機(jī)載激光雷達(dá)景像匹配輔助導(dǎo)航方法

摘 要：以可見光視覺傳感器方案為代表的景像匹配導(dǎo)航方法容易受光照、天氣等外部環(huán)境變化影響，無法完成圖像信息的有效采集，導(dǎo)致導(dǎo)航系統(tǒng)誤差發(fā)散。為解決該問題，本文提出了一種機(jī)載激光雷達(dá)景像匹配輔助導(dǎo)航方法。首先，對激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，拼接激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)并提取點(diǎn)云強(qiáng)度信息構(gòu)建激光點(diǎn)云強(qiáng)度圖像；其次，基于異源圖像特征匹配方法提取激光點(diǎn)云強(qiáng)度圖像與先驗(yàn)基準(zhǔn)地圖中的特征信息進(jìn)行特征匹配；最后，從特征匹配結(jié)果中提取匹配定位信息，將其引入慣性/景像匹配融合導(dǎo)航框架，進(jìn)而校正慣性導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)散誤差。經(jīng)真實(shí)飛行數(shù)據(jù)測試驗(yàn)證，本文方法能有效抑制慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的誤差發(fā)散，其導(dǎo)航精度≤2m，并且可實(shí)現(xiàn)全天時條件下應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：激光雷達(dá)； 圖像匹配； 景像匹配導(dǎo)航； 慣性導(dǎo)航； 融合導(dǎo)航

中圖分類號：V249 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.19452/j.issn1007-5453.2024.12.005

景像匹配導(dǎo)航是一種采用視覺傳感器獲取飛行器周圍或目標(biāo)區(qū)域附近的航拍圖像，通過與事先建立的基準(zhǔn)地圖（如數(shù)字正射影像圖（DOM））匹配來獲取飛行器位置數(shù)據(jù)的自主導(dǎo)航方法[1]。該類方法與傳統(tǒng)的慣性導(dǎo)航、衛(wèi)星導(dǎo)航等技術(shù)并行發(fā)展，并且可以作為這些技術(shù)的有效補(bǔ)充。通過賦予飛行器“視覺”能力，景像匹配導(dǎo)航利用圖像間的匹配搜索和識別等技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)在衛(wèi)星信號拒止等強(qiáng)電磁干擾對抗環(huán)境下飛行器的長航時、高精度導(dǎo)航需求。

根據(jù)所采用成像傳感器方案的不同，現(xiàn)階段景像匹配導(dǎo)航方法主要可以分為基于光學(xué)、紅外和雷達(dá)圖像三種類型[2]。其中，以“戰(zhàn)斧”巡航導(dǎo)彈為代表的光學(xué)圖像匹配導(dǎo)航技術(shù)能夠通過直接成像，為系統(tǒng)提供高分辨率且清晰的目標(biāo)圖像[3]。然而，當(dāng)應(yīng)用于煙霧、塵埃等能見度差以及夜晚等環(huán)境中時，其性能會因?yàn)殡y以對環(huán)境有效成像出現(xiàn)顯著下降；基于紅外圖像匹配技術(shù)的景像匹配導(dǎo)航方法雖然在晝夜和能見度低的條件下依然具備良好的工作能力和光電干擾抵抗能力，但該類方法所采用的成像傳感器往往有效作用距離有限，難以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離工作；采用合成孔徑雷達(dá)（SAR）、干涉合成孔徑雷達(dá)（InSAR）等傳感器的雷達(dá)圖像匹配導(dǎo)航技術(shù)相較于前兩者在全天時、全天候，以及較高飛行高度的應(yīng)用方面具有明顯優(yōu)勢，但該類傳感器在近距離成像方面同樣存在一定局限性且易受干擾，同時由于該類設(shè)備的造價普遍較高，更是限制了其在更廣范圍機(jī)載導(dǎo)航系統(tǒng)中的應(yīng)用[4]。

此外，近年來為提升景像匹配導(dǎo)航抗干擾能力的改進(jìn)算法也不斷涌現(xiàn)[5-7]。Zhao Chunhui 等[8]在利用視覺里程計對飛行器幀間連續(xù)相對運(yùn)動進(jìn)行估計的同時，通過在景像匹配可用區(qū)域利用圖像匹配獲取飛行器絕對定位信息，并將其作為輔助定位信息消除里程計的積累誤差進(jìn)而實(shí)現(xiàn)連續(xù)高精度導(dǎo)航。Wang Huaxia 等[9]則利用在不同日期和時間采集的數(shù)字地表模型（DSM）制備基準(zhǔn)陰影地圖，通過提取航拍圖與基準(zhǔn)圖中的陰影信息并將其作為一種新的景像匹配穩(wěn)定特征，增強(qiáng)了景像匹配方法在光線變化環(huán)境中的魯棒性。

隨著傳感器技術(shù)的不斷改進(jìn)，激光雷達(dá)作為一種主動成像測量傳感器，在彈載末段制導(dǎo)和大地測繪等領(lǐng)域逐步得到廣泛應(yīng)用[10]。相較于被動成像傳感器，激光雷達(dá)具備抗干擾能力強(qiáng)、信息量大等特點(diǎn)，能夠直接獲取三維空間分布信息。然而，盡管激光雷達(dá)已在上述領(lǐng)域取得了顯著成就，但在飛行器景像匹配導(dǎo)航方面的應(yīng)用成果卻相對較少。激光雷達(dá)通過發(fā)射激光線束獲取包括距離圖像和強(qiáng)度圖像等信息在內(nèi)的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，其中強(qiáng)度圖像和光學(xué)圖像具有相同的機(jī)理和相似的性質(zhì)，在異源圖像匹配中表現(xiàn)出良好的可匹配性，因此將激光雷達(dá)應(yīng)用于飛行器景像匹配導(dǎo)航具有重要價值。

因此，本文提出了一種機(jī)載激光雷達(dá)景像匹配輔助導(dǎo)航方法，首先通過拼接一定范圍內(nèi)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，構(gòu)建激光點(diǎn)云強(qiáng)度地圖；其次利用異源圖像特征匹配方法，提取點(diǎn)云強(qiáng)度圖像與可見光景像基準(zhǔn)地圖中的特征信息，完成特征匹配并對飛行器位置參數(shù)進(jìn)行估計。通過構(gòu)建慣性/景像匹配組合導(dǎo)航框架，將位置估計結(jié)果作為觀測信息，校正慣性導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)散誤差。在此基礎(chǔ)上，通過真實(shí)飛行數(shù)據(jù)對本文所提出的方法進(jìn)行測試，并與純慣性導(dǎo)航解算結(jié)果以及慣性/衛(wèi)星組合導(dǎo)航解算結(jié)果進(jìn)行對比，驗(yàn)證了所提方法的有效性。