基于系统噪声估计的光电吊舱自适应EKF目标定位方法技术方案

本发明专利技术涉及基于系统噪声估计的光电吊舱自适应EKF目标定位方法，包括：无人机挂载光电吊舱进行巡航飞行，光电吊舱的基座上安装惯导，通过地面站操作光电吊舱，使视场中心锁定地面目标，进行激光测距获得光电吊舱与地面目标之间的距离L；根据光电吊舱图像跟踪目标时的水平脱靶量、垂直脱靶量与光电吊舱与地面目标之间的距离L，计算目标定位模型的系统噪声Q；建立目标定位的状态方程与观测方程，根据光电吊舱自身的经纬度坐标、光电吊舱与地面目标之间的距离L与系统噪声Q，采用EKF滤波算法计算地面目标的地理坐标值，用于对光电吊舱进行目标跟踪。本发明专利技术实现了对目标运动状态准确估计，用于无人机目标侦查、机载光电吊舱视觉伺服跟踪。服跟踪。服跟踪。

【技术实现步骤摘要】
基于系统噪声估计的光电吊舱自适应EKF目标定位方法


[0001]本专利技术涉及基于系统噪声估计的光电吊舱自适应EKF目标定位方法，属于机载光电吊舱目标定位


技术介绍

[0002]机载光电吊舱集可见光摄像机、红外热像仪和激光测距仪等设备于一体，是无人机装备的重要任务载荷。随着机载光电吊舱向多功能、智能化方向发展，其被广泛应用于海上搜救、目标侦察监视、战场态势评估等一系列领域，其中，地面关键目标的高精度定位，对野外救援、激光制导打击等具有重要意义。
[0003]目前，基于激光测距和惯组姿态角度的有源定位方法精度较高，将卡尔曼滤波及其扩展算法用于光电吊舱的目标定位之中，能以线性最小方差状态估计方法给出地面目标的最优估计坐标。然而，对于在卡尔曼滤波器应用过程中有关滤波器参数的设定，如系统噪声方差与测量噪声方差，将对滤波结果产生巨大影响。
[0004]一般测量噪声取决于传感器自身的测量误差，可从传感器性能手册中获取测量噪声方差的数据；而对于系统噪声而言，常常根据经验来选取，具有一定的随机性。不同的系统噪声方差取值对滤波结果影响较大。在实际机载光电吊舱对地面目标进行激光测距定位过程中，系统噪声会受到目标测距距离、光轴稳定性、图像目标跟踪精度的影响，存在时变的特性，现有遗忘因子、期望最大化和遗传迭代等方法，虽能实现对系统噪声方差的调整，但这些方法计算过程均繁琐费时，无法满足实际应用中的实时性要求。

技术实现思路

[0005]本专利技术解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出基于系统噪声估计的光电吊舱自适应EKF目标定位方法，实现目标运动状态准确估计，用于无人机目标侦查、机载光电吊舱视觉伺服跟踪。
[0006]本专利技术解决技术的方案是：
[0007]基于系统噪声估计的光电吊舱自适应EKF目标定位方法，包括：
[0008]无人机挂载光电吊舱进行巡航飞行，光电吊舱的基座上安装惯导，通过地面站操作光电吊舱，使视场中心锁定地面目标，进行激光测距获得光电吊舱与地面目标之间的距离L；
[0009]根据光电吊舱图像跟踪目标时的水平脱靶量、垂直脱靶量与光电吊舱与地面目标之间的距离L，计算目标定位模型的系统噪声Q；
[0010]建立目标定位的状态方程与观测方程，根据光电吊舱自身的经纬度坐标、光电吊舱与地面目标之间的距离L与系统噪声Q，采用EKF滤波算法计算地面目标的地理坐标值，用于对光电吊舱进行目标跟踪。
[0011]进一步的，通过地面站操作光电吊舱的方法包括：
[0012]通过地面站摇杆搜寻并锁定地面目标，使吊舱处于稳定的目标图像跟踪状态；吊
舱激光测距仪上电，对图像锁定的地面目标进行激光测距，记录光电吊舱与地面目标之间的距离L、吊舱基座惯组的GPS坐标以及图像跟踪的水平、垂直脱靶量。
[0013]进一步的，目标定位模型中的系统噪声Q的计算方法包括：
[0014]基于载荷视轴与地面目标的偏差角度、光电吊舱与地面目标之间的距离，计算第k时刻，激光测距点偏离实际目标的距离为：
[0015][0016]其中L
k
为k时刻光电吊舱与地面目标之间的距离，μ
xk
为视轴水平偏差角，μ
yk
为视轴垂直偏差角；
[0017]统计计算一段时间内偏离目标距离[Δγ1，Δγ2...Δγ
k
]的方差值，即可得到目标定位模型中的系统噪声Q。
[0018]进一步的，在跟踪地面目标的过程中，采样点以滑窗的形式随时间后移更新，进而重新统计与计算滑窗内的偏离目标距离数据，实时更新相应系统噪声方差。
[0019]进一步的，通过k时刻查询可见光相机焦距值，获得当前图像水平视场角为κ
k
，垂直视场角为λ
k
，图像的水平与垂直方向的总像素数分别为M、N，根据水平脱靶量m
k
与垂直脱靶量n
k
计算载荷视轴偏离目标的角度为：
[0020][0021]进一步的，建立目标定位的观测方程的方法包括：
[0022]在k时刻获取目标相对于光电吊舱的方位姿态角α、俯仰姿态角β，以无人机吊舱为原点，目标在机体坐标系下的位置为(x
bk
,y
bk
,z
bk
)，以α，β，L的测量值为观测量，建立目标定位系统的观测方程为：
[0023][0024]进一步的，所建立的状态与观测方程具有非线性特性，采用扩展卡尔曼滤波算法对目标位置进行估计，将h(X
k
)在处进行一阶Taylor级数展开，省略二阶及以上项，得到线性化后的观测方程为：
[0025][0026]其中，υ
k
为第k时刻的观测噪声，为线性化后的观测矩阵。
[0027]进一步的，基于线性化后的状态与观测方程，具体迭代过程如下：
[0028]状态一步预测：
[0029][0030]一步预测均方误差：
[0031][0032]滤波增益更新：
[0033][0034]状态估计更新：
[0035][0036]状态估计误差更新：
[0037][0038]其中，Φ
k|k
‑1表示t
k
‑1时刻系统的一步转移矩阵，Γ
k|k
‑1表示t
k
‑1时刻系统的噪声驱动矩阵，H
k
表示线性化后的观测矩阵，Q
k
‑1表示t
k
‑1时刻的系统噪声方差矩阵，R
k
表示t
k
时刻的系统的噪声驱动矩阵。
[0039]进一步的，光电吊舱在进行目标定位时，采集到的吊舱基座经纬度坐标为(N0,W0,H0)，按照下式计算地面目标的经度、纬度、高程坐标(N
Tar
,W
Tar
,H
Tar
)为：
[0040][0041][0042][0043]式中，Re为地球半径。
[0044]进一步的，状态方程的表达式为：
[0045]X
k
＝ΦX
k
‑1+w
k
‑1[0046]其中，X
k
＝[x
k
,y
k
,z
k
]T
为t
k
时刻的目标状态，Φ为单位矩阵，w
k
‑1为系统噪声。
[0047]基于系统噪声估计的光电吊舱自适应EKF目标定位系统，包括：
[0048]光电吊舱与地面目标之间距离获得模块：无人机挂载光电吊舱进行巡航飞行，光电吊舱的基座上安装惯导，通过地面站操作光电吊舱，使视场中心锁定地面目标，进行激光测距获得光电吊舱与地面目标之间的距离L；
[0049]目标定位模型的系统噪声确定模块：根据光电吊舱图像跟踪目标时的水平脱靶量、垂直脱靶量与光电吊舱与地本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于系统噪声估计的光电吊舱自适应EKF目标定位方法，其特征在于，包括：无人机挂载光电吊舱进行巡航飞行，光电吊舱的基座上安装惯导，通过地面站操作光电吊舱，使视场中心锁定地面目标，进行激光测距获得光电吊舱与地面目标之间的距离L；根据光电吊舱图像跟踪目标时的水平脱靶量、垂直脱靶量与光电吊舱与地面目标之间的距离L，计算目标定位模型的系统噪声Q；建立目标定位的状态方程与观测方程，根据光电吊舱自身的经纬度坐标、光电吊舱与地面目标之间的距离L与系统噪声Q，采用EKF滤波算法计算地面目标的地理坐标值，用于对光电吊舱进行目标跟踪。2.根据权利要求1所述的基于系统噪声估计的光电吊舱自适应EKF目标定位方法，其特征在于，通过地面站操作光电吊舱的方法包括：通过地面站摇杆搜寻并锁定地面目标，使吊舱处于稳定的目标图像跟踪状态；吊舱激光测距仪上电，对图像锁定的地面目标进行激光测距，记录光电吊舱与地面目标之间的距离L、吊舱基座惯组的GPS坐标以及图像跟踪的水平、垂直脱靶量。3.根据权利要求1所述的基于系统噪声估计的光电吊舱自适应EKF目标定位方法，其特征在于，目标定位模型中的系统噪声Q的计算方法包括：基于载荷视轴与地面目标的偏差角度、光电吊舱与地面目标之间的距离，计算第k时刻，激光测距点偏离实际目标的距离为：其中L
k
为k时刻光电吊舱与地面目标之间的距离，μ
xk
为视轴水平偏差角，μ
yk
为视轴垂直偏差角；统计计算一段时间内偏离目标距离[Δγ1，Δγ2...Δγ
k
]的方差值，即可得到目标定位模型中的系统噪声Q。4.根据权利要求3所述的基于系统噪声估计的光电吊舱自适应EKF目标定位方法，其特征在于，在跟踪地面目标的过程中，采样点以滑窗的形式随时间后移更新，进而重新统计与计算滑窗内的偏离目标距离数据，实时更新相应系统噪声方差。5.根据权利要求3所述的基于系统噪声估计的光电吊舱自适应EKF目标定位方法，其特征在于，通过k时刻查询可见光相机焦距值，获得当前图像水平视场角为κ
k
，垂直视场角为λ
k
，图像的水平与垂直方向的总像素数分别为M、N，根据水平脱靶量m
k
与垂直脱靶量n
k
计算载荷视轴偏离目标的角度为：6.根据权利要求1所述的基于系统噪声估计的光电吊舱自适应EKF目标定位方法，其特征在于，建立目标定位的观测方程的方法包括：在k时刻获取目标相对于光电吊舱的方位姿态角α、俯仰姿态角β，以无人机吊舱为原点，目标在机体坐标系下的位置为(x
bk
,y
bk
,z
bk
)，以α，β，L的测量值为观测量，建立目标定位系统的观测方程为：
7.根据权利要求6所述的基于系统噪声估计的光电吊舱自适应E...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵丰，郭镇净，孙洁洁，袁鑫，卢锦明，平铎，
申请(专利权)人：北京航天控制仪器研究所，
类型：发明
国别省市：