一种大角度倾斜成像航空相机对地目标定位方法与流程

本发明属于航空成像与测控技术领域，具体涉及一种大角度倾斜成像航空相机对地目标定位方法。

背景技术：

航空相机除了要进行高分辨率成像外，还要同时对目标进行高精度定位。目前大部分目标定位算法基于距离测量，需要通过目标测距设备给出目标相对于机载光电设备的距离值，采用标准差为0.5m和5m激光测距装置的机载光电平台对10km内目标进行定位精度分别优于15m和20m；但航空相机在飞行高度18000m，对50km外的目标倾斜成像时，小型激光测距装置无法满足距离要求，大型激光测距受限于体积无法在航空领域应用，同时远距离的激光测距也会受到大气等各方面因素影响，导致测距精度下降，从而影响对目标的定位。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的是提供一种大角度倾斜成像航空相机对地目标定位方法,可以提高定位精度。

一种成像航空相机对地目标定位方法，包括如下步骤：

步骤0、确定目标所在的区域，提取该区域对应的数字高程模型dem，确定数字高程模型dem中的最高大地高hmax；大地平均预装订高度值为ht＝hmax；

步骤1、目标投影位置在相机坐标系下的坐标ts'；

步骤2、获得目标在ccd上的任一像点的投影在地球坐标系下的坐标为：

其中，是地球坐标系到地理坐标系的转换矩阵，是地理坐标系到飞机坐标系的转换矩阵，是飞机坐标系到相机坐标系的转换矩阵；并且相机坐标系原点与载机坐标系原点重合，相机原点坐标为由pos系统给出；

步骤3、目标在地球坐标系下的坐标满足方程：

步骤4、目标坐标位置与地球的参量满足如下关系：

步骤5、根据步骤3和4的结果解得目标在地球坐标系下的坐标

步骤6、用ni表示第i次迭代得到的地球半长轴，hi表示第i次迭代得到的大地高，φi表示第i次迭代得到的纬度，迭代公式如下：

其中，目标大地高初始值为纬度初始值为

经过不断迭代，使得目标大地高的精度和纬度精度收敛到符合要求为止；目标的经度λ直接根据步骤5得到的目标在地球坐标系下的坐标获得：

其中，当时，当时，当时，

根据以上条件确定的最终的目标经度；

步骤7、利用步骤6迭代运算获得的目标经度、纬度信息代入国际通用的数字高程模型dem中，得到在当前经、纬度下的理论大地高度hi，再与步骤6计算得到的大地高度hi进行比较，即判断hi-hi是否小于0：如果是，当前的目标经纬度和大地高即为最终的目标的经度、纬度和地理高度信息，实现目标的定位；如果否，将hi减去容忍误差εh，并将hi-εh赋值给目标的大地平均预装订高度ht，返回步骤1，采用重新赋值后的ht执行步骤1至步骤7，直到满足hi-hi小于0，输出此时对应的目标的经度、纬度和地理高度信息，实现目标的定位。

本发明具有如下有益效果：

针对大角度倾斜成像航空相机拍摄距离远，激光测距设备作用距离有限的问题，提出了一种不依赖距离测量设备的直接对地目标定位算法。依据载机pos(positionandorientationsystem)测量的载机位置、姿态信息以及航空相机中位置编码器测量的框架角位置信息，利用齐次坐标变换的方法求解目标在大地坐标系下的指向，利用地球椭球模型和数字高程模型，确定目标点的经纬度信息。采用飞行试验数据验证了该目标定位算法的有效性，在飞行高度18000m拍摄框架横滚角小于63°时，目标定位圆概率误差小于70m，可满足工程实际需要。

附图说明

图1为本发明的目标在ccd上投影示意图；

图2为本发明的各点在地球坐标系下坐标关系示意图；

图3为本发明的目标定位迭代过程图；

图4为本发明的基于数字高程模型对地目标定位算法框图。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

目标定位即为获取拍摄图像中目标区域的地理位置信息，以便对目标区域进行有效的评估与分析。机载pos系统由gps(全球定位系统)和imu(惯性测量单元)组成，集gps与imu各自优点于一体，在性能和可靠性上得到大幅的提高，可准确的测量载机的位置和姿态信息。

用表示从a坐标系到b坐标系的变换矩阵。

其中，[xayaza]^t和[xbybzb]^t为同一点在a坐标系和b坐标系下的坐标。

在目标定位过程中需要用到四个基本的坐标系，地球坐标系、地理坐标系、载机坐标系和相机坐标系。

1、地球坐标系(ecef)e-xeyeze，原点处于地球质心，exe轴指向本初子午线与赤道的交点，eze轴指向地理北极，eye与其他两轴组成右手坐标系。

2、地理坐标系(ned)a-ned，an和ae坐标轴分别指向正北和正东，ad轴垂直当地参考椭球的切线指向地心。设在地球直角坐标系任一点的坐标为(x,y,z)，球坐标为(λ,φ,h)，λ为经度，φ为纬度，h为大地高度，则有：

x＝(rn+h)cosφcosλ

y＝(rn+h)cosφsinλ

z＝(rn(1-ε)²+h)sinφ

从地球坐标系到地理坐标系的转换矩阵为：

其中为卯酉面曲率半径，re为椭球半长轴，rp为椭球半短轴，为偏心率，为地球的扁率。

3、飞机坐标系的(ac)a-xayaza，axa为载机机头方向，aya右翼方向，aza在载机纵向对称面内垂直载机向下。在航空相机拍摄过程中，载机姿态变化分别为航向角ψ，俯仰角θ，横滚角在飞机坐标系中，一般也将axa轴称为横滚轴(rollaxis)，aya轴称为俯仰轴(pitchaxis)，aza轴称为航向轴(yawaxis)。飞机的姿态角一般定义为以广义欧拉角的形式。将地理坐标系按欧拉角的旋转顺序可以得到飞机坐标系。

4、相机坐标系(s)s-xsyszs，原点处于航空相机光学系统中心，s–zs轴为视轴方向，当相机内外框架角均为0时，相机坐标系与载机坐标系完全重合。当相机成像时，外框架角和内框架角分别处于β和α。则有：

本发明的定位方法具体包括如下步骤，如图4所示：

步骤0、确定目标所在的区域，提取该区域对应的数字高程模型dem，确定数字高程模型dem中的最高大地高hmax；大地平均预装订高度值为ht＝hmax；

步骤1、目标投影位置在相机坐标系下的坐标ts'为：

其中，f为相机焦距，ccd像元尺寸为α，像元个数为m×n，目标在ccd上的投影点为(i,j)，i为行数，j为列数；

步骤2、目标在ccd上的任一像点的投影在地球坐标系下的坐标为：

其中，是地球坐标系到地理坐标系的转换矩阵，是地理坐标系到飞机坐标系的转换矩阵，是飞机坐标系到相机坐标系的转换矩阵；并且相机坐标系原点与载机坐标系原点重合，相机原点坐标为由pos系统给出；

步骤3、目标在地球坐标系下的坐标满足方程

步骤4、目标坐标位置与地球的参量满足如下关系：

步骤5、根据步骤3和4的结果解得目标在地球坐标系下的坐标

如果大地为标准椭球体，式中所有变量均是已知量。

步骤6、目标的经纬度信息通过其在大地坐标系下坐标得到，由于采用wgs-84给出的地球椭球模型，所以其无法准确得到其纬度及大地高信息。为此对大地高度和纬度采用迭代法进行求解，目标定位迭代过程如图3所示，其中，规定北半球纬度为正，南半球纬度为负；东经为正，西经为负，用ni表示第i次迭代得到的地球半长轴，hi表示第i次迭代得到的大地高，φi表示第i次迭代得到的纬度，迭代公式如下：

其中，第一次迭代使用的地球半长轴初始值为n0＝re，目标大地高初始值为纬度初始值为

经过不断迭代，使得目标大地高的精度和纬度精度收敛到符合要求为止。一般迭代4次，即可保证目标大地高的精度收敛到0.001m以内，纬度收敛到0.00001″，目标的经度λ直接可根据步骤5得到的目标在地球坐标系下的坐标获得：

其中，当时，当时，当时，

根据以上条件确定的最终的目标经度。

步骤7、利用步骤6迭代运算获得的目标经度、纬度信息代入国际通用的数字高程模型dem中，得到在当前经、纬度下的理论大地高度hi，再与步骤6计算得到的大地高度hi进行比较，即判断hi-hi是否小于0：如果是，当前的目标经纬度和大地高即为最终的目标的经度、纬度和地理高度信息，实现目标的定位；如果否，将hi减去容忍误差εh，为了得到较为精确的地理信息εh一般取5m，并将hi-εh赋值给目标的大地平均预装订高度ht，返回步骤1，采用重新赋值后的ht执行步骤1至步骤7，直到满足hi-hi小于0，输出此时对应的目标的经度、纬度和地理高度信息，实现目标的定位。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。