提高航空光电平台目标定位精度的研究

doi:4131AA396F56A344DC6CF1D6D9EF8593

	提高航空光电平台目标定位精度的研究
	刘成龙
学位类型	博士
导师	刘晶红
	2019-06-01
学位授予单位	中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)
学位授予地点	中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)
关键词	目标定位坐标转换角度误差图像匹配几何约束
摘要	现代战争中,实时信息的作用十分关键。例如,在近几年的几场局部战争中,多种航空、航天平台,为美军的精确打击提供了指引。无人机作为卫星等天基平台的有效补充,对战场实时侦察,有效解决了天基侦察实时性差的问题,能够提供准确的目标实时信息,对战局起到了关键作用。当前在无人机的应用中,敌情侦察、目标定位等辅助性功能依旧是其主要用途。对目标进行实时的精确定位是其核心使命之一。航空光电平台是无人机挂载的重要任务载荷,它集成了各种高精度传感器,在航空成像侦察及测量定位方面发挥着重要作用,也是完成目标定位的主要分系统之一。由于空中环境复杂,航空平台的目标测量与定位过程易受到载机振动、姿态角变化、电磁干扰和大气扰动等因素的影响,要对目标实现精确的定位难度很大。因此,为了减小定位误差,需要探索影响精度的因素,并研究对应的改进方法或提出新的更为合适的机载目标定位方法,这是航空成像与测量技术领域非常重要的一个方向。为了提高航空光电平台的目标定位精度,本文首先通过系统的研究,对航空光电测量技术发展现状进行分析,总结出当前在航空侦察中目标定位过程的主要环节及其精度对定位误差的影响程度,对现有方法进行了归纳总结并建立了定位过程中的坐标转换模型。据此分析,目标相对于地理坐标系的合成指向角精度对最终的定位结果影响较大,这为工程应用中如何提高精度提供了理论指导。进一步调查与研究发现,现有通用坐标转换过程中,大部分研究工作对光电平台坐标系到载机坐标系之间的对准误差角的重视程度不够。该误差的实质是由于光电平台与飞机通过减振器柔性连接造成的动态的相对角位移,该角度的动态变化造成定位精度具有一定的不确定性。本文提出了一种基于图像匹配的方法以动态测量光电平台与载机之间的相对位移量,进而转化为角位移量,实现了对传统定位模型的完善和细化,可以有效提高定位精度。目前针对传统定位方法的研究相对成熟,若要通过提升定位过程中测量值的精度以达到提高定位精度的效果,势必大大提高系统的硬件成本。因此,研究一种新的定位模型,在控制成本和体积的前提下,规避对测量精度的要求势在必行。传统定位模型是一个单向的转换过程,误差会逐渐累积,对最终结果造成较大影响。所以,本文从定位过程中当下精度已达到较高水准的距离条件着手,采用新的定位模型与计算方法,达到提高定位精度的目的。该方法先采用传统方法,根据误差量级划定一个目标位置的范围,然后将距离测量值作为约束条件,结合已公开的数字高程信息,可以将目标可能的位置分布约束在圆弧附近。最后使用载机在任意两个位置测得的数据,即可通过圆弧的交点确定目标更为精确的位置。传统的单点定位方法主要存在两方面的问题:一方面受限于参数的准确度而导致定位精度有限;另一方面对目标定位的范围受到测距机的距离限制而无法进行远程高精度定位。国防领域对目标定位的精度要求较高的同时,要求航空平台能够实现轻型化、小型化的设计,因而研究一种不依赖于测量精度并且能够取消测距机的定位方法成为一个重要的研究方向。本文引入了目标指向角度与地图或其他侦察系统获取的图像进行匹配相结合的思想,提出一种切实可行的与地图数据库进行自动匹配以完成目标定位的方法。首先,根据载机的位置和航空光电平台的指向,确定视轴的空间方程,从而结合误差范围,求出一个较为保守的目标可能分布区域;然后,对侦察图像进行校正、拼接等预处理,以收容更多的地面特征,提高配准的成功率;再根据焦距、高度等信息计算图像的地面覆盖范围,截取出合适的拍摄图像;最后与目标所在地区详尽的数据库图像进行逐个配准,选取匹配程度最高的数据库图像,完成对目标的定位和解算。采用的图像匹配方法,基于结构特征,可以摆脱对成像系统的种类限制,例如将红外图像与可见光波段的数字卫星地图进行匹配等。这种基于地图数据库匹配的方法,不仅定位精度比传统的坐标转换法显著提高,而且不依赖激光测距机,很大程度上促进了航空平台的轻型化。综上所述,论文结合工程中航空光电平台的实际设计与使用经验,在现有定位方法的基础上,提出了一种提升现有坐标转换定位模型精度的方法、一种基于距离约束模型的反馈式定位方法以及一种基于地图匹配的定位方法。这些方法均能有效提高目标定位精度,且可以针对不同应用场景进行组合使用,对机载光电测量领域的发展具有重要意义。
页数	126
DOI	4131AA396F56A344DC6CF1D6D9EF8593
语种	中文
引用统计
文献类型	学位论文
条目标识符	http://ir.ciomp.ac.cn/handle/181722/63881
专题	中科院长春光机所知识产出
推荐引用方式 GB/T 7714	刘成龙. 提高航空光电平台目标定位精度的研究[D]. 中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所). 中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所),2019.

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