基于实时图与卫片的景象匹配导航技术研究

论文摘要

无人飞行器的位置参数和运动参数是非常重要的制导数据,这些数据传统上主要依赖惯性制导或卫星制导设备获取,然而惯导测量结果随时间累积误差很大,卫星制导的使用受到很多限制,且抗干扰性差。景象匹配制导由于其测量精度高、自成体系等优点,受到越来越多的重视,已成为无人飞行器复合制导中一个重要组成部分。景象匹配是对机载实时图和卫片进行配准,由于要匹配的图像之间存在较大的景象差别、几何畸变和灰度畸变,导致匹配准确度低、精度差;而且目前的景象匹配只能提供位置制导参数,不能提供速度和方向等导航参数。这是景象匹配制导在实际应用中存在的两个主要问题,本文主要就解决这两个问题展开研究。为此,本文对预处理算法、匹配算法和导航数据解算方法三个方面进行了系统深入的研究,提出了消除匹配误差因素的预处理方法,实时性和几何变形适应能力强的快速选点最小二乘景象匹配方法和全段景象匹配多点迭代拟合的高精度测速测向方法,大量无人机外场挂飞试验证明了本文景象匹配制导技术的各项指标已达到工程实用水平。论文的主要工作包括:1.对各类景象匹配方法进行综述,给出其基本实现思路,并对各类算法优缺点进行了评价。2.分析了导致景象匹配算法稳定性差的原因,提出了提高机载实时图和卫片相似度的公因子提取方法和消除图像间几何变形的几何纠正方法。3.从数学上证明了相关函数极点稳定性原理,提出了基于极点稳定性原理的快速选点最小二乘景象匹配方法,该方法在保证匹配算法几何变形适应性的同时大幅度提高了实时性;4.提出了自主导航飞行器基于景象匹配的高精度测速测向方法;分析了姿态角变化对测量精度的影响,提出了消除该误差的方法;5.进行了多组无人机外场挂飞可见光实时图与卫片的景象匹配定位测速测向试验,证明了本文预处理方法、景象匹配算法和定位测速测高方法稳定性好、精度高、实时性能好,其各项指标已达到工程实用水平。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 前言
• 1.1 课题背景
• 1.2 论文结构
• 第二章 景象匹配综述
• 2.1 基于灰度相关的匹配
• 2.2 基于特征的匹配
• 2.2.1 基于局部灰度信息的特征匹配
• 2.2.2 基于边缘形状信息的特征匹配
• 2.3 基于变换域的匹配
• 2.3.1 平移量估计
• 2.3.2 Fourier-Mellin 不变形描述子
• 第三章 景象匹配预处理技术研究与实验
• 3.1 景象公因子分析
• 3.1.1 图像畸变原因
• 3.1.2 公因子频谱分析
• 3.2 公因子提取
• 3.2.1 合并同类景象
• 3.2.2 大结构轮廓线增强
• 3.2.3 相关峰比较分析及真实图像实验结果
• 3.3 景象几何变形纠正方法
• 3.3.1 成像平台几何纠正原理
• 3.3.2 成像平台几何纠正数学模型
• 3.3.3 成像平台自动几何纠正实验结果
• 第四章 快速选点最小二乘景象匹配方法研究
• 4.1 快速选点相关概念
• 4.1.1 常用的区域相关匹配方法
• 4.1.2 图像仿射变换
• 4.1.3 区域相关响应矩阵
• 4.2 仿射变换和极点的关系研究
• 4.2.1 直接相关函数的仿射变换表达式
• 4.2.2 极点充分条件
• 4.2.3 极点分布与仿射变换的关系
• 4.2.4 极点属性与仿射变换的关系
• 4.2.5 极点稳定性原理
• 4.2.6 极点稳定性原理验证实验
• 4.3 最小二乘影像匹配
• 4.3.1 最小二乘影像匹配思想
• 4.3.2 单点最小二乘影像匹配基本原理
• 4.3.3 最小二乘影像匹配基本流程
• 4.4 快速选点最小二乘匹配
• 4.4.1 相关响应矩阵
• 4.4.2 极点提取
• 4.4.3 候选点最小二乘匹配
• 第五章 基于景象匹配的高精度测速测向方法与实验
• 5.1 景象匹配技术
• 5.1.1 景象匹配基本流程
• 5.1.2 景象匹配区选取
• 5.1.3 景象匹配策略
• 5.2 高精度测速测向方法
• 5.2.1 定位测速测向基本原理
• 5.2.2 高精度测速测向方法
• 5.2.3 像机姿态角变化引起的误差分析及解决办法
• 5.3 景象匹配定位测速测向外场挂飞实验
• 5.3.1 外场挂飞实验结果
• 5.3.2 结论
• 第六章 结论及展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果