手机相机辅助的多卫星导航系统选星方法及系统技术方案

本发明专利技术涉及一种手机相机辅助的多卫星导航系统选星方法，该方法的基本步骤如下：采用张正友棋盘格相机标定法实现对手机相机的标定；利用手机相机对周围环境进行多角度拍摄；基于手机的原始观测数据以及广播星历计算出其概略坐标以及可见卫星的坐标；根据单目相机模型计算出可见卫星投影于手机相机照片上所对应的像素坐标；利用OpenCV将计算得到的卫星像素坐标在手机照片图像中标识出来；根据图像筛选出非视距(Non

【技术实现步骤摘要】
手机相机辅助的多卫星导航系统选星方法及系统


[0001]本专利技术属于GNSS导航领域，特别涉及一种手机相机辅助的多卫星导航系统选星方法及系统。

技术介绍

[0002]全球卫星导航系统(Global navigation satellite system，GNSS)是利用卫星在全球范围内为用户提供实时定位服务的空基无线电导航定位系统，具有实时全天候、连续高精度等特点。目前，由美国的GPS、中国的BDS、欧盟的Galileo以及俄罗斯的GLONASS组成的四大全球卫星导航系统，在轨卫星数量超过100颗，导航信号频率达到十余个。这极大地改善了GNSS定位的卫星几何构型，增加了观测值冗余度，提升了GNSS定位的精度与可用性。如今，GNSS精密位置服务逐渐从专业领域的有限需求走向大众用户的广泛需求，以智能手机、无人机、自动驾驶汽车为代表的智能载体，构成了规模庞大的大众应用市场。内置GNSS模块、加速度计、陀螺仪、磁力计和相机等多种传感器的智能手机，正凭借其普遍性、便携性和成本低等优良特性，成为导航与位置服务(Location based services,LBS)的主流载体。这也对智能手机GNSS导航定位的精度、连续性和可靠性等方面，提出了更高的要求。
[0003]但是，受限于GNSS本身的脆弱性，其观测信号易被遮挡、干扰和欺骗，导致其定位性能下降明显。并且，智能手机GNSS模块一般采用全方向辐射的线性极化天线和低成本、低功耗的接收机芯片，在城市等复杂环境下使得其观测值更容易受到非直射信号影响，引起的多路径误差高达十几米，甚至上百米，使得手机GNSS定位的精度和可靠性显著变差。在以往的GNSS选星方法中，通常观测值残差、截止高度角和信噪比等指标，剔除受多路径影响的异常观测。然而，智能手机GNSS的多维粗差会导致观测值残差间的污染，异常观测与高度角的相关性较弱，非直射信号的信噪比数值又较高，这导致常规GNSS选星方法的应用受到了限制。因此，研究适用于智能手机GNSS非视距信号识别与剔除的选星方法，是提升真实城市环境下手机GNSS定位性能的关键问题。
[0004]针对上述问题，本专利技术给出了一种手机相机辅助的多卫星导航系统选星方法，利用手机自带的相机传感器，通过视觉定位技术，客观、准确地排除GNSS观测的NLOS信号，削弱多路径误差对手机GNSS定位的影响，为后续定位解算提供干净、可靠的观测值。

技术实现思路

[0005]本专利技术提供了一种手机相机辅助的多卫星导航系统选星方法，能够筛选出NLOS卫星，避免手机GNSS定位异常，有效提高手机的GNSS定位性能。为达到上述目的，本专利技术的方法总体结构如图1所示，技术方案如下所述：
[0006]手机相机辅助的多卫星导航系统选星方法，
[0007]采用张正友棋盘格相机标定法对手机相机进行标定；
[0008]利用手机相机对周围环境进行多角度拍摄，并基于手机的原始观测数据以及广播星历计算出其概略坐标以及可见卫星的坐标；
[0009]剔除不健康的卫星以及低于截止高度角的卫星，并且：
[0010]若剩余可见卫星数小于选星数目，则将剩余可见卫星作为选星结果；
[0011]否则，根据单目相机模型计算出可见卫星投影于手机相机照片上所对应的像素坐标，利用OpenCV将计算得到的卫星像素坐标在手机照片图像中标识出来，根据图像筛选出非视距(Non
‑
line of sight，NLOS)卫星，得到最终的选星结果。
[0012]在上述的手机相机辅助的多卫星导航系统选星方法，打印一张黑白间距已知的棋盘格，并固定在平面上。针对棋盘格拍摄10～20张图片，检测图片中的特征角点，根据角点的位置信息以及图像中的坐标，解算标定用的棋盘格平面到图像平面的单应性矩阵，利用解析解估算方法以及最大似然估计方法得到手机相机内参的最优解。
[0013]在上述的手机相机辅助的多卫星导航系统选星方法，设定选星时间间隔T，每隔时间T对周围环境进行多角度拍摄，同时记录手机的姿态角。基于手机原始观测数据以及多系统卫星广播星历，计算所有可见卫星以及手机在地心地固坐标系下的三维坐标。
[0014]在上述的手机相机辅助的多卫星导航系统选星方法，设定选星数目k，剔除不健康的卫星以及低于截止高度角的卫星，如果剩余可见卫星数小于选星数目，则将剩余可见卫星作为选星结果。否则，根据小孔成像定理构造单目相机模型，代入手机与卫星在地心地固坐标系下的三维坐标、手机的姿态角以及手机相机的内参矩阵，计算剩余可见卫星投影于手机相机图像上像素点对应的像素坐标。
[0015]在上述的手机相机辅助的多卫星导航系统选星方法，根据畸变系数对手机相机图像进行畸变修正，利用OpenCV标识出卫星对应的像素点。根据多角度的手机相机图像，筛选出所有未被周围环境遮挡的视距(Line of sight，LOS)卫星，如果某卫星系统的LOS卫星数少于等于1颗，则删去该系统，得到最终的t时刻选星结果。t～t+T以内的历元均使用t时刻的选星结果，若t+T时刻的选星结果不可用，则沿用t时刻的选星结果，并在后续历元实施上述选星过程直至获得新的选星结果。
[0016]在上述的手机相机辅助的多卫星导航系统选星方法，手机单目相机成像模型基于小孔成像定理，在相机成像模型中存在多个坐标系：像素坐标系、图像坐标系、相机坐标系以及世界坐标系。根据成像关系可以得到相机坐标系与图像坐标系的关系。
[0017]在上述的手机相机辅助的多卫星导航系统选星方法，世界坐标系到相机坐标系的变换通过旋转与平移实现，将世界坐标系定义为地心地固坐标系。根据手机在地心地固坐标系的概略坐标，计算地心地固坐标系转到北东地导航坐标系的旋转矩阵，利用手机姿态角计算北东地导航坐标系转到载体坐标系的旋转矩阵，载体坐标系经过初等坐标变换即可转换为相机坐标系。
[0018]在上述的手机相机辅助的多卫星导航系统选星方法，由透镜形状引起的畸变为径向畸变，由透镜和成像面板不平行引起的畸变为切向畸变，根据径向畸变的数学模型，通过最大似然估计的方法求得最优径向畸变参数。
[0019]在上述的手机相机辅助的多卫星导航系统选星方法，对周围环境进行多角度拍摄时，每隔选星时间间隔T，使用手机摄像头分别从天顶方向、前方、后方、左方、右方方向拍摄多张照片，使拍摄图像覆盖全部周围环境，并记录拍摄时手机的姿态角。
[0020]手机相机辅助的多卫星导航系统选星系统，包括
[0021]第一模块：被配置为用于采用张正友棋盘格相机标定法对手机相机进行标定；
[0022]第二模块：被配置为用于利用手机相机对周围环境进行多角度拍摄，并基于手机的原始观测数据以及广播星历计算出其概略坐标以及可见卫星的坐标；
[0023]第三模块：被配置为用于剔除不健康的卫星以及低于截止高度角的卫星，并且：
[0024]若剩余可见卫星数小于选星数目，则将剩余可见卫星作为选星结果；
[0025]否则，根据单目相机模型计算出可见卫星投影于手机相机照片上本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.手机相机辅助的多卫星导航系统选星方法，其特征在于：采用张正友棋盘格相机标定法对手机相机进行标定；利用手机相机对周围环境进行多角度拍摄，并基于手机的原始观测数据以及广播星历计算出其概略坐标以及可见卫星的坐标；剔除不健康的卫星以及低于截止高度角的卫星，并且：若剩余可见卫星数小于选星数目，则将剩余可见卫星作为选星结果；否则，根据单目相机模型计算出可见卫星投影于手机相机照片上所对应的像素坐标，利用OpenCV将计算得到的卫星像素坐标在手机照片图像中标识出来，根据图像筛选出非视距(Non
‑
line of sight，NLOS)卫星，得到最终的选星结果。2.如权利要求1所述的手机相机辅助的多卫星导航系统选星方法，其特征在于：打印一张黑白间距已知的棋盘格，并固定在平面上，针对棋盘格拍摄10～20张图片，检测图片中的特征角点，根据角点的位置信息以及图像中的坐标，解算标定用的棋盘格平面到图像平面的单应性矩阵，利用解析解估算方法以及最大似然估计方法得到手机相机内参的最优解。3.如权利要求1所述的手机相机辅助的多卫星导航系统选星方法，其特征在于：设定选星时间间隔T，每隔时间T对周围环境进行多角度拍摄，同时记录手机的姿态角，基于手机原始观测数据以及多系统卫星广播星历，计算所有可见卫星以及手机在地心地固坐标系下的三维坐标。4.如权利要求1所述的手机相机辅助的多卫星导航系统选星方法，其特征在于：设定选星数目k，剔除不健康的卫星以及低于截止高度角的卫星，如果剩余可见卫星数小于选星数目，则将剩余可见卫星作为选星结果，否则，根据小孔成像定理构造单目相机模型，代入手机与卫星在地心地固坐标系下的三维坐标、手机的姿态角以及手机相机的内参矩阵，计算剩余可见卫星投影于手机相机图像上像素点对应的像素坐标。5.如权利要求1所述的手机相机辅助的多卫星导航系统选星方法，其特征在于：根据畸变系数对手机相机图像进行畸变修正，利用OpenCV标识出卫星对应的像素点，根据多角度的手机相机图像，筛选出所有未被周围环境遮挡的视距(Line of sight，LOS)卫星，如果某卫星系统的LOS卫星数少于等于1颗，则删去该系统，得到最终的t时刻选星结果，t～t+T以...

【专利技术属性】
技术研发人员：陶贤露，陈爽，朱锋，刘万科，张小红，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：