一种基于位姿信息测量的海天线定位方法技术

本发明专利技术涉及一种基于位姿信息测量的海天线定位方法，利用GPS/INS组合导航系统及双轴云台测量信息解算相机姿态及海拔高度，进而计算出海面图像中海天线的位置，并利用Rüeger公式对大气折射效应造成的海天线定位误差进行修正。本发明专利技术定位精度高，并且不涉及图像处理过程，对气象、水文条件变化具有抗干扰能力。

A positioning method of sea antenna based on position and attitude information measurement

【技术实现步骤摘要】
一种基于位姿信息测量的海天线定位方法
本专利技术涉及一种海洋背景图像标定
，具体地说是一种基于位姿信息测量的海天线定位方法。
技术介绍
在海洋监控、海洋资源调研等应用场合，经常要利用飞机搭载相机在空中对海面进行拍摄操作，所得图像中常包含海面与天空。如果能够快速、准确的定位海面与天空的分界位置(即海天线)，则有助于对海面图像进行后续的分析、处理。现有的海天线定位方法基于各种图像处理技术，在获取的海面图像中计算、定位海天线。此类方法的问题是图像中经常包含云雾、船只、海水分层、鱼鳞光等多种场景，一些极端情况下甚至无法在图像中观察到海天线，造成海天线定位结果误差大，可信度低。
技术实现思路
针对现有方法存在的问题，本专利技术的目的在于提供一种准确、鲁棒的海天线定位方法。本专利技术为实现上述目的所采用的技术方案是：一种基于位姿信息测量的海天线定位方法，包括以下步骤：步骤1：利用GPS/INS组合导航系统及双轴云台获得相机的海拔高度并解算出相机的姿态；步骤2：计算海面图像中海天线的位置；步骤3：对大气折射效应造成的海天线定位误差进行修正。所述的利用GPS/INS组合导航系统及双轴云台测量值解算相机姿态基于公式P＝R4R3R2R1P'，其中可得：相机俯仰角相机横滚角其中by＝cos(y_angle)sin(d_roll_angle)，x_angle为双轴云台方位角，y_angle为双轴云台俯仰角，d_down_angle为GPS/INS系统俯仰角，d_roll_angle为GPS/INS系统横滚角。所述计算海面图像中海天线的位置：其中，P″为海天线上点坐标，(x″0,y″0)为光轴与像平面交点在O″X″Y″坐标系下坐标，β＝down_angle+alpha_angle，height为相机海拔高度，Re为地球半径，hor为相机水平视场角，ver为相机竖直视场角，im_width为相机图像宽度，im_height为相机图像高度，down_angle为相机光轴俯仰角，roll_angle为相机光轴横滚角。对大气折射效应造成的海天线定位误差进行修正为：采用Rüeger公式估计大气折射率，确定大气折射曲率半径，并将alpha_angle修正为其中Rr为大气折射曲率半径。所述大气折射率为：其中，n为大气折射率，λ为光学波长，p为大气压强，T为环境温度，e为水汽压。由此可得h为海拔高度，进而有大气折射曲率半径为本专利技术具有以下有益效果及优点：本专利技术提出一种基于位姿信息测量的海天线定位方法，能够在海面图像中定位海天线，该方法对海天线的定位精度高，可信性大，且不受气象、水文条件变化影响。附图说明图1是本专利技术的方法流程图；图2是本专利技术的大地坐标系示意图；图3是本专利技术的图像坐标系示意图；图4是本专利技术的地球近似球体示意图；图5是本专利技术的海天线检测结果示意图。具体实施方式下面结合附图及实施例对本专利技术做进一步的详细说明。如图1所示为本专利技术的方法流程图。本专利技术提出一种基于位姿信息测量的海天线定位方法，用于在海面图像中定位海天线。该方法需要用到GPS/INS组合导航系统和双轴云台，并将GPS/INS组合导航系统、相机分别与双轴云台固连，并保证GPS/INS组合导航系统坐标系、相机光学坐标系与双轴云台坐标系平行。如图2所示为本专利技术的大地坐标系示意图。定义大地坐标系OXYZ，O为GPS/INS系统所在点，X轴为GPS/INS系统方向轴，向上为正，Y轴为俯仰轴，Z轴为横滚轴，Y轴与Z轴在水平面内，Z轴与GPS/INS系统中心线在竖直面内，与相机指向成锐角，OXYZ为右手坐标系。OXYZ通过先后旋转俯仰轴与横滚轴可得到相机坐标系O'X'Y'Z'。如图3所示为本专利技术的图像坐标系示意图。定义图像坐标系O″X″Y″，O″为图像左上角，X″轴为图像水平轴，向右为正，Y″轴为图像竖直轴，向下为正。定义hor为相机水平视场角，ver为相机竖直视场角，im_width为图像宽度，im_height为图像高度，down_angle为相机光轴俯仰角，向上观察为正，roll_angle为相机光轴横滚角，向前观察顺时针选转为正。1.利用GPS/INS组合导航系统及双轴云台解算相机姿态：首先确定4个相关的旋转矩阵：双轴云台方位轴旋转矩阵双轴云台俯仰轴旋转矩阵GPS/INS系统横滚轴旋转矩阵GPS/INS系统俯仰轴旋转矩阵其中x_angle为双轴云台方位角，y_angle为双轴云台俯仰角，d_roll_angle为GPS/INS系统横滚角，d_down_angle为GPS/INS系统俯仰角。相机坐标系下某点坐标P'与GPS/INS系统坐标系下该点坐标P对应关系为P＝R4R3R2R1P'。令P′1＝[100]T，P′2＝[001]T，则相机俯仰角down_angle为与X轴夹角，相机横滚角roll_angle为与X轴、所在平面夹角，即by＝cos(y_angle)sin(d_roll_angle)，2.计算海面图像中海天线位置：如果将地球视为球体，则海天线可视为相机所在点到大地球体切线圆上的一段圆弧。因为地球直径很大，所以该段圆弧可近似为直线段，如图4所示。相机俯仰轴旋转矩阵为相机横滚轴旋转矩阵为海天线上某点在OXYZ坐标系下坐标为P，该点在O'X'Y'Z'坐标系下为P'，在O″X″Y″坐标系下为P″。有P＝[-lsin(alpha_angle)tlcos(alpha_angle)]T，其中alpha_angle为GPS/INS系统所在点与上述切线圆组成圆锥的底角，l为GPS/INS系统到切线圆上一点的距离，t为自变量。其中height为相机海拔高度，Re为地球半径，Re可取地球半径平均值6371km。根据坐标系变换关系有P'＝BAP，其中β＝down_angle+alpha_angle，(x″0,y″0)为光轴与像平面交点在O″X″Y″坐标系下坐标。解得当t＝0时有可以得到O″X″Y″坐标系中海天线直线方程为：由此可以在海面图像中定位海天线。3.对大气折射效应造成的海天线定位误差进行修正：海面图像中海天线位置对入射光线角度较敏感，需要考虑不同海拔高度下大气折射率的变化，对光线折射偏角进行修正，本专利技术采用Rüeger公式估计大气折射率：其中n为大气折射率，λ为光学波长，p为大气压强，T为环境温度，e为水汽压。由此可得在标准大气条件下有其中h为海拔高度，大气折射曲率半径为根据余弦定理可将alpha_angle修正为4.实施例实施例1.海天线定位结果为了说明本专利技术方法的有效性，利用该方法进行了实地试验，使用的相机视场角为6.1°×4.88°，相机输出图像为320×256，成像海拔高度为10m与2800m。如图5所示为本专利技术的海天线检测结果示意图。其中(c)为未对大气折射效应进行修正的检测结果，(a)、(b)、(d)为进行了修正的检测结果。其中白色线段为定位的海天线。(a)、(b)海拔高度为10m，(c)、(d)为2800m，(c)中结果未对大气折射误差进行修正，定位结果与真实位置有一定误差，(d)中结果对大气折射误差进行了修正，定位结果准确。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于位姿信息测量的海天线定位方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1：利用GPS/INS组合导航系统及双轴云台获得相机的海拔高度并解算出相机的姿态；步骤2：计算海面图像中海天线的位置；步骤3：对大气折射效应造成的海天线定位误差进行修正。

【技术特征摘要】
1.一种基于位姿信息测量的海天线定位方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1：利用GPS/INS组合导航系统及双轴云台获得相机的海拔高度并解算出相机的姿态；步骤2：计算海面图像中海天线的位置；步骤3：对大气折射效应造成的海天线定位误差进行修正。2.根据权利要求1所述的基于位姿信息测量的海天线定位方法，其特征在于：所述的利用GPS/INS组合导航系统及双轴云台测量值解算相机姿态基于公式P＝R4R3R2R1P'，其中可得：相机俯仰角相机横滚角其中by＝cos(y_angle)sin(d_roll_angle)，x_angle为双轴云台方位角，y_angle为双轴云台俯仰角，d_down_angle为GPS/INS系统俯仰角，d_roll_angle为GPS/INS系统横滚角。3.根据权利要求1所述的基于位姿信息测量的海天线定位方法，其特征在于：所述计算海面图像中海天线的位置：其中，P”为海天线上点...

【专利技术属性】
技术研发人员：史泽林，刘云鹏，向伟，王喆鑫，孙健，田政，
申请(专利权)人：中国科学院沈阳自动化研究所，
类型：发明
国别省市：辽宁,21