照图1，在方块102处，视觉导航系统将生成焦平面上的测量值与地标坐标值之间的关系uk,vk发送给惯性导航系统INS，其中uk=f(yck/xck), vk=f(yck/zck),x,y,z分别表示焦平面上的投影坐标， 从相机的焦平面上的界标测量获得导航输出的导航等式,
pnk- pnu=rkcnbcbcpck, 下标k表示地标的索引，而pnk是地标的已知位置矢量。b，c和n分别表示航空器框架，相机框架和导航框架。pnu是导航框架中车辆的三维位置矢量。rk 是焦平面上的投影地标与相机帧中的实际地标的距离比。。cnb和cbc是从主体框架到导航框架的方向余弦矩阵和从相机框架到主体框架的方向余弦矩阵。这里，cbc是一个常数矩阵，因为相机固定在机体上。
参照图1，在方块103处，地形测量系统将获取的实测地形高度hs发送给数字地图模块；
参照图1，在方块104处，结合地形测量系统发送的获取的实测地形高度hs，数字地图模块生成地形剖面，发送给地形匹配系统。
参照图1，在方块105处，地形匹配系统对接收到的焦平面上的测量值与地标坐标值之间的关系uk,vk和地形剖面进行分析，其中uk=f(yck/xck), vk=f(yck/zck),x,y,z分别表示焦平面上的投影坐标；输出位置修正信息，发送给惯性导航系统INS。
参照图1，在方块106处，雷达高度表将测得的实时雷达高度数据h发送给计算机。
参照图1，在方块107处，大气数据计算机将测得的实时大气飞行数据信息（包括空速v1，真空速v2，马赫数Ma、大气静温c、迎角α等）发送给计算机。
参照图1，在方块108处，惯性导航系统对地形匹配系统发来的位置修正信息进行分析计算处理，得到位置p,速度v,姿态s信息，发送给计算机。
参照图1，在方块109处，卡尔曼滤波计算模块将估计误差分别返回给视觉导航系统和惯性导航系统。
参照图1，在方块110处，对由惯性导航系统得到的位置p,速度v,姿态s信息和由雷达高度表测得的实时雷达高度数据h以及大气数据计算机测得的实时大气飞行数据信息（包括空速v1，真空速v2，马赫数Ma、大气静温c、迎角α等）三者进行综合计算分析，将分析结果分别发送给惯性导航系统和卡尔曼滤波计算模块，用于更新航空器实时位置信息。
参照图1，在方块105处，地形匹配系统根据视觉导航系统提供的焦平面上的测量值与地标坐标值之间的关系uk,vk以及接收的地形剖面进行分析，修正位置信息，提高精度。
值得说明的是，上述描述是基于发明的具体实施例而进行的，尽管参照较佳实施例在本发明进行了详细阐述，但本领域的技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (1)

1.基于视觉辅助技术对地形参考导航精度提升定位修正方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤A，视觉传感器获取图像信息vision；
步骤B，视觉导航系统生成焦平面上的测量值与地标坐标值之间的关系uk,vk，其中uk=f(yc k/xc k), vk=f(yc k/zc k),x,y,z分别表示焦平面上的投影坐标，相机的焦平面上的界标测量获得导航输出的导航等式,pn k- pn u=rkcn bcb cpc k,下标k表示地标的索引，而pn k是地标的已知位置矢量，b，c和n分别表示航空器框架，相机框架和导航框架；pn u是导航框架中车辆的三维位置矢量，rk 是焦平面上的投影地标与相机帧中的实际地标的距离比，cn b和cb c是从主体框架到导航框架的方向余弦矩阵和从相机框架到主体框架的方向余弦矩阵，cb c是一个常数矩阵；
步骤C，地形测量系统将获取的实测地形高度hs发送给数字地图模块；
步骤D，结合地形测量系统发送的获取的实测地形高度hs，数字地图模块生成地形剖面；
步骤E，视觉导航系统发送焦平面上的测量值与地标坐标值之间的关系uk,vk给地形匹配系统；
步骤F，数字地图模块发送生成的地形剖面给地形匹配系统；
步骤G，地形匹配系统对接收到的焦平面上的测量值与地标坐标值之间的关系uk,vk和地形剖面进行分析，输出位置修正信息；
步骤H，地形匹配系统将步骤G生成的位置修正信息发送给惯性导航系统；
步骤I，雷达高度表将测得的实时雷达高度数据h发送给计算机；
步骤J，大气数据计算机将测得的实时大气飞行数据信息发送给计算机，实时大气飞行数据信息包括空速v1、真空速v2、马赫数Ma、大气静温c、迎角α；
步骤K，惯性导航系统对地形匹配系统发来的位置修正信息进行分析计算处理，得到位置p,速度v,姿态s信息；
步骤L，惯性导航系统将得到的位置p,速度v,姿态s信息发送给计算机；
步骤M，计算机对由惯性导航系统得到的位置p,速度v,姿态s信息和由雷达高度表测得的实时雷达高度数据h以及大气数据计算机测得的实时大气飞行数据信息三者进行综合计算分析；
步骤N，计算机将分析结果分别发送给惯性导航系统和卡尔曼滤波计算模块，用于更新航空器实时位置信息；
步骤O，卡尔曼滤波计算模块将估计误差分别返回给视觉导航系统和惯性导航系统；
步骤P，重复步骤A至步骤O，对航空器的位置进行持续实时修正。
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