一种飞行器观察区域坐标计算方法及系统技术方案

本发明专利技术涉及观测定位领域，特别是一种飞行器观察区域坐标计算方法及系统，其中计算方法包括以下步骤：获取地球高程数据，建立世界三维坐标集；根据飞行器的定位值、偏航角、滚转角和俯仰角，构建飞行器的世界姿态矩阵；根据世界姿态矩阵、转移矩阵、剪裁矩阵和世界三维坐标集，计算出飞行器的摄像机观察区域的三维坐标集；将飞行器的摄像机观察区域的三维坐标集转换为观察区域的经度值、纬度值和海拔值；剪裁矩阵通过所述飞行器的摄像机的视野角度值、画面宽度、以及画面高度构建；转移矩阵为四阶单位矩阵。本发明专利技术可以实现对摄像机观察区域进行多目标实时定位，并且本发明专利技术不依赖于任何测距设备可对目标定位，有效降低飞行器成本。

【技术实现步骤摘要】
一种飞行器观察区域坐标计算方法及系统
本专利技术涉及观测定位领域，特别是一种飞行器观察区域坐标计算方法及系统。
技术介绍
随着飞行器技术的快速发展,飞行器在各个领域的应用也逐渐增多。在一些领域，需要对飞行器观察区域坐标进行多目标实时计算，以满足国土、水文、林业规划或统计等需求。当前对飞行器观察区域坐标进行计算主要有方式有三类：方式一，通过观察飞行器经纬高和观察方向与测距装置进行测距的目标定位方法，其中经纬高为经度、纬度以及海拔，该方法需要飞行器配备较高精度激光测距仪，如不具备测距装置则无法实现目标定位。另外，受测距装置的限制，每次只能单点测距，故此方法不适用于多目标定位，不能同时对观察到的全部区域定位，不能满足多目标实时定位要求。方式二，通过多帧图像共同点的目标定位的方法，该方法不依赖于测距装置，但需要通过多角度观察，获得至少3帧图像和这些图像上至少6个以上的共同点信息来提高地面目标的三维定位精度。其基本工作过程是：装有GPS/INS(GlobalPositioningSystem/InertialNavigationSystem，全球定位系统/惯性导航系统)的侦查平台从目标区域上空飞过，得到一系列图像，并将GPS/INS数据和图像数据下传至地面控制站，在地面选取至少3帧非共线目标区域图像，并从中确定至少6个共同点，利用三维坐标计算模型求取目标和共同点的三维坐标。该方法定位由于需要满足三个非线性观察帧的条件，定位计算复杂效率比较低，所以不能满足多目标实时定位的要求，尤其是对于移动目标的定位需求。方式三，基于已知遥感数据进行图像匹配定位的方法，此方法不依赖已知遥感数据意外的任何信息，缺点也非常明显，已知遥感图像信息，随时间，季节的变化通常非常大，从而难以进行精确匹配而无法定位。此方式亦不能满足多目标实时定位需求。
技术实现思路
本专利技术的目的在于：针对现在对飞行器观察区域的坐标进行定位时，不能实现多目标实时定位的问题，提供一种飞行器观察区域坐标计算方法及系统。为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：一种飞行器观察区域坐标计算方法，包括以下步骤：S1:获取地球高程数据，建立世界三维坐标集；根据飞行器的定位值、偏航角、滚转角和俯仰角，构建所述飞行器的世界姿态矩阵；S2:根据剪裁矩阵、转移矩阵、所述世界姿态矩阵和所述世界三维坐标集，计算出飞行器的摄像机观察区域的三维坐标集；所述剪裁矩阵通过所述飞行器的摄像机的视野角度值、画面宽度、视锥体最近平面值、视锥体最远平面值以及画面高度构建；所述转移矩阵为四阶单位矩阵；S3:将所述飞行器的摄像机观察区域的三维坐标集转换为观察区域的经度值、纬度值和海拔值。优选的，根据飞行器的定位值、偏航角、滚转角和俯仰角，构建所述飞行器的世界姿态矩阵包括以下步骤：S11：将所述飞行器的定位值转化为飞行器三维坐标pos(x,y,z)；将向量(0,-1,0)叉乘三维坐标pos(x,y,z)，得到向量(Rx,Ry,Rz)；将向量(0,-1,0)点乘三维坐标pos(x,y,z)，并得到向量角度θ；S12：根据所述向量(Rx,Ry,Rz)和向量角度θ构建第二旋转矩阵Matrotate2；根据所述第二旋转矩阵Matrotate2、预设的移动矩阵Mattranslate和预设的第一旋转矩阵Matrotate1，构建转换矩阵Mattrans；根据所述偏航角、滚转角和俯仰角，构建局部姿态矩阵Matlocalview；S13：根据所述转换矩阵Mattrans和所述局部姿态矩阵Matlocalview得到世界姿态矩阵Matview。优选的，所述局部姿态矩阵Matlocalview为：其中，pitch为俯仰角，roll为滚转角，yaw为偏航角。优选的，所述第二旋转矩阵Matrotate2为：其中，Rx、Ry、Rz为向量(0,-1,0)叉乘三维坐标pos(x,y,z)得到的向量(Rx,Ry,Rz)三个维度的值，θ为向量(0,-1,0)点乘三维坐标pos(x,y,z)得到的向量角度。优选的，所述将所述飞行器的定位值转化为飞行器三维坐标pos(x,y,z)的公式为：x＝cos(lat/180)·sin(lon/180)·h/Ry＝-cos(lat/180)·cos(lon/180)·h/Rz＝sin(lat/180)·h/R其中，lon为经度，lat为纬度，h为海拔，R为地球半径，x、y、z分别为飞行器三维坐标在三维坐标系x轴、y轴、z轴上的坐标值。优选的，根据所述转换矩阵Mattrans和局部姿态矩阵Matlocalview得到世界姿态矩阵Matview的计算公式为：Matview＝(Mattrans·Matlocalview)-1。优选的，所述剪裁矩阵Matproj为：其中，width为画面宽度；height为画面高度；fov为视野角度值；f为视锥体最远平面值，n为视锥体最近平面值。优选的，所述计算出飞行器的摄像机观察区域的三维坐标集的计算公式为：Vclip(xc,yc,zc)＝Matproj·Matview·Matmodel·Vlocal(xl,yl,zl)其中，Vclip(xc,yc,zc)为观察区域的三维坐标集，Matview为世界姿态矩阵，Matmodel为转移矩阵，Matproj为剪裁矩阵，Vlocal(xl,yl,zl)为世界三维坐标集。优选的，所述将所述飞行器的摄像机观察区域的三维坐标集转换为观察区域的经度值、纬度值和海拔值的计算公式为：lat＝arcsin(zc/(h/R))·180lon＝arcsin(xc/(cos(lat)·(h/R)))·180其中，h为海拔，lon为经度，lat为纬度，(xc、yc、zc)分别为所述三维坐标所在的三维坐标系的x轴、y轴、z轴上的坐标值，R为地球半径。一种飞行器观察区域坐标计算系统，包括至少一个处理器，以及与所述至少一个处理器通信连接的存储器；所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行上述任一项所述的方法。综上所述，由于采用了上述技术方案，本专利技术的有益效果是：本专利技术通过构建世界姿态矩阵、剪裁矩阵以及转移矩阵，计算出飞行器的摄像机观察区域的三维坐标集，再将飞行器的摄像机观察区域的三维坐标集转化为经纬高，即实现了对摄像机观察区域进行多目标实时定位。现有技术在对目标进行定位需要依赖测距设备，而本专利技术不依赖于任何测距设备可对目标定位，有效降低飞行器成本。附图说明图1是本专利技术的所述的一种飞行器观察区域坐标计算方法流程图；图2是本专利技术构建的地球半径为常量R的地球模型图；图3是本专利技术结合高程数据构建的地球地形图；图4是本专利技术飞行器观本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种飞行器观察区域坐标计算方法，其特征在于，包括以下步骤：/nS1:获取地球高程数据，建立世界三维坐标集；/n根据飞行器的定位值、偏航角、滚转角和俯仰角，构建所述飞行器的世界姿态矩阵；/nS2:根据剪裁矩阵、转移矩阵、所述世界姿态矩阵和所述世界三维坐标集，计算出飞行器的摄像机观察区域的三维坐标集；所述剪裁矩阵通过所述飞行器的摄像机的视野角度值、画面宽度、视锥体最近平面值、视锥体最远平面值以及画面高度构建；所述转移矩阵为四阶单位矩阵；/nS3:将所述飞行器的摄像机观察区域的三维坐标集转换为观察区域的经度值、纬度值和海拔值。/n

【技术特征摘要】
1.一种飞行器观察区域坐标计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1:获取地球高程数据，建立世界三维坐标集；
根据飞行器的定位值、偏航角、滚转角和俯仰角，构建所述飞行器的世界姿态矩阵；
S2:根据剪裁矩阵、转移矩阵、所述世界姿态矩阵和所述世界三维坐标集，计算出飞行器的摄像机观察区域的三维坐标集；所述剪裁矩阵通过所述飞行器的摄像机的视野角度值、画面宽度、视锥体最近平面值、视锥体最远平面值以及画面高度构建；所述转移矩阵为四阶单位矩阵；
S3:将所述飞行器的摄像机观察区域的三维坐标集转换为观察区域的经度值、纬度值和海拔值。


2.根据权利要求1所述的一种飞行器观察区域坐标计算方法，其特征在于，根据飞行器的定位值、偏航角、滚转角和俯仰角，构建所述飞行器的世界姿态矩阵包括以下步骤：
S11：将所述飞行器的定位值转化为飞行器三维坐标pos(x,y,z)；
将向量(0,-1,0)叉乘三维坐标pos(x,y,z)，得到向量(Rx,Ry,Rz)；
将向量(0,-1,0)点乘三维坐标pos(x,y,z)，并得到向量角度θ；
S12：根据所述向量(Rx,Ry,Rz)和向量角度θ构建第二旋转矩阵Matrotate2；
根据所述第二旋转矩阵Matrotate2、预设的移动矩阵Mattranslate和预设的第一旋转矩阵Matrotate1，构建转换矩阵Mattrans；
根据所述偏航角、滚转角和俯仰角，构建局部姿态矩阵Matlocalview；
S13：根据所述转换矩阵Mattrans和所述局部姿态矩阵Matlocalview，得到世界姿态矩阵Matview。


3.根据权利要求2所述的一种飞行器观察区域坐标计算方法，其特征在于，所述局部姿态矩阵Matlocalview为：



其中，pitch为俯仰角，roll为滚转角，yaw为偏航角。


4.根据权利要求2所述的一种飞行器观察区域坐标计算方法，其特征在于，所述第二旋转矩阵Matrotate2为：



其中，Rx、Ry、Rz为向量(0,-1,0)叉乘三维坐标pos(x,y,z)得到的向量(Rx,Ry,Rz)三个维度的值，θ为向量(0,-1,0)点乘三维坐标pos(x,y,z)得到的向量角度。


5.根据权利要求2所述的一种飞行器观察区域坐标计算方法，其特征在于，所述将所述飞行器的定位值转化为飞行器三维坐标p...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐佳，张松，侯静，陈昌明，伍振华，江彦，唐太虎，杨宏伟，
申请(专利权)人：成都赫尔墨斯科技股份有限公司，成都紫瑞青云航空宇航技术有限公司，
类型：发明
国别省市：四川;51