本发明专利技术公开一种航空用线状目标的矢量地图匹配导航方法，步骤是：准备地图匹配的基准矢量图和模板矢量图，统一到同一矢量精度级别下，并提取模板矢量图和基准矢量图的夹角特征；依次利用距离约束条件、顺序约束条件和误差约束条件三个约束条件逐步限制可行解空间的大小；对可行解空间的位姿参数解进行聚类，将包含位姿参数解最多的类作为正确的匹配关系，进而计算位姿参数，作为匹配定位结果校正惯性导航系统的误差。此方法可克服现有航空用栅格图像匹配导航方法在空间效率和时间效率上的不足，避免栅格图像匹配存在的数据量大、效率低等问题，并克服小尺度变化对矢量地图的影响，能够完成在具有旋转、平移和小尺度变换下的矢量地图匹配。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种矢量地图匹配导航(Vector Map Matching Navigation)方法,特别涉及。
技术介绍
景象匹配辅助导航技术以其测量精度高、自主性强、抗干扰能力突出、系统能耗低、导航精度高等突出优点，已被成功应用于巡航导弹末制导系统中。由于景象匹配往往采用栅格图像作为匹配数据源，其机载参考数据库一般要求存储量较大，并且图像匹配算法通常耗时较长，对导航系统的实时性有一定的影响。与景象匹配导航采用栅格图像匹配定位不同，矢量地图匹配导航是基于矢量图像 匹配的定位技术。其基本过程是利用机载图像传感器采集地面图像，并通过去噪、矢量化等图像处理后与预先存储在导航计算机中的矢量地图数据库进行匹配，从而获取飞行器的导航参数。相对于栅格图像匹配，基于矢量地图匹配的导航方式具有如下优势(I)无损变换。由于待匹配图像与参考图像全部由矢量构成，因此可进行旋转、缩放、透视等无损数学变换，而栅格图像缩放会产生像素的不连续阶梯现象。(2)空间效率高。矢量图像采用极少的点坐标来表示复杂的二维图形，相比于栅格图像，其表达方式数据量小，因此机载地图基准数据库需要的存储容量也就较小。(3)时间效率高。栅格图像匹配往往需要扫描整个图像区域，计算量大，而矢量图像往往只需要处理矢量要素包含的点，因此可实现图像匹配过程的快速运算。同时，矢量地图匹配导航存在着矢量图像表达不直观的缺点，不能直接利用坐标值进行匹配，匹配算法较为复杂。通常会选用其他特征量来进行匹配，对于线状目标，常用的几何特征包括长度、凹度、夹角、方位角等，有些学者还提出采用曲率、描述函数等特征量进行线目标匹配。例如，王文成等通过对轮廓线进行分段，提出了以特征段之间的曲率作为匹配特征，通过对西藏、青海、四川、云南等四省地图的拼接，验证了该方法的可行性(见王文成，李晓伟，智佳，等，《基于HausdorfT距离的轮廓线匹配》，《西安邮电学院学报》，2007，12(3) :91-94)。还有，付仲良等采用正切空间的形状描述函数，以归一化距离为自变量、各周边折线的转角为因变量，这种描述形式也可用于线状矢量要素的匹配，体现了矢量线段的连续性，能够较好地解决了匹配的准确率问题(见付仲良，邵世维，《复杂面状矢量要素快速形状匹配方法》，《测绘通报》，2011，(3) :26-28)。目前，航空用地图匹配导航系统基本采用的是景象匹配辅助导航方式，而矢量匹配技术主要用于GIS领域，包括空间数据集成或融合、多尺度空间数据的维护和更新、基于位置的导航服务等方面，在航空器的导航领域并没有得到较好的应用。另外，在GIS领域的矢量图形匹配中，大多情况下两匹配源的几何要素是完整且形状相同的，而在航空用矢量地图匹配导航系统中，图像传感器采集图像经矢量化后的几何要素往往是地面几何要素的一部分，两种情形下的矢量匹配存在较大的不同。矢量地图匹配导航方式为航空器的导航提供了一种新的思路，具有良好的发展前景，随着矢量匹配技术的发展，其优势也将越来越明显，本案即是基于前述思路而产生的。
技术实现思路
本专利技术的目的，在于提供，其可克服现有航空用栅格图像匹配导航方法在空间效率和时间效率上的不足，避免栅格图像匹配存在的数据量大、效率低等问题，并克服了小尺度变化对矢量地图的影响，能够完成在具有旋转、平移和小尺度变换下的矢量地图匹配。为了达成上述目的，本专利技术的解决方案是，包括如下步骤(I)判断是否启动地图匹配导航系统，如果启动，则准备地图匹配的基准矢量图和模板矢量图； (2)将模板矢量图和基准矢量图统一到同一矢量精度级别下，并提取模板矢量图和基准矢量图的夹角特征；(3)根据步骤(2)获得的模板矢量图和基准矢量图的夹角特征，依次利用距离约束条件、顺序约束条件和误差约束条件三个约束条件逐步限制可行解空间的大小，最终得到第三层可行解空间；(4)对第三层可行解空间的位姿参数解进行聚类，将包含位姿参数解最多的类作为正确的匹配关系，进而利用位姿估计算法计算位姿参数，作为匹配定位结果校正惯性导航系统的误差。上述步骤(I)的具体内容是步骤101、根据惯性导航系统输出位置判断是否进入地图匹配导航区域，如果否，则不启动地图匹配导航系统；如果是，则启动地图匹配导航系统，即让飞行器保持水平姿态，并利用机载图像传感器采集地面图像，进入步骤102 ；步骤102、载入惯性导航系统输出位置附近的基于线状要素的矢量地图数据库，作为地图匹配的基准矢量图；步骤103、针对实时采集地面图像上的线状目标，通过矢量化技术获得基于线状要素的实时矢量图，该实时矢量图的坐标系统采用原点在图像左上角、以像素为单位的图像坐标系；步骤104、将实时矢量图的坐标变换到地理坐标尺度下，作为地图匹配的模板矢量图。上述步骤(2)的具体内容是步骤201、采用Douglas-Peucker法对模板矢量图和基准矢量图进行压缩，在压缩过程中使用相同的距离门限值D1，从而将模板矢量图和基准矢量图统一到同一矢量精度级别下；步骤202、分别针对步骤201压缩得到的实时矢量图和基准矢量图，扫描矢量图中的所有折线段，并计算相应的折线段夹角序列。上述步骤(3)的具体内容是步骤301、针对模板矢量图中每一条折线段的夹角序列，计算其与基准矢量图上所有折线段夹角序列之间的单向Hausdorff距离,保留基准矢量图上单向Hausdorff距离小于预设门限值D2的所有折线段，作为第一层可行解空间；步骤302、在步骤301得到的第一层可行解空间中，按照折线段夹角顺序剔除不满足条件的折线段，对满足条件的折线段，找出模板矢量图与基准矢量图之间可能的点对应关系，进而建立第二层可行解空间；步骤303、对于第二层可行解空间中的所有可能的点对应关系，利用抗尺度变换的位姿估计方法求解旋转角、偏移量和尺度因子，并利用得到的旋转角和偏移量对模板矢量图进行位姿变换后，与基准矢量图进行比较并求解所有点的均方误差值，将均方误差值大于预设门限值D5的点对应关系从第二层可行解空间中剔除出去，从而建立第三层可行解空间。上述步骤301的具体内容是记模板矢量图上某折线段的夹角序列为A=[a1； Ci2，…，αη]，基准矢量图上某折线段夹角序列为炉=[H·欢]，k表示基准矢量图上该折线段的编号，则单向Hausdorff距离h(A，Bk)的计算公式如下 ) = max min a -fi kL」af€A βJkGBkJ上式反映序列A中的所有夹角到序列Bk的最小差值，当A与Bk的单向HausdorfT距离h (A, Bk)大于预设预设门限值D2时，判断Bk对应的折线段与A对应的折线段并不匹配。上述步骤302的具体内容是在模板矢量图中某折线段对应的第一层可行解空间中，分别以基准矢量图某条折线段上每个端点作为起点建立与模板矢量图折线段端点数相同的待选对应折线段；接着，对模板矢量图该折线段与基准矢量图待选对应折线段的每个夹角进行比较，记差值在门限值D3以内的夹角个数为Ns，总夹角个数为N，若比值Ns/N大于预设门限值D4，则认为该基准矢量图对应折线段满足顺序约束条件，并记录这一组点对应关系到第二次可行解空间中。上述步骤303的具体内容是假设在第二层可行解空间中，某一组点对应关系为模板矢量图点集P的坐标为Pi=[Pix，Piy]T(i=l, 2，…，η本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种航空用线状目标的矢量地图匹配导航方法，其特征在于包括如下步骤 (1)判断是否启动地图匹配导航系统，如果启动，则准备地图匹配的基准矢量图和模板矢量图； (2)将模板矢量图和基准矢量图统一到同一矢量精度级别，并提取模板矢量图和基准矢量图的夹角特征； (3)根据步骤(2)获得的模板矢量图和基准矢量图的夹角特征，依次利用距离约束条件、顺序约束条件和误差约束条件三个约束条件逐步限制可行解空间的大小，最终得到第三层可行解空间； (4)对第三层可行解空间的位姿参数解进行聚类，将包含位姿参数解最多的类作为正确的匹配关系，进而利用位姿估计算法计算位姿参数，作为匹配定位结果校正惯性导航系统的误差。2.如权利要求I所述的一种航空用线状目标的矢量地图匹配导航方法，其特征在于所述步骤(I)的具体内容是 步骤101、根据惯性导航系统输出位置判断是否进入地图匹配导航区域，如果否，则不启动地图匹配导航系统；如果是，则启动地图匹配导航系统，即让飞行器保持水平姿态，并利用机载图像传感器采集地面图像，进入步骤102 ； 步骤102、载入惯性导航系统输出位置附近的基于线状要素的矢量地图数据库，作为地图匹配的基准矢量图； 步骤103、针对实时采集地面图像上的线状目标，通过矢量化技术获得基于线状要素的实时矢量图，该实时矢量图的坐标系统采用原点在图像左上角、以像素为单位的图像坐标系; 步骤104、将实时矢量图的坐标变换到地理坐标尺度下，作为地图匹配的模板矢量图。3.如权利要求I所述的一种航空用线状目标的矢量地图匹配导航方法，其特征在于所述步骤(2)的具体内容是 步骤201、采用Douglas-Peucker法对模板矢量图和基准矢量图进行压缩，在压缩过程中使用相同的距离门限值D1，从而将模板矢量图和基准矢量图统一到同一矢量精度级别下； 步骤202、分别针对步骤201压缩得到的实时矢量图和基准矢量图，扫描矢量图中的所有折线段，并计算相应的折线段夹角序列。4.如权利要求I所述的一种航空用线状目标的矢量地图匹配导航方法，其特征在于所述步骤(3)的具体内容是 步骤301、针对模板矢量图中每一条折线段的夹角序列，计算其与基准矢量图上所有折线段夹角序列之间的单向Hausdorff距离,保留基准矢量图上单向Hausdorff距离小于预设门限值D2的所有折线段，作为第一层可行解空间； 步骤302、在步骤301得到的第一层可行解空间中，按照折线段夹角顺序剔除不满足条件的折线段，对满足条件的折线段，找出模板矢量图与基准矢量图之间可能的...
【专利技术属性】
技术研发人员：孙永荣，黄斌，彭靖叶，张玲，熊智，康国华，李荣冰，刘建业，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：
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