机载GPS测量定位技术研究

为了得到侦察目标的大地坐标以及引导载机捕捉已知目标,提出了机载GPS测量定位方法.应用GPS技术,获取载机及已知目标的位置信息,利用齐次坐标转换方法进行定位引导过程的坐标转换,从而得到目标定位引导数据.通过实验对机载GPS测量定位方法进行了检验.实验结果表明:定位精度达到了30 m,引导精度为2°.用蒙特卡洛法对实验误差进行了分析并得到了精度误差范围,其结果在期望的误差范围内,表明机载GPS测量定位技术具有一定的实用和推广价值.     

机载测量平台中的坐标转换误差分析

为了提高机载测量平台的定位精度和引导精度,利用齐次坐标转换法推导了从大地坐标系到望远镜坐标系的转换方程,并在此基础上建立了误差分析的数学模型.运用蒙特卡罗法的思想,综合分析了机载测量系统中各参数对结果的影响.提出了改善平台测量精度首先要解决的就是载机姿态精度;其次是载机(或目标)的位置精度;此外,通过数据处理来提高定位精度也是有效的方法.实验结果表明:姿态精度从0.3°提升至0.1°后,定位精度和引导精度都可提高30%;载机位置精度从20 m提升至5 m后,定位精度可提高9%.分析过程和结果对机载测量平台的设计有一定的参考价值.     

基于激光测距的机载光电成像系统目标定位

针对小型机载光电平台无法准确获取视轴指向问题,设计了一种基于激光测距的目标定位算法。利用机载光电侦察平台锁定跟踪目标的特性,对同一目标多次测量,采用激光测距装置获取目标与载机间的距离信息。根据WGS-84定义的地球椭球模型建立系统的测量方程。考虑到测量方程的非线性,利用扩展卡尔曼滤波对目标位置进行估计。该定位方法精度只受到GPS接收机定位精度和激光测距机测量精度的影响,目标定位误差与机载光电侦察设备视轴指向测量无关。采用蒙特卡洛法仿真分析载机位置测量误差及激光测距系统位置误差对目标定位的影响,结果显示该算法定位精度较高。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8 000 m时,目标定位精度优于8 m。相比于传统定位算法,该方法可将定位精度明显提高。同时此定位方法易于部署,可操作性强,具有较大的应用价值。     

姿态角扰动对机载激光雷达点云数据的影响

为研究机载平台的姿态角扰动对激光雷达点云扫描区域和密度分布,以及对由激光点云重建的三维表面模型的精度影响,首先从理论上阐明了姿态角扰动对激光点云扫描区域、密度分布及重建三维表面模型精度的影响机理;其次通过数值仿真,详细分析了姿态角扰动对激光点云扫描区域和密度分布的影响规律;最后通过半实物仿真实验,模拟了真实机载激光雷达扫描过程,验证了机载平台的姿态角扰动对激光点云扫描区域和密度分布的影响,并定量评价了姿态角扰动造成的数字表面模型( DSM)的精度变化.仿真和实验结果表明,机载平台姿态角扰动造成激光点云扫描区域偏移和局部区域点云密度降低,前者导致被扫描目标地形的部分区域漏扫;后者导致由激光点云重建的DSM失真增大.因此,姿态角扰动对机载激光雷达点云的扫描区域和密度分布,及对DSM的重建精度有显著的影响,应采取有效措施对姿态角扰动进行实时抑制或补偿.     

大角度倾斜成像航空相机对地目标定位

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,再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。采用蒙特卡洛法仿真分析载机位置姿态测量误差及相机框架角位置误差对视轴指向精度的影响,相比于仅采用地球椭球模型的目标定位算法,该算法有效降低了地形起伏对目标定位影响,在目标区域地形起伏标准差大于10m时,大角度倾斜成像的定位精度明显提高。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18 000m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。     

机载成像系统像移计算模型与误差分析

研究了机载成像系统的像移及其对成像质量与相机分辨率的影响。为准确获取像移矢量,实现成像系统像移补偿,提出了一种基于坐标变换的机载成像系统像移计算模型。通过线性坐标变换,建立了从地面目标景物到成像系统像面的坐标变换模型,推导了地面目标景物在成像系统像面的解析表达式,根据坐标在相机积分时间内的变化来确定像移矢量。分析了成像系统像移误差的主要来源,讨论了载机轨道坐标、飞行姿态角和相机视轴角误差对像移计算结果的影响,采用蒙特卡罗方法分析和统计了像移计算误差。样本实验结果表明,在载机姿态角和相机摆角不变条件下,像移量与载机速度成正比,与目标距离成反比,像移误差随着参数误差的增加而增加,其中载机经度和纬度误差是影响像移计算误差的重要因素。结果显示本文方法对机载成像系统的像移补偿具有实用价值。     

载机飞行参数对倾斜成像重叠率影响及补偿

针对飞机姿态角、速度、高度对重叠率影响进行分析并给出了补偿方法。以图像目标直接地理定位方法为基础,给出了大倾斜成像重叠率的基于坐标变换分析方法;对飞行参数单变量影响给出了几何分析方法及计算公式,两种方法结果是一致的。对于载机姿态角综合作用影响,利用基于坐标变换的方法给出了载机姿态角波动在1°范围内,分析了图像目标区域与预期区域偏离的结果,同时提出了使用相机位角和俯角对飞机姿态角影响进行补偿的方法,并给出了基于坐标变换方法的相机位角和俯角补偿量计算公式;基于几何分析结果,提出了通过调整拍照周期对载机速度和载机高度波动影响进行补偿方法,并给出拍照周期的计算公式。仿真结果和实际飞行数据表明,使用相机位角和俯角进行载机姿态补偿,同时调整拍照周期,可以很好抑制航拍过程中飞机参数波动对重叠率影响,在小视场角0.88°时,在平坦地区重叠率均值与预期值偏差为1%。     

机载激光雷达姿态角补偿及其效果验证

机载激光雷达(LiDAR)扫描被测地形获得激光点云,进而重建被测地形的三维图像。机载激光雷达测量过程中,机载平台姿态角时刻发生波动,其对激光点云密度分布及重建三维成像精度具有显著影响。为消除姿态角波动对激光雷达测量的不利影响,设计了一套姿态角补偿装置,包括机械结构设计和控制系统设计;并搭建了半物理仿真实验系统,编制了总控制软件使各子设备之间时间同步控制及数据采集,实现了对机载激光雷达工作原理及姿态角补偿原理的实验仿真和补偿效果验证,补偿后DSM高程精度的RMSE误差由3.50mm以上减小到3.28mm。实验结果表明,搭建的半物理仿真实验系统可正确模拟机载激光雷达的工作过程,设计的姿态角补偿样机对机载激光雷达点云产品质量有显著的补偿效果。     

基于热成像的埋地热力管道缺陷检测试验研究

为了研究埋地热力管道缺陷检测、泄漏定位问题,根据相似性原理搭建埋地热力管道泄漏试验平台,利用红外热像仪对3种不同工况的埋地管道上方地表进行探测,分析热力管道上方地表红外热像、最大差值辐射温度和差值温度分布变化特征。结果表明,埋地管道泄漏时,红外热像上漏点周围会呈现椭圆形高温区、温度梯度区与自然温度区,高温区内温度最大点往往对应漏点的位置,温度梯度区代表泄漏的影响范围。管道泄漏时最大差值辐射温度升温速率最快,分别是管道保温层破损和管道无破损的2倍和4倍,其差值温度分布直方图由正态分布演变为偏态分布。所提出的根据热像图的像素计算埋地管道泄漏影响区域的实际面积以及根据最大温度点的坐标确定泄漏点位置的方法,可实现管道泄漏影响评估和漏点准确定位。     

无人机光电侦测平台目标定位误差分析

针对无人机光电侦测平台在目标定位过程中测量误差因素繁多、分析困难等问题,提出了一种基于多因素分析的误差建模与分析方法.在系统总体结构的基础上,根据目标从空间直角坐标系到光电传感器坐标系的映射关系,建立目标定位模型,以载机位置、姿态误差以及光电侦测平台转角、测距误差等9项因数为变量,推导出目标定位误差计算公式.采用飞行实验数据验证了该误差计算方法的有效性,并通过仿真实验分析了载机位置、姿态角误差、光电传感器方位角、高低角误差以及激光测距误差对目标定位精度的影响,同时指出实际应用中无人机测量点位置与目标定位精度的关系,载机高度越低、视轴指向角越大,目标定位精度越高.