一种飞行器位姿确定方法及装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及通信领域中导航与自动控制技术领域，具体地，涉及一种飞行器位姿 确定方法及装置。
【背景技术】
[0002] 航天器、无人机等飞行器的导航与控制过程中，飞行器的位置姿态是安全飞行及 执行任务的关键信息。飞行器的飞行位置姿态确定方法中常用的有基于惯性导航、基于GPS 导航及地形匹配导航等方法。
[0003] 惯性导航方法是利用加速度计和陀螺仪等导航传感器对运动信息进行测量，该方 法利用加速度计的实时加速度测量并进行积分运算，从而得到飞行过程中的位置与姿态信 息。但是该方法采用积分运算进行位姿确定，存在积累误差的问题，尤其在长时间应用时误 差积累较大，常常需要采用其他定位准确的方法对惯性导航计算结果进行校正。
[0004] GPS导航定位方法利用飞行器安装的GPS组件接收运行于轨道上的GPS导航卫星 的信号，根据接收到的多个卫星的信号进行综合计算，获取飞行器的位置信息，是航空飞行 器、汽车等运动工具常用的导航方法之一。但是，由于GPS卫星信号为国外导航卫星提供， 通常无法获取高精度数据，因此计算结果精度较差，而且信号能否正常获取也受制于人。同 时，由于接收GPS卫星信号受在轨运行卫星"视线"遮挡的影响，GPS导航方法计算的位置信 息精确性和更新频率都会下降。
[0005] 图像匹配定位分为两种，地形匹配定位与景象匹配定位。地形匹配利用飞行器装 载的激光高度计实时测量飞行轨迹的地形高度，将实时测量结果与飞行器预先装载的基准 地形图进行匹配计算，确定飞行器的位置从而实现飞行导航。景象匹配导航是以一定匹配 的地表特征，采用摄像等图像成像装置录取飞行轨迹周围或目标附近地区地貌，与存储在 飞行器上的原图比较，进行匹配定位与导航。激光高度计属于专用设备，能耗较大，并且这 类精密仪器价格昂贵，难以在一般飞行器上安装使用，这种一维匹配导航适合于山丘地形 的飞行。景象匹配属于二维匹配导航，可以确定飞行器两个坐标的偏差，只适合于平坦地 区导航。
[0006] 位置姿态参数是飞行器安全飞行、顺利执行任务的关键信息，是飞行器导航控制 的重要内容。通常方法中基于无线电测量方法、惯性导航方法存在能耗大和误差积累严重， 采用GPS定位方法基于导航卫星信号，存在受制于人的问题，地形匹配定位需要精密昂贵 的高度测量仪器，难以在一般飞行器上推广。
【发明内容】
[0007] 本发明是为了克服现有技术中位姿确定方法误差累计严重的缺陷，根据本发明的 一个方面，提出一种飞行器位姿确定方法。
[0008] 本发明实施例提供的一种飞行器位姿确定方法，包括：
[0009] 获取基准图和机载相机的实时图像，基准图包括基准纹理图像和基准地形图；
[0010] 对实时图像进行分辨率校正，校正后的实时图像与基准纹理图像的分辨率一致；
[0011] 对校正后的实时图像与基准纹理图像进行匹配定位，确定校正后的实时图像在基 准纹理图像中的匹配区域；
[0012] 在基准纹理图像中的匹配区域内选取至少三个不共线的特征点，并根据特征点在 基准地形图上查询相应的高程值，至少确定相应的三个控制点；
[0013] 根据控制点构建空间后方交会解算方程，确定成像位置和姿态。
[0014] 在上述技术方案中，对实时图像进行分辨率校正，包括：
[0015] 根据实时成像的等效焦距和飞行高度确定实时图像的分辨率，并根据基准纹理图 像的分辨率确定对实时图像进行校正的缩放倍数；
[0016] 根据缩放倍数对实时图像进行缩放处理，并重新采样，获得与基准纹理图像的分 辨率一致的校正后的实时图像。
[0017] 在上述技术方案中，对校正后的实时图像与基准纹理图像进行匹配定位，确定校 正后的实时图像在基准纹理图像中的匹配区域，包括：
[0018] 在校正后的实时图像中选取待匹配特征点，待匹配特征点的兴趣值大于第一预设 阈值；其中，兴趣值、为：
[0019] Iv= det [M] -0. 04 (tr [M]) 2,式中M为以待匹配特征点为中心的预设长宽的像素区 域的协方差矩阵
> det[M]是矩阵M的行列式，tr[M]是矩 阵M的迹，w(x，y)是高斯权重函数，Ix是横方向的差分值，I y是纵方向的差分值；
[0020] 分别计算校正后的实时图像的第一像素区域与基准纹理图像的第二像素区域之 间的相关系数，选择相关系数最大的第二像素区域作为基准纹理图像的匹配区域；第一像 素区域为以待匹配特征点为中心的预设长宽的像素区域，第二像素区域为以基准纹理图像 中某一像素点为中心的预设长宽的像素区域。
[0021] 在上述技术方案中，选取至少三个不共线的特征点，包括：
[0022] 确定匹配区域内所有像素点的兴趣值，并选取兴趣值最大的像素点作为第一特征 点；其中，兴趣值、为：
[0023] Iv= det[M]-〇. 04(tr[M]) 2,式中M为以待匹配特征点为中心的预设长宽的像素区 域的协方差矩阵，
det[M]是矩阵M的行列式，tr[M]是矩 阵M的迹，w(x，y)是高斯权重函数，Ix是横方向的差分值，I y是纵方向的差分值；
[0024] 确定第二特征点，第二特征点为与第一特征点之间的距离为第一预设距离、且兴 趣值大于第二预设阈值的像素点；
[0025] 确定第三特征点，第三特征点为与第一特征点和第二特征点之间的距离均大于第 二预设距离、与特征直线之间的距离大于第三预设距离、且兴趣值大于第二预设阈值的像 素点；特征直线为由第一特征点和第二特征点所确定的直线。
[0026] 在上述技术方案中，根据控制点构建空间后方交会解算方程，确定成像位置和姿 态，包括：
[0027] 根据三个控制点构建距离方程，确定成像位置与三个特征点之间的三个成像距 离；
[0028] 根据三个控制点和三个成像距离构建空间后方交会解算方程，解算成像位置和表 示姿态的旋转矩阵R ;其中，旋转矩阵R为：
[0030] 其中，E为单位矩阵，a，b，c为根据空间后方交会解算方程确定的三个参数。
[0031] 基于同样的发明构思，本发明实施例还提供一种飞行器位姿确定装置，包括：
[0032] 获取模块，用于获取基准图和机载相机的实时图像，基准图包括基准纹理图像和 基准地形图；
[0033] 校正模块，用于对实时图像进行分辨率校正，校正后的实时图像与基准纹理图像 的分辨率一致；
[0034] 匹配模块，还用于对校正后的实时图像与基准纹理图像进行匹配定位，确定校正 后的实时图像在基准纹理图像中的匹配区域；
[0035] 确定模块，用于在基准纹理图像中的匹配区域内选取至少三个不共线的特征点， 并根据特征点在基准地形图上查询相应的高程值，至少确定相应的三个控制点；
[0036] 处理模块，用于根据控制点构建空间后方交会解算方程，确定成像位置和姿态。
[0037] 在上述技术方案中，校正模块包括：
[0038] 计算单元，用于根据实时成像的等效焦距和飞行高度确定实时图像的分辨率，并 根据基准纹理图像的分辨率确定对实时图像进行校正的缩放倍数；
[0039] 缩放单元，用于根据缩放倍数对实时图像进行缩放处理，并重新采样，获得与基准 纹理图像的分辨率一致的校正后的实时图像。
[0040] 在上述技术方案中，匹配模块包括：
[0041] 选取单元，用于在校正后的实时图像中选取待匹配特征点，待匹配特征点的兴趣 值大于第一预设阈值；其中，兴趣值、为：
[0042] Iv= det[M]-〇. 04(tr[M]) 2,式中M为以待匹配特征点为中心的预设长宽的像素区 域的协方差矩阵：
，det[M]是矩阵M的行列式，tr[M]是矩阵 M的迹，w (X，y)是高斯权重函数，Ix是横方向的差分值，I y是纵方向的差分值；
[0043] 匹配单元，用于分别计算校正后的实时图像的第一像素区域与基准纹理图像的第 二像素区域之间的相关系数，选择相关系数最大的第二像素区域作为基准纹理图像的匹配 区域；第一像素区域为以待匹配特征点为中心的预设长宽的像素区域，第二像素区域为以 基准纹理图像中某一像素点为中心的预设长宽的像素区域。
[0044] 在上述技术方案中，确定模块包括：
[0045] 第一确定单元，用于确定匹配区域内所有像素点的兴趣值，并选取兴趣值最大的 像素点作为第一特征点；其中，兴趣值、为：
[0046] Iv= det[M]-〇. 04(tr[M]) 2,式中M为以待匹配特征点为中心的预设长宽的像素区 域的协方差矩阵， ，det[M]是矩阵M的行列式，tr[M]是矩阵
M的迹，w (X，y)是高斯权重函数，Ix是横方向的差分值，I y是纵方向的差分值；
[0047] 第二确定单元，用于确定第二特征点，第二特征点为与第一特征点之间的距离为 第一预设距离、且兴趣值大于第二预设阈值的像素点；
[0048] 第三确定单元，用于确定第三特征点，第三特征点为与第一特征点和第二特征点 之间的距离均大于第二预设距离、与特征直线之间的距离大于第三预设距离、且兴趣值大 于第二预设阈值的像素点；特征直线为由第一特征点和第二特征点所确定的直线。
[0049] 在上述技术方案中，处理模块包括：
[0050] 第一构建单元，用于根据三个控制点构建距离方程，确定成像位置与三个特征点 之间的三个成像距离；
[0051] 第二构建单元，用于根据三个控制点和三个成像距离构建空间后方交会解算方 程，解算成像位置和表示姿态的旋转矩阵R ;其中，旋转矩阵R为：
[0053] 其中，E为单位矩阵，a，b，c为根据空间后方交会解算方程确定的三个参数。
[0054] 本发明实施例提供的一种飞行器位姿确定方法及装置，将视觉实时成像与事前获 取的飞行航区内的基准地形图及其地貌基准纹