劉俊濤　代長(zhǎng)勇　嚴(yán)晞雋（北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京 100076）

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基于連續(xù)圖像的無(wú)人平臺(tái)載荷目標(biāo)定位算法研究

劉俊濤代長(zhǎng)勇嚴(yán)晞雋
（北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京 100076）

摘要介紹了基于連續(xù)圖像的無(wú)人平臺(tái)載荷目標(biāo)定位的原理和算法，給出了定位過(guò)程中不同坐標(biāo)系下目標(biāo)的位置和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的過(guò)程，并在此基礎(chǔ)上對(duì)影響目標(biāo)定位誤差的因素進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞連續(xù)圖像，無(wú)人平臺(tái)載荷，目標(biāo)定位

引 言

無(wú)人平臺(tái)由于具有體積小、重量輕、機(jī)動(dòng)靈活、隱蔽性強(qiáng)、不會(huì)造成人員傷亡等優(yōu)點(diǎn)，在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中發(fā)揮著愈來(lái)愈重要的作用。同時(shí)，無(wú)人平臺(tái)也可以應(yīng)用在應(yīng)急搜救、災(zāi)情監(jiān)測(cè)、治安監(jiān)控、地質(zhì)勘察、資源勘探、海岸緝私和電力巡線等領(lǐng)域，在軍用和民用領(lǐng)域均具有非常廣闊的應(yīng)用前景。而在上述相關(guān)應(yīng)用中，基于無(wú)人平臺(tái)光電載荷的目標(biāo)定位是成功應(yīng)用的關(guān)鍵。目前常用的基于無(wú)人平臺(tái)光電載荷定位方法通常依賴于激光載荷對(duì)目標(biāo)的測(cè)距數(shù)據(jù)，但在很多應(yīng)用場(chǎng)景下，無(wú)法對(duì)光電載荷圖像中所有目標(biāo)點(diǎn)的距離進(jìn)行激光測(cè)距。本文提出了一種基于連續(xù)圖像的無(wú)人平臺(tái)載荷目標(biāo)定位的算法，可在沒(méi)有激光測(cè)距數(shù)據(jù)支持的情況下，進(jìn)行目標(biāo)的實(shí)時(shí)定位，大幅拓展了無(wú)人平臺(tái)的應(yīng)用空間。

1　目標(biāo)定位算法

1.1坐標(biāo)系的定義

應(yīng)用無(wú)人平臺(tái)光電載荷進(jìn)行目標(biāo)定位，主要涉及大地坐標(biāo)系、大地直角坐標(biāo)系、無(wú)人平臺(tái)坐標(biāo)系，以及光電載荷坐標(biāo)系等坐標(biāo)系間的轉(zhuǎn)換。

大地坐標(biāo)系：即WGS-84世界大地坐標(biāo)系。其坐標(biāo)原點(diǎn)是地球質(zhì)心，Z軸指向BIH1984.0定義的協(xié)議地級(jí)（CTP）方向，X軸指向BIH1984.0定義的零度子午面和CTP赤道的交點(diǎn)，Y軸和Z軸、X軸構(gòu)成右手坐標(biāo)系。

大地直角坐標(biāo)系：原點(diǎn)位于地球質(zhì)心；Z軸指向地球北極；X軸由原點(diǎn)指向格林尼治子午面與赤道交點(diǎn)；Y軸垂直XOZ平面，與Z軸、X軸共同組成右手坐標(biāo)系。

無(wú)人平臺(tái)坐標(biāo)系：為北東地（NED）坐標(biāo)系，將無(wú)人平臺(tái)看作質(zhì)點(diǎn)，無(wú)人平臺(tái)位置（B，L，H）為地理坐標(biāo)系的原點(diǎn)，X軸指向正北方向，Z軸為無(wú)人平臺(tái)到地平面的垂線，Y軸與Z軸和X軸組合起來(lái)構(gòu)成的右手坐標(biāo)系，稱為地理坐標(biāo)系。

光電載荷坐標(biāo)系：原點(diǎn)位于攝像機(jī)光軸與攝像機(jī)鏡頭平面的交點(diǎn)，X軸定義為指向目標(biāo)物體時(shí)攝像機(jī)光軸的方向，當(dāng)X軸處于水平方向時(shí)，Z軸指向天頂方向，Y軸與Z軸和X軸共同組成右手坐標(biāo)系。

1.2大地坐標(biāo)系與大地直角坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換

由于無(wú)人平臺(tái)利用GPS獲得的是經(jīng)緯度和高程信息，因此，需要通過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換到大地直角坐標(biāo)系下，大地坐標(biāo)系（B，L，H）和大地直角坐標(biāo)系（X，Y，Z）間的轉(zhuǎn)換公式為：，N為該點(diǎn)的卯酉圈曲率半徑；e2=(a2-b2)/a2，a、b、e分別為該大地坐標(biāo)系對(duì)應(yīng)參考橢球的長(zhǎng)半軸、短半軸和第一偏心率。

1.3基于連續(xù)圖像的距離測(cè)量

如圖1所示，無(wú)人平臺(tái)光電載荷連續(xù)兩幅圖像移動(dòng)的位移為T(mén)，距離P點(diǎn)分別為R1、R2，P點(diǎn)在圖像上距離光電載荷光軸的距離分別為Χ1、Χ2，光軸與水平方向夾角為γ，設(shè)經(jīng)過(guò)識(shí)別算法得到目標(biāo)在圖像中的像素位置坐標(biāo)為（u，v）（以圖像中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，u為列坐標(biāo)，v為行坐標(biāo)），則有：

式中：

根據(jù)圖2，得到以下幾何關(guān)系：

圖1　連續(xù)圖像載荷與目標(biāo)的位置關(guān)系

圖2　連續(xù)圖像中目標(biāo)的成像

可以得到關(guān)于Z1、Z2的方程如下：

由此可得，目標(biāo)距離光電載荷的距離R1、R2如下：

1.4目標(biāo)在光電載荷坐標(biāo)系下的坐標(biāo)

光電載荷坐標(biāo)系下的目標(biāo)位置關(guān)系如圖3所示。設(shè)經(jīng)過(guò)識(shí)別算法得到目標(biāo)在圖像中的像素位置坐標(biāo)為（u，v）（以圖像中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，u為列坐標(biāo)，v為行坐標(biāo)），攝像機(jī)焦距為f（um），像元尺寸為s（um），則可計(jì)算出目標(biāo)偏離攝像機(jī)光軸的角度（光電載荷坐標(biāo)系下）分別為：

其中，Φimage為方位角，φimage為俯仰角。根據(jù)光電載荷的俯仰角和方位角，得到目標(biāo)在無(wú)人平臺(tái)坐標(biāo)系下的方位和俯仰角分別為：

其中，φuav、Φuav為光電載荷觀測(cè)圖像上某點(diǎn)時(shí)的俯仰角和方位角；φplatform、Φplatform為光電載荷本身的俯仰角和方位角。

采用齊次坐標(biāo)表示目標(biāo)的三維坐標(biāo)，其優(yōu)點(diǎn)是方便描述各坐標(biāo)間的變換關(guān)系。目標(biāo)在三維空間的坐標(biāo)為A=[a b c]T，則其齊次坐標(biāo)可以用A=[a b c 1]T來(lái)表示。

光電載荷和目標(biāo)間的距離為R，根據(jù)光電載荷坐標(biāo)系的定義，則目標(biāo)在光電載荷坐標(biāo)系下的坐標(biāo)A1=[x1y1z11]T為：

圖3　載荷坐標(biāo)系下目標(biāo)位置關(guān)系

1.5目標(biāo)在無(wú)人平臺(tái)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)

已知無(wú)人平臺(tái)的三軸姿態(tài)角（偏航角α，俯仰角β，橫滾角θ），進(jìn)行姿態(tài)校正后，目標(biāo)在無(wú)人平臺(tái)坐標(biāo)系的齊次坐標(biāo)為：

其中：

1.6目標(biāo)在大地直角坐標(biāo)系下的坐標(biāo)

設(shè)根據(jù)公式轉(zhuǎn)換（1）轉(zhuǎn)換后得到無(wú)人平臺(tái)在大地直角坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為Auav=[xuavyuavzuav0]T，則可以計(jì)算出目標(biāo)在大地直角坐標(biāo)系下的位置坐標(biāo)為：

其中：

其中，L0、B0和H0為無(wú)人平臺(tái)GPS經(jīng)度、維度和高程。綜合以上公式得：

然后根據(jù)式（2）轉(zhuǎn)換為大地坐標(biāo)系，可估算得到目標(biāo)的經(jīng)緯度信息。

2　誤差分析

由前面計(jì)算公式可知，目標(biāo)在大地坐標(biāo)系下的大地經(jīng)度（L）、大地維度（B）和大地高（H）是參數(shù)（R、α、β、θ、ψplatform、φplatform、L0、B0、H0）的函數(shù)，而R是（u、v、f、T、γ）的函數(shù)，也就是說(shuō)光電載荷對(duì)目標(biāo)的定位誤差取決于（α、β、θ、ψplatform、φplatform、L0、B0、H0、u、v、f、T、γ）各量的測(cè)量誤差。

2.1相關(guān)參數(shù)誤差的影響

圖4、圖5和圖6分別給出了在其它誤差因素不變的情況下，目標(biāo)的定位精度隨載機(jī)的姿態(tài)（偏航、俯仰和橫滾角）誤差帶來(lái)的目標(biāo)定位誤差的變化情況。

圖4　載機(jī)偏航角誤差帶來(lái)的定位誤差

圖5　載機(jī)俯仰角誤差帶來(lái)的定位誤差

圖6　載機(jī)的橫滾角誤差帶來(lái)的定位誤差

圖7、圖8和圖9分別給出了在其它誤差項(xiàng)目不變的情況下，載荷的方位角、俯仰角和到目標(biāo)距離誤差帶來(lái)的目標(biāo)定位誤差變化情況。

一般情況下，載機(jī)姿態(tài)誤差在0.5°以下，載荷姿態(tài)誤差一般在0.05°以下，由圖4～圖8可知，載機(jī)姿態(tài)誤差帶來(lái)的目標(biāo)定位誤差要遠(yuǎn)大于載荷誤差帶來(lái)的目標(biāo)定位誤差。

圖7　載荷方位角誤差帶來(lái)的定位誤差

圖8　載荷俯仰角誤差帶來(lái)的定位誤差

目標(biāo)距離誤差R是（u、v、f、T、γ）的函數(shù)，一般情況下，光電載荷成像參數(shù)誤差引入的目標(biāo)距離誤差不大于50m，由圖上分析可知，到目標(biāo)距離的誤差造成的定位誤差要小于載機(jī)姿態(tài)誤差造成的目標(biāo)定位精度。

圖9　目標(biāo)距離誤差帶來(lái)的定位誤差

2.2 減小誤差的方法

由上述分析可知，通過(guò)提高連續(xù)圖像的測(cè)距精度、提高光電載荷平臺(tái)測(cè)角精度、使用高精度無(wú)人平臺(tái)姿態(tài)測(cè)量設(shè)備和GPS等措施，可以減小光電載荷平臺(tái)目標(biāo)定位誤差。提高無(wú)人平臺(tái)姿態(tài)測(cè)量精度在減小目標(biāo)定位精度方面能夠起到較大作用，但在實(shí)際應(yīng)用中，高精度無(wú)人平臺(tái)姿態(tài)測(cè)量設(shè)備價(jià)格高昂，所以，需要結(jié)合實(shí)際需求指標(biāo)進(jìn)行系統(tǒng)考慮。但是，僅從技術(shù)上考慮，進(jìn)一步提高光電載荷平臺(tái)定位精度是非常有效的。另一方面，要向提高連續(xù)圖像的測(cè)距精度，可采用連續(xù)求解多幀圖像數(shù)據(jù)后均值的方法減少誤差，在實(shí)際應(yīng)用中可通過(guò)軟件自動(dòng)連續(xù)求解。

3　結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了一種基于連續(xù)圖像的無(wú)人平臺(tái)載荷目標(biāo)定位的原理和算法，該算法通過(guò)目標(biāo)在多幀圖像中位置的幾何關(guān)系，求解無(wú)人平臺(tái)到目標(biāo)的距離，通過(guò)多個(gè)坐標(biāo)的變化，推導(dǎo)出了目標(biāo)的定位方程，最終獲得了目標(biāo)的地理坐標(biāo)。通過(guò)對(duì)相關(guān)參數(shù)的誤差分析和MATLAB仿真，獲得了影響目標(biāo)定位誤差的分析和減小誤差的方法。

文章編號(hào)：1009-8119（2016）03（1）-0061-04