CN115855456A - 一种基于视觉无人机平台的舰载机光学助降系统标校方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于视觉无人机平台的舰载机光学助降系统标校方法，用无人机搭载高清摄像机进入预设的飞行校验区域，实时采集视频流数据并将其传输和存储至船面平台，然后通过视觉测量的方式获取菲涅尔灯的几何中心坐标。考虑到舰船在实际航行过程中光学助降系统的稳定光点坐标会发生偏移，因此采用载波相位分析法实时测量舰船的姿态，从而对甲板的不同自由度运动进行误差补偿。此外，通过机载差分全球导航系统（GNSS）和惯性测量单元（IMU）定位无人机坐标，动态估计和实时修正无人机的位姿。本发明充分提高了舰载机光学助降系统校验的精度和效率，以及整个校验系统的完备性。
Description
技术领域
本发明属于航空飞行校验技术领域，更具体地说，涉及一种基于视觉无人机平台的舰载机光学助降系统标校方法。
背景技术
舰载机光学助降引导系统是用于向进场驾驶舰载机飞行员指示正确下滑道的光学装置，是舰载机完成全天候着舰飞行的必备装置，也是目前国际通用的着舰引导重要基本手段，对舰载机的安全着舰具有重要意义。菲涅尔光学助降系统（FLOLS）安装在舰船的中部左舷位置，共由5个菲涅尔下滑道灯以及左右各7个横向排列的绿色基准灯组成，如图1所示。该助降系统能够发出5条相对于海平面呈现一定倾斜角度的光波束，其中每条光波束对应一条光学下滑道，但只有一条为理想下滑道，且该下滑道的基准角为4°，其余四条下滑道表示偏离理想下滑道的相对位置，分别由“高”、“偏高”、“偏低”、“低”来描述。
光学助降装置的引导指示精度直接关系到舰载机准确挂索的成功率，因此需要保持一定的精确度。然而，受材料自然风化、机械磨损、环境变化等因素的影响，提供的下滑道指示信息可能出现偏差。因此，对于已进入服役或还在试训基地的航母来说，为舰载机所搭建的光学助降引导系统需要进行定期或常态化的标校。
近年来，无人机以其机动性好、环境适应性强、费用低廉、安全系数高、可重复利用等优势成为各类标校任务的专用平台，可为定期校飞提供一种全新的技术途径和专用装备。
目前，舰载机光学助降系统标校通常采用上述方案，其具备较强的专业性和可实施性。然而，现有的标校方法通常只考虑了船体静态的情况，只适用于舰船停泊或平稳航行时进行校准。在实际应用中，除定期标校外，还应当进行常规化标校，尤其当舰船长时间处于航行状态时，船体容易受海浪和恶劣天气的影响，光学助降系统极易出现偏差，因此需要提高常规化动态标校能力，这对光学助降引导系统的标校技术提出了更大的挑战。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提出了一种基于视觉无人机平台的舰载机光学助降系统标校方法，针对船体静态和动态两种情况设计标校方案，充分提升了助降系统的完整性。本发明采用无人机搭载多种载荷进行飞行校验，通过高清航测相机采集实时航拍视频，并由GNSS和IMU进行无人机的实时定位，然后通过视觉测量的方法找到视频关键帧。此外，考虑到实际航行中由于舰船运动导致光学助降平台位置发生偏移，因此对甲板运动的六个自由度进行分析，采用载波相位分析法实时测量舰船的姿态，对其在航行过程中纵摇、横摇、升沉运动进行误差补偿，计算由于航行引起的菲涅尔灯组的几何中心坐标误差，使得动态标校更加准确。相比现有方案，本发明的方案适用场景更加丰富，符合实际应用场景需求，可以提高舰载机光学助降系统校验的精度和效率。
为达到上述目的，本发明提供了如下技术方案：
一种基于视觉无人机平台的舰载机光学助降系统标校方法，包括以下步骤：
步骤1、所述标校方法通过标校系统实现，所述标校系统由无人机机载端、船面平台以及船面运动补偿模块组成；其中，所述无人机机载端采用可携带任务载荷的视觉无人机；所述船面平台由无人机地面站、载荷基准站接收器、显控终端以及计算单元组成；所述船面运动补偿模块根据船体的工作模式选择是否计算船体运动误差；
步骤2、确定无人机飞行校验区域，规划飞行路径，在视觉无人机平台上搭载标校设备模块，包括图像模块、定位模块、视频信息处理模块、发送模块以及本地存储模块；按照规划的飞行路径，人工操纵无人机进入预先规划的飞行校验区域，由视觉无人机平台采集标校数据；
步骤3、由控制模块实现视觉无人机平台与船面平台的信息交互；
步骤4、船面平台负责无人机的飞行控制并且处理由视觉无人机平台采集并传输回来的标校数据，解算舰载机光学助降系统菲涅尔灯组的几何中心坐标；
步骤5、根据对甲板运动的六个自由度进行分析，对其在航行过程中纵摇、横摇、升沉运动进行补偿，从而保持在非惯性空间内绝对稳定，然后采用载波相位分析法实时测量舰船的姿态，计算由于航行引起的菲涅尔灯组的几何中心坐标误差；
步骤6、根据图像模块的高清航测相机和菲涅尔灯组的几何中心的大地坐标信息，经过坐标变换得到以菲涅尔灯组为中心的站心坐标系原点，然后计算成像中心相对于菲涅尔灯组的仰角，并与理想下滑道角度比较，分析其精度是否满足要求。
进一步地，所述步骤1中，根据船体所处的“停泊”和“航行”两种工作状态，所述标校系统分为“静态标校”和“动态标校”两种模式。
进一步地，所述步骤2中，在视觉无人机执行标校任务前，确认菲涅尔灯组的几何中心坐标；在视觉无人机航拍过程中，将大地坐标转换为以菲涅尔灯组的几何中心为原点的站心坐标。
进一步地，所述步骤2包括：
（1）由图像模块中的高清航测相机采集所需的视频图像数据，高清航测相机包含稳定平台；
（2）由全球卫星导航系统与惯性测量单元组成的定位模块实时采集视觉无人机的定位信息；
（3）由视频信息处理模块对视频图像数据和定位信息进行联合处理，根据时间戳确定视频图像数据与定位信息之间的对应关系，实现视频流与外方位信息的同步叠加，然后对处理后的数据进行压缩编码，以方便传输；
（4）由发送模块将处理好的数据快速发送至地面接收端；
（5）由本地存储模块将处理好的数据存储至本地。
进一步地，所述步骤3中，所述控制模块用于视觉无人机与显控终端的联调，实现视觉无人机机载端和船面接收端之间的双向信号传输。
进一步地，所述步骤4中，接收模块将收到的视频信号传输到显控终端以观测视觉无人机拍摄的标校数据，获取视觉无人机飞行的外方位信息，从而根据拍摄的角度确定是否需要对视觉无人机平台进行姿态修正；根据视觉测量方法将视觉无人机在下滑道上下连续拍摄视频帧中观测到菲涅尔灯球与绿色基准灯在一条线上的视频帧作为关键帧，并提取该帧图像所对应的采集时间、位置、姿态和速度信息，进一步获取该帧成像时刻高清航测相机的精准空间坐标。
进一步地，所述步骤5中，采用载波相位差分法分别测量甲板在三维运动产生的横摇角、纵摇角以及艏摇角，从而计算由于甲板运动带来的菲涅尔灯组中心坐标的偏移误差。
进一步地，所述步骤6包括：根据无人机的位置坐标与菲涅尔灯组坐标计算两者间的夹角，并与理想下滑道仰角进行比较获得相对夹角误差，根据相对夹角误差的精度是否满足要求判断是否进行标校。
本发明与现有技术相比所具有的有益效果：
本发明利用视觉无人机平台采集数据的便利性进行视觉测量，充分使用了无人机平台的位置信息和拍摄的视频图像数据，并采用了视觉测量、载波相位差分法、坐标变换等方法，能够同时满足舰船在静态和动态条件下的标校需求，极大提升了标校系统的完整性，同时具有更强的标校精度和泛用性。本发明的一种基于视觉无人机平台的舰载机光学助降系统标校平台，其利用无人机平台采集数据的便利性及其全球卫星导航系统GNSS、惯性测量单元IMU等协助进行测量，不需要使用信号棒、激光引导雷达、微波等常见辅助设备。
附图说明
图1为本发明的一种基于视觉无人机平台的舰载机光学助降系统标校方法流程图；
图2为本发明的整体结构图；
图3为坐标系变换示意图；
图4为菲涅尔灯组示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
如图1所示，本发明提出一种基于视觉无人机平台的舰载机光学助降系统标校方法，包括如下步骤：
第一步：基于视觉无人机平台的舰载机光学助降系统标校平台包括无人机机载端、船面平台以及船面运动补偿模块三个部分，其系统整体结构如图2所示。
1.1 无人机机载端包括无人机平台、作为图像模块的高清航测相机、作为定位模块的GNSS/IMU模块、视频信息处理模块、发送模块以及本地存储模块；
1.2 船面平台由无人机地面站、作为接收模块的载荷基准站接收器、显控终端以及计算单元组成；
1.3 船面运动补偿模块可根据船体的运动模式选择是否进行运动误差补偿。根据船体所处的“停泊”和“航行”两种工作状态，标校系统可分为“静态标校”和“动态标校”两种模式。当进行“动态标校”时，首先需要获取船面平台的天线坐标，然后对其进行地理坐标变换，随后采用载波相位差分法分析舰船三轴摇摆和平移运动，并且根据基线向量计算相对位置，解算甲板运动的相对俯仰角，从而获得菲涅尔灯的几何中心坐标误差。
第二步：确定无人机飞行校验区域，规划飞行路径。按照规划的飞行路径即光学助降系统提供的光学下滑道，人工操纵无人机沿着飞行训练规定的飞行航向进入飞行校验区域。
2.1 在无人机执行标校任务前，需要确认菲涅尔灯组的几何中心坐标。由于机载GNSS接收机所接收的GPS坐标采用的是WGS-84大地坐标，在无人机航拍过程中，需要将大地坐标转换为以菲涅尔灯组的几何中心为原点的站心直角坐标，具体坐标系变换如图3所示。
其中，
为站心直角坐标，/>
为空间大地直角坐标，/>
为站心点坐标，/>
和/>
分别表示站心点的大地坐标的经度和纬度；图3显示了从各个坐标系间的转换过程，首先由大地坐标/>
转换为空间大地直角坐标/>
，然后转换为站心直角坐标/>
，最后转换为站心球坐标/>
。
2.2 根据无人机平台距离菲涅尔灯组几何中心点的水平距离
确定理想飞行高度/>
，然后由高清航测相机采集所需的实时视频标校数据；
2.3 由全球卫星导航系统（GNSS）与惯性测量单元（IMU）组成的GNSS/IMU模块作为定位模块实时采集无人机的定位信息，包括无人机的位置和姿态信息；
2.4 由视频信息处理模块对实时视频标校数据和定位信息进行联合处理，根据时间戳确定实时视频标校数据与定位信息之间的对应关系，实现视频流与外方位信息的同步叠加，然后对处理后的数据进行压缩编码，以方便传输；
2.5 由发送模块将处理好的数据实时发送至地面接收端；
2.6 由本地存储模块将处理好的数据存储至本地。
第三步：由控制模块实现无人机与显控终端的联调，实现无人机机载端和船面接收端之间的双向信号传输。
第四步：船面平台主要负责无人机的飞行控制并且处理由无人机平台采集并传输回来的数据，解算舰载机光学助降系统菲涅尔灯组几何中心与无人机之间的仰角。
4.1 由接收模块实时接收无人机飞行平台返回的数据，并传输至显控终端进行实时观测；
4.2 通过视觉测量的方法提取由无人机采集的数据中包含所观测菲涅尔灯组的视频序列关键帧，将无人机在光学下滑道上下连续拍摄视频帧中观测到菲涅尔灯球与绿色基准灯在一条线上的视频帧作为关键帧，如图4所示；
4.3 将接收到的定位信息进行数据转换，并得到采集关键帧曝光时刻的无人机的外方位信息，包括位置、姿态、速度，然后进一步获取该帧成像时刻高清航测相机的的精准空间坐标；
4.4 根据显控终端实时显示的视频数据，结合外方位信息计算与理想飞行平台的状态误差，包括无人机的位置与拍摄角度。通过误差反馈对飞行平台进行位姿修正。
第五步：根据对甲板运动的六个自由度运动建模分析，采用载波相位差分法分别测量甲板在三维运动产生的横摇角、纵摇角以及艏摇角，从而对其在航行过程中纵摇、横摇、升沉运动进行补偿，计算由于加班运动带来的菲涅尔灯组中心坐标的偏移误差。
在测量航母的运动姿态时，分别在甲板坐标系原点处设置天线
，在舰船的尾部沿横摇轴向设置天线/>
,在航母的左舷沿纵摇轴向设置天线/>
，使得天线之间构成的三角形中以甲板坐标系原点为直角点。
不同天线之间可以构成基线向量
、/>
和/>
，其模长可以被直接测量分别表示为/>
、/>
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。采用GNSS来测量不同天线信号之间的相对位置进行位姿计算，对不同天线之间的载波信号相位进行差分，实现不同天线之间的相对定位。
由此可以得到天线
和天线/>
的甲板坐标系坐标，分别表示为/>
和
。经过坐标系变换，得到两个天线的地理坐标值，分别表示为/>
和
。
根据空间几何特性，可以计算得到甲板的艏摇角
与纵摇角/>
分别表示为：
将天线
坐标分别沿着地理坐标系的z轴和x轴旋转/>
和/>
，得到新的地理坐标
，新的地理坐标与甲板坐标之间的转换，以及航母的横摇角/>
可以表示为：
根据甲板三个方向的相对俯仰角
，计算菲涅尔灯组几何中心坐标的相对偏移量/>
，从而进行误差补偿。
第六步：根据无人机平台航测相机和菲涅尔灯组的几何中心的大地坐标信息，经过坐标变换得到以菲涅尔灯组为中心的站心坐标系原点，然后计算成像中心相对于菲涅尔灯组的俯仰角
，并与理想下滑道角度比较，分析其精度是否满足要求。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，且应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
Claims (8)
1.一种基于视觉无人机平台的舰载机光学助降系统标校方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、所述标校方法通过标校系统实现，所述标校系统由无人机机载端、船面平台以及船面运动补偿模块组成；其中，所述无人机机载端采用可携带任务载荷的视觉无人机；所述船面平台由无人机地面站、载荷基准站接收器、显控终端以及计算单元组成；所述船面运动补偿模块根据船体的工作模式选择是否计算船体运动误差；
步骤2、确定无人机飞行校验区域，规划飞行路径，在视觉无人机平台上搭载标校设备模块，包括图像模块、定位模块、视频信息处理模块、发送模块以及本地存储模块；按照规划的飞行路径，人工操纵无人机进入预先规划的飞行校验区域，由视觉无人机平台采集标校数据；
步骤3、由控制模块实现视觉无人机平台与船面平台的信息交互；
步骤4、船面平台负责无人机的飞行控制并且处理由视觉无人机平台采集并传输回来的标校数据，解算舰载机光学助降系统菲涅尔灯组的几何中心坐标；
步骤5、根据对甲板运动的六个自由度进行分析，对其在航行过程中纵摇、横摇、升沉运动进行补偿，从而保持在非惯性空间内绝对稳定，然后采用载波相位分析法实时测量舰船的姿态，计算由于航行引起的菲涅尔灯组的几何中心坐标误差；
步骤6、根据图像模块的高清航测相机和菲涅尔灯组的几何中心的大地坐标信息，经过坐标变换得到以菲涅尔灯组为中心的站心坐标系原点，然后计算成像中心相对于菲涅尔灯组的仰角，并与理想下滑道角度比较，分析其精度是否满足要求。
2.根据权利要求1所述的一种基于视觉无人机平台的舰载机光学助降系统标校方法，其特征在于：所述步骤1中，根据船体所处的“停泊”和“航行”两种工作状态，所述标校系统分为“静态标校”和“动态标校”两种模式。
3.根据权利要求1所述的一种基于视觉无人机平台的舰载机光学助降系统标校方法，其特征在于：所述步骤2中，在视觉无人机执行标校任务前，确认菲涅尔灯组的几何中心坐标；在视觉无人机航拍过程中，将大地坐标转换为以菲涅尔灯组的几何中心为原点的站心坐标。
4.根据权利要求3所述的一种基于视觉无人机平台的舰载机光学助降系统标校方法，其特征在于：所述步骤2包括：
（1）由图像模块中的高清航测相机采集所需的视频图像数据，高清航测相机包含稳定平台；
（2）由全球卫星导航系统与惯性测量单元组成的定位模块实时采集视觉无人机的定位信息；
（3）由视频信息处理模块对视频图像数据和定位信息进行联合处理，根据时间戳确定视频图像数据与定位信息之间的对应关系，实现视频流与外方位信息的同步叠加，然后对处理后的数据进行压缩编码，以方便传输；
（4）由发送模块将处理好的数据快速发送至地面接收端；
（5）由本地存储模块将处理好的数据存储至本地。
5.根据权利要求4所述的一种基于视觉无人机平台的舰载机光学助降系统标校方法，其特征在于：所述步骤3中，所述控制模块用于视觉无人机与显控终端的联调，实现视觉无人机机载端和船面接收端之间的双向信号传输。
6.根据权利要求4所述的一种基于视觉无人机平台的舰载机光学助降系统标校方法，其特征在于：所述步骤4中，接收模块将收到的视频信号传输到显控终端以观测视觉无人机拍摄的标校数据，获取视觉无人机飞行的外方位信息，从而根据拍摄的角度确定是否需要对视觉无人机平台进行姿态修正；根据视觉测量方法将视觉无人机在下滑道上下连续拍摄视频帧中观测到菲涅尔灯球与绿色基准灯在一条线上的视频帧作为关键帧，并提取该帧图像所对应的采集时间、位置、姿态和速度信息，进一步获取该帧成像时刻高清航测相机的精准空间坐标。
7.根据权利要求6所述的一种基于视觉无人机平台的舰载机光学助降系统标校方法，其特征在于：所述步骤5中，采用载波相位差分法分别测量甲板在三维运动产生的横摇角、纵摇角以及艏摇角，从而计算由于甲板运动带来的菲涅尔灯组中心坐标的偏移误差。
8.根据权利要求7所述的一种基于视觉无人机平台的舰载机光学助降系统标校方法，其特征在于：所述步骤6包括：根据无人机的位置坐标与菲涅尔灯组坐标计算两者间的夹角，并与理想下滑道仰角进行比较获得相对夹角误差，根据相对夹角误差的精度是否满足要求判断是否进行标校。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20230328 |
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