1.本发明涉及一种飞行器精确位姿修正方法，具体涉及飞行器机动发射主动段后视景象匹配精确位姿修正方法。
背景技术：
2.在飞行器主动飞行段，当主发动机燃料耗尽或者达到关机条件时，需要保证在精确控制飞行器速度和位置的前提下，实现主发动机的关机分离。而飞行主动段主要采用摄动制导的方式，由于诸多不确定因素的干扰，仅依靠惯性导航，难以实现对飞行器精确制导，因此需要在飞行器主动段飞行过程中，采用其他导航方式对其位置和姿态进行有效的修正。
3.在飞行器发射过程中，通常安装有后视摄像头，用来观察飞行器主发动机的工作情况，但除此之外，后视图像中的剩余信息并没有得到充分利用。如何充分利用后视图像信息对飞行器主动段飞行状态进行有效的修正是一个具有创新性的问题。
技术实现要素：
4.针对飞行器机动发射主动段的位姿修正问题，本发明的目的在于，提供一种飞行器机动发射主动段后视景象匹配精确位姿修正方法，该方法充分利用飞行器后视图像信息，辅助惯导信息对飞行器主动段进行精确导航。
5.为了实现上述任务，本发明采用如下的技术解决方案得以实现：
6.一种飞行器机动发射主动段后视景象匹配精确位姿修正方法，其特征在于，包括以下步骤：
7.步骤1，在飞行器上安装微型后视摄像头；
8.步骤2，飞行器垂直上升段高度修正
9.根据相机成像原理，通过对图像中显著目标识别矩形框所占像素面积进行计算，建立相机相对目标实际高度与目标成像所占像素面积的函数关系，根据该函数关系，实时换算出飞行器垂直上升段的高度位置，进而对飞行器的位置信息进行修正；
10.步骤3，飞行器转弯上升段俯仰角修正
11.按照飞行器主动段的转弯上升段中俯仰角θ的修正方法，并假定此阶段飞行器没有发生滚动和偏航，利用飞行器俯仰角发生变化时，后视相机所拍摄的前下视图像在基准图中所对应匹配图像在轨迹平面上的最远可视点和最近可视点的距离差的变化，建立俯仰角θ与该距离差之间的映射关系，进而对飞行器的俯仰角进行修正。
12.根据本发明，步骤2所述的飞行器垂直上升段高度修正的具体实现步骤如下：
13.步骤2.1，利用深度学习算法，制备发射区域可能出现的显著目标数据集(车辆，建筑，湖泊等)，预先训练好目标检测模型；
14.步骤2.2，根据惯导位置信息，当飞行器处于预定高度h0，即后视摄像头足以捕获完整的显著目标的高度时，开始对捕获的图像帧进行处理；
15.步骤2.3，利用预先训练好的目标检测模型，对相机捕获的初始图像帧进行目标检测，确定出初始图像帧中的显著性目标位置，并获取目标的边缘矩形框；
16.步骤2.4，计算初始图像帧中的显著性目标边缘矩形框所占像素面积s0；
17.步骤2.5，对相机捕获的当前帧图像进行目标检测，确定出当前图像帧中的同一目标位置；
18.步骤2.6，计算当前图像帧中的显著性目标边缘矩形框所占像素面积s1；
19.步骤2.7，综合初始帧目标像素面积s0，初始高度h0，以及当前帧目标像素面积s1，按照建立的映射关系，换算得到当前飞行器高度h1，进而对飞行器位置信息进行修正；
20.步骤2.8，重复步骤2.6和步骤2.7，进行下一帧图像的处理，直至飞行器进入转弯飞行阶段。
21.进一步地，步骤2.7具体实现方法是：设高分辨率相机的焦距为f，且保持不变，综合前一帧目标像素面积s0，初始高度h0，以及当前帧目标像素面积s1，则当前飞行器高度h1计算算公式如下：
[0022][0023]
优选地，步骤3所述飞行器转弯上升段俯仰角修正的具体实现步骤如下：
[0024]
步骤3.1，当飞行器开始进入转弯飞行阶段的初始时刻，该时刻下飞行器竖直向上，即俯仰角偏移量为0，记录当前飞行高度并捕获当前图像帧，在基准图上进行匹配，确定匹配图像位置；
[0025]
步骤3.2，分别确定当前时刻图像在基准图上对应匹配区域的在轨迹平面上的最远可视点和最近可视点距离发射点的距离l
f
和l
c
；
[0026]
步骤3.3，随后对下一帧图像进行基准图匹配，根据位置信息，确定该时刻飞行器高度同时计算该时刻图像在基准图上匹配区域的在轨迹平面上的最远可视点和最近可视点距离差l
d
；
[0027]
步骤3.4，由于相机与飞行器固定连接，假定飞行器不进行滚转和偏航运动，由于不同俯仰角下，后视相机捕获图像在基准图上对应的匹配区域的最远可视点和最近可视点距离差不同，按照映射关系，可以计算出飞行器俯仰角θ，实现对飞行器姿态信息的修正；
[0028]
步骤3.5，对每一帧图像，重复步骤3.3，3.4，直至飞行器主动飞行段结束。
[0029]
进一步优选地，步骤3.4所述飞行器俯仰角θ计算公式具体如下：
[0030][0031]
其中：为后视相机可观测到的有效区域的视角。
[0032]
本发明的基于飞行器机动发射主动段后视景象匹配精确位姿修正方法，具有以下有益的技术效果：
[0033]
基于目标成像像素面积与视距的线性关系，实现了对飞行器垂直上升段的高度信息的精确求解，从而实现对飞行器位置信息的精确修正；同时基于不同俯仰角下，后视相机所拍摄的前下视图像在基准图中所对应匹配图像在轨迹平面上的最远可视点和最近可视点的距离差，建立起俯仰角与该距离差的函数关系，实现了对飞行器转弯上升段俯仰角姿态信息的精确修正。并利用了飞行器后视图像信息，解决了飞行器发射主动段位姿修正问题，为飞行器主动段位姿修正提供了新的技术思路和参考。
附图说明
[0034]
图1为本发明的飞行器机动发射主动段后视景象匹配精确位姿修正方法流程图；
[0035]
图2为步骤2中目标矩形框面积与飞行器高度位置计算原理图；
[0036]
图3为步骤3中转弯初始时刻飞行器及视场剖面示意图；
[0037]
图4为步骤3中转弯后飞行器及视场剖面示意图；
[0038]
以下结合附图和实施例对本发明做出进一步的详细说明。
具体实施方式
[0039]
如图1至图4所示，本实施例给出一种飞行器机动发射主动段后视景象匹配的精确位姿修正方法，具体包括如下步骤：
[0040]
步骤1，在飞行器上安装微型后视摄像头；
[0041]
步骤2，飞行器垂直上升段高度修正
[0042]
在飞行器发射后的垂直上升段，该阶段飞行器垂直上升，位置发生变化，但姿态基本没有变化，因此仅需对飞行器的位置信息进行修正。根据相机成像原理，通过对图像中显著目标识别矩形框所占像素面积进行计算，可以建立起相机距离目标实际距离与目标成像所占像素面积的函数关系，根据这一预先建立好的映射关系，可以实时换算出飞行器垂直上升段的高度位置，进而对飞行器的位置信息进行修正；
[0043]
具体实现包括以下几个步骤：
[0044]
步骤2.1，利用深度学习方法，制备发射区域可能出现的显著目标数据集(车辆，建筑，湖泊等)，预先训练好目标检测模型；
[0045]
步骤2.2，根据惯导位置信息，当飞行器处于预定高度h0，即后视摄像头足以捕获完整的显著目标的高度时，开始对捕获的图像帧进行处理；
[0046]
步骤2.3，利用预先训练好的深度学习模型，对相机捕获的初始图像帧进行目标检测，确定出初始图像帧中的显著性目标位置，并确定目标边缘矩形框，即与不规则目标物边缘相切所构建的矩形框；
[0047]
步骤2.4，计算初始图像帧中的显著性目标边缘矩形框所占像素面积s0；
[0048]
步骤2.5，对相机捕获的当前帧图像进行目标检测，确定出当前图像帧中的同一目标位置；
[0049]
步骤2.6，计算当前图像帧中的显著性目标边缘矩形框所占像素面积s1；
[0050]
步骤2.7，综合前一帧目标矩形框像素面积s0，初始高度h0，以及当前帧目标矩形框像素面积s1，按照建立的映射关系，计算得到当前飞行器高度h1，进而对飞行器位置信息进行修正；
[0051]
具体计算过程及公式如下：
[0052]
设相机焦距为f，且保持恒定。如图2所示，设地面目标边缘矩形框在相机坐标系上的两个对角顶点的坐标分别为(x1,y1,h)，(x2,y2,h)，设目标边缘框地面实际面积为s。
[0053]
则：s＝|x1‑
x2|
·
|y1‑
y2|
[0054]
设地面目标边缘矩形框在成像平面上的两个对角顶点的坐标分别为(x1′
,y1′
)，(x2′
,y2′
)，根据相机成像公式，可以建立2
‑
d成像平面坐标与3
‑
d相机坐标之间的映射，具体映射关系如下：
[0055][0056][0057]
因此，可以计算出目标矩形框在成像平面内的像素面积s
′
为：
[0058][0059]
综上，前一帧目标矩形框像素面积s0和当前帧目标矩形框像素面积s1满足如下表达式：
[0060][0061][0062]
综合上式，可以得到当前时刻飞行器高度h1的表达式如下：
[0063][0064]
步骤2.7，重复步骤2.5和步骤2.6，进行下一帧图像的处理，直至飞行器进入转弯飞行阶段。
[0065]
步骤3，飞行器转弯上升段俯仰角修正
[0066]
在飞行器发射后的转弯上升阶段，飞行器根据目标任务，开始对姿态进行调整，主要是俯仰角的变化，同时位置信息也发生变化，但由于飞行器转弯过程中，姿态的变化导致后视图像中难以捕获到固定视角下的地面显著目标，因而采用步骤2中的位置修正方法就难以实现，因此，该阶段仅对飞行器的姿态信息进行修正。本步骤中给出一种飞行器主动段的转弯上升段中俯仰角θ的修正方法，并假定此阶段飞行器没有发生滚动和偏航。利用飞行器俯仰角发生变化时，后视相机所拍摄的前下视图像在基准图中所对应匹配图像的最远可视点和最近可视点的距离差也会发生变化这一特点，可以建立起俯仰角与该距离差之间的映射关系，进而对飞行器的俯仰角进行修正；
[0067]
具体实现步骤如下：
[0068]
步骤3.1，当飞行器开始进入转弯飞行阶段的初始时刻，该时刻下飞行器竖直向上，即俯仰角偏移量为0，记录当前飞行高度并捕获当前图像帧，在基准图上进行匹配，确定匹配图像位置；
[0069]
步骤3.2，分别确定当前时刻图像在基准图上对应匹配区域的最远可视点和最近可视点距离发射点的距离l
f
和l
c
；
[0070]
步骤3.3，随后对下一帧图像进行基准图匹配，根据位置信息，确定该时刻飞行器高度同时计算该时刻图像在基准图上匹配区域的最远可视点和最近可视点距离差l
d
；
[0071]
步骤3.4，由于相机与飞行器固定连接，假定飞行器不进行滚转和偏航运动，由于不同俯仰角下，后视相机捕获图像在基准图上对应的匹配区域的最远可视点和最近可视点距离差不同，按照换算关系，可以计算出飞行器俯仰角θ，实现对飞行器姿态信息的修正，具体计算公式及推导如下；
[0072]
由图3所示，飞行器转弯初始时刻，飞行器垂直于地面，由于后视相机固连在飞行器机体上，且其与飞行器质心距离远小于飞行器高度，因此可将相机视场中心线与发射点所在垂线视为重合。
[0073]
又由于飞行器机体以及尾焰的影响，后视相机只能捕捉到局部的地面图像信息，因此，设后视相机可观测到的有效区域的视角为α，后视相机可观测到的有效区域下边缘与视场中心线夹角为β，满足如下关系：
[0074][0075][0076]
可以得到：
[0077][0078][0079]
且此时，l
f
和l
c
为飞行器转弯初始时刻图像在基准图上对应匹配区域的最远可视点和最近可视点在轨迹平面内距离发射点的距离，为常数；为此时飞行器实际高度，也为常值，故视角α与β也为常值。
[0080]
当飞行器转弯之后，俯仰角θ发生变化，此时由于后视相机与飞行器固连，因此仍可将视角α与β视为恒定值。
[0081]
由图4所示，通过求解可以计算得到俯仰角θ，具体推导过程如下：
[0082]
在δofc中：
[0083][0084][0085]
|of|＝l
d
[0086]
由正弦定理有：
[0087][0088]
存在三角变换公式如下：
[0089][0090]
由上式可以得到：
[0091][0092]
即：
[0093][0094]
由此可以得到，飞行器俯仰角计算公式如下：
[0095][0096]
其中：
[0097]
步骤3.5，对每一帧图像，重复步骤3.3和3.4，直至飞行器主动飞行段结束。