專(zhuān)利名稱(chēng)：一種高空長(zhǎng)航時(shí)無(wú)人機(jī)組合導(dǎo)航系統(tǒng)及其導(dǎo)航定位方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高空長(zhǎng)航時(shí)無(wú)人機(jī)組合導(dǎo)航系統(tǒng)及其導(dǎo)航定位方法，屬于組合導(dǎo)航技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
無(wú)人機(jī)作為近代飛行器的一個(gè)重要分支，在國(guó)防建設(shè)中一直發(fā)揮著重要的作用。 隨著高新技術(shù)在國(guó)防領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，未來(lái)的戰(zhàn)爭(zhēng)模式將發(fā)生革命性的改變，無(wú)人機(jī)必將得以大顯身手。其用途將由單一執(zhí)行偵察任務(wù)擴(kuò)展到執(zhí)行偵察、監(jiān)視、預(yù)警、中繼通訊、攻擊要害目標(biāo)等多種任務(wù)，這對(duì)無(wú)人機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)的精度、可靠性、適應(yīng)性等都提出了更高的要求。目前國(guó)內(nèi)外各型號(hào)無(wú)人機(jī)主要是通過(guò)慣導(dǎo)和衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)組合的方式來(lái)確保導(dǎo)航精度，最為著名的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)當(dāng)屬美國(guó)的全球定位系統(tǒng)，而該系統(tǒng)的使用權(quán)由美國(guó)軍事部門(mén)控制，其戰(zhàn)時(shí)可用性無(wú)法得到保證。我國(guó)自主研制的“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)仍在籌建中，尚未形成完整體系，同時(shí)考慮到衛(wèi)星信號(hào)易受電磁干擾、傳輸質(zhì)量受天氣影響以及本機(jī)與衛(wèi)星的交互信號(hào)易被敵方截獲導(dǎo)致目標(biāo)暴露等缺點(diǎn)，使得研究具有高精度、抗干擾、全天候、自主性的導(dǎo)航系統(tǒng)成為當(dāng)前無(wú)人機(jī)的研究重點(diǎn)，也是未來(lái)無(wú)人機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。結(jié)合我國(guó)現(xiàn)有的慣導(dǎo)設(shè)備水平，慣導(dǎo)和景象匹配組合導(dǎo)航方式是一個(gè)優(yōu)選技術(shù)方案。該種導(dǎo)航方式是通過(guò)機(jī)載先進(jìn)圖像傳感器獲取目標(biāo)景象，利用圖像匹配得到無(wú)人機(jī)的定位信息，并與慣導(dǎo)設(shè)備的測(cè)量信息進(jìn)行融合，最終得到無(wú)人機(jī)的高精度導(dǎo)航參數(shù)。因技術(shù)保密，國(guó)外對(duì)慣導(dǎo)和景象匹配組合導(dǎo)航系統(tǒng)的研究工作還未見(jiàn)報(bào)道。在國(guó)內(nèi)，目前有多所高校、研究所正在積極地開(kāi)展該方面技術(shù)的研究，如清華、北航、西工大、南航等高校都從不同方面開(kāi)展了卓有成效的研究工作，并取得了一定的研究成果。在現(xiàn)有的慣導(dǎo)和景象匹配組合導(dǎo)航系統(tǒng)研究工作中，仍存在如下一些不足之處需要改進(jìn)1)使用單一處理器，信息處理能力有限。由于無(wú)人機(jī)的任務(wù)要求，需要進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的高空偵察飛行，帶載能力有限，要求機(jī)載設(shè)備既要重量輕，又要功耗低，所以多數(shù)無(wú)人機(jī)只采用一個(gè)微處理器。單一處理器既要采集各種傳感器的數(shù)據(jù)，又要進(jìn)行信息融合得到導(dǎo)航參數(shù)，降低了系統(tǒng)的響應(yīng)速度。2)處理多源遙感圖像，匹配定位精度不高。由于基準(zhǔn)圖常由衛(wèi)星拍攝得到，而實(shí)時(shí)圖由機(jī)載成像傳感器獲取，兩者間的灰度存在較大差異，同時(shí)兩者間還存在著角度旋轉(zhuǎn)、尺度縮放以及噪聲等因素干擾，使得圖像匹配結(jié)果存在較多誤匹配情況，致使匹配定位精度不高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出高空長(zhǎng)航時(shí)無(wú)人機(jī)組合導(dǎo)航系統(tǒng)及其導(dǎo)航定位方法，以提高無(wú)人機(jī)飛行導(dǎo)航定位的實(shí)時(shí)性、自主性和精度，減少無(wú)人機(jī)對(duì)全球定位系統(tǒng)的依賴(lài)程度，拓寬無(wú)人機(jī)的戰(zhàn)時(shí)可用性。本發(fā)明提供一種高空長(zhǎng)航時(shí)無(wú)人機(jī)組合導(dǎo)航系統(tǒng)，包括慣導(dǎo)設(shè)備、景象匹配定位模塊、大氣傳感器、信息融合處理模塊、上行通訊接口和下行通訊接口。所述的慣導(dǎo)設(shè)備包括三軸角速率陀螺儀和三軸加速度計(jì)。三軸角速率陀螺儀沿?zé)o人機(jī)機(jī)體系三軸分布，經(jīng)放大濾波電路與信息融合處理模塊連接，用于測(cè)量無(wú)人機(jī)的姿態(tài)信息，包括俯仰角、滾轉(zhuǎn)角和航向角；三軸加速度計(jì)沿?zé)o人機(jī)機(jī)體系三軸分布，經(jīng)射隨器與信息融合處理模塊連接。其經(jīng)積分運(yùn)算得出無(wú)人機(jī)的位置信息，包括經(jīng)度和緯度。所述三軸角速率陀螺儀采用微機(jī)電角速率陀螺儀，所述的三軸加速度計(jì)采用微機(jī)電加速度計(jì)。所述景象匹配定位模塊包括機(jī)載成像傳感器、數(shù)字地圖庫(kù)和圖像匹配模塊。所述的機(jī)載成像傳感器安裝在無(wú)人機(jī)的機(jī)頭前下方，用于實(shí)時(shí)獲取無(wú)人機(jī)下方的目標(biāo)區(qū)域景象，用于作為圖像匹配模塊的實(shí)時(shí)圖輸入；所述的數(shù)字地圖庫(kù)，接受信息融合處理模塊的位置信息，調(diào)用對(duì)應(yīng)區(qū)域的地像，用于作為圖像匹配模塊的基準(zhǔn)圖輸入，包含經(jīng)度和緯度等信息；所述的圖像匹配模塊，包含特征提取子模塊和匹配定位子模塊，特征提取子模塊接受機(jī)載成像傳感器獲取的實(shí)時(shí)圖和數(shù)字地圖庫(kù)調(diào)用的基準(zhǔn)圖，完成對(duì)實(shí)時(shí)圖和基準(zhǔn)圖的圖像特征點(diǎn)提??；所述的匹配定位子模塊對(duì)特征提取子模塊提取出的實(shí)時(shí)圖和基準(zhǔn)圖的圖像特征點(diǎn)進(jìn)行導(dǎo)航參數(shù)計(jì)算，得到無(wú)人機(jī)的當(dāng)前的位置信息，作為信息融合處理模塊的輸入。 所述的機(jī)載成像傳感器采用多光譜傳感器，所述的數(shù)字地圖庫(kù)采用由衛(wèi)星或大地測(cè)量獲取的全球數(shù)字地圖數(shù)據(jù)庫(kù)。所述的大氣傳感器包括高度表和空速計(jì)。所述高度表和空速計(jì)均經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器與信息融合處理模塊的機(jī)載成像傳感器視區(qū)計(jì)算子模塊連接。所述的信息融合處理模塊包括信息濾波子模塊和結(jié)合大氣傳感器信息的機(jī)載成像傳感器視區(qū)計(jì)算子模塊。信息濾波子模塊與慣導(dǎo)設(shè)備的三軸角速率陀螺儀和三軸加速度計(jì)相連接，信息濾波子模塊還與景象匹配定位模塊的圖像匹配模塊、高度表、空速計(jì)相連接，信息濾波子模塊用于處理高度表、空速計(jì)、慣導(dǎo)設(shè)備的測(cè)量參數(shù)和景象匹配定位模塊的位置信息。機(jī)載成像傳感器視區(qū)計(jì)算子模塊還與慣導(dǎo)設(shè)備連接。所述的上行通訊接口與信息融合處理模塊的機(jī)載成像傳感器視區(qū)計(jì)算子模塊相連接，經(jīng)無(wú)線接收裝置接受地面站的遙控指令，對(duì)飛行狀態(tài)和參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。所述下行通訊接口與信息融合處理模塊的信息濾波子模塊連接，將無(wú)人機(jī)的當(dāng)前姿態(tài)、位置和高度信息經(jīng)無(wú)線發(fā)射裝置傳送給地面站，便于地面控制人員對(duì)無(wú)人機(jī)的實(shí)時(shí)遙測(cè)監(jiān)控。本發(fā)明還提出一種高空長(zhǎng)航時(shí)無(wú)人機(jī)組合導(dǎo)航系統(tǒng)的導(dǎo)航定位方法，具體包括以下幾個(gè)步驟步驟一上行通訊接口經(jīng)無(wú)線接收裝置接收地面站的遙控指令，將指令信息傳送給信息融合處理模塊的機(jī)載成像傳感器視區(qū)計(jì)算子模塊。步驟二景象匹配定位模塊進(jìn)行遙感圖像間的匹配定位，獲取無(wú)人機(jī)當(dāng)前的位置信息，并將其提供給信息融合處理模塊。首先通過(guò)安裝在無(wú)人機(jī)機(jī)頭前下方的機(jī)載成像傳感器實(shí)時(shí)獲取無(wú)人機(jī)下方的目標(biāo)區(qū)域景象，用于作為圖像匹配模塊的實(shí)時(shí)圖輸入。同時(shí)根據(jù)信息融合處理模塊的機(jī)載成像傳感器視區(qū)計(jì)算子模塊的相關(guān)位置信息，調(diào)用數(shù)字地圖庫(kù)中對(duì)應(yīng)區(qū)域的圖像，用于作為圖像匹配模塊的基準(zhǔn)圖輸入。然后將實(shí)時(shí)圖和基準(zhǔn)圖經(jīng)圖像匹配模塊的特征提取子模塊和匹配定位子模塊的匹配定位處理，得到無(wú)人機(jī)的當(dāng)前位置信息，最后將當(dāng)前位置信息通過(guò)總線傳送給信息融合處理模塊的信息濾波子模塊。步驟三信息融合處理模塊的信息濾波子模塊進(jìn)行多信息融合，得到無(wú)人機(jī)的全狀態(tài)信息。信息融合處理模塊的信息濾波子模塊將高度表、空速計(jì)以及慣導(dǎo)設(shè)備的測(cè)量信息進(jìn)行融合濾波，并與接收到的上行通訊接口信息進(jìn)行比較，調(diào)整無(wú)人機(jī)的飛行狀態(tài)。步驟四下行通訊接口與信息融合處理模塊的信息濾波子模塊連接，將無(wú)人機(jī)當(dāng)前的位置、高度、速度和姿態(tài)角等導(dǎo)航參數(shù)信息經(jīng)無(wú)線發(fā)射裝置傳送給地面站，便于地面控制人員對(duì)無(wú)人機(jī)的實(shí)時(shí)遙測(cè)監(jiān)控。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于1)本發(fā)明提供一種高空長(zhǎng)航時(shí)無(wú)人機(jī)組合導(dǎo)航系統(tǒng)，采用了模塊化處理機(jī)制，分別進(jìn)行匹配定位和信息融合，提高了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理速度，方便各模塊的維修調(diào)試。2)本發(fā)明提供一種高空長(zhǎng)航時(shí)無(wú)人機(jī)組合導(dǎo)航系統(tǒng)，采用基于特征的快速魯棒性特征匹配方法來(lái)提取基準(zhǔn)圖和實(shí)時(shí)圖的特征點(diǎn)進(jìn)行匹配。所提取的特征點(diǎn)具有尺度、旋轉(zhuǎn)和亮度不變性，并對(duì)噪聲具有一定的適應(yīng)能力，提高了系統(tǒng)對(duì)多源遙感圖像的匹配魯棒性和實(shí)時(shí)性。同時(shí)加入基于統(tǒng)計(jì)量的馬氏距離，進(jìn)一步提高了匹配精度，得到高精度的定位信肩、ο3)本發(fā)明提供一種高空長(zhǎng)航時(shí)無(wú)人機(jī)組合導(dǎo)航系統(tǒng)，采用的慣導(dǎo)設(shè)備為微機(jī)電傳感器，運(yùn)用一體化、集成化設(shè)計(jì)手段，將盡可能多的元器件高度集成在同一塊電路板上，具有體積小、模塊化、重量輕和成本低等優(yōu)點(diǎn)。


圖1 本發(fā)明提供一種高空長(zhǎng)航時(shí)無(wú)人機(jī)組合導(dǎo)航系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2 本發(fā)明中圖像匹配模塊的設(shè)計(jì)流程示意圖。圖中1 慣導(dǎo)設(shè)備；2-景象匹配定位模塊；3-大氣傳感器；4-信息融合處理模塊； 5-上行通訊接口 ；6-下行通訊接口 ；7-無(wú)線接收裝置；8-無(wú)線發(fā)射裝置；201-機(jī)載成像傳感器；202-數(shù)字地圖庫(kù)；203-圖像匹配模塊；301-高度表；302-空速計(jì)。
具體實(shí)施例方式下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。本發(fā)明提供一種高空長(zhǎng)航時(shí)無(wú)人機(jī)組合導(dǎo)航系統(tǒng)，如圖1所示，包括慣導(dǎo)設(shè)備1、 景象匹配定位模塊2、大氣傳感器3、信息融合處理模塊4、上行通訊接口 5和下行通訊接口 6。所述的慣導(dǎo)設(shè)備1用于測(cè)量無(wú)人機(jī)機(jī)體系的三軸角速率、加速度等信息量，包括三軸角速率陀螺儀和三軸加速度計(jì)。三軸角速率陀螺儀沿?zé)o人機(jī)機(jī)體系三軸分布，經(jīng)放大濾波電路與信息融合處理模塊4連接，用于測(cè)量無(wú)人機(jī)的姿態(tài)信息，包括俯仰角、滾轉(zhuǎn)角和航向角；三軸加速度計(jì)沿?zé)o人機(jī)機(jī)體系三軸分布，經(jīng)射隨器與信息融合處理模塊4連接。其經(jīng)積分運(yùn)算得出無(wú)人機(jī)的位置信息，包括經(jīng)度和緯度。所述三軸角速率陀螺儀采用微機(jī)電角速率陀螺儀，所述的三軸加速度計(jì)采用微機(jī)電加速度計(jì)。所述景象匹配定位模塊2包括機(jī)載成像傳感器201、數(shù)字地圖庫(kù)202和圖像匹配模塊203。所述的機(jī)載成像傳感器201安裝在無(wú)人機(jī)的機(jī)頭前下方，用于實(shí)時(shí)獲取無(wú)人機(jī)下方的目標(biāo)區(qū)域景象，用于作為圖像匹配模塊203的實(shí)時(shí)圖輸入；所述的數(shù)字地圖庫(kù)202，接受信息融合處理模塊4的位置信息，調(diào)用對(duì)應(yīng)區(qū)域的地像，用于作為圖像匹配模塊203的基準(zhǔn)圖輸入，包含經(jīng)度和緯度等信息；所述的圖像匹配模塊203，包含特征提取子模塊和匹配定位子模塊，特征提取子模塊接受機(jī)載成像傳感器201獲取的實(shí)時(shí)圖和數(shù)字地圖庫(kù)202 調(diào)用的基準(zhǔn)圖，完成對(duì)實(shí)時(shí)圖和基準(zhǔn)圖的圖像特征點(diǎn)提取；所述的匹配定位子模塊對(duì)特征提取子模塊提取出的實(shí)時(shí)圖和基準(zhǔn)圖的圖像特征點(diǎn)進(jìn)行導(dǎo)航參數(shù)計(jì)算，得到無(wú)人機(jī)的當(dāng)前位置信息，作為信息融合處理模塊4的輸入。所述的機(jī)載成像傳感器201采用多光譜傳感器，所述的數(shù)字地圖庫(kù)202采用由衛(wèi)星或大地測(cè)量獲取的全球數(shù)字地圖數(shù)據(jù)庫(kù)。所述的大氣傳感器3包括高度表301和空速計(jì)302。所述高度表301和空速計(jì)302 均經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器與信息融合處理模塊4的機(jī)載成像傳感器視區(qū)計(jì)算子模塊和信息濾波子模塊相連接。高度表301用于測(cè)量無(wú)人機(jī)的飛行高度，空速計(jì)302用于測(cè)量無(wú)人機(jī)相對(duì)于空氣的速度。所述的信息融合處理模塊4包括兩個(gè)相互連接的信息濾波子模塊和結(jié)合大氣傳感器3信息的機(jī)載成像傳感器視區(qū)計(jì)算子模塊。信息濾波子模塊與慣導(dǎo)設(shè)備1 (三軸角速率陀螺儀和三軸加速度計(jì))、高度表301、空速計(jì)302、景象匹配定位模塊2的圖像匹配模塊 203均連接，信息濾波子模塊用于處理高度表301、空速計(jì)302、慣導(dǎo)設(shè)備1的測(cè)量參數(shù)和景象匹配定位模塊2的位置信息。機(jī)載成像傳感器視區(qū)計(jì)算子模塊經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器與高度表 301和空速計(jì)302連接，完成由慣導(dǎo)設(shè)備1測(cè)量信息進(jìn)行無(wú)人機(jī)的姿態(tài)解算。機(jī)載成像傳感器視區(qū)計(jì)算子模塊還與慣導(dǎo)設(shè)備1連接，接收慣導(dǎo)設(shè)備1測(cè)量信息，采用四元數(shù)方法進(jìn)行姿態(tài)解算，最終可以計(jì)算出無(wú)人機(jī)的全姿態(tài)信息，包括俯仰角、滾轉(zhuǎn)角、航向角。信息融合處理模塊4的信息濾波子模塊，用于將慣導(dǎo)設(shè)備1、景象匹配定位模塊2、高度表301和空速計(jì) 302等信息量進(jìn)行濾波，得到無(wú)人機(jī)當(dāng)前的導(dǎo)航參數(shù)信息，包括姿態(tài)角、位置、速度和高度信息等。再將這些導(dǎo)航信息經(jīng)下行通訊接口 6，通過(guò)無(wú)線發(fā)射裝置8傳送給地面站。所述的上行通訊接口 5與信息融合處理模塊4的機(jī)載成像傳感器視區(qū)計(jì)算子模塊相連接，經(jīng)無(wú)線接收裝置7接受地面站的遙控指令，將接收到的地面站遙控指令傳送給信息融合處理模塊4的機(jī)載成像傳感器視區(qū)計(jì)算子模塊，對(duì)飛行狀態(tài)和參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。所述下行通訊接口 6與信息融合處理模塊4的信息濾波子模塊連接，將無(wú)人機(jī)的當(dāng)前的導(dǎo)航參數(shù)信息(姿態(tài)角、位置、速度和高度信息)經(jīng)無(wú)線發(fā)射裝置8傳送給地面站， 便于地面控制人員對(duì)無(wú)人機(jī)的實(shí)時(shí)遙測(cè)監(jiān)控。本發(fā)明中機(jī)體系是建立在無(wú)人機(jī)上的正交坐標(biāo)系X-Y-Z，其中X軸垂直于無(wú)人機(jī)對(duì)稱(chēng)平面并指向右方，Y軸處于無(wú)人機(jī)對(duì)稱(chēng)平面內(nèi)，由質(zhì)心指向無(wú)人機(jī)運(yùn)動(dòng)前方，Z軸在無(wú)人機(jī)對(duì)稱(chēng)平面內(nèi)且垂直于Y軸指向上方。經(jīng)信息融合處理模塊4的相應(yīng)運(yùn)算，計(jì)算當(dāng)前無(wú)人機(jī)的姿態(tài)和位置等全狀態(tài)信息量。由安裝在無(wú)人機(jī)機(jī)頭前下方的機(jī)載成像傳感器201實(shí)時(shí)對(duì)目標(biāo)景象進(jìn)行航拍，獲取實(shí)時(shí)圖，同時(shí)利用信息融合處理模塊4的位置解算信息從數(shù)字地圖庫(kù)202中調(diào)用對(duì)應(yīng)位置區(qū)域的圖像，作為基準(zhǔn)圖。將實(shí)時(shí)圖和基準(zhǔn)圖作為圖像匹配模塊203的特征提取子模塊的輸入，得到兩幅圖像上對(duì)角度旋轉(zhuǎn)、尺度縮放以及噪聲等是不變量的特征點(diǎn)，最后經(jīng)圖像匹配模塊203的匹配定位子模塊得到當(dāng)前無(wú)人機(jī)航拍所得實(shí)時(shí)圖相對(duì)基準(zhǔn)圖的變換參數(shù)，進(jìn)而得到無(wú)人機(jī)當(dāng)前的位置信息，如經(jīng)度、緯度等。本發(fā)明中景象匹配定位模塊2中圖像匹配模塊203在設(shè)計(jì)時(shí)考慮到圖像匹配模塊 203輸入的實(shí)時(shí)圖是由機(jī)載成像傳感器201獲取，基準(zhǔn)圖則由衛(wèi)星得到，不同源遙感圖像間存在較大灰度差異，因此采用基于統(tǒng)計(jì)量的馬氏距離的快速魯棒性特征匹配方法進(jìn)行圖像匹配。具體的圖像匹配方法如圖2所示，包括以下幾個(gè)步驟(1)特征提取首先對(duì)基準(zhǔn)圖和實(shí)時(shí)圖做灰度化處理，將彩色遙感圖像轉(zhuǎn)換成灰度化圖像，便于后續(xù)的圖像匹配實(shí)現(xiàn)。然后生成積分圖像，將灰度化處理過(guò)的灰度化圖像按下式逐個(gè)像素點(diǎn)遍歷一次得到。

權(quán)利要求
1.一種高空長(zhǎng)航時(shí)無(wú)人機(jī)組合導(dǎo)航系統(tǒng)，其特征在于包括慣導(dǎo)設(shè)備、景象匹配定位模塊、大氣傳感器、信息融合處理模塊、上行通訊接口和下行通訊接口 ；所述的慣導(dǎo)設(shè)備用于測(cè)量無(wú)人機(jī)機(jī)體系的三軸角速率和加速度信息，包括三軸角速率陀螺儀和三軸加速度計(jì)；三軸角速率陀螺儀經(jīng)放大濾波電路與信息融合處理模塊連接，用于測(cè)量無(wú)人機(jī)的姿態(tài)信息；三軸加速度計(jì)經(jīng)射隨器與信息融合處理模塊連接，其經(jīng)積分運(yùn)算得出無(wú)人機(jī)的位置信息；所述景象匹配定位模塊包括機(jī)載成像傳感器、數(shù)字地圖庫(kù)和圖像匹配模塊；所述的機(jī)載成像傳感器安裝在無(wú)人機(jī)的機(jī)頭前下方，用于實(shí)時(shí)獲取無(wú)人機(jī)下方的目標(biāo)區(qū)域景象，作為圖像匹配模塊的實(shí)時(shí)圖輸入；所述的數(shù)字地圖庫(kù)接受信息融合處理模塊的位置信息，調(diào)用對(duì)應(yīng)區(qū)域的地像，用于作為圖像匹配模塊的基準(zhǔn)圖輸入；所述的圖像匹配模塊包含特征提取子模塊和匹配定位子模塊，特征提取子模塊接受機(jī)載成像傳感器獲取的實(shí)時(shí)圖和數(shù)字地圖庫(kù)調(diào)用的基準(zhǔn)圖，完成對(duì)實(shí)時(shí)圖和基準(zhǔn)圖的圖像特征點(diǎn)提取，匹配定位子模塊對(duì)特征提取子模塊提取出的實(shí)時(shí)圖和基準(zhǔn)圖的圖像特征點(diǎn)進(jìn)行導(dǎo)航參數(shù)計(jì)算，得到無(wú)人機(jī)的當(dāng)前位置信息，作為信息融合處理模塊的輸入；所述的大氣傳感器包括高度表和空速計(jì)，高度表和空速計(jì)均經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器與信息融合處理模塊相連接；高度表用于測(cè)量無(wú)人機(jī)的飛行高度，空速計(jì)用于測(cè)量無(wú)人機(jī)相對(duì)于空氣的速度；所述的信息融合處理模塊包括信息濾波子模塊和結(jié)合大氣傳感器信息的機(jī)載成像傳感器視區(qū)計(jì)算子模塊；信息濾波子模塊與三軸角速率陀螺儀、三軸加速度計(jì)、高度表、空速計(jì)、景象匹配定位模塊的圖像匹配模塊均連接，信息濾波子模塊用于處理高度表、空速計(jì)、 慣導(dǎo)設(shè)備的測(cè)量參數(shù)和景象匹配定位模塊的位置信息，得到無(wú)人機(jī)當(dāng)前的導(dǎo)航參數(shù)信息； 機(jī)載成像傳感器視區(qū)計(jì)算子模塊經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器與高度表和空速計(jì)連接，完成由慣導(dǎo)設(shè)備測(cè)量信息進(jìn)行無(wú)人機(jī)的姿態(tài)解算；機(jī)載成像傳感器視區(qū)計(jì)算子模塊還與慣導(dǎo)設(shè)備連接，接收慣導(dǎo)設(shè)備測(cè)量信息，計(jì)算出無(wú)人機(jī)的全姿態(tài)信息；所述的上行通訊接口與信息融合處理模塊的機(jī)載成像傳感器視區(qū)計(jì)算子模塊相連接， 經(jīng)無(wú)線接收裝置接受地面站的遙控指令，將接收到的地面站遙控指令傳送給信息融合處理模塊的機(jī)載成像傳感器視區(qū)計(jì)算子模塊；所述的下行通訊接口與信息融合處理模塊的信息濾波子模塊連接，將無(wú)人機(jī)的當(dāng)前的導(dǎo)航參數(shù)信息經(jīng)無(wú)線發(fā)射裝置傳送給地面站。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高空長(zhǎng)航時(shí)無(wú)人機(jī)組合導(dǎo)航系統(tǒng)，其特征在于所述的景象匹配定位模塊采用基于統(tǒng)計(jì)量的馬氏距離的快速魯棒性特征匹配方法進(jìn)行圖像匹配， 具體的圖像匹配方法包括以下幾個(gè)步驟(1)特征提取首先對(duì)基準(zhǔn)圖和實(shí)時(shí)圖做灰度化處理，將彩色遙感圖像轉(zhuǎn)換成灰度化圖像，然后生成積分圖像，將灰度化處理過(guò)的灰度化圖像按下式逐個(gè)像素點(diǎn)遍歷一次得到；
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高空長(zhǎng)航時(shí)無(wú)人機(jī)組合導(dǎo)航系統(tǒng)，其特征在于所述的三軸角速率陀螺儀采用微機(jī)電角速率陀螺儀，所述的三軸加速度計(jì)采用微機(jī)電加速度計(jì)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高空長(zhǎng)航時(shí)無(wú)人機(jī)組合導(dǎo)航系統(tǒng)，其特征在于所述的機(jī)載成像傳感器采用多光譜傳感器，所述的數(shù)字地圖庫(kù)采用由衛(wèi)星或大地測(cè)量獲取的全球數(shù)字地圖數(shù)據(jù)庫(kù)。
5. 一種高空長(zhǎng)航時(shí)無(wú)人機(jī)組合導(dǎo)航系統(tǒng)的導(dǎo)航定位方法，其特征在于包括以下幾個(gè)步驟步驟一上行通訊接口經(jīng)無(wú)線接收裝置接收地面站的遙控指令，將指令信息傳送給信息融合處理模塊的機(jī)載成像傳感器視區(qū)計(jì)算子模塊；步驟二 首先通過(guò)安裝在無(wú)人機(jī)機(jī)頭前下方的機(jī)載成像傳感器實(shí)時(shí)獲取無(wú)人機(jī)下方的目標(biāo)區(qū)域景象，用于作為圖像匹配模塊的實(shí)時(shí)圖輸入，同時(shí)根據(jù)信息融合處理模塊的機(jī)載成像傳感器視區(qū)計(jì)算子模塊的相關(guān)位置信息，調(diào)用數(shù)字地圖庫(kù)中對(duì)應(yīng)區(qū)域的圖像，用于作為圖像匹配模塊的基準(zhǔn)圖輸入，然后將實(shí)時(shí)圖和基準(zhǔn)圖經(jīng)圖像匹配模塊的特征提取子模塊和匹配定位子模塊的匹配定位處理，得到無(wú)人機(jī)的定位信息，最后將定位信息通過(guò)總線傳送給信息融合處理模塊的信息濾波子模塊；步驟三信息融合處理模塊的信息濾波子模塊進(jìn)行多信息融合，得到無(wú)人機(jī)的全狀態(tài)信息；信息融合處理模塊的信息濾波子模塊將高度表、空速計(jì)以及慣導(dǎo)設(shè)備的測(cè)量信息進(jìn)行融合濾波，并與接收到的上行通訊接口信息進(jìn)行比較，調(diào)整無(wú)人機(jī)的飛行狀態(tài)；步驟四下行通訊接口與信息融合處理模塊的信息濾波子模塊連接，將無(wú)人機(jī)定位信息經(jīng)無(wú)線發(fā)射裝置傳送給地面站。
全文摘要
本發(fā)明提供一種高空長(zhǎng)航時(shí)無(wú)人機(jī)組合導(dǎo)航系統(tǒng)及其導(dǎo)航定位方法，包括慣導(dǎo)設(shè)備、景象匹配定位模塊、大氣傳感器、信息融合處理模塊、上行通訊接口和下行通訊接口，景象匹配定位模塊包括機(jī)載成像傳感器、數(shù)字地圖庫(kù)和圖像匹配模塊。本發(fā)明提供的導(dǎo)航系統(tǒng)采用基于特征的快速魯棒性特征匹配方法來(lái)提取基準(zhǔn)圖和實(shí)時(shí)圖的特征點(diǎn)進(jìn)行匹配，所提取的特征點(diǎn)具有尺度、旋轉(zhuǎn)和亮度不變性，并對(duì)噪聲具有一定的適應(yīng)能力，提高了系統(tǒng)對(duì)多源遙感圖像的匹配魯棒性和實(shí)時(shí)性。同時(shí)加入基于統(tǒng)計(jì)量的馬氏距離，進(jìn)一步提高了匹配精度，得到高精度的定位信息。采用了模塊化處理機(jī)制，分別進(jìn)行匹配定位和信息融合，提高了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理速度，方便各模塊的維修調(diào)試。
文檔編號(hào)G01C21/24GK102353377SQ20111019358
公開(kāi)日2012年2月15日 申請(qǐng)日期2011年7月12日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月12日
發(fā)明者王養(yǎng)柱, 肖江陽(yáng), 趙啟兵 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)