目标跟踪方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及导航定位及目标跟踪技术领域，尤其涉及一种目标跟踪方法。
【背景技术】
[0002] 目标跟踪是一项融合图像处理、模式识别、人工智能、自动控制、传感器及导航定 位等多种不同领域先进成果综合性应用技术，是军事、民用领域一项广泛应用的技术。
[0003] 现阶段对目标物的跟踪主要是基于视觉的目标识别与跟踪和基于GNSS(Global Navigation Satellite System,全球卫星导航系统）的跟踪两种手段。
[0004] 通常基于视觉的目标跟踪是指对图像序列中的运动目标或是特征单一的物体进 行检测、识别和跟踪，通过获取目标的位置、速度等参数或是目标的形状和颜色等特征，然 后对其进一步处理，实现对运动目标物的准确跟踪。哈尔滨工业大学的姜运宇等人采用视 觉传感器（相机）采集运动物体目标的图像信息，对地面目标跟踪问题进行了研究。南京 航空航天大学的朱玮等人首先利用图像匹配的方法对目标进行识别，然后结合Camshift 和粒子滤波这两种跟踪算法各自存在的优缺点，提出了一种结合两者优点的跟踪算法。跟 踪过程中，首先确定跟踪窗口的初始位置和大小，然后对目标物体的颜色特征，边缘特征和 SIFT特征进行融合，以Camshift来优化粒子的传播，从而完成了目标在相似颜色干扰和被 遮挡的情况下都能对某一类物体进行很好的跟踪。而浙江大学的张志飞等人则利用视觉 定位与地面已知移动目标自动识别跟踪系统进行了全面的设计，研究和开发。与以往不同 的是，他的研究增强了目标识别算法在恶劣气象条件下的自适应性，如出现雾霾，阴天等天 气。中国科学院的金炫等人就复杂场景下的目标跟踪监测提出了一种基于生物视觉的思路 来进行跟踪。利用颜色显著图，方向显著图，灰度显著图建立了静态显著图，利用运动信息 和视频帧间的连续性建立了运动显著图，并且通过超频傅立叶变换对显著图进行集成，形 成目标在运动过程中的一个分布权重图用以反映目标出现在各个位置的概率，最后通过视 觉暂留模型和重新检测模型建立了一个基于生物视觉的跟踪模型。该方法可以有效的对不 同目标进行自动检测跟踪。
[0005] 基于GNSS的跟踪技术方面，东北林业大学的刘治彬等人以GNSS定位技术为基础， 结合计算机技术、通信技术、伺服控制技术、单片机技术等，研究设计了一套能够对移动目 标实现自动跟踪的控制系统。利用GNSS接收机实时捕获移动载体的位置信息，并将此信息 通过数传电台发出，地面站通过数传电台将数据接收，数据从数传电台由串口传送给单片 机，在单片机内，接收数据与基站数据进行比较，产生差值，通过复杂的计算与判断，由单片 机的串口输出控制信息，经过转换，由RS - 485到达伺服机构入口；在云台内，数据再经解 码、功放等一系列过程，转换成可驱动步进电机工作的电压信号，使云台进行水平、垂直旋 转，驱动跟踪天线实现跟踪。电子科技大学的安然等人提出了一种基于GNSS的飞行目标跟 踪系统。该系统在移动载体上安放GNSS接收装置，利用GNSS接收装置实时捕获移动物体 的位置信息，通过数传电台的远程数据传送，到达地面接收站并送往单片机；在单片机内， 送来的数据与基站数据进行比较，产生差值，根据差值的大小，产生不同的驱动信号，送给 云台以调节方位和转速，并带动跟踪天线实施对移动目标的跟踪。而大连海事大学的何虎 等人采用GNSS定位，罗盘、滑动变阻器反馈和步进电机控制等数字化引导方式，利用嵌入 式系统设计的思想实现了天线自动跟踪系统，具有更强的稳定性和可靠性。
[0006] 上述方法基本都能对目标物进行不同程度的识别与自动跟踪，但存在可靠性较 低、静态目标跟踪效果不佳、难以保证窄视场下目标在所拍摄图片的中心位置等问题。
【发明内容】
[0007] 基于此，有必要针对上述问题，提供一种能够解决此问题的新的目标物跟踪方法。
[0008] 为实现本发明目的提供的一种目标跟踪方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0009] 获取待跟踪目标的高精度目标三维空间坐标；
[0010] 利用1?精度定位定姿系统实时获取载荷的1?精度二维空间坐标和姿态；
[0011] 根据所述载荷的移动速度以及所述高精度定位定姿系统中的全球卫星导航系统 接收机天线与相机之间的几何位置关系，计算相机投影中心三维空间坐标；
[0012] 根据所述相机投影中心三维空间坐标及所述目标三维空间坐标计算所述目标的 目标方位角及目标姿态角；
[0013] 根据所述目标方位角及所述目标姿态角计算所述相机的曝光位置的预测姿态；
[0014] 调整所述相机的姿态到所述预测姿态；
[0015] 使用所述相机在所述曝光位置对所述目标进行拍照；
[0016] 所述高精度载荷三维空间坐标为所述全球卫星导航系统接收机天线的相位中心 的坐标。
[0017] 作为一种目标跟踪方法的可实施方式，所述利用高精度定位定姿系统实时获取载 荷的高精度载荷三维空间坐标，包括以下步骤：
[0018] 在距地面测控站预设距离范围内利用差分全球导航卫星系统、连续运行卫星定位 服务综合系统或者精密单点定位技术精确测量基站点的坐标；
[0019] 在所述基站点架设实时动态控制系统基站，并通过数据链路保持所述实时动态控 制系统基站与载荷之间差分定位信号的畅通；
[0020] 高精度定位定姿系统接收所述差分定位信号，并进行位置及姿态的组合解算，输 出组合解算后的高精度位置及姿态数据；
[0021] 所述载荷控制系统对接收的所述高精度位置及姿态数据进行误差补偿校正，及全 球卫星导航系统接收机天线的偏心分量改正，得到最终的相机投影中心三维空间坐标的定 位结果。
[0022] 作为一种目标跟踪方法的可实施方式，还包括判断所述载荷与所述目标之间的距 离是否在预设距离范围内的步骤，若是，则执行根据所述载荷的移动速度以及所述高精度 定位定姿系统中的全球卫星导航系统接收机天线与相机之间的几何位置关系，计算所述相 机投影中心三维空间坐标的步骤；若否，则等待下一个循环周期继续判断所述距离。
[0023] 作为一种目标跟踪方法的可实施方式，在步骤根据所述目标方位角及所述目标姿 态角计算所述相机的预测姿态之后，还包括判断所述相机的方位角和姿态角分别与所述目 标方位角和所述目标姿态角之间的差值是否均在预设差值范围内，若是，则继续执行所述 在所述曝光位置对所述目标进行拍照的步骤；若否，则返回执行计算所述相机投影中心三 维空间坐标的步骤。
[0024] 作为一种目标跟踪方法的可实施方式，所述相机设置在吊舱中，所述吊舱通过稳 定平台与运行载体相连接；所述高精度定位定姿系统设置在所述吊舱中，且所述高精度定 位定姿系统包括惯性测量单元和具有所述天线的全球卫星导航系统接收机；所述载荷中的 高精度定位定姿系统中的全球卫星导航系统接收机天线与所述相机之间有预设位置差；
[0025] 所述根据所述载荷的移动速度以及所述高精度定位定姿系统中的全球卫星导航 系统接收机天线与相机之间的几何位置关系，计算所述相机投影中心三维空间坐标，包括 以下步骤：
[0026] 根据下面的公式计算全球卫星导航系统接收机天线的相位中心在吊舱坐标系中 的坐标，即全球卫星导航系统吊舱坐标系坐标；
[0028] 其中，
为全球卫 星导航系统接收机天线的相位中心从稳定平台参考坐标系到吊舱坐标系的转换矩阵，
为全球卫星导航系统接收机天线的相位中心与稳定平台参考中心的偏 心分量；
[0029] 利用下面的公式根据所述全球卫星导航系统吊舱坐标系坐标计算所述全球卫星 导航系统接收机天线的相位中心在惯性测量单元坐标系中的坐标，即全球卫星导航系统惯 性坐标系坐标；
[0031] 其中，
为惯性测量单兀几何参考中心与吊舱中心的偏心分量；
[0032] 利用下面的公式根据所述全球卫星导航系统惯性坐标系坐标计算相机投影中心 在导航系中的坐标，即相机导航坐标；
为全球卫 星导航系统接收机天线的相位中心从惯性测量单元本体坐标系到导航坐标系的转换矩阵， ^ 为相机投影中心在惯性测量单元坐标系中的坐标；
[0035] 根据发出相机曝光指令到所述相机曝光完成的时间延迟，结合所述载体的移动速 度根据下面的公式计算所述相机投影中心在导航系内的相机坐标增量；
[0037] 其中，vx，vy，Vz为惯性测量单元测量的在导航系的速度矢量，t。为相机曝光延迟时 间；
[0038] 将所述相机导航坐标和所述相机坐标增量之和作为相机投影中心在导航系内的 最终坐标，并根据所述相机在导航系内的最终坐标值根据下面公式计算所述相机投影中心 在地心坐标系中的坐标作为预测的所述相机投影中心三维空间坐标； -
- ，.
[0040] 其中，
为相机 投影中心从导航坐标系到地心坐标系的转换矩阵，[& I zj τ为全球卫星导航系统接收机