輕小型無人機遙感定位系統(tǒng)誤差消除技術研究

(青海省第一測繪院 測繪工程中心，西寧 810001)

0 引言

遙感技術作為航天航空的重要技術手段，支持探測對電磁波的收集與傳輸，將環(huán)境與物質電磁波特性進行轉換，其數(shù)字形式的遙感技術可用衛(wèi)星和固定飛機為承載平臺，利用傳感器完成信息采集[1]。但該技術又容易受到衛(wèi)星周期和運行軌跡等因素制約，導致遙感缺乏機動快速能力，很難滿足正常化偵查和實時監(jiān)測需求，為此采用無人機作為無人駕駛的航空器。目前輕小型無人機成為了當下熱烈討論的焦點，其重量輕、體積小成為了輕小型無人機主要特色，且結構是由固定翼轉向旋翼構成的，因此在多個領域中得到了廣泛應用[2]。利用輕小型無人機進行遙感探測，可降低成本，提高影響分辨率，作業(yè)方式靈巧，能夠有效彌補傳統(tǒng)無人機遙感方式存在的不足。

傳統(tǒng)消除技術利用共線方程校正法消除誤差，存在誤差消除精準度低的問題[3]。劉毅等人提出了一種分塊提取圖像中心領域特征點的方法，該方法能夠直接對幾何進行校正，但是耗費時間較長，且誤差消除精準度不確定；徐秋輝提出了一種基于POS參數(shù)的無人機影像拼接技術，該技術主要利用圖像特征匹配完成圖像拼接，雖然具有較強匹配性，但算法復雜程度較高；陳信華提出了一種最小二乘法實現(xiàn)影像拼接與實時定位技術，該技術利用平均融合法將遙感圖像進行目標轉換，速度加快，但是容易受到平臺、載荷等因素干擾，存在局限性[4]。

針對上述存在的問題，對輕小型無人機遙感定位系統(tǒng)誤差消除技術展開研究。突破局限性降低影像處理復雜程度，進一步提高遙感影像處理技術，實現(xiàn)定位系統(tǒng)誤差精準消除，通過實驗驗證，可得出實驗結論，該技術誤差消除精準度較高，可滿足人們需求。

1 輕小型無人機遙感定位模型的構建

輕小型無人機以方便靈活的特點被各界人士廣泛應用，能夠更加高效完成行業(yè)實際工作，在遙感與航測行業(yè)中，使用輕小型無人機可以發(fā)揮其機動快速特點[5]。輕小型無人機遙感系統(tǒng)是由三部分組成的，分別是控制系統(tǒng)、輕小型無人機遙感平臺和影像處理系統(tǒng)，其主要發(fā)揮的功能有：利用控制系統(tǒng)可完成輕小型無人機航線規(guī)劃和飛行路線控制，航線規(guī)劃可以設定飛行路線，規(guī)定飛行任務，而飛行路線控制可以用來實時操控飛行和交互操作；利用輕小型無人機遙感平臺，可以承載傳感器對數(shù)據(jù)的傳輸，主要由四翼無人機、相機、云臺和GPS定位系統(tǒng)組成，可以完成對地直接拍照，飛行位置數(shù)據(jù)的實時回傳；影像處理系統(tǒng)主要對圖像進行處理，包括圖像矯正、融合和拼接，并在此基礎上，可進行擴展，比如對影像進行直接查詢和瀏覽等，系統(tǒng)運行流程如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)運行流程

由圖1可知，輕小型無人機在每次實施操作之前，都需對即將探測區(qū)域進行定位，確定航線后，注入航線到遙感飛行平臺；在GPS定位系統(tǒng)協(xié)助下，根據(jù)計劃的航線進行拍攝，獲取影像序列；如果航拍結束后，需將獲取的影響信息傳送到處理系統(tǒng)當中，完成一系列的矯正、融合、拼接等圖像處理，并由此將圖像存儲，進一步對大幅影響進行特征處理[5]。以上步驟都需要輕小型無人機遙感定位系統(tǒng)零誤差的運作，為此需先建立定位坐標系，然后對目標進行定位，由此可構建輕小型無人機遙感定位模型。

1.1 定位坐標系建立

1.1.1 輕小型無人機航線坐標系

以輕小型無人機初始位置為坐標系的原點，y軸為天際，z軸為輕小型無人機運行方向，x軸與y軸和z軸共同組成右手定則直角坐標系。

1.1.2 輕小型無人機初始位置坐標系

以輕小型無人機運行軌跡為坐標系原點，x軸為水平方向右側運行軌跡，y軸為水平方向左側運行軌跡，z軸為垂直運行軌跡。

1.1.3 地理參考坐標系

將無人機運行時所參考的物質為中心參考原點，x軸沿著原點指向東，y軸沿著原點指向北，z軸沿著垂直原點指向天際。

1.2 輕小型無人機目標定位

輕小型無人機攜帶電視圖像傳感器和激光成像傳感器，由于在運行過程中受到空氣流和螺旋槳影響，導致不能按照規(guī)定路線飛行，無人機進行定位時產(chǎn)生了細微俯仰角、偏航角和翻滾角的偏差，同時對于定位過程的連續(xù)性受到了限制，對目標位置無法進行準確定位[6]。

起飛后的輕小型無人機在視角范圍內(nèi)可捕捉到起飛坐標原點，建立坐標系，使統(tǒng)一視角范圍內(nèi)的輕小型無人機飛行過一段距離后可準確捕獲到目標，由此完成圖像處理和識別，進而對目標位置進行定位，經(jīng)過坐標系轉換后，可獲得如圖2的輕小型無人機遙感定位模型。

圖2 輕小型無人機遙感定位模型

由圖2可知，圖中的經(jīng)緯度信息都是通過輕小型無人機遙感影像進行確認的，其中a，b，c分別表示輕小型無人機受到空氣流和螺旋槳影響導致定位發(fā)生的細微俯仰角、偏航角和翻滾角的偏差。

2 基于定位模型的誤差消除

2.1 定位誤差分析

根據(jù)上述遙感定位模型，對輕小型無人機激光成像與電視圖像相結合的目標進行定位，其原理如圖3所示。

圖3 目標定位原理

圖3中：P表示目標實際位置；O為坐標原點，位于遙感圖像中心，通過共軸的電視圖像可獲得像素坐標位置，利用輕小型無人機可探測到目標在激光成像中的坐標位置。當輕小型無人機存在姿勢誤差時，對目標位置應進行修正，修正結果為：

(1)

式(1)中,Δa、Δb、Δc分別表示偏離航線所產(chǎn)生的隨機誤差；A′和B′表示傳感器通過遙感技術實時反饋目標位置信息參數(shù)。

2.2 目標坐標轉換

為了更加方便消除誤差，需對目標位置進行轉換，如果地表參照信息與所獲得的目標信息無法在統(tǒng)一視覺范圍內(nèi)被捕獲，需通過輕小型無人機構建坐標原點，在此之后需繼續(xù)飛行一段距離捕獲目標位置，此時的目標位置、地表參照物之間關系可通過無人機軌跡坐標轉動變量、位移變量得到，至此實現(xiàn)對無人機對目標位置的監(jiān)測。

通過模型構建和無人機隱秘飛行特征，在某一個特定時刻可捕獲目標識別和地圖匹配的坐標系，針對原點與目標之間進行標注，并利用共軸特性對激光成像各點之間距離進行計算[7]。由于無人機進行操作時，指揮官需對無人機圖像信息進行確認，以便后續(xù)找出目標，針對附近具有有效參照物的目標需及時標記，獲取到的地標是相對于參照物的位置信息，以輕小型無人機為中繼點，計算獲取的目標與地標之間位置關系，并最終轉換定位目標與參照物目標位置關系，消除由于干擾因素導致的輕小型無人機自定位不準確問題。

將獲得的目標與參照物目標位置進行實時轉換，可以獲得系統(tǒng)中的目標點，構建地標坐標系和參照物坐標系均是東—北—天方向的地理參考系，為此可將目標位置轉換成為坐標系的位置信息，并可表述為：

{目標在X軸坐標}={目標在Y軸坐標}+{地標在Z軸坐標}。

2.3 誤差消除的實現(xiàn)

傳統(tǒng)輕小型無人機目標定位主要是以無人機本身為初始點進行目標坐標系轉換的[8]，該誤差主要取決于無人機的自定位，根據(jù)構建目標定位模型，通過第三方作為坐標轉換基礎，地表參照物選取和固定建筑為主，為此，針對目標位置定位的誤差來源以圖像抖動和時延為主，都可屬于隨機產(chǎn)生的誤差，通過提高同軌影像系統(tǒng)定位精度方法來消除誤差影響。針對同一軌跡數(shù)據(jù)來說，系統(tǒng)誤差消除參數(shù)會隨著時間變化而發(fā)生改變，考慮到同一軌道內(nèi)的成像時間一致，可通過校正影像序列，利用插值理論構建系統(tǒng)誤差消除參數(shù)預測模型。并利用該模型可充分將局部影像精確校正，同時消除系統(tǒng)誤差參數(shù)，但是根據(jù)已知參數(shù)向外推或者向內(nèi)推都會受到同一軌跡數(shù)據(jù)誤差的影響，為此需根據(jù)衛(wèi)星運動情況展開分析，以此為基礎開展實驗，保證模型精準度。

無人機飛行軌跡基本平穩(wěn)，姿勢變化幅度范圍較小，傳感器參數(shù)在動態(tài)拍攝影像過程中總會隨著時間的變化而發(fā)生改變[9]，由此可認為參數(shù)是具有線性變化形式的，可將同一軌跡數(shù)據(jù)系統(tǒng)誤差消除參數(shù)都具有線性變化形式。統(tǒng)一軌道獲取遙感影像序列變化時，基本是處于平穩(wěn)狀態(tài)下的，可充分利用局部影像處理技術消除系統(tǒng)誤差參數(shù)，基于待校正的影響序列可構建預測模型，其方法為：

在一個已知函數(shù)區(qū)間上選取不同取值點函數(shù)值，求出一個或者多個n次多項式，并借助Lagrange線性插值對待校正影像序號和待求解系統(tǒng)誤差進行消除，同一軌跡已經(jīng)獲得了準確的系統(tǒng)誤差影響序號，通過待校正影像消除預測公式可通過Lagrange線性插值得到：

(1)

式(1)中,T0、T1分別為同一軌跡獲取的精準誤差影像序號；R0、R1為修改后的影像序號。

利用二次差值，從已知影響序號T0、T1、T2中獲取修改后的影響序號R0、R1、R2。設T和R分別為待校正影像序號和待修正的系統(tǒng)誤差，利用拋物線差值方法，可獲得待校正影像序列預測公式：

(2)

具體模型以及取值應在實際數(shù)據(jù)分析中進行選擇，當數(shù)據(jù)穩(wěn)定性較高時，可采用多重平均值或者局部線性方法進行計算，由此獲取預測影像校正序列。

根據(jù)獲得的預測影像校正序列，對影響位置進行預判定位，該定位主要受內(nèi)外方位元素影響，將主點誤差造成的影響能夠通過地面目標點進行平移，其平移長度與影像比例尺是息息相關的，而焦距造成的誤差是因為地面目標點產(chǎn)生了變形，與外方相比，內(nèi)方元素誤差影響較小。針對俯仰角和滾動角發(fā)生誤差的主要原因就是平移，而航偏角發(fā)生誤差的主要原因就是旋轉，姿態(tài)角誤差是由外方位元素中最大誤差造成的[10]。由此可知，無人機遙感影像直接定位精準度主要是在平移向量上表現(xiàn)出來的，如果平移誤差可以消除，那么就能有效提高定位精準度。

首先利用GPS預測相位中心位置獲取坐標系，得到目標位置和姿態(tài)，將GPS預測的數(shù)據(jù)通過目標轉換得到轉換后的位置和指向。遙感技術會在地面測定GPS相位中心在本體坐標系中的偏移量以及旋轉關系，但是沒有通過影像坐標直接轉換為傳感器坐標，也沒有測定CCD線陣像元指向角，如果將偏移量與相機安裝矩陣合并，那么在小視角下合并后的偏移量與相機安裝矩陣旋轉量在對地定位精準度是一致的，因此，可將偏移量與角旋轉量合并到相機安裝矩陣中。根據(jù)待校正影像序列預測公式，對目標位置進行校正補償，由此可得到定位姿態(tài)檢驗模型，如下所示：

(3)

3 實驗

為了驗證輕小型無人機遙感定位系統(tǒng)誤差消除技術的合理性，設計了實驗。設置實驗初始條件，對實驗結果展開分析，并得出結論。

3.1 實驗條件設置

目標位置為停在地上的一輛面包車，輕小型無人機距離地面約為12 km，距離面包車約為11.8 km，當輕小型無人機航向角為220°時，捕獲到的目標與地面參考物是在同一視角下，在地面參考物上標記海拔高度，無人機GPS定位誤差設為50 m，激光成像和電視成像雷達探測誤差為1%，通過無人機上傳感器反饋回的目標信息作為參考坐標系。實驗所使用的計算機環(huán)境機型硬件配置為：1)Intel Xeon E5-2620，雙核12個線程，主頻率為2 GHz；2)內(nèi)存大小為64 GB；3)NVIDIA Tesla C2050型號的顯卡，專用存儲器總容量為5 GB。

3.2 實驗結果與分析

以無人機為中繼目標，將傳統(tǒng)無人機目標定位誤差消除技術與改進誤差消除技術的測試結果進行對比，結果如表1所示。

表1 中繼目標指示計算結果

由表1可知，通過1 000次獨立實驗計算后獲得的標準坐標為(33 471，17 772.5，90)，定位誤差達到了1 164 m×681 m×622 m；采用傳統(tǒng)技術獲得的坐標為(30 472，14 911.5，551)，定位誤差達到了1 174 m×1 061 m×654 m；采用改進技術獲得的坐標平均值為(33 546.5，17 421.5，298)，定位誤差達到了1 089 m×1 141 m×596 m。為了使數(shù)據(jù)更直觀反映出兩種技術誤差消除精準性，繪制了如圖4所示的對比三維坐標系。

由圖4可知：傳統(tǒng)技術誤差消除后所獲得的坐標點集合范圍為(30 472，14 911.5，551)，而改進技術誤差消除后所獲得的坐標點集合范圍為(33 546.5，17 421.5，298)，而標準坐標點集合為(33 471，17 772.5，90)，從圖上可以看出，傳統(tǒng)技術坐標點遠遠偏離正確坐標位置，而改進技術坐標點大部分與正確坐標一致。

圖4 兩種技術誤差消除精準性對比結果

3.3 實驗結論

根據(jù)實驗內(nèi)容，可得出實驗結論：傳統(tǒng)技術定位誤差消除技術是建立在無人機自定位基礎上實現(xiàn)的，對導航模塊要求非常高，而改進技術是通過對輕小型無人機遙感范圍內(nèi)的顯著目標進行標識與判斷，并在遙感地圖上進行標記，將誤差消除，可減少靈敏程度上的定位誤差，并從上述內(nèi)容可得出結果，傳統(tǒng)技術坐標點遠遠偏離正確坐標位置，而改進技術坐標點大部分與正確坐標一致，由此說明，改進技術誤差消除精準度高。

4 結束語

輕小型無人機進行目標定位時，可適應復雜地形，構建以無人機為目標指示模型，可降低輕小型無人機自身產(chǎn)生的隨機誤差所帶來的定位誤差，進而提高目標定位指示精準度。與傳統(tǒng)技術相比，改進技術主要結合了遙感地圖通過目標匹配對參照物進行標記，無人機作為中繼，消除飛行過程中其他不確定因素干擾所造成的目標定位誤差。由實驗結果可知，該技術誤差消除精準度高，可為復雜地形目標定位提供有效技術支持。

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