基于激光测距的机载光电成像系统目标定位
基于激光测距的机载光电成像系统目标定位
作者:张赫;乔川;匡海鹏;
1引言
为满足军事侦察及科学测绘提出的要求,目前航空相机除了要进行高分辨率成像外,还要对目标进行高精度定位。为提高机载光电成像系统的目标定位精度,国内外学者对目标定位算法进行了大量研究。目前,大部分目标定位算法都是基于目标指向矢量测量,需要准确测量机载光电平台姿态和成像系统的框架。搭建了机载光电成像测量平台,通过机载光电设备对目标指向矢量在光电设备坐标系、载机坐标系、地理坐标系及地球坐标系下的齐次坐标变换实现对目标的定位,并给出了目标定位方程及定位误差方程。提出了一种基于多因素分析的机载光电设备目标定位误差模型与分析方法。提 出 WGS-84坐标系定义的椭球模型对地面目标进行定位,并分析了目标大地高程误差对定位精度的影响。激光测距仪基于数字高程模型对地面目标进行定位,以降低目标大地高程误差对定位精度的影响。
上述定位方法都需要准确地获取成像系统的视轴指向。对于小型机载光电平台,常见的机载组合导航系统受限于体积无法安装。为了减小载机振动对光电成像系统的影响,一般光电系统与载机之间通过减震器连接。因此,光电平台的安装角误差和减震器都会造成光电平台与载机姿态不一致。若利用载机姿态代替光电平台姿态,就会在计算视轴指向时产生巨大误差。根据文献中的分析,成像距离为10km 时,若视轴指向误差为1°,则会造成超过170 m 的定位误差;若目标区域有明显的地形起伏,定位误差将超过300 m。而对于激光测距系统,在成像距离为10km 时,其测量误差小于10 m。
本文提出了一种基于激光测距设备的直接对地目标定位算法。利用机载光电侦察平台锁定跟 踪目标的特性,多次测量同一目标,利用激光测距 装置获取目标与载机间的距离信息。根据 WGS- 84定义的地球椭球模型建立系统的测量方程。考虑到测量方程的非线性,利用扩展卡尔曼滤波 对目标位置进行估计。 该定位方法精度只受GPS接收机定位精度和激光测距机测量精度的影响,目标定位误差与机载光电侦察设备的视轴 指向测量无关。采用蒙特卡洛法仿真分析载机位 置及激光测距系统的测量误差对定位精度的影 响。并采用飞行试验数据验证了该目标定位算法 的有效性。该方法不需要准确的光电平台姿态信 息即可实现高精度的目标定位,同时对待测区域 地形没有特殊要求,适用于小型机载光电平台。
2目标定位算法
目标定位即为获取拍摄图像中目标区域的地理位置信息,以便对目标区域进行有效的评估与分析。
2.1 WGS-84地球椭球模型
WGS-84是为 GPS全球定位系统使用而建立的地球椭球坐标系统,如图1所示。
2.2 系统状态方程与测量方程
设机载光电成像系统对目标进行多次测量,
选取目标的地理位置信息作为系统的状态变量。
2.3 扩展卡尔曼滤波算法
根据式(4)建立的系统状态方程和测量方程,目标定位问题演变为多次观察求最优估计值的问题。由于目标是静止的,所以系统状态方程是线性的,但系统的测量方程是非线性的,为此这里采用扩展卡尔曼滤波估计目标的地理位置3目标定位误差分析。
3.1 目标定位算法模拟仿真
目标 位 于 (45.000000°N,125.000000°E, 1850.00 m),载机在 8000 m 高度围绕目标飞行,载机飞行轨迹如图3 所示。在飞行过程中均匀地选取180 个点作为测量点,每个测量点利用机载光电成像系统对目标进行成像,并利用激光测距设备测量目标与光电成像系统之间的距离成像距离约为9200 m。
3.2 目标初始位置对定位精度的影响
本文采用蒙特卡罗法对目标定位精度进行分析。对目标定位进行 N 次模拟仿真,若第i 次的定位误差为εi,则认为最终的定位误差为:
Nε=εi.i=1设定机载光电系统的位置测量误差和激光测距系统的测量误差同上,取 N=1000 分析不同初始位置估计对目标精度的影响,结果如图5所示。仿真结果显示,120~360 m 的初始估计位 置 误 差 对 最 终 的 目 标 定 位 精 度 基 本 没 有影响。
3.3 机载光电侦察系统测量精度分析
该目标方法精度只受 GPS 接收机定位精度和激光测距机测量精度的影响,目标定位误差与机载光电侦察设备的视轴指向测量无关。GPS接收机的定位精度只与选用的 GPS 定位系统有关;而机载侦察系统与目标间的距离测量精度除了与激光测距机本身有关外,还与其他因素有关。跟踪过程中目标偏离市场中心,以及装调过程中成像系统光轴与激光测距系统光轴不平行都会影响距离测量精度。若机载侦察系统的成像距离为10km,此时成像系统的地面像元分辨率为0.2 m。在不同成像角度下,目标偏离视场中心不同像素对距离测量精度的影响如图6所示。在机载侦察系统的成像距离为10km 时,不同成像角度下,由成像系统光轴与激光测距系统光轴不平行导致的距离测量误差如图7所示。通过分析可以看出,机载光电系统的位置测量误差和激光测距测量误差都会影响定位精度, 使得目标位置估计的收敛速度降低,但目标的定位精度始终优于6 m。
仿真实验表明,该目标定位算法对目标初值估计不敏感,在存在测量误差时依旧具有很好的目标定位精度。
4飞行试验验证
机载光电成像系统如图9所示。该系统具有良好的目标跟踪能力,可将目标锁定在拍摄靶面中心。载机的飞行高度约为8000 m,飞行轨迹如图10 所示,图中 W1和 W2分别为载机飞行的统对目标进行实时跟踪,并利用激光测距系统测起点和终点。在飞行过程中利用机载光电成像系统对目标进行实时跟踪,并利用激光测距系统测起点和终点。在飞行过程中利用机载光电成像系量该系统与目标之间的距离信息。
5结论
本文提出了一种基于激光测距的目标定位方法。利用机载光电侦察平台锁定跟踪目标的特性,多次测量同一目标,采用激光测距装置获取目标与载机间的距离信息。根据 WGS-84 定义的地球椭球模型建立系统的测量方程。该定位方法精度只受到 GPS 接收机定位精度和激光测距机测量精度的影响,目标定位误差与机载光电侦察设备的视轴指向测量无关,能够消除载机姿态测量误差对目标定位的影响,提高小型机载光电成像系统的定位精度。
在模拟仿真试验中,载机飞行高度为8000 m,机载光电成像系统的位置测量误差为25 m,激光测距系统的测量误差为10 m,目标的定位精度可达到2.19 m。在实际飞行试验中,载机飞行高度也是8000 m,目标的定位精度达到6.12 m。
相比于传统的目标定位算法,该方法的目标定位精度更高,而且不需要精确地测量机载光电成像系统的姿态和视轴指向,适用范围更广,具有较大的实际应用价值。
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