CN113358135A - 一种用光电测量数据修正飞行器位置的方法 - Google Patents

一种用光电测量数据修正飞行器位置的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种用光电测量数据修正飞行器位置的方法，属于飞行器导航定位技术领域。其技术方案为：一种用光电测量数据修正飞行器位置的方法，导航设备通过大地与机体坐标系转换，利用光电传感器的位置信息、光电传感器与导航设备在机体坐标系的相对位置、飞行器的姿态，计算出导航设备在大地坐标系下的经度、纬度和高度作为标定位置信息；导航设备将标定位置信息与实际输出的位置信息进行对比，获得位置误差修正量，导航设备根据误差修正量实时修正输出的位置信息，提高无人机的定位精度。本发明采用成熟可靠的光电测量技术，修正成本较低，利用光电测量距离和角度，运算快，误差小、可靠性高；能够弥补导航系统在复杂区域定位不准的缺陷。

Description

一种用光电测量数据修正飞行器位置的方法
技术领域
本发明涉及飞行器导航定位技术领域，尤其涉及一种用光电测量数据修正飞行器位置的方法。
背景技术
目前，随着飞行器在各行各业的应用日益广泛，面对未知、复杂环境的高精度定位服务需求与日俱增。
飞行器在飞行过程中，其位置误差随时间推移逐渐增大，或者在无卫星导航时，位置误差不准确。在城市、山区、沟谷等地形条件复杂的应用环境，卫星信号受遮挡、多路径等影响，飞行器在执行任务过程中，面临卫星导航定位失效的状况，致使飞行器飞行和作业安全面临严重威胁。传统的基于卫星定位技术受适用环境的影响，其可靠性和精度均无法满足复杂环境下的高精度定位的需求，因此，引入光电导航定位修正技术，为导航系统提供高精度、可信定位技术手段。
发明内容
针对上述现有技术中的问题，本发明的目的在于提供一种用光电测量数据修正飞行器位置的方法，基于光电测量技术的定位技术，通过图像识别，目标锁定技术，获取地面标识物的地面坐标，光电传感器提供相关测量数据用以辅助飞行器修正定位数据。
本发明是通过如下技术方案实现的：一种用光电测量数据修正飞行器位置的方法，包括如下步骤：
S1：飞行器起飞前，由地面站规划，选定若干个地面标识物作为飞行器位置定位修正的参照物，所述地面标识物的经度、纬度和高度均为已知的位置信息；
S2：飞行器执行规划任务时捕捉到地面标识物，安装于飞行器上的光电传感器锁定并识别当前位置对应的地面标识物，获得地面标识物的经度、纬度和高度，并经过测量获取当前地面标识物相对光电传感器的距离、俯仰角和航向角；
S3：根据步骤S2获取的数据，计算出光电传感器的经度、纬度和高度，光电传感器将自身的经度、纬度和高度等位置信息传输至导航设备；
S4：导航设备利用光电传感器的位置信息、光电传感器与导航设备在机体坐标系的相对位置、飞行器的姿态，计算出导航设备的经度、纬度和高度并作为导航设备的标定位置信息；
S5：利用导航设备的标定位置信息与导航设备实际输出的位置信息进行对比，计算出导航设备的位置误差修正量，位置误差修正量包括经度、纬度和高度的修正量；
S6：导航设备记录步骤S5中的位置误差修正量，并根据记录的位置误差修正量实时修正导航设备输出的经度、纬度和高度；
S7：飞行器继续执行规划任务过程中，锁定下一个地面标识物时，按照步骤S2-S6，导航设备更新并记录位置误差修正量，并再次修正导航设备输出的经度、纬度和高度。均采用导航设备记录的当前误差修正量作为位置信息的补偿，修正导航设备输出的经度、纬度和高度，如此随着飞行进程，不断对导航设备输出的位置信息进行修正，进而提高飞行器的定位精度。
进一步，所述光电传感器具备图像识别、目标锁定、距离和角度测量的功能；光电传感器锁定地面标识物后，光电传感器测量出地面标识物相对光电传感器的距离、俯仰角和航向角数据。
进一步，所述步骤S2具体为：
S21:设飞行器为A点，地面标识物为B点，光电传感器为C点；由光电传感器测量的B 点到C点的距离为L；设A、B、C点相对于大地坐标系的坐标值分别为（xA，yA，zA）、（xB，yB，zB）、 （xC，yC，zC），其中（xB，yB，zB）为已知信息；飞行器以机体坐标系的坐标轴为基准的俯仰角为
Figure 672894DEST_PATH_IMAGE001
、横滚角为
Figure 403083DEST_PATH_IMAGE002
、航向角为
Figure 510717DEST_PATH_IMAGE003
，光电传感器以机体坐标系的坐标轴为基准的俯仰角为 pitch、航向角为yaw；
S22: 根据已知的
Figure 718975DEST_PATH_IMAGE001
、
Figure 671363DEST_PATH_IMAGE002
、
Figure 24984DEST_PATH_IMAGE003
、pitch、yaw，计算以大地坐标系的坐标轴为基准，光 电传感器锁定已知的地面标识物时，光电传感器相对地面标识物俯仰角为
Figure 370646DEST_PATH_IMAGE004
、航向角为
Figure 631863DEST_PATH_IMAGE005
如 下：
Figure 441687DEST_PATH_IMAGE006
（公式1）；
Figure 513680DEST_PATH_IMAGE007
（公式2）。
进一步，所述S3具体为：
S31：设光电传感器和地面标识物的相对位置向量（Δx，Δy，Δz）；
S32：光电传感器获取已知的地面标识物的坐标（xB，yB，zB），进而根据如下公式计算处光电传感器当前的经度、纬度和高度信息：
Figure 64747DEST_PATH_IMAGE008
（公式3）；
Figure 346299DEST_PATH_IMAGE009
（公式4）；
Figure 932001DEST_PATH_IMAGE010
（公式5）；
Figure 440474DEST_PATH_IMAGE011
（公式6）；
Figure 9996DEST_PATH_IMAGE012
（公式7）；
Figure 753961DEST_PATH_IMAGE013
（公式8）；
S33:俯仰角
Figure 476060DEST_PATH_IMAGE004
、航向角
Figure 139123DEST_PATH_IMAGE005
以及距离L均为已知信息，则根据公式3和公式4，计算出光 电传感器在大地坐标系的经度值xC；根据公式5和公式6，计算出光电传感器在大地坐标系 的纬度值yC；根据公式7和公式8，计算出光电传感器在大地坐标系的高度值zC；则光电传感 器在大地坐标系中的坐标为（xC，yC，zC）。
进一步，所述S4具体为：
S41:由步骤S33已知C点在大地坐标系中的坐标（xC，yC，zC），设光电传感器与导航设备在机体坐标系的相对位置为（xC1，yC1，zC1）；
S42：导航设备利用已知的（xC，yC，zC）、（xC1，yC1，zC1）及飞行器的姿态，根据如下公式计算导航设备的经度、纬度和高度，即导航设备在大地坐标系下的坐标信息（xA，yA，zA），并以（xA，yA，zA）作为导航设备的标定位置信息：
Figure 71307DEST_PATH_IMAGE015
（公式9）。
进一步，所述步骤S5具体为：
导航设备的标定位置信息（xA，yA，zA）与导航设备实际输出的位置信息（xA1，yA1，zA1）进行实时对比，则误差修订量为（ΔxA，ΔyA，ΔzA）为：
Figure 494329DEST_PATH_IMAGE016
（公式10）；
进一步，所述S6具体为：在光电传感器锁定下一个地面标识前的飞行过程中，导航设备根据误差修正量（ΔxA，ΔyA，ΔzA）实时修正导航设备输出的经度、纬度和高度，修正后的导航设备持续输出的位置信息为更新为(X，Y，Z)：
Figure 320202DEST_PATH_IMAGE017
（公式11）。
本发明的有益效果为：本发明采用技术较为成熟可靠的光电测量技术，配备光电设备进行位置修正成本较低，利用光电测量距离和角度，具有运算快，误差小、可靠性高等特点；导航设备根据修正量实时修正输出的经度、纬度和高度，从而提高无人机的定位精度；完成一次标定后，飞行器记录修正量，在下一次标定之前导航设备使用该修正量修正导航设备的输出经度、纬度和高度，减少运算次数，高效完成定位修正。
附图说明
图1为本方法的逻辑流程图。
图2为实施例中各点位相对方位展示图。
图3为实施例中空间方位展示图。
具体实施方式
为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，对本方案进行阐述。
卫星导航定位技术是依靠导航卫星的无线电导航系统，可以为飞行器等平台提供全天候、实时、连续的绝对位置信息和时间信息。但是，作为一种无线电信号，信号遮挡、环境干扰等也将直接导致卫星接收机丧失定位能力。本发明基于光电测量技术的定位技术，通过图像识别，目标锁定技术，获取地面标识物的地面坐标，光电传感器提供相关测量数据用以辅助飞行器修正定位，具体实施例如下：
本发明是通过如下技术方案实现的：参见图1-图3，一种用光电测量数据修正飞行器位置的方法，包括如下步骤：
S1：飞行器起飞前，由地面站规划，选定若干个地面标识物作为飞行器位置定位修正的参照物，所述地面标识物的经度、纬度和高度均为已知的位置信息；
S2：飞行器执行规划任务时捕捉到地面标识物，安装于飞行器上的光电传感器锁定并识别当前位置对应的地面标识物，获得地面标识物的经度、纬度和高度，并经过测量获取当前地面标识物相对光电传感器的距离、俯仰角和航向角；
S3：根据步骤S2获取的数据，计算出光电传感器的经度、纬度和高度，光电传感器将自身的经度、纬度和高度等位置信息传输至导航设备；
S4：导航设备利用光电传感器的位置信息、光电传感器与导航设备在机体坐标系的相对位置、飞行器的姿态，计算出导航设备的经度、纬度和高度并作为导航设备的标定位置信息；导航设备依据大地坐标系坐标X轴、Y轴、Z轴分别指向东、北、天，见图3中的（X地，Y地，Z地）；机体坐标X轴、Y轴、Z轴分别指向前、右、下，见图3中的（X机，Y机，Z机）。已知光电传感器在大地坐标系下的坐标数据及导航设备在机体坐标系的坐标数据，通过坐标转换，计算出导航设备的经度、纬度和高度。
S5：利用导航设备的标定位置信息与导航设备实际输出的位置信息进行对比，计算出导航设备的位置误差修正量，位置误差修正量包括经度、纬度和高度的修正量；
S6：导航设备记录步骤S5中的位置误差修正量，并根据记录的位置误差修正量实时修正导航设备输出的经度、纬度和高度；
S7：飞行器继续执行规划任务过程中，锁定下一个地面标识物时，按照步骤S2-S6，导航设备更新并记录位置误差修正量，并再次修正导航设备输出的经度、纬度和高度。均采用导航设备记录的当前误差修正量作为位置信息的补偿，修正导航设备输出的经度、纬度和高度，如此随着飞行进程，不断对导航设备输出的位置信息进行修正，进而提高飞行器的定位精度。。
进一步，所述光电传感器具备图像识别、目标锁定、距离和角度测量的功能；光电传感器锁定地面标识物后，光电传感器测量出地面标识物相对光电传感器的距离、俯仰角和航向角数据。
进一步，所述步骤S2具体为：
S21:设飞行器为A点，地面标识物为B点，光电传感器为C点；由光电传感器测量的B 点到C点的距离为L；设A、B、C点相对于大地坐标系的坐标值分别为（xA，yA，zA）、（xB，yB，zB）、 （xC，yC，zC），其中（xB，yB，zB）为已知信息；飞行器以大地坐标系的坐标轴为基准的俯仰角为
Figure 295112DEST_PATH_IMAGE001
、横滚角为
Figure 587028DEST_PATH_IMAGE002
、航向角为
Figure 938375DEST_PATH_IMAGE003
，光电传感器以机体坐标系的坐标轴为基准的俯仰角为 pitch、航向角为yaw；
S22: 如图3所示，点C~为C点在B点所在平面上的投影，根据已知的
Figure 353176DEST_PATH_IMAGE001
、
Figure 639932DEST_PATH_IMAGE002
、
Figure 546708DEST_PATH_IMAGE003
、 pitch、yaw，计算以大地坐标系的坐标轴为基准，光电传感器锁定已知的地面标识物时，光 电传感器相对地面标识物俯仰角为
Figure 295221DEST_PATH_IMAGE004
、航向角为
Figure 846419DEST_PATH_IMAGE005
如下：
Figure 287765DEST_PATH_IMAGE006
（公式1）；
Figure 26045DEST_PATH_IMAGE007
（公式2）。
进一步，所述S3具体为：
S31：设光电传感器和地面标识物的相对位置向量（Δx，Δy，Δz）；
S32：光电传感器获取已知的地面标识物的坐标（xB，yB，zB），进而根据如下公式计算处光电传感器当前的经度、纬度和高度信息：
Figure 719194DEST_PATH_IMAGE008
（公式3）；
Figure 374167DEST_PATH_IMAGE009
（公式4）；
Figure 861780DEST_PATH_IMAGE010
（公式5）；
Figure 615585DEST_PATH_IMAGE011
（公式6）；
Figure 705900DEST_PATH_IMAGE012
（公式7）；
Figure 966112DEST_PATH_IMAGE013
（公式8）。
S33:俯仰角
Figure 624626DEST_PATH_IMAGE004
、航向角
Figure 117924DEST_PATH_IMAGE005
以及距离L均为已知信息，则根据公式3和公式4，计算出光 电传感器在大地坐标系的经度值xC；根据公式5、公式6，计算出光电传感器在大地坐标系的 纬度值yC；根据公式7、公式8，计算出光电传感器在大地坐标系的高度值zC；则光电传感器在 大地坐标系中的坐标为（xC，yC，zC）。
进一步，所述S4具体为：
S41:由步骤S33已知C点在大地坐标系中的坐标（xC，yC，zC），设光电传感器与导航 设备在机体坐标系的相对位置为（xC1，yC1，zC1），如图3中所示向量
Figure 887297DEST_PATH_IMAGE018
为在机体坐标轴下光电 传感器与导航设备的相对位置向量；
S42：导航设备利用已知的（xC，yC，zC）、（xC1，yC1，zC1）及飞行器的姿态，根据如下公式计算导航设备的经度、纬度和高度，即导航设备在大地坐标系下的坐标信息（xA，yA，zA），并以（xA，yA，zA）作为导航设备的标定位置信息：
Figure 533173DEST_PATH_IMAGE020
（公式9）。
进一步，所述步骤S5具体为：
导航设备的标定位置信息（xA，yA，zA）与导航设备实际输出的位置信息（xA1，yA1， zA1）进行实时对比，则误差修订量向量为
Figure DEST_PATH_IMAGE021
，误差修正量为：
Figure 690485DEST_PATH_IMAGE016
（公式10）。
进一步，所述S6具体为：在光电传感器锁定下一个地面标识前的飞行过程中，导航设备根据误差修正量（ΔxA，ΔyA，ΔzA）实时修正导航设备输出的经度、纬度和高度，修正后的导航设备持续输出的位置信息为更新为(X，Y，Z)：
Figure 156233DEST_PATH_IMAGE017
（公式11）。
本发明采用的光电测量技术较为成熟可靠，配备光电设备进行位置修正成本较低，利用光电测量距离和角度，具有运算快，误差小、可靠性高等特点；为实现在复杂飞行环境条件下，飞行器的定位修正，飞行器正常时由卫星导航，光电测量技术辅助导航实现自身位置修正；卫星导航故障时，由光电测量技术结合导航系统进行自身位置的修正。本发明比较依赖前期数据建立的准确性，地面目标的位置精度和光电传感器的测量精度均会影响定位误差修正量，从而影响飞行器定位精度；地面标识物的大地坐标系的坐标位置信息越可靠，飞行器的位置修正信息越准确；故而可以出了利用飞行路径中现有的一些特殊建筑或特殊环境标识，也可以采用专门建立一些专用标识，并对其大地坐标进行精确测量，采用本发明，不限制地面标识的数量；每当完成一次位置标定后，飞行器会记录下当前的位置误差修正量，在下一次标定之前导航设备使用该位置误差修正量修正导航设备的输出经度、纬度和高度，减少运算次数，高效完成定位修正。
在本发明创造的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明创造和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明创造的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明创造的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明创造的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“设置”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明创造中的具体含义。
本发明未经描述的技术特征可以通过或采用现有技术实现，在此不再赘述，当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种用光电测量数据修正飞行器位置的方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：飞行器起飞前，由地面站规划，选定若干个地面标识物作为飞行器位置定位修正的参照物，所述地面标识物的经度、纬度和高度均为已知的位置信息；
S2：飞行器执行规划任务时捕捉到地面标识物，安装于飞行器上的光电传感器锁定并识别当前位置对应的地面标识物，获得地面标识物的经度、纬度和高度，并经过测量获取当前地面标识物相对光电传感器的距离、俯仰角和航向角；
S3：根据步骤S2获取的数据，计算出光电传感器的经度、纬度和高度，光电传感器将自身的经度、纬度和高度等位置信息传输至导航设备；
S4：导航设备利用光电传感器的位置信息、光电传感器与导航设备在机体坐标系的相对位置、飞行器的姿态，计算出导航设备的经度、纬度和高度并作为导航设备的标定位置信息；
S5：利用导航设备的标定位置信息与导航设备实际输出的位置信息进行对比，计算出导航设备的位置误差修正量，位置误差修正量包括经度、纬度和高度的修正量；
S6：导航设备记录步骤S5中的位置误差修正量，并根据记录的位置误差修正量实时修正导航设备输出的经度、纬度和高度；
S7：飞行器继续执行规划任务过程中，锁定下一个地面标识物时，按照步骤S2-S6，导航设备更新并记录位置误差修正量，并再次修正导航设备输出的经度、纬度和高度。
2.根据权利要求1所述的用光电测量数据修正飞行器位置的方法，其特征在于，所述光电传感器具备图像识别、目标锁定、距离和角度测量的功能；光电传感器锁定地面标识物后，光电传感器测量出地面标识物相对光电传感器的距离、俯仰角和航向角数据。
3.根据权利要求2所述的用光电测量数据修正飞行器位置的方法，其特征在于，所述步骤S2具体为：
S21:设飞行器为A点，地面标识物为B点，光电传感器为C点；由光电传感器测量的B点到 C点的距离为L；设A、B、C点相对于大地坐标系的坐标值分别为（xA，yA，zA）、（xB，yB，zB）、（xC， yC，zC），其中（xB，yB，zB）为已知信息；飞行器以机体坐标系的坐标轴为基准的俯仰角为
Figure 24813DEST_PATH_IMAGE001
、横 滚角为
Figure 977726DEST_PATH_IMAGE002
、航向角为
Figure 587830DEST_PATH_IMAGE003
，光电传感器以机体坐标系的坐标轴为基准的俯仰角为pitch、航向 角为yaw；
S22: 根据已知的
Figure 665507DEST_PATH_IMAGE001
、
Figure 166896DEST_PATH_IMAGE002
、
Figure 521785DEST_PATH_IMAGE003
、pitch、yaw，计算以大地坐标系的坐标轴为基准，光电传感 器锁定已知的地面标识物时，光电传感器相对地面标识物俯仰角为
Figure 958583DEST_PATH_IMAGE004
、航向角为
Figure 648190DEST_PATH_IMAGE005
如下：
Figure 828635DEST_PATH_IMAGE006
（公式1）；
Figure 769522DEST_PATH_IMAGE007
（公式2）。
4.根据权利要求3所述的用光电测量数据修正飞行器位置的方法，其特征在于，所述S3具体为：
S31：设光电传感器和地面标识物的相对位置向量（Δx，Δy，Δz）；
S32：光电传感器获取已知的地面标识物的坐标（xB，yB，zB），进而根据如下公式计算处光电传感器当前的经度、纬度和高度信息：
Figure 377221DEST_PATH_IMAGE008
（公式3）；
Figure 819704DEST_PATH_IMAGE009
（公式4）；
Figure 538261DEST_PATH_IMAGE010
（公式5）；
Figure 867742DEST_PATH_IMAGE011
（公式6）；
Figure 646342DEST_PATH_IMAGE012
（公式7）；
Figure 451487DEST_PATH_IMAGE013
（公式8）；
S33:俯仰角
Figure 567211DEST_PATH_IMAGE004
、航向角
Figure 751199DEST_PATH_IMAGE005
以及距离L均为已知信息，则根据公式3和公式4，计算出光电传 感器在大地坐标系的经度值xC；根据公式5、公式6，计算出光电传感器在大地坐标系的纬度 值yC；根据公式7、公式8，计算出光电传感器在大地坐标系的高度值zC；则光电传感器在大地 坐标系中的坐标为（xC，yC，zC）。
5.根据权利要求4所述的用光电测量数据修正飞行器位置的方法，其特征在于，所述S4具体为：
S41:由步骤S33已知C点在大地坐标系中的坐标（xC，yC，zC），设光电传感器与导航设备在机体坐标系的相对位置为（xC1，yC1，zC1）；
S42：导航设备利用已知的（xC，yC，zC）、（xC1，yC1，zC1）及飞行器的姿态，根据如下公式计算导航设备的经度、纬度和高度，即导航设备在大地坐标系下的坐标信息（xA，yA，zA），并以（xA，yA，zA）作为导航设备的标定位置信息：
Figure 966279DEST_PATH_IMAGE015
（公式9）。
6.根据权利要求5所述的用光电测量数据修正飞行器位置的方法，其特征在于，所述步骤S5具体为：导航设备的标定位置信息（xA，yA，zA）与导航设备实际输出的位置信息（xA1，yA1，zA1）进行实时对比，则误差修订量为（ΔxA，ΔyA，ΔzA）为：
Figure 852196DEST_PATH_IMAGE016
（公式10）。
7.根据权利要求6所述的用光电测量数据修正飞行器位置的方法，其特征在于，所述S6具体为：在光电传感器锁定下一个地面标识前的飞行过程中，导航设备根据误差修正量（ΔxA，ΔyA，ΔzA）实时修正导航设备输出的经度、纬度和高度，修正后的导航设备持续输出的位置信息为更新为(X，Y，Z)：
Figure 178135DEST_PATH_IMAGE017
（公式11）。
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