航空多光譜相機三坐標(biāo)無源定位技術(shù)
發(fā)布日期：2021-04-17瀏覽次數(shù)：93
航空相機是民用測繪、軍事偵察的有效手段，可對任務(wù)區(qū)域進行大范圍地圖制備和偵察情報生成，既可單獨形成系統(tǒng)，又可作為天基成像的有效補充。在拍攝圖像的同時獲取圖像，同時疊加上地理、水文、氣象信息，并且準(zhǔn)確捕獲目標(biāo)的形態(tài)、位置變化信息，才能形成有效情報，完成偵察或測繪任務(wù)。
航空多光譜相機采用焦平面探測成像系統(tǒng)，可在全天時、準(zhǔn)全天候作業(yè)的條件下對機下進行大幅寬高分辨率成像探測。2021年2月，天津津航技術(shù)物理研究所董浩團隊在《紅外與激光工程》期刊上發(fā)表論文“航空多光譜相機三坐標(biāo)無源定位技術(shù)”。文中針對航空多光譜相機的三坐標(biāo)無源定位問題，介紹了相機組成及無測距信息輔助情況下的三坐標(biāo)無源定位原理，梳理了航空多光譜相機的三坐標(biāo)無源定位關(guān)鍵技術(shù)。通過載體的位置姿態(tài)精確測量，測角電路設(shè)計、測角誤差標(biāo)定與補償，多傳感器安裝姿態(tài)標(biāo)定，時間同步設(shè)計四大關(guān)鍵技術(shù)保證相機的定位精度。
圖1 航空相機測繪作業(yè)
某航空多光譜相機由基座、掃描穩(wěn)定平臺、相機本體和POS組成。在無測距信息狀態(tài)下，采用被動無源定位方法實現(xiàn)圖像的三坐標(biāo)定位，原理為載體、目標(biāo)在地面投影以及地心的三角形幾何約束關(guān)系。
圖2 無源定位原理
相機拍攝圖像得到像空間坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，經(jīng)過歸一化后得到單位矢量，再經(jīng)過數(shù)次坐標(biāo)變換，分別得到基座坐標(biāo)系、地理坐標(biāo)系以及大地直角坐標(biāo)系下的單位矢量進一步向地球橢球投影，計算可得投影坐標(biāo)，換算得到經(jīng)緯度坐標(biāo)。根據(jù)該計算流程，變換過程中的穩(wěn)定平臺角度、載機姿態(tài)角以及經(jīng)緯高位置精度，決定了目標(biāo)的三坐標(biāo)定位精度。由于是遠(yuǎn)距離成像，角度誤差引起的位置誤差遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于位置測量誤差，角位置精度對定位精度起決定性作用。因此相機中與角度測量的相關(guān)技術(shù)，如高精度位姿動態(tài)測量技術(shù)、掃描穩(wěn)定平臺測角信號處理及辨識補償、掃描型相機多維外方位元素標(biāo)定技術(shù)以及異構(gòu)多源傳感時鐘同步技術(shù)是機載相機的三坐標(biāo)無源定位關(guān)鍵技術(shù)。
關(guān)鍵技術(shù)
將閉環(huán)誤差控制引入Kalman濾波器，將濾波估計出位置、速度誤差，通過控制器實時反饋到輸入端，抑制姿態(tài)角的誤差振蕩幅值，可有效提高系統(tǒng)姿態(tài)誤差模型的準(zhǔn)確度。
根據(jù)測角誤差呈現(xiàn)周期性特點，利用諧波分析法對測角誤差進行分析，辨識一次諧波與二次諧波系數(shù)，利用分段線性化方法或諧波補償方法對測角誤差進行補償，提高測角精度。補償完成后反復(fù)通過環(huán)境試驗驗證測角指標(biāo)穩(wěn)定性、分階段定期復(fù)測來驗證測角指標(biāo)的長期穩(wěn)定性。
圖3 載體位姿測量
圖4 測角誤差辨識補償
（3）掃描型相機多維外方位元素標(biāo)定
建立各個傳感器與立方鏡、立方鏡間的相互姿態(tài)關(guān)系后，可計算安裝姿態(tài)旋轉(zhuǎn)矩陣，采用基準(zhǔn)逐級傳遞的方法實現(xiàn)內(nèi)框架、外框架以及POS對準(zhǔn)。通過POS、測角傳感器以及多光譜相機各個譜段的安裝姿態(tài)角補償，提高圖像的定位精度。
（4）異構(gòu)多源傳感時鐘同步
采用秒脈沖信號作為時鐘同步信號，消除傳輸延遲時間影響消除。采用后處理方法，解決圖像傳輸掩飾。同步后時鐘精度受制于1s內(nèi)晶振的穩(wěn)定性以及各傳感器輸出延遲本身，多源傳感器時鐘同步精度優(yōu)于微秒級。
圖5 外方位元素標(biāo)定
圖6 時鐘同步
進一步引入內(nèi)方位元素標(biāo)定，可提高定位與圖像拼接精度；利用高精度DEM，可減小地形起伏的影響；引入自動化標(biāo)定，可大幅提高設(shè)備出廠標(biāo)定與定期維護標(biāo)定效率。隨著研究成果的工程化應(yīng)用，將推動我國航空對地觀測技術(shù)的發(fā)展。
