基于連續圖像的無人平臺載荷目標定位算法研究

劉俊濤　代長勇　嚴晞雋（北京宇航系統工程研究所，北京 100076）

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基于連續圖像的無人平臺載荷目標定位算法研究

劉俊濤代長勇嚴晞雋
（北京宇航系統工程研究所，北京 100076）

摘要介紹了基于連續圖像的無人平臺載荷目標定位的原理和算法，給出了定位過程中不同坐標系下目標的位置和坐標轉換的過程，并在此基礎上對影響目標定位誤差的因素進行了分析。

關鍵詞連續圖像，無人平臺載荷，目標定位

引 言

無人平臺由于具有體積小、重量輕、機動靈活、隱蔽性強、不會造成人員傷亡等優點，在現代戰爭中發揮著愈來愈重要的作用。同時，無人平臺也可以應用在應急搜救、災情監測、治安監控、地質勘察、資源勘探、海岸緝私和電力巡線等領域，在軍用和民用領域均具有非常廣闊的應用前景。而在上述相關應用中，基于無人平臺光電載荷的目標定位是成功應用的關鍵。目前常用的基于無人平臺光電載荷定位方法通常依賴于激光載荷對目標的測距數據，但在很多應用場景下，無法對光電載荷圖像中所有目標點的距離進行激光測距。本文提出了一種基于連續圖像的無人平臺載荷目標定位的算法，可在沒有激光測距數據支持的情況下，進行目標的實時定位，大幅拓展了無人平臺的應用空間。

1　目標定位算法

1.1坐標系的定義

應用無人平臺光電載荷進行目標定位，主要涉及大地坐標系、大地直角坐標系、無人平臺坐標系，以及光電載荷坐標系等坐標系間的轉換。

大地坐標系：即WGS-84世界大地坐標系。其坐標原點是地球質心，Z軸指向BIH1984.0定義的協議地級（CTP）方向，X軸指向BIH1984.0定義的零度子午面和CTP赤道的交點，Y軸和Z軸、X軸構成右手坐標系。

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

無人平臺坐標系：為北東地（NED）坐標系，將無人平臺看作質點，無人平臺位置（B，L，H）為地理坐標系的原點，X軸指向正北方向，Z軸為無人平臺到地平面的垂線，Y軸與Z軸和X軸組合起來構成的右手坐標系，稱為地理坐標系。

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

1.2大地坐標系與大地直角坐標系的轉換

由于無人平臺利用GPS獲得的是經緯度和高程信息，因此，需要通過坐標轉換轉換到大地直角坐標系下，大地坐標系（B，L，H）和大地直角坐標系（X，Y，Z）間的轉換公式為：，N為該點的卯酉圈曲率半徑；e2=(a2-b2)/a2，a、b、e分別為該大地坐標系對應參考橢球的長半軸、短半軸和第一偏心率。

1.3基于連續圖像的距離測量

如圖1所示，無人平臺光電載荷連續兩幅圖像移動的位移為T，距離P點分別為R1、R2，P點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，設經過識別算法得到目標在圖像中的像素位置坐標為（u，v）（以圖像中心為坐標原點，u為列坐標，v為行坐標），則有：

式中：

根據圖2，得到以下幾何關系：

圖1　連續圖像載荷與目標的位置關系

圖2　連續圖像中目標的成像

可以得到關于Z1、Z2的方程如下：

由此可得，目標距離光電載荷的距離R1、R2如下：

1.4目標在光電載荷坐標系下的坐標

光電載荷坐標系下的目標位置關系如圖3所示。設經過識別算法得到目標在圖像中的像素位置坐標為（u，v）（以圖像中心為坐標原點，u為列坐標，v為行坐標），攝像機焦距為f（um），像元尺寸為s（um），則可計算出目標偏離攝像機光軸的角度（光電載荷坐標系下）分別為：

其中，Φimage為方位角，φimage為俯仰角。根據光電載荷的俯仰角和方位角，得到目標在無人平臺坐標系下的方位和俯仰角分別為：

其中，φuav、Φuav為光電載荷觀測圖像上某點時的俯仰角和方位角；φplatform、Φplatform為光電載荷本身的俯仰角和方位角。

采用齊次坐標表示目標的三維坐標，其優點是方便描述各坐標間的變換關系。目標在三維空間的坐標為A=[a b c]T，則其齊次坐標可以用A=[a b c 1]T來表示。

光電載荷和目標間的距離為R，根據光電載荷坐標系的定義，則目標在光電載荷坐標系下的坐標A1=[x1y1z11]T為：

圖3　載荷坐標系下目標位置關系

1.5目標在無人平臺坐標系下的坐標

已知無人平臺的三軸姿態角（偏航角α，俯仰角β，橫滾角θ），進行姿態校正后，目標在無人平臺坐標系的齊次坐標為：

其中：

1.6目標在大地直角坐標系下的坐標

設根據公式轉換（1）轉換后得到無人平臺在大地直角坐標系下的坐標為Auav=[xuavyuavzuav0]T，則可以計算出目標在大地直角坐標系下的位置坐標為：

其中：

其中，L0、B0和H0為無人平臺GPS經度、維度和高程。綜合以上公式得：

然后根據式（2）轉換為大地坐標系，可估算得到目標的經緯度信息。

2　誤差分析

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

2.1相關參數誤差的影響

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，目標的定位精度隨載機的姿態（偏航、俯仰和橫滾角）誤差帶來的目標定位誤差的變化情況。

圖4　載機偏航角誤差帶來的定位誤差

圖5　載機俯仰角誤差帶來的定位誤差

圖6　載機的橫滾角誤差帶來的定位誤差

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

一般情況下，載機姿態誤差在0.5°以下，載荷姿態誤差一般在0.05°以下，由圖4～圖8可知，載機姿態誤差帶來的目標定位誤差要遠大于載荷誤差帶來的目標定位誤差。

圖7　載荷方位角誤差帶來的定位誤差

圖8　載荷俯仰角誤差帶來的定位誤差

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

圖9　目標距離誤差帶來的定位誤差

2.2 減小誤差的方法

由上述分析可知，通過提高連續圖像的測距精度、提高光電載荷平臺測角精度、使用高精度無人平臺姿態測量設備和GPS等措施，可以減小光電載荷平臺目標定位誤差。提高無人平臺姿態測量精度在減小目標定位精度方面能夠起到較大作用，但在實際應用中，高精度無人平臺姿態測量設備價格高昂，所以，需要結合實際需求指標進行系統考慮。但是，僅從技術上考慮，進一步提高光電載荷平臺定位精度是非常有效的。另一方面，要向提高連續圖像的測距精度，可采用連續求解多幀圖像數據后均值的方法減少誤差，在實際應用中可通過軟件自動連續求解。

3　結束語

本文介紹了一種基于連續圖像的無人平臺載荷目標定位的原理和算法，該算法通過目標在多幀圖像中位置的幾何關系，求解無人平臺到目標的距離，通過多個坐標的變化，推導出了目標的定位方程，最終獲得了目標的地理坐標。通過對相關參數的誤差分析和MATLAB仿真，獲得了影響目標定位誤差的分析和減小誤差的方法。

文章編號：1009-8119（2016）03（1）-0061-04